Original title: Využití konvolučních neuronových sítí pro segmentaci chrupavčitých tkání myších embryí v mikro-CT datech
Translated title: Utilization of convolutional neural networks for segmentation of mouse embryos cartilaginous tissue in micro-CT data
Authors: Poláková, Veronika ; Vičar, Tomáš (referee) ; Chmelík, Jiří (advisor)
Document type: Master’s theses
Year: 2021
Language: eng
Publisher: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Abstract: [eng] [cze]
Automatická segmentace biologických struktur v mikro-CT datech je stále výzvou, protože často objekt zájmu (v našem případě obličejová chrupavka) není charakterizovaný unikátním jasem či ostrými hranicemi. V posledních letech se konvoluční neuronové sítě (CNNs) staly mimořádně populárními v mnoha oblastech počítačového vidění. Konkrétně pro segmentaci biomedicínských obrazů je široce používaná architektura U-Net. Nicméně v případě mikro-CT dat vyvstává otázka, zda by nebylo výhodnější použít 3D CNN. Diplomová práce navrhla CNN architekturu založenou na síti V-Net včetně metodologie pro předzpracování a postprocessing dat. Základní architektura byla dále optimalizována pomocí pokročilých architektonických modifikací jako jsou pyramidální modul dilatovaných konvolucí (ASPP modul), škálovatelná exponenciálně-lineární jednotka (SELU aktivační funkce), víceúrovňová kontrola učení (multi-output supervision) či bloky s hustými propojeními (Dense blocks). Pro učení sítě byly použity moderní přístupy jako zahřívání kroku učení (learning rate warmup) či AdamW optimalizátor. I přes to, že 3D CNN v úloze segmentace obličejové chrupavky nepřekonala U-Net, optimalizace zvýšila medián Dice koeficientu z 69,74 % na 80,01 %. Používání těchto pokročilých architektonických modifikací v dalším výzkumu je proto vřele doporučováno, jelikož můžou být přidány do libovolné architektury typu U-Net a zároveň výrazně zlepšit výsledky. Automatic segmentation of the biological structures in micro-CT data is still a challenge since the object of interest (craniofacial cartilage in our case) is commonly not characterized by unique voxel intensity or sharp borders. In recent years, convolutional neural networks (CNNs) have become exceedingly popular in many areas of computer vision. Specifically, for biomedical image segmentation problems, U-Net architecture is widely used. However, in the case of micro-CT data, there is a question whether 3D CNN would not be more beneficial. The master thesis introduced CNN architecture based on V-Net as well as the methodology for data preprocessing and postprocessing. The baseline architecture was further optimized using advanced architectural modifications such as Atrous Spatial Pyramid Pooling (ASPP) module, Scaled Exponential Linear Unit (SELU) activation function, multi-output supervision and Dense blocks. For network learning, modern approaches were used including learning rate warmup or AdamW optimizer. Even though the 3D CNN do not outperform U-Net regarding the craniofacial cartilage segmentation, the optimization raises the median of Dice coefficient from 69.74 % to 80.01 %. Therefore, utilizing these advanced architectural modifications is highly encouraged as they can be easily added to any U-Net-like architecture and may remarkably improve the results.
Keywords: chrupavčitá tkáň; konvoluční neuronové sítě; rentgenová výpočetní mikrotomografie; segmentace obrazu; V-Net; cartilaginous tissue; convolutional neural networks; image segmentation; V-Net; X-ray micro computed tomography

Institution: Brno University of Technology (web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library.
Original record: http://hdl.handle.net/11012/197029

Permalink: http://www.nusl.cz/ntk/nusl-442503


The record appears in these collections:
Universities and colleges > Public universities > Brno University of Technology
Academic theses (ETDs) > Master’s theses