Segmentação de múltiplas patologias em ressonância magnética da coluna lombar: uma abordagem comparativa de aprendizado profundo

dc.contributor.advisor1Almeida Junior, Jurandy Gomes DE
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4495269939725770
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0002-4998-6996
dc.contributor.authorLeite Junior, Claudio Luiz
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/8623721713277640
dc.contributor.authororcidhttps://orcid.org/0009-0001-2405-0075
dc.contributor.refereeComin, Cesar Henrique
dc.contributor.refereeCappabianco , Fabio Augusto Menocci
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/9563440403120931
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/7438076121387151
dc.contributor.refereeorcidhttps://orcid.org/0000-0003-1207-4982
dc.contributor.refereeorcidhttps://orcid.org/0000-0002-2139-7938
dc.date.accessioned2026-01-30T15:31:07Z
dc.date.issued2025-10-29
dc.description.abstractLow back pain is a leading cause of disability worldwide, and Magnetic Resonance Imaging (MRI) of the lumbar spine is fundamental for its diagnosis. However, the manual analysis of these images is a time-consuming and subjective process, and existing computational methods are often limited to a single pathology or rely on complex, multi-stage pipelines. A central challenge, not yet fully addressed, is the simultaneous occurrence of multiple pathologies in the same anatomical structure—a common clinical scenario that current models fail to model effectively. This dissertation addresses this gap by proposing and validating a robust methodology for the automated segmentation of multiple co-existing pathologies in lumbar intervertebral discs. The work was structured in two complementary phases. The first established the methodological underpinnings of this research. It consisted of a rigorous empirical study evaluating five deep learning architectures and four loss functions to determine the most effective approaches for the fundamental task of segmenting the vertebrae and intervertebral discs. This step ensured that the subsequent investigation into pathologies was built upon a robust and validated base. The second phase, the main contribution of this work, systematically investigated three distinct strategies for multi-pathology segmentation: (i) binary class segmentation, a baseline that treats each pathology independently; (ii) multi-class segmentation, mapping 70 disease combinations to unique classes (non-overlapping masks); and (iii) multi-label segmentation, which uses binary channels to explicitly model the coexistence of multiple diagnoses (overlapping masks). Our results, derived from over 200 training pipelines, demonstrate that the multi-label approach, especially when implemented with the V-Net and Swin UNETR architectures, achieves diagnostic accuracy comparable to the baseline while offering significantly superior computational efficiency. By developing a unified framework that integrates the precise spatial localization of symptomatic areas with the classification of multiple concurrent diseases, this work establishes a practical and efficient guideline for future research and clinical applications in the automated diagnosis of spinal pathologies.eng
dc.description.resumoA dor lombar é uma das principais causas de incapacidade em todo o mundo, e a Ressonância Magnética (RM) da coluna lombar é fundamental para o seu diagnóstico. No entanto, a análise manual dessas imagens é um processo demorado e subjetivo, e os métodos computacionais existentes são frequentemente limitados a uma única patologia ou dependem de pipelines complexos de múltiplos estágios. Um desafio central, ainda não totalmente solucionado, é a ocorrência simultânea de múltiplas patologias na mesma estrutura anatômica — um cenário clínico comum que os modelos atuais não conseguem modelar de forma eficaz. Esta dissertação aborda essa lacuna propondo e validando uma metodologia robusta para a segmentação automatizada de múltiplas patologias coexistentes em discos intervertebrais lombares. O trabalho foi estruturado em duas fases complementares. A primeira estabeleceu os fundamentos metodológicos desta pesquisa. Consistiu em um estudo empírico rigoroso que avaliou cinco arquiteturas de aprendizado profundo (deep learning) e quatro funções de perda para determinar as abordagens mais eficazes para a tarefa fundamental de segmentação das vértebras e discos intervertebrais. Esta etapa garantiu que a investigação subsequente sobre as patologias fosse construída sobre uma base robusta e validada. A segunda fase, a principal contribuição deste trabalho, investigou sistematicamente três estratégias distintas para a segmentação de múltiplas patologias: (i) segmentação de classe binária, uma linha de base (baseline) que trata cada patologia de forma independente; (ii) segmentação multiclasse, que mapeia 70 combinações de doenças para classes únicas (máscaras não sobrepostas); e (iii) segmentação multirrótulo, que utiliza canais binários para modelar explicitamente a coexistência de múltiplos diagnósticos (máscaras sobrepostas). Nossos resultados, derivados de mais de 200 pipelines de treinamento, demonstram que a abordagem multirrótulo, especialmente quando implementada com as arquiteturas V-Net e Swin UNETR, alcança uma acurácia diagnóstica comparável à linha de base, enquanto oferece uma eficiência computacional significativamente superior. Ao desenvolver um framework unificado que integra a localização espacial precisa de áreas sintomáticas com a classificação de múltiplas doenças concorrentes, este trabalho estabelece uma diretriz prática e eficiente para pesquisas futuras e aplicações clínicas no diagnóstico automatizado de patologias da coluna vertebral.por
dc.identifier.citationLEITE JUNIOR, Claudio Luiz. Segmentação de múltiplas patologias em ressonância magnética da coluna lombar: uma abordagem comparativa de aprendizado profundo. 2025. Dissertação (Mestrado em Ciência da Computação) – Universidade Federal de São Carlos, Sorocaba, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/23530.*
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/23530
dc.language.isoeng
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCâmpus Sorocaba
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Ciência da Computação - PPGCC
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
dc.subjectSegmentação de Imagens Médicaspor
dc.subjectAprendizado Profundopor
dc.subjectColuna lombarpor
dc.subjectAprendizado Multirótulopor
dc.subjectDiagnóstico de Múltiplas Patologiaspor
dc.subjectMedical Image Segmentationeng
dc.subjectDeep Learningeng
dc.subjectLumbar Spine MRIeng
dc.subjectMulti-Label Learningeng
dc.subjectMulti-Pathology Diagnosiseng
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO::METODOLOGIA E TECNICAS DA COMPUTACAO
dc.subject.ods3. Saúde e Bem-Estar
dc.titleSegmentação de múltiplas patologias em ressonância magnética da coluna lombar: uma abordagem comparativa de aprendizado profundopor
dc.title.alternativeMulti-pathology segmentation in lumbar spine MRI: a comparative deep learning approacheng
dc.typeDissertação

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