Bone age assessment is a method of assigning a level of biological maturity to a child. It is usually performed either by comparing an x-ray of a child's left hand and wrist with an atlas of known bones, or by analysing specific features of bones such as ratios of width to height, or the degree of overlap with other bones. Both methods of assessment are labour intensive and prone to both inter- and intra-observer variability. This is motivation for developing a computerised method of bone age assessment. The majority of research and development on computerised bone age assessment has focussed on analysing the bones of the hand. The wrist bones, especially the carpal bones, have received far less attention and have only been analysed in young children in which there is clear separation of the bones. An argument is presented that the evidence for excluding the carpal bones from computerised bone age assessment is weak and that research is required to identify the role of carpal bones in the computerised assessment of bone age for children over eight years of age. Computerised analysis of the carpal bones in older children is a difficult computer vision problem plagued by radiographic noise, poor image contrast, and especially poor definition of bone contours. Traditional image processing methods such as region growing fail and even the very successful Canny linear edge detector can only find the simplest of bone edges in these images. The field of partial differential equation-based image processing provides some possible solutions to this problem, such as the use of active contour models to impose constraints upon the contour continuity. However, many of these methods require regularisation to achieve unique and stable solutions. An important part of this regularisation is image denoising. Image denoising was approached through development of a noise model for the Kodak computed radiography system, estimation of noise parameters using a robust estimator of noise per pixel intensity bin, and incorporation of the noise model into a denoising method based on oriented Laplacians. The results for this approach only showed a marginal improvement when using the signal-dependent noise model, although this likely reflects how the noise characteristics were incorporated into the anisotropic diffusion method, rather than the principle of this approach. Even without the signal-dependent noise term the oriented Laplacians denoising of the hand-wrist radiographs was very effective at removing noise and preserving edges.

O objetivo deste trabalho é filtrar sinais corrompidos por ruído Gaussiano ou impulsivo, preservando a amplitude e a morfologia do sinal original. Normalmente, um filtro linear é utilizado nesta tarefa, porém este filtro altera significativamente as amplitudes e as bordas dos sinais, bem como insere atrasos no sinal. Mostra-se neste trabalho que a difusão anisotrópica em conjunto com filtro mediana é muito mais eficaz do que os filtros lineares para esta aplicação. A difusão anisotrópica é uma filtragem iterativa, onde o sinal é filtrado repetidamente. A difusão anisotrópica é controlada por uma função denominada parada-na-aresta, por um parâmetro de escala e pelo número de iterações. Neste trabalho, testamos três bem conhecidas funções parada-na-aresta, concluindo que a função de parada na aresta de Malik e Perona consegue o maior fator de redução de ruído. Infelizmente, esta função é extremamente sensível ao número de iterações, onde o fator de redução de ruído deteriora-se rapidamente antes e depois do ponto ótimo. Como não se conhece o sinal sem ruído, não é possível determinar precisamente qual é o melhor momento de encerrar as iterações do filtro anisotrópico. Desenvolve-se neste trabalho um novo método de parada de difusão baseado na análise da resposta de freqüência do sinal filtrado. Também mostramos como determinar automaticamente um valor de escala adequado. Aplicamos a técnica proposta em eletrocardiograma (ECG). complexo QRS e as Contrações Ventriculares Prematuras (Premature Ventricular Contractions - PVCs) são informações importantes contidas no sinal de ECG. Quando esses sinais são adquiridos no mundo real, eles são freqüentemente corrompidos por eletromiogramas (EMG), artefatos ruidosos provenientes da atividade elétrica associada às contrações musculares. EMG é considerado o ruído de ECG mais difícil de ser eliminado. Ao filtrar o sinal de ECG para remover EMG, não se pode alterar a informação do complexo QRS e anomalia PVC, para não comprometer o diagnóstico clínico. O sinal EMG é modelado como sendo ruído Gaussiano ou, de uma forma mais realística, como ruído com distribuição alfa-estável com características impulsivas. Aplicamos a técnica proposta para filtrar sinais de eletrocardiograma reais do banco de dados de Massachusetts Institute of Technology - Beth Israel Hospital (MIT-BIH). Também é analisada nesta tese a filtragem de sinais provenientes de sensor piezoelétrico. Estes sinais são usados em sistemas reais de corte de aço duro. Em geral uma ferramenta de corte tem sensores piezoelétricos, usados para medição do esforço do corte. Quando a ferramenta de corte se encosta à peça a ser cortada, o sinal do sensor produz uma informação que decai erroneamente ao longo do tempo. Aplicamos a difusão anisotrópica em conjunto com o filtro mediana para determinar o decaimento do sinal do sensor piezoelétrico ao longo do tempo, e assim compensar esta distorção e melhorar o corte de aço duro. / This thesis aims to filter signals corrupted by Gaussian or impulsive noise, preserving the amplitude and the morphology of the original signal. Typically, a linear filter is used for this task, but this filter significantly alters the amplitudes and the edges of the signals and inserts delays in the signal. This work shows that the anisotropic diffusion in conjunction with median filter is much more effective than linear filters for this application. The anisotropic diffusion is an iterative filter, where the signal is filtered repeatedly. An edge-stopping function, a scale parameter and the number of iterations control the anisotropic diffusion. In this study, we tested three well-known edge-stopping functions, concluding that the Perona and Maliks function yields the largest noise reduction factor. Unfortunately, this function is extremely sensitive to the number of iterations, where the noise reduction factor deteriorates quickly before and after the optimal point. As we do not have access to the original noiseless signal, it is not possible to determine precisely the best moment to stop the iterations of the anisotropic filtering. We develop in this paper a new method to determine the best stopping time based on the analysis of the frequency response of the filtered signal. We also show how to determine automatically an adequate scale parameter. We apply the proposed technique to filter electrocardiogram (ECG). The QRS complex and Premature Ventricular Contractions (PVCs) are important information in the ECG signal. When these signals are acquired in the real world, they are often corrupted with noise artifacts from the electrical activity associated with muscle contractions called Electromyography (EMG). EMC is considered the most difficult noise to be eliminated from ECG. When the ECG signal is filtered to remove EMG, the information of the QRS complex and the PVC abnormality must not be altered, to not compromise the clinical diagnosis. We model the EMG signal as Gaussian noise or, more realistically, as alpha stable distribution noise with impulsive characteristics. We apply this technique to filter the real ECG signals from the Massachusetts Institute of Technology - Beth Israel Hospital database (MIT-BIH). This thesis also analyzes the filtering of signals from piezoelectric sensor. These signals are used in real systems for cutting hard steel. In general, a cutting tool has piezoelectric sensors, used to measure the cutting force. When the cutting tool touches the part to be cut, the signal from the sensor produces information that falsely decays over the time. We apply the anisotropic diffusion in conjunction with the median filter to determine the decay of the signal, and therefore offset this distortion and improve the hard steel cutting.

O objetivo deste trabalho é filtrar sinais corrompidos por ruído Gaussiano ou impulsivo, preservando a amplitude e a morfologia do sinal original. Normalmente, um filtro linear é utilizado nesta tarefa, porém este filtro altera significativamente as amplitudes e as bordas dos sinais, bem como insere atrasos no sinal. Mostra-se neste trabalho que a difusão anisotrópica em conjunto com filtro mediana é muito mais eficaz do que os filtros lineares para esta aplicação. A difusão anisotrópica é uma filtragem iterativa, onde o sinal é filtrado repetidamente. A difusão anisotrópica é controlada por uma função denominada parada-na-aresta, por um parâmetro de escala e pelo número de iterações. Neste trabalho, testamos três bem conhecidas funções parada-na-aresta, concluindo que a função de parada na aresta de Malik e Perona consegue o maior fator de redução de ruído. Infelizmente, esta função é extremamente sensível ao número de iterações, onde o fator de redução de ruído deteriora-se rapidamente antes e depois do ponto ótimo. Como não se conhece o sinal sem ruído, não é possível determinar precisamente qual é o melhor momento de encerrar as iterações do filtro anisotrópico. Desenvolve-se neste trabalho um novo método de parada de difusão baseado na análise da resposta de freqüência do sinal filtrado. Também mostramos como determinar automaticamente um valor de escala adequado. Aplicamos a técnica proposta em eletrocardiograma (ECG). complexo QRS e as Contrações Ventriculares Prematuras (Premature Ventricular Contractions - PVCs) são informações importantes contidas no sinal de ECG. Quando esses sinais são adquiridos no mundo real, eles são freqüentemente corrompidos por eletromiogramas (EMG), artefatos ruidosos provenientes da atividade elétrica associada às contrações musculares. EMG é considerado o ruído de ECG mais difícil de ser eliminado. Ao filtrar o sinal de ECG para remover EMG, não se pode alterar a informação do complexo QRS e anomalia PVC, para não comprometer o diagnóstico clínico. O sinal EMG é modelado como sendo ruído Gaussiano ou, de uma forma mais realística, como ruído com distribuição alfa-estável com características impulsivas. Aplicamos a técnica proposta para filtrar sinais de eletrocardiograma reais do banco de dados de Massachusetts Institute of Technology - Beth Israel Hospital (MIT-BIH). Também é analisada nesta tese a filtragem de sinais provenientes de sensor piezoelétrico. Estes sinais são usados em sistemas reais de corte de aço duro. Em geral uma ferramenta de corte tem sensores piezoelétricos, usados para medição do esforço do corte. Quando a ferramenta de corte se encosta à peça a ser cortada, o sinal do sensor produz uma informação que decai erroneamente ao longo do tempo. Aplicamos a difusão anisotrópica em conjunto com o filtro mediana para determinar o decaimento do sinal do sensor piezoelétrico ao longo do tempo, e assim compensar esta distorção e melhorar o corte de aço duro. / This thesis aims to filter signals corrupted by Gaussian or impulsive noise, preserving the amplitude and the morphology of the original signal. Typically, a linear filter is used for this task, but this filter significantly alters the amplitudes and the edges of the signals and inserts delays in the signal. This work shows that the anisotropic diffusion in conjunction with median filter is much more effective than linear filters for this application. The anisotropic diffusion is an iterative filter, where the signal is filtered repeatedly. An edge-stopping function, a scale parameter and the number of iterations control the anisotropic diffusion. In this study, we tested three well-known edge-stopping functions, concluding that the Perona and Maliks function yields the largest noise reduction factor. Unfortunately, this function is extremely sensitive to the number of iterations, where the noise reduction factor deteriorates quickly before and after the optimal point. As we do not have access to the original noiseless signal, it is not possible to determine precisely the best moment to stop the iterations of the anisotropic filtering. We develop in this paper a new method to determine the best stopping time based on the analysis of the frequency response of the filtered signal. We also show how to determine automatically an adequate scale parameter. We apply the proposed technique to filter electrocardiogram (ECG). The QRS complex and Premature Ventricular Contractions (PVCs) are important information in the ECG signal. When these signals are acquired in the real world, they are often corrupted with noise artifacts from the electrical activity associated with muscle contractions called Electromyography (EMG). EMC is considered the most difficult noise to be eliminated from ECG. When the ECG signal is filtered to remove EMG, the information of the QRS complex and the PVC abnormality must not be altered, to not compromise the clinical diagnosis. We model the EMG signal as Gaussian noise or, more realistically, as alpha stable distribution noise with impulsive characteristics. We apply this technique to filter the real ECG signals from the Massachusetts Institute of Technology - Beth Israel Hospital database (MIT-BIH). This thesis also analyzes the filtering of signals from piezoelectric sensor. These signals are used in real systems for cutting hard steel. In general, a cutting tool has piezoelectric sensors, used to measure the cutting force. When the cutting tool touches the part to be cut, the signal from the sensor produces information that falsely decays over the time. We apply the anisotropic diffusion in conjunction with the median filter to determine the decay of the signal, and therefore offset this distortion and improve the hard steel cutting.

Two complementary solution strategies to the least-squares migration problem with sparseness- & continuity constraints are proposed. The applied formalism explores the sparseness of curvelets on the reflectivity and their invariance under the demigration migration operator. Sparseness is enhanced by (approximately) minimizing a (weighted) l1-norm on the curvelet coefficients. Continuity along imaged reflectors is brought out by minimizing the anisotropic difussion or total variation norm which penalizes variations along and in between reflectors. A brief sketch of the theory is provided as well as a number of synthetic examples. Technical details on the implementation of the optimization strategies are deferred to an accompanying paper: implementation.

La mobilité de l’hydrogène dans les métaux est un paramètre clef pour la compréhension des mécanismes de base de la fragilisation par l’hydrogène (FPH). Cette problématique est directement associée aux mécanismes de diffusion et de piégeage de l’hydrogène au sein d’un réseau cristallin. Ces derniers dépendent des diverses hétérogénéités microstructurales et en particulier des défauts cristallins présents au sein du matériau. Dans le cadre de nos travaux nous nous sommes restreints à étudier la diffusion et le piégeage de l’hydrogène au sein de deux systèmes élémentaires : des monocristaux et des bi-cristaux de nickel. Nous avons développé une méthodologie associant des outils expérimentaux (Perméation électrochimique/TDS, METHR, EBSD) et numériques (FEM-COMSOL/EAM-LAMMPS). Les résultats obtenus sur monocristaux montrent une dépendance du coefficient de diffusion de l’hydrogène avec l’orientation cristallographique et la teneur en hydrogène. L’analyse thermodynamique du système nickel-hydrogène-lacune démontre une dépendance du potentiel chimique de l’hydrogène à l’état de contrainte induit par la formation d’amas de lacunes associés à la présence de l’hydrogène. Le caractère anisotrope de la diffusion est alors expliqué par l’anisotropie des propriétés d’élasticité du réseau cristallin et la présence de ces amas. D’autre part nous avons caractérisé les processus de diffusion et de piégeage de l’hydrogène pour des bi-cristaux de nickel présentant différents volumes libres. L’énergie de ségrégation de l’hydrogène dépend de la nature du site (volume libre local et énergie mécanique associée à l’incorporation du soluté). La diffusion de l’hydrogène est influencée directement par la nature de joint de grain (excès de volume et distribution des sites). Nos résultats, à l’échelle atomique, montrent une corrélation entre la solubilité et le volume libre du joint de grain. Les joints de grains avec un volume libre important présentent des chemins de diffusion plus favorables pour l'hydrogène que dans le réseau cristallin et dans le même temps un nombre plus important de sites de ségrégation. / The mobility of hydrogen in metals is a key parameter for understanding the basic mechanisms of hydrogen embrittlement (HE). This problem is directly related to the mechanisms of diffusion and trapping of hydrogen within a crystal lattice. These mechanisms depend on the various microstructural heterogeneities and in particular the crystalline defects. In our work, we have focused on the diffusion and trapping of hydrogen in two elementary systems: nickel single crystals and bi-crystals. We developed a methodology combining experimental tools (electrochemical permeation / TDS, HRTEM, EBSD) and numerical methods (FEM-COMSOL / EAM-LAMMPS). The results obtained on the single crystals show a dependence of the diffusion coefficient of hydrogen with the crystallographic orientation and the hydrogen content. The thermodynamic analysis of the nickel-hydrogen-vacancy system shows a dependence of the chemical potential of hydrogen with the stress state induced by the formation of clusters of vacancies associated with the presence of hydrogen. The anisotropic character of the diffusion is then explained by the anisotropy of the elastic properties of the crystal lattice and the presence of these clusters. Moreover, we have characterized the processes of diffusion and trapping of hydrogen for nickel bi-crystals with different free volumes. The segregation energy of hydrogen depends on the nature of the site (the local free volume and the mechanical energy associated with the incorporation of solute). The diffusion of hydrogen is directly influenced by the nature of the grain boundary (the free volume and the distribution of the segregation sites). Our results, at the atomic scale, show a correlation between the solubility and the free volume of the grain boundary. The grain boundaries with a higher free volume have more favorable diffusion paths for hydrogen than in the crystal lattice and at the same time more segregation sites.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:29:40Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-02-01Bitstream added on 2014-06-13T18:59:19Z : No. of bitstreams: 1 araujo_af_me_sjrp.pdf: 2505898 bytes, checksum: cb768a03165a1307255a1888187c915a (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O diagnóstico médico auxiliado por computador tem se tornado cada vez mais frequente, como por exemplo, no diagnóstico de lesões de pele, para o qual técnicas para a extração automática dos contornos das mesmas torna-se crucial. Muitas vezes, algumas lesões passam despercebidas pelo deramtologista porque este pode estar com a visão cansada e ter dificuladade para identificar corretamente as características das regiões doentes. O método apresentado neste trabalho utiliza a difusão anisotrópica para fazer a suavização seletiva da imagem, preservando as bordas e permitindo a extração de contornos com suas principais características: forma e rugosidade. a aplicação do crescimento de regiões Mumford-Shah possibilitou a extração de um contorno inicial, refinado pelos métodos de watershed e contorno ativo. As características das bordas detectadas foram extraídas de acordo com a regra ABCD, sendo os resultados validados por um especialista em doenças dermatológicas. / The computer aided medical diagnosis has become increasingly common, such as the diagnosis of skin lesions, where the techniques for automatic extraction of their contours becomes cricial. Often, some lesions are overlooked by the dermatologist because his vision may be tired making it difficukt for him to properly identify characteristics of the injured regions. The method presented in this work uses anisotropic diffusion for a selective image smoothing, preserving the contour of the image, and allowing the extraction of the main characteristics of the identified contour: shape and roughness. The application of the Mumford-Shah method allows the extraction of an initial contour, wich is then refined by the methods of watershed and active contour. The characteristics of the detected edges are extracted according to the ABCD rule, and the results are validated by an expert in dermatological diseases.

Orientador: Aledir Silveira Pereira / Banca: Norian Marranghello / Banca: Ivan Nunes da Silva / Resumo: O diagnóstico médico auxiliado por computador tem se tornado cada vez mais frequente, como por exemplo, no diagnóstico de lesões de pele, para o qual técnicas para a extração automática dos contornos das mesmas torna-se crucial. Muitas vezes, algumas lesões passam despercebidas pelo deramtologista porque este pode estar com a visão cansada e ter dificuladade para identificar corretamente as características das regiões doentes. O método apresentado neste trabalho utiliza a difusão anisotrópica para fazer a suavização seletiva da imagem, preservando as bordas e permitindo a extração de contornos com suas principais características: forma e rugosidade. a aplicação do crescimento de regiões Mumford-Shah possibilitou a extração de um contorno inicial, refinado pelos métodos de watershed e contorno ativo. As características das bordas detectadas foram extraídas de acordo com a regra ABCD, sendo os resultados validados por um especialista em doenças dermatológicas. / Abstract: The computer aided medical diagnosis has become increasingly common, such as the diagnosis of skin lesions, where the techniques for automatic extraction of their contours becomes cricial. Often, some lesions are overlooked by the dermatologist because his vision may be tired making it difficukt for him to properly identify characteristics of the injured regions. The method presented in this work uses anisotropic diffusion for a selective image smoothing, preserving the contour of the image, and allowing the extraction of the main characteristics of the identified contour: shape and roughness. The application of the Mumford-Shah method allows the extraction of an initial contour, wich is then refined by the methods of watershed and active contour. The characteristics of the detected edges are extracted according to the ABCD rule, and the results are validated by an expert in dermatological diseases. / Mestre

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Yes / Diabetic Peripheral Neuropathy (DPN) is one of the most common types of diabetes that can affect the cornea. An accurate analysis of the nerve structures can assist the early diagnosis of this disease. This paper proposes a robust, fast and fully automatic nerve segmentation and morphometric parameter quantification system for corneal confocal microscope images. The segmentation part consists of three main steps. First, a preprocessing step is applied to enhance the visibility of the nerves and remove noise using anisotropic diffusion filtering, specifically a Coherence filter followed by Gaussian filtering. Second, morphological operations are applied to remove unwanted objects in the input image such as epithelial cells and small nerve segments. Finally, an edge detection step is applied to detect all the nerves in the input image. In this step, an efficient algorithm for connecting discontinuous nerves is proposed. In the morphometric parameters quantification part, a number of features are extracted, including thickness, tortuosity and length of nerve, which may be used for the early diagnosis of diabetic polyneuropathy and when planning Laser-Assisted in situ Keratomileusis (LASIK) or Photorefractive keratectomy (PRK). The performance of the proposed segmentation system is evaluated against manually traced ground-truth images based on a database consisting of 498 corneal sub-basal nerve images (238 are normal and 260 are abnormal). In addition, the robustness and efficiency of the proposed system in extracting morphometric features with clinical utility was evaluated in 919 images taken from healthy subjects and diabetic patients with and without neuropathy. We demonstrate rapid (13 seconds/image), robust and effective automated corneal nerve quantification. The proposed system will be deployed as a useful clinical tool to support the expertise of ophthalmologists and save the clinician time in a busy clinical setting.

Neste trabalho são apresentadas, complementadas e melhoradas duas técnicas de restauração de imagens: uma abordando o problema de retoque digital/remoção de objetos enquanto a segunda é direcionada ao problema deneliminação de ruído. Em ambas as técnicas, a ideia é trabalhar com imagens contendo texturas e outras características de interesse para um observador humano como a preservação de padrões, bordas, estruturas e regiões de natureza oscilatória. A técnica descrita sobre retoque digital de imagens combina difusão anisotrópica, síntese de texturas, busca dinâmica e um novo termo empregado no mecanismo de atribuição da ordem de prioridade durante o processo de reconstrução. Assim, dada uma imagem com regiões a serem recompostas, uma técnica de difusão anisotrópica é aplicada à imagem afim de se obter um mapa de saliência contendo bordas, estruturas e demais informações de baixa frequência da imagem. Na sequência, um mecanismo de prioridade baseado em um novo termo de confiabilidade regularizado é calculado a partir da combinação do mapa anteriormente gerado com a equação do transporte. Tal mecanismo é utilizado para determinar a ordem de preenchimento das partes faltantes da imagem. Para essa tarefa, a abordagem apresentada utiliza uma nova medida de similaridade entre blocos de pixels(amostrados dinamicamente para acelerar o processo), afim de encontrar os melhores candidatos a serem alocados nas regiões danificadas. A técnica destinada à remoção de ruídos alia a teoria da difusão anisotrópica, técnicas de análise harmônica e modelos numéricos de discretização de EDPs não-lineares em uma equação diferencial parcial regularizada, a qual atua de forma incisiva em regiões mais homogêneas da imagem e de forma mais suave em regiões caracterizadas como textura e bordas, preservando, assim, essas regiões. Além da natureza anisotrópica, a EDP procura recompor partes texturizadas perdidas no processo de eliminação de ruído através da aplicação de técnicas robustas de análise harmônica. Uma validação teórica e experimental para esta EDP e um estudo do ajuste paramétrico do método de eliminação de ruído baseado nesta EDP foram realizados neste trabalho. A eficiência e a performance das técnicas propostas são atestadas por meio das análises experimentais quantitativas e qualitativas com outras abordagens clássicas da literatura. / In this work two techniques of image restoration are presented, complemented and improved: one approaching the problem of image inpainting/object removal problem while the second one dealing with the image denoising problem. In both cases, the core idea is to process images containing textures and other features perceptible to a human observer such as patterns, contours, structures and oscillatory information. The image inpainting technique combines anisotropic diffusion, texture synthesis, dynamic search and a mechanism to set the order of priority during the image completion process. More precisely, given an image and target region to be inpainted, an anisotropic diffusion technique is applied in order to generate a saliency map containing edges, structures and other low frequency parts of the image. Next, apriority mechanism based on a new biased confidence term is computed from the map previously generated with the transport equation to define the level of priority of the pixels during the filling procedure. To accomplish this task, the presented approach employs a novel measure of similarity wich measures the distance between blocks of pixels (sampled dynamically to speed up the process) in order to find the best candidates to be allocated in the damaged regions. The technique devoted to denoising an image combines the theory of anisotropic diffusion, harmonic analysis techniques and numerical models into a regularized partial differential equation, which diffuses the pixels more incisively on homogeneous regions of the image while still seeking to attenuate regions formed by textures and patterns, thus preserving those information. Moreover, the proposed PDE aims at recovering texturized regions which have been degraded during the denoising process by employing harmonic analysis tools. A theoretical and experimental validation for this EDP and a study of the parametric adjustment of the image denoising method based on this EDP were performed in this work. The effectivenss and performance of the proposed approaches are attested through a comprehensive set of comparisons against other representative techniques in the literature.