User-centered design and evaluation of interactive segmentation methods for medical images

Gueziri, Houssem-Eddine (2017). User-centered design and evaluation of interactive segmentation methods for medical images. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Segmentation of medical images is a challenging task that aims to identify a particular structure present on the image. Among the existing methods involving the user at different levels, from a fully-manual to a fully-automated task, interactive segmentation methods provide assistance to the user during the task to reduce the variability in the results and allow occasional corrections of segmentation failures. Therefore, they offer a compromise between the segmentation efficiency and the accuracy of the results. It is the user who judges whether the results are satisfactory and how to correct them during the segmentation, making the process subject to human factors. Despite the strong influence of the user on the outcomes of a segmentation task, the impact of such factors has received little attention, with the literature focusing the assessment of segmentation processes on computational performance. Yet, involving the user performance in the analysis is more representative of a realistic scenario. Our goal is to explore the user behaviour in order to improve the efficiency of interactive image segmentation processes. This is achieved through three contributions. First, we developed a method which is based on a new user interaction mechanism to provide hints as to where to concentrate the computations. This significantly improves the computation efficiency without sacrificing the quality of the segmentation. The benefits of using such hints are twofold: (i) because our contribution is based on user interaction, it generalizes to a wide range of segmentation methods, and (ii) it gives comprehensive indications about where to focus the segmentation search. The latter advantage is used to achieve the second contribution. We developed an automated method based on a multi-scale strategy to: (i) reduce the user’s workload and, (ii) improve the computational time up to tenfold, allowing real-time segmentation feedback. Third, we have investigated the effects of such improvements in computations on the user’s performance. We report an experiment that manipulates the delay induced by the computation time while performing an interactive segmentation task. Results reveal that the influence of this delay can be significantly reduced with an appropriate interaction mechanism design. In conclusion, this project provides an effective image segmentation solution that has been developed in compliance with user performance requirements. We validated our approach through multiple user studies that provided a step forward into understanding the user behaviour during interactive image segmentation.

Titre traduit

Conception et évaluation orientées utilisateur des méthodes de segmentation interactives des images médicales

Résumé traduit

La segmentation d’images consiste à identifier une structure particulière dans une image. Parmi les méthodes existantes qui impliquent l’utilisateur à différents niveaux, les méthodes de segmentation interactives fournissent un support logiciel pour assister l’utilisateur dans cette tâche, ce qui aide à réduire la variabilité des résultats et permet de corriger les erreurs occasionnelles. Ces méthodes offrent un compromis entre l’efficacité et la précision des résultats. En effet, durant la segmentation, l’utilisateur décide si les résultats sont satisfaisants et dans le cas contraire, comment les corriger, rendant le processus sujet aux facteurs humains. Malgré la forte influence qu’a l’utilisateur sur l’issue de la segmentation, l’impact de ces facteurs a reçu peu d’attention de la part de la communauté scientifique, qui souvent, réduit l’évaluation des methods de segmentation à leurs performances de calcul. Pourtant, inclure la performance de l’utilisateur lors de l’évaluation de la segmentation permet une représentation plus fidèle de la réalité. Notre but est d’explorer le comportement de l’utilisateur afin d’améliorer l’efficacité des méthodes de segmentation interactives. Cette tâche est réalisée en trois contributions. Dans un premier temps, nous avons développé un nouveau mécanisme d’interaction utilisateur qui oriente la méthode de segmentation vers les endroits de l’image où concentrer les calculs. Ceci augmente significativement l’efficacité des calculs sans atténuer la qualité de la segmentation. Il y a un double avantage à utiliser un tel mécanisme: (i) puisque notre contribution est base sur l’interaction utilisateur, l’approche est généralisable à un grand nombre de méthodes de segmentation, et (ii) ce mécanisme permet une meilleure compréhension des endroits de l’image où l’on doit orienter la recherche du contour lors de la segmentation. Ce dernier point est exploité pour réaliser la deuxième contribution. En effet, nous avons remplacé le mécanisme d’interaction par une méthode automatique basée sur une stratégie multi-échelle qui permet de: (i) réduire l’effort produit par l’utilisateur lors de la segmentation, et (ii) améliorer jusqu’à dix fois le temps de calcul, permettant une segmentation en temps-réel. Dans la troisième contribution, nous avons étudié l’effet d’une telle amélioration des performances de calculs sur l’utilisateur. Nous avons mené une expérience qui manipule les délais des calculs lors de la segmentation interactive. Les résultats révèlent qu’une conception appropriée du mécanisme d’interaction peut réduire l’effet de ces délais sur l’utilisateur. En conclusion, ce projet offer une solution interactive de segmentation d’images développée en tenant compte de la performance de l’utilisateur. Nous avons validé notre approche à travers de multiples études utilisateurs qui nous ont permis une meilleure compréhension du comportement utilisateur durant la segmentation interactive des images.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	Thesis presented to École de technologie superieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 117-125.
Mots-clés libres:	Segmentation d'image. Imagerie médicale. Systèmes conversationnels (Informatique) Conception participative (Conception de systèmes) Logiciels Facteurs humains. Temps réel (Informatique) Théorie des graphes. interaction utilisateur, segmentation d’images médicales, facteurs humains, segmentation basée sur les graphes, latence, evaluation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Laporte, Catherine
Codirecteur:	Codirecteur McGuffin, Michael John
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	10 nov. 2017 20:42
Dernière modification:	15 janv. 2018 21:51
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1959

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