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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.95.2007.tde-04112007-214902
Document
Author
Full name
Cesar Armando Beltran Castañon
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2007
Supervisor
Committee
Gruber, Arthur (President)
Bruno, Odemir Martinez
Ferreira, Marcelo Urbano
Hirata, Nina Sumiko Tomita
Lotufo, Roberto de Alencar
Title in Portuguese
Análise e reconhecimento digital de formas biológicas para o diagnóstico automático de parasitas do gênero Eimeria
Keywords in Portuguese
análise de formas
diagnóstico remoto
Eimeria
extração de características
processamento de imagens
reconhecimento de padrões
Abstract in Portuguese
O gênero Eimeria compreende um grupo de protozoários da classe Coccidia que infecta uma grande variedade de hospedeiros. Um total de sete espécies distintas Eimeria podem infectar a galinha doméstica causando enterites com graves prejuízos econômicos. A identificação das espécies pode ser feita através da análise microscópica das diferentes características morfológicas dos oocistos, um dos estágios de desenvolvimento do parasita. Alternativamente, ensaios moleculares baseados na amplificação de alvos específicos de DNA também podem ser utilizados. Em ambos os casos, requer-se um laboratório especializado e, principalmente, pessoal altamente treinado. Neste trabalho é relatada uma abordagem computacional para a extração automática de características para a representação da forma das distintas espécies de Eimeria. Foram utilizadas imagens digitais do protozoário nas quais aplicou-se técnicas de processamento de imagens e visão computacional para sua representação morfológica, formando três grupos de características: medidas geométricas, caracterização da curvatura, e quantificação da estrutura interna. A morfologia dos protozoários foi representada por um vetor de características constituído por 14 dimensões, o qual constituiu o padrão de entrada para o processo de classificação. Para o reconhecimento dos padrões, foram usados dois classificadores Bayesianos, utilizando-se como funções de verossimilhança a Gaussiana e a de Dirichlet, respectivamente. O primeiro classificador apresentou as melhores taxas de acerto, enquanto o segundo demonstrou melhor desempenho segundo a análise por curvas ROC. Como prova de princípio de que o sistema poderia ser utilizado por usuários leigos para o diagnóstico à distância de parasitas, foi implementado o COCCIMORPH, um sistema de diagnóstico de Eimeria em tempo real. O sistema permite o envio de imagens via web, assim como o seu pré-processamento e classificação remotos, obtendo-se o resultado do diagnóstico em tempo real. Essa abordagem totalmente integrada e implementada é inédita para o diagnóstico de parasitas. Entre suas vantagens principais está o fato de que o diagnóstico pode ser obtido sem a necessidade do transporte físico de amostras biológicas para um laboratório de referência, evitando assim riscos de contaminação do ambiente. Para o treinamento do sistema, foram obtidas centenas de micrografias de cada uma das sete espécies de Eimeria que infectam a galinha doméstica. Essas imagens também foram usadas para a construção de um banco de acesso público de imagens (The Eimeria Image Database). Além disso, a metodologia de diagnóstico foi também aplicada e testada com onze espécies Eimeria de coelho doméstico. Com isso, foram gerados dados inéditos de morfometria, micrografias adicionais para o banco de imagens, e um sistema de classificação para esse conjunto adicional de parasitas. Finalmente, foram determinadas as distâncias entre as diferentes espécies de Eimeria, calculadas a partir dos dados morfométricos. As árvores de distância revelaram uma topologia muito similar com árvores obtidas a partir da inferência filogenética usando-se marcadores moleculares como o gene 18S de rRNA ou genomas mitocondriais.
Title in English
Biological shape analysis and digital recognition for the automatic diagnosis of parasites of the genus Eimeria
Keywords in English
Eimeria.
feature extraction
image processing
pattern recognition
remote diagnosis
shape analysis
Abstract in English
The Eimeria genus comprises a group of protozoan parasites that infect a wide range of hosts. A total of seven different Eimeria species infect the domestic fowl, causing enteritis with severe economical losses. Species identification can be performed through microscopic analysis of the distinct morphological characteristics of the oocysts, a developmental stage of the parasite. Alternatively, molecular assays based on the amplification of specific DNA targets can also be used. In both cases, a well equipped laboratory and, especially, highly qualified personnel are required. In this work, we report a computational approach for the automatic feature extraction for shape representation of the different Eimeria species. Digital images of the parasites were used in order to apply image processing and computational vision techniques for shape characterization. Three groups of morphological features were constituted: geometric measures, curvature characterization, and internal structure quantification. The protozoan morphology was represented by a 14-dimension feature vector, which was used as the input pattern for the classification process. Two Bayesian classifiers were used for pattern recognition, using as a likelihood function the normal and the Dirichlet, respectively. The former classifier presented the best correct classification rates, whereas the latter showed a better performance in ROC curve analyses. As a proof of principle that this system could be utilized by end-users for a long-distance parasite diagnosis, we implemented COCCIMORPH, an integrated system for the real-time diagnosis of Eimeria spp. The system presents an interface for image uploading. Image preprocessing and diagnosis are performed remotely and the results displayed in real-time. This fully integrated and implemented system constitutes a novel approach for parasite diagnosis. Among the several advantages of the system, it is noteworthy that no biological sample transportation is required between the farm and the reference laboratory, thus avoiding potential environment contamination risks. To train the system, we used hundreds of micrographs of each one of the seven Eimeria species of domestic fowl. These images were used to compose a public image repository (The Eimeria Image Database). In addition, our diagnosis methodology was extended to the eleven Eimeria species that infect the domestic rabbit. With this integrated approach, a totally novel set of images and morphometric data of rabbit Eimeria were incorporated to the image database and, also to the remote diagnosis system. Finally, distance trees of the distinct Eimeria species of domestic fowl were computed from the morphometric data. The trees revealed a very similar topology with trees obtained with molecular phylogenetic markers such as the 18S rRNA gene and mitochondrial genomes.
 
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TeseFinal.pdf (4.82 Mbytes)
Publishing Date
2007-11-05
 
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