|
|
DEEP LEARNING FOR SINGLE-VOXEL AND MULTIDIMENSIONAL MR-SPECTROSCOPIC SIGNAL QUANTIFICATION, AND ITS COMPARISON WITH NONLINEAR LEAST-SQUARES FITTING
Shamaei, Amir Mohammad ; Latta,, Peter (oponent) ; Kozubek, Michal (oponent) ; Jiřík, Radovan (vedoucí práce)
Preprocessing, analysis, and quantification of Magnetic resonance spectroscopy (MRS) signals are required for obtaining the metabolite concentrations of the tissue under investigation. However, a fast, accurate, and efficient post-acquisition workflow (preprocessing, analysis, and quantification) of MRS is challenging. This thesis introduces novel deep learning (DL)-based approaches for preprocessing, analysis, and quantification of MRS data. The proposed methods achieved the objectives of robust data preprocessing, fast and efficient MR spectra quantification, in-vivo concentration quantification, and the uncertainty estimation of quantification. The results showed that the proposed approaches significantly improved the speed of MRS signal preprocessing and quantification in a self-supervised manner. Our proposed methods showed comparable results with the traditional methods in terms of accuracy. Furthermore, a standard data format was introduced to facilitate data sharing among research groups for artificial intelligence applications. The findings of this study suggest that the proposed DL-based approaches have the potential to improve the accuracy and efficiency of MRS for medical diagnosis. The dissertation is structured into four parts: an introduction, a review of state-of-the-art research, a summary of the aims and objectives, and a collection of publications that showcase the author's contribution to the field of DL applications in MRS.
|
|
|
Deep Learning for Virtual Patient-Specific Skull Modelling and Reconstruction
Kodym, Oldřich ; Kozubek, Michal (oponent) ; Egger, Bernhard (oponent) ; Herout, Adam (vedoucí práce)
Skull segmentation from 3D patient data and virtual reconstruction of the defective skull shape are the most challenging steps required for creation of patient-specific models of skull. These models are used in cranioplasty practice for surgery planning, patient education and patient-specific implant design, but their utility is currently limited by the amount of manual processing time required to reach sufficient virtual model quality. This thesis aims to streamline this virtual workflow by utilizing deep learning methods. The thesis proposes a novel solution that consists of an automatic skull segmentation method based on a combination of convolutional neural networks and graph cut algorithm and an automatic virtual skull reconstruction method based on convolutional network cascade. Both of these components are demonstrated to achieve state-of-the-art accuracy. This work also aims to improve reproducibility of the skull reconstruction research by providing a structured synthetic dataset for development and benchmarking of automatic methods. The main focus of this work is on applicability in clinical practice. While the proposed skull segmentation method is already successfully deployed to clinical workflow, the integration of automatic virtual skull reconstruction presents some additional challenges, such as low tolerance towards shape imperfections around the defect border. This work therefore also proposes an extension of the skull reconstruction method that allows its adaptation to target population and the desired type of cranial implant shape, which can vary between different clinical sites. The results of expert's evaluation show that the shape outputs of this method reach enough quality to be deployed into clinical practice along with the segmentation method.
|
|
| |
|
|
Dlouhodobé změny vybraných stratosférických polí souvisejících s cirkulací a zesilující skleníkový efekt
Kozubek, Michal ; Laštovička, Jan (vedoucí práce) ; Halenka, Tomáš (oponent)
In the present work we study behavior and trends of stratospheric wind in period of 1957-2002. We used reanalyzed daily data from project ERA-40. Results are shown in graphic form for 3 atmospheric levels. In each level we describe trends of wind velocities and directions separate into 2 seasons. We also compare trends of stratospheric wind with other characteristic indicators of atmospheric circulation. One of them is total columnar ozone and the second is mesopause midlatitude winds. Results of analyze halving adjustment of trends in wind directions and velocities for level 100, 50 and 10 hPa, too.
|
|
|
Variability of the Brewer-Dobson Circulation
Kupčihová, Zuzana ; Pišoft, Petr (vedoucí práce) ; Kozubek, Michal (oponent)
Transport ve střední atmosféře je řízený hlavně velkoprostorovou meridionální cirkulací, Brewer- Dobsonovou cirkulací. V této práci byla analyzována klimatologie a variabilita Brewer-Dobsonové cirkulace a střední atmosféry pomocí dat z modelu CMAM30-Ext (Canadian Middle Atmosphere Model). Použitých bylo několik klíčových proměných. Jmenovitě, age of air, reziduální rychlosti, reziduální proudová funkce, teplota a zonální vítr. Analýza klimatologie proměné age of air ukazuje, že nejmladší vzduch se generuje v okolí tropické tropopauzy, odkud se následně pohybuje směrem k pólům. Reziduální proudová funkce ukazuje, že Brewer-Dobsonova cirkulace dominuje zimní hemisféře v období slnovratů, zatím co během rovnodenností je cirkulace téměř symetrická okolo rovníku. Na určení různých módů variabilit střední atmosféry byla na data aplikována EOF metoda (Empirical Orthogonal Functions). Analýza identifikovala známé oscilace: semi-annual oscillation a quasi-biennial oscillation. EOF poslední jmenované oscilace vysvětluje méně variance v porovnání s množstvím variance, které vysvětluje EOF ročního chodu. Analýza dat objevila také sluneční cyklus. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
|
|
|
Dlouhodobé změny vybraných stratosférických polí souvisejících s cirkulací a zesilující skleníkový efekt
Kozubek, Michal ; Laštovička, Jan (vedoucí práce)
V této práci studujeme chování a trendy stratosférického větru v období 1957-2002. Jsou použity reanalyzovaná denní data z projektu ERA-40. Výsledky jsou prezentovány v grafické podobě pro 3 vybrané atmosférické hladiny. V každé hladině popisujeme trendy rychlostí a směru větru rozdělených do dvou ročních sezón. Je zde také provedeno srovnání s trendy dalších prvků atmosférické cirkulace. Těmi jsou celkové množství ozónu a vítr středních zeměpisných šířek pro výšku okolo 80 km. Výsledky také ukazují výškovou analýzu trendů směru a rychlosti větru pro hladiny 10, 50 a 100 hPa.
|
|
|
Metody detekce, segmentace a klasifikace obtížně definovatelných kostních nádorových lézí ve 3D CT datech
Chmelík, Jiří ; Flusser,, Jan (oponent) ; Kozubek, Michal (oponent) ; Jan, Jiří (vedoucí práce)
Cílem této práce byl vývoj algoritmů pro detekci, segmentaci a klasifikaci obtížně definovatelných kostních metastatických nádorových lézí v oblasti páteře z obrazových CT dat. Pro tyto účely byla vytvořena pacientská databáze anotovaná lékařskými experty. Postupně byly navrženy tři metody, z nichž první je založena na přepracování a kombinaci metod dostupných z předchozího řešení projektu, druhá je velmi rychlá varianta založená na fuzzy k-means shlukové analýze, třetí metoda využívá moderních metod strojového učení, konkrétně hluboké učení konvolučních neuronových sítí. Dále byla navržena modifikace upřesňující výsledky následnou meta-analýzou nalezených kandidátů lézí pomocí náhodného lesa. Dosažené výsledky byly objektivně vyhodnoceny a porovnány s výsledky algoritmů publikovaných jinými autory. Pro hodnocení byly použity dva přístupy: technický, voxelově založený a klinický, objektově založený. Dosažené výsledky byly následně zhodnoceny a diskutovány.
|
|
|
Metody segmentace a identifikace deformovaných obratlů ve 3D CT datech onkologických pacientů
Jakubíček, Roman ; Flusser, Jan (oponent) ; Kozubek, Michal (oponent) ; Jan, Jiří (vedoucí práce)
Tato disertační práce se zabývá návrhem metod směřujících k vymezení povrchů jednotlivých obratlů ve 3D CT datech onkologických pacientů, příslušných algoritmů a jejich ověřením. U takových pacientů se velmi často vyskytují tvarové i intenzitní změny obratlů, které výrazně komplikují řešení daného problému. Získání finálních segmentací jednotlivých obratlů včetně identifikace jejich pozice v páteře obecně vede přes několik základní kroků: detekce páteře a nalezení její osy, lokalizace jednotlivých obratlů a jejich identifikace a finální přesné segmentace. Pro tyto účely byly navrženy, realizovány a ověřeny příslušné algoritmy, užívající původních přístupů včetně využití strojového učení. Součástí řešení jsou mj. návrh a realizace algoritmu optimálních kružnic pro trasování páteřního kanálu s populačním přístupem, prostorově variantní filtrace jasového profilu cílená k lokalizaci obratlů nebo využití trénovaných modelů pro identifikaci obratlů s optimalizací pomocí dynamického programování. Přístup realizující finální segmentaci obratlů částečně navazuje na algoritmus navržený v předcházející fázi projektu (Peter 2013), který byl výrazně modifikován a rozšířen; algoritmus je v nové verzi založen na geometrické adaptaci intenzitního modelu kompletní páteře. Navržené přístupy byly testovány na několika databázích vytvořený v rámci práce a včetně volně dostupných umožňující také srovnání s algoritmy jiných autorů. Na základě provedeného detailního hodnocení lze konstatovat, že algoritmus poskytuje velmi dobré výsledky a ve srovnání s aktuálně publikovanými přístupy jiných autorů dosahuje srovnatelné nebo lepší výsledky. Na rozdíl od zmíněných publikací se zabývá nikoli jen některými zmíněnými etapami řešení, ale finálně jich využívá v komplexním algoritmu, řešícím celý postup od CT dat po přesně segmentované objemy jednotlivých identifikovaných obratlů, které tvoří vstupní data pro návaznou práci, zabývající se detekcí a klasifikací lézí. Navíc se algoritmus vyznačuje vysokou robustností vůči výskytu patologií a artefaktů v datech a relativně nízkou výpočetní náročností. Disertační práce obsahuje několik původních přístupů, které byly průběžně publikovány na mezinárodních konferencích; výsledné řešení bylo publikováno jako časopisecký článek Jakubicek a kol. (2020). Během experimentální validace ve spolupráci s lékařskými experty se ukázalo, že navržené algoritmy jsou plně využitelné pro následující analýzu nádorových lézí.
|
|
|
Konfokální modul pro koherencí řízený holografický mikroskop
Kubátová, Eva ; Kozubek, Michal (oponent) ; Dostál, Zbyněk (vedoucí práce)
Koherencí řízený holografický mikroskop (CCHM) byl vyvinut na VUT v Brně pro kvantitativní fázové zobrazování živých buněk. V dnešní době dochází k vylepšování jeho zobrazovacích možností pomocí přídavných modulů. V současnosti je vybaven epifluorescenčním modulem, který umožňuje pozorování fluorescenčně značených živých buněk. Tato práce naváže na vývoj tohoto modulu a rozšíří jeho možnosti o konfokální zobrazení. Nevýhodou současných vícekanálových konfokálních mikroskopů je mechanická rotace Nipkowových disků, které způsobující nežádoucí mechanické vibrace. Proto je v práci nahrazen DMD čipem. Pro jeho využití je navržen optický systém celého konfokálního modulu, jehož správná funkce byla nasimulována v optickém CADu. Experimentálně ověřený prototyp slouží k testování zobrazovacích vlastností. Na jeho základě je navržena aplikační idea fluorescenčního konfokálního modulu, který bude možné připojit k CCHM mikroskopu.
|
|
|
The analysis of limits for multimode fibre imaging
Štolzová, Hana ; Kozubek, Michal (oponent) ; Dostál, Zbyněk (vedoucí práce)
Multimode fibers are the imaging tool of a significant potential in in-vivo microendoscopy. Recently, this method has seen a great development, thanks to the improvements in computational and other technologies, such as digital spatial light modulation. The aim of this work was to find specific limits of multimode fiber imaging and to present their computer simulation. The effect of illumination of the optical system containing the multimode fiber on its focussing and imaging capability was investigated. By analysing the data obtained from simulations and experiments, it has been found that the various levels of the Gaussian beam truncation by a projected multimode fiber numerical aperture results in a significant variance in the imaging capabilities of the system. Therefore, it seems that the multimode optical fibers are not a completely random medium. Observing the quality of the focusing, it was found that low truncated beams (beam-waist around 50% of the projected fiber numerical aperture), have the highest performance. This fact was verified by experimental measurements. Imaging using similarly truncated beams showed the best contrast transmission capability. However, when analysing the resolution of two pointlike objects, the beams with a significantly larger waist and a higher degree of truncation, of 100% or more, were most appropriate. The presence of this difference forces the person using the imaging system containing the multimode fiber to consider several aspects, in what environment the particular optical system will be used and which imaging quality indicator will be considered the most important.
|
host ::
RSS.