VOLUMETR IA INTRACRANEAL Y DEL HIPOCAMPO DESDE IMAGENES DEL HIPOCAMPO DESDE IMAGENES DE RESONANCIA...

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  • UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

    ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y

    DISEÑO INDUSTRIAL

    Grado en Ingenieŕıa Electrónica y Automática Industrial

    TRABAJO FIN DE GRADO

    VOLUMETRÍA INTRACRANEAL Y DEL HIPOCAMPO DESDE IMÁGENES

    DE RESONANCIA MAGNÉTICA USANDO FREESURFER

    Sandra Rodŕıguez Rodrigo

    Tutor: Carlos Platero Dueñas Departamento: Ingenieŕıa Eléctrica, Electrónica, Automática y F́ısica Aplicada

    Madrid, Septiembre 2015

  • ii

  • UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

    ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y

    DISEÑO INDUSTRIAL

    Grado en Ingenieŕıa Electrónica y Automática Industrial

    TRABAJO FIN DE GRADO

    VOLUMETRÍA INTRACRANEAL Y DEL HIPOCAMPO DESDE IMÁGENES

    DE RESONANCIA MAGNÉTICA USANDO FREESURFER

    Firma Autor

    Firma Tutor

  • ii

  • iii

    T́ıtulo: Volumetŕıa intracraneal y del hipocampo desde imágenes de resonancia magnética usando Freesurfer. Autor: Sandra Rodŕıguez Rodrigo Tutor: Carlos Platero Dueñas

    EL TRIBUNAL

    Presidente:

    Vocal:

    Secretario:

    Realizado el acto de defensa y lectura del Trabajo Fin de Grado el d́ıa ....... de .................... de ... en .........., en la Escuela Técnica Superior de Ingenieŕıa y Diseño Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid, acuerda otorgarle la CALIFI- CACIÓN de:

    VOCAL

    SECRETARIO PRESIDENTE

  • iv

  • Agradecimientos

    En primer lugar queŕıa dar las gracias a mis compañeros José Maŕıa Sanz y Juan Manuel Auñón. Por todas esas tardes en la quinta planta, por aquellas risas abriendo nueces como si fueran cerebros y por ayudarme en aquellos momentos de desesperación... por todo eso y más, gracias, sin vosotros no habŕıa sido lo mismo.

    También nombrar a nuestro tutor Carlos Platero, agradecerle haber podido for- mar parte de este gran proyecto, habernos atendido semanalmente y habernos dado la oportunidad de poder hacer simulacros de presentación que nos han ayudado a mejorar poco a poco y a darnos confianza.

    Por otra parte, agradecer a mis padres, a mi hermano, a mis abuelos y a Sergio por todo el apoyo que me habéis dado diariamente e ilusionaros con cada logro.

    Dedicaros a todos vosotros este TFG pero en especial a mi abuelo Adrián quien falleció hace años con Alzheimer, gracias por darle en parte un sentido a mis estudios.

    Gracias.

    v

  • vi AGRADECIMIENTOS

  • Resumen

    Este proyecto se resume en el tratamiento de imágenes cerebrales T1-MRI que conforman las bases de datos del Proyecto Vallecas y del estudio ADNI. Concreta- mente se realizará la eliminación de zonas no cerebrales y el etiquetamiento de cada una de las subregiones cuya finalidad será la de obtener resultados númericos sobre volumetŕıa intracraneal, hipocampal y de materia gris que ayuden a la detección precoz del Alzheimer. Como principal herramienta se utilizará FreeSurfer, la cual además se paralelizará debido a su elevado tiempo de ejecución.

    Para el caso de las imágenes del Proyecto Vallecas, se realizará una comparación con los resultados obtenidos por el CTB mientras que para el caso de ADNI, se tomará el DICE como medida de similitud entre lo realizado por este software y el ground truth.

    Palabras clave: segmentación, paralelización, volumetŕıa.

    vii

  • viii RESUMEN

  • Abstract

    This project could be summarized in the treatment of T1-MRI brain images from PV database and ADNI study. The extraction of non-brain areas and the labeling of each subregion will be crucial to obtain numerical results about intracranial and hippocampal volume in order to the Alzheimer early detection.

    Also, because of the high runtime of the main tool used which is FreeSurfer, it will be necessary to parallelize it.

    For PV images, it will be made a comparison with the CTB’s results while for ADNI images, the value of DICE will be taken as a measure of similarity between the accomplishments of this software and the labels given considered as ground truth.

    Keywords: segmentation, parallelization, volume.

    ix

  • x ABSTRACT

  • Índice general

    Agradecimientos V

    Resumen VII

    Abstract IX

    1. Introducción 1 1.1. Motivación del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3. Materiales utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

    1.3.1. PuTTY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3.2. FileZila . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3.3. Doxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

    1.4. Estructura del documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

    2. Estado de la técnica de la segmentación del hipocampo desde T1- MRI. 5 2.1. Fusión de etiquetas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

    2.1.1. Estrategias globales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.2. Estrategias locales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

    2.2. Skull-stripped . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    2.3. Segmentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3.1. DICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3.2. Volumetŕıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3.3. Técnica empleada en Freesurfer . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

    3. Freesurfer 15 3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.2. Skull-stripped . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.3. ICV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.4. Volumetŕıa hipocampal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.5. Volumetŕıa Materia Gris . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.6. Espacio nativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.7. Diagrama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    4. Experimentación con Fusión de etiquetas 23 4.1. Votación por mayoŕıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

    4.1.1. Llamada a la función desde Matlab . . . . . . . . . . . . . . . 24

    xi

  • xii ÍNDICE GENERAL

    5. Experimentación con FreeSurfer 27 5.1. Proyecto Vallecas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

    5.1.1. Skull-stripped . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 5.1.2. ICV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.1.3. Volumetŕıa hipocampal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.1.4. Volumetŕıa Materia Gris . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 5.1.5. Tiempo empleado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

    5.2. ADNI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 5.3. Consideraciones tenidas en cuenta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

    6. Conclusiones 39 Conclusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Desarrollos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

    A. Documentación del código 41

    B. Código realizado 61 Fusión de etiquetas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 FreeSurfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

    C. Tablas de resultados 65

    D. Anexo: ITK, MEX y OpenMP 75 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 ITK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 MEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 OPENMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 ITKMEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

    Bibliograf́ıa 85

  • Índice de figuras

    2.1. Ejemplo que demuestra las limitaciones de usar estrategias globales . 8

    3.1. Diagrama explicativo de FreeSurfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2. Diagrama esquemático de FreeSurfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

    5.1. Skull-stripping aplicando únicamente -autorecon1 . . . . . . . . . . . 27 5.2. Skull-stripping aplicando watershed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 5.3. Imagen de partida id 001.nii.gz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 5.4. Skull-stripping con less sobre id 002.nii.gz . . . . . . . . . . . . . . . 29 5.5. Skull-stripping con h 25 sobre id 002.nii.gz . . . . . . . . . . . . . . . 29 5.6. Vista sagital y coronal del paciente id 004.nii.gz . . . . . . . . . . . . 29 5.7. AC-PC Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 5.8. Skull-stripping tras rotación en id 004.nii.gz . . . . . . . . . . . . . . 30 5.9. Skull-stripping sin rotar en id 004.nii.gz . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 5.10. Valor de ICV paciente id 001.nii.gz recogido en icv.txt . . . . . . . . . 31 5.11. Etiquetado paciente id 001.nii.gz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.12. Detalle etiquetado . . . . . . . .