Computational Analysis of Magnetic Resonance Images of the Upper Airways: Algorithms and Applications
Jessica C. Delmoral · Open Repository of the University of Porto (University of Porto) · 2015
The human upper airways anatomy consists of the jaw, tongue, pharynx, larynx, palate, nasal cavities, nostrils, lips, and adjacent facial structures.The interplay and connective movement between all the anatomical structures present in this region is complex, and basic physiological functions such as muscle activation patterns associated with chewing, swallowing, and speech production are not well understood.Specifically, one of the least studied organs in this region is the tongue, in which the tasks of imaging and quantification of its anatomy are of great relevance for further study and analysis of the anatomic and physiological mechanisms that govern it.Furthermore, new insight can be given on other applications such as surgical planning, post-operative rehabilitation and the study of new adaptations acquired upon possible changes in function of pathological origin, for example in the presence of tongue cancer, surgical intervention or aging.Magnetic Resonance imaging (MRI) is the state of the art methodology for visualization and study of soft tissues, since it provides the best image contrast of soft tissues such as the muscular tissue of the tongue.Under the scope of the Computational Vision field, an area that has over recent years allowed the development of new tools of analysis that can be applied to medical images, this dissertation aims to present computational algorithms for object detection and segmentation in images, suitable for application on objects such as the tongue.The proposed methodology includes a set of algorithms developed for human tongue image processing, in order to study morphology through the building of an Active Shape Model, that captures the shape variability of the anatomy during production of various European Portuguese sounds.The developed model allowed to simulate realistically the tongues shape capturing its variability in the production of different sounds.Subsequently, this model also allowed the building of a semi-automatic detection and segmentation algorithm of this structure.The study was carried out using midsagittal plane images, since this plane is the most representative in the depicting the overall tongue shape variability, which constitutes to be especially advantageous for speech assessment purposes.The suggested model made it possible to obtain a realistic segmentation of the tongue as well as efficiently perform segmentation in new images.Furthermore, the use of such image analysis techniques allows quantitative measures Abstract with higher precision and are particularly advantageous when speech therapists and imaging specialists need to analyze a large volume of data.In conclusion, the identification and analysis of human structures are complex tasks, since their shapes are not constant and vary through time.However, techniques of Computer Vision and objects modeling can assist in their achievement as is demonstrated throughout this dissertation.v Resumo A anatomia das vias aéreas superiores humanas é contituída pela mandíbula, língua, faringe, boca, fossas nasais, narinas, lábios e estruturas faciais adjacentes.Os mecanismos de interação combinada que se associam ao movimento conexivos entre todas as estruturas anatómicas presentes nesta região são complexos, e a sua funcionalidade inclui actividades fisiológicas básicas, tais como padrões de ativação muscular associados com a mastigação, deglutição, e produção da fala.Um dos órgãos menos estudados nesta região é a língua, e portanto as tarefas de imagiologia e quantificação da sua anatomia são de grande relevância para o estudo e análise mais aprofundado dos mecanismos anatómicos e fisiológicos que a regem.Mais ainda, este estudo poderia produzir novo conhecimento passível de ser utilizado em outras aplicações, tais como o planeamento cirúrgico, reabilitação em pós-operatório e estudo de adaptações compensatórias na produção da fala, adquiridas pela presença de cancro da língua, após intervenção cirúrgica ou envelhecimento.No âmbito da área de Visão Computacional, uma área que tem nos últimos anos permitido o desenvolvimento de novas ferramentas de análise que podem ser aplicadas em imagens médicas, esta dissertação tem como objetivo apresentar algoritmos computacionais para deteção e segmentação de objetos em imagens, adequado para aplicações em órgãos deformáveis tais como a língua.Para o estudo de tecidos moles, o estado da arte referente às técnicas de aquisição imagiólogica, a Ressonância Magnética (RM), uma vez que proporciona o melhor contraste de imagem de tecidos moles, tais como o tecido muscular da língua.A metodologia proposta inclui um conjunto de algoritmos desenvolvidos para processamento de imagem da língua humana, para o estudo morfológico através da construção de um Modelo de Forma Activa, que capta a variabilidade anatómica desta estrutura durante a produção de vários sons do Português Europeu.O modelo desenvolvidos permitiu simular de forma realista a língua na sua variabilidade de forma durante a produção dos diferentes sons.Seguidamente, este modelo permite ainda, uma produção de um algoritmo de deteção semiautomática desta estrutura.O estudo foi realizado utilizando imagens do plano sagital médio, constituindo o plano mais representativo da variabilidade de forma da língua global, tornandose este estudo especialmente vantajoso para fins de avaliação dos mecanismos de produção da fala.O modelo sugerido tornou possível obter uma segmentação realista da língua, bem como vi Resumo executar eficientemente a segmentação da mesma em novas imagens.Mais ainda, o uso de tais técnicas de análise de imagem pode permitir a obtenção de medições quantitativas, com uma precisão mais elevada e são particularmente vantajosos para a análise por especialistas em imagem ou em produção da fala, no sentido da análise de grandes volumes de dados.