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AGIR: Oncology & Workflows, journées PariSTIC, 23 novembre 2005 1 Analyse Globalisée des Données d’Imagerie Radiologique www.aci-agir.org AGIR: Analyse Globalisée des Données Radiologiques AlGorille (INRIA, CNRS, INPL) CRAN (CNRS, INPL, UHP) LPC (CNRS,IN2P3, UBP) CHRU Clermont-Ferrand CREATIS (CNRS, INSERM, INSA, UCBL) Rainbow (CNRS, I3S, UNSA) Epidaure (INRIA-Sophia) Centre Antoine Lacassagne LRI – LAL (CNRS, UP-11) LIMSI (CNRS, UP-6 ET 11) St Anne Tenon FMP 14 chercheurs informatique 6 médecins 6 thésards 4 ingénieurs 10 temps pleins

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AGIR: Oncology & Workflows, journées PariSTIC, 23 novembre 2005 1

Analyse Globalisée des Données d’Imagerie Radiologique

www.aci-agir.org

AGIR: Analyse Globalisée des Données Radiologiques

AlGorille (INRIA, CNRS, INPL)CRAN (CNRS, INPL, UHP)

LPC (CNRS,IN2P3, UBP)CHRU Clermont-Ferrand

CREATIS(CNRS, INSERM, INSA, UCBL)

Rainbow (CNRS, I3S, UNSA)Epidaure (INRIA-Sophia)Centre Antoine Lacassagne

LRI – LAL (CNRS, UP-11)LIMSI (CNRS, UP-6 ET 11)St Anne Tenon FMP

14 chercheurs informatique6 médecins6 thésards4 ingénieurs

10 temps pleins

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Analyse Globalisée des Données d’Imagerie Radiologique

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Les thématiques

Cardiological images

SegmentationI. Magnin

Humanitarian Medical

DevelopmentV. Breton

Image registration in oncologyX. Pennec

Dissem

ination C. G

ermain

Services for InteractivityC. Germain

Middleware evaluation E. Jeannot

Medical data ManagementJ. Montagnat

Medical data access

protocols J-M. Moureaux

CoreGrid

MedicalServices

AlgorithmGridification

Medical applications evaluation P-Y Bondiau

Interactive volume

reconstuctionA. Osorio

Workflow Management J. Montagnat

MedicalApps.

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Analuse Globalisée des Données d ’Imagerie Radiologique

From Image Registration in Oncologyto Complex Workflows on the GRID

Xavier Pennec, PhD, INRIA-Sophia, projet EpidaureJohan Montagnat, PhD, I3S, Rainbow teamTristan Glatard, I3S, Rainbow + INRIA, Epidaure teamsPierre-Yves Bondiau, MD, PhD, Centre Antoine Lacassagne, Nice

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Analyse Globalisée des Données d’Imagerie Radiologique

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Overview

• The Medical application: – Registration for oncology

• The scientific question:– Evaluation / comparison of registration algorithm performances

• The technical challenge:– Running the workflow on the GRID

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Image Registration for Oncology

• Registration / segmentation are basic components of medical image analysis– Registration: finding homologous points / tranformation– Segmentation: give anatomical label to each image point

• Registration for brain radiotherapy– Planning

Fusion of image modalities (multimodal, rigid) Warp atlas to patient image for segmentation

(mono-modal, non-rigid)Definition of Target volumes and Organs at risk: dose optimization

– Follow-up (monomodal rigid)

http://www.healthgrid.org/docs/pdf/WhitePaperdraft_v1.1-3reviewedv2.pdf (ch 3/4)

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Inter-subject registrationAffine transformation

Correct size and position but high remaining variability in cortex and deep structures

MR T1 Images 256x256x120 voxelsAtlas to patient registrationfor radiotherapy planning

Image Registration for Oncology

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Anatomically meaningful deformationRegistration in 5 min on 15 PCsAdaptive non-stationary visco-elastic inter-subject registration

Image Registration for Oncology

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Atlas

Propagate the segmentation of structure of interest from the atlas to the patient image

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Image Registration for Oncology

• Define target volume and organs at risk thanks to the segmentation• Optimize the irradiation process to

– maximize the dose within the tumor – minimize it within neighboring organs at risk

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Image Registration for Oncology

• There is no universal registration algorithm– More than 600 references on medical image registration in 1997

– More than 100 papers each year… (70 at MICCAI 2004 only)

• Registration algorithms as Grid services

– Use up to date algorithm– Evaluation / comparison of algorithm performances

• Challenges– Inter-operability (coordinate systems, transformation format…)

– Ontology describing data, registration problems and algorithms

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Overview

• The Medical application: – Registration for oncology

• The scientific question:– Evaluation / comparison of registration algorithm performances

• The technical challenge:– Running the workflow on the GRID

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Variability of a registration algorithm

Registration algorithm

Final transformation

External parameters• Data (image) 1

• Data (image) 2

• Acquisition noise

• Patient effects

Varying internal parameters• Initial transformation

• (…)

• Robustness: ability to find the right transformation (success/failure)

• Repeatability: w.r.t. some parameters (e.g. initialization)

• Accuracy: Variability w.r.t. the ground truth for typical data

Fixed internal parameters• Multiscale resolution

• (Typical variance…)

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• Uncertainty = deviation from the real transformation– Mean Error: covariance matrix, std dev.

– On the transformation ( rotation σr [rad], translation σt [mm])

– On test points (TRE σx)

Quantifying the registration errors

• Robustness: – size of the basin of attraction

– Probability of convergence

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Performance evaluation and validation

• Synthetic data (simulation): – Available ground truth– Difficult to identify and model all sources of variability

• Real data in a controlled environment (Phantom):– Possible gold standard– Performances evaluation in specific conditions

Difficult to test all clinical conditions May hide a bias

• Image database representative of the clinical application– Usually no ground truth

– Should span all sources of variability

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Performance Evaluation without Gold Std

• Bronze standard: The exact result is an unknown variable– Unbiased estimation: use redundant information

use many different registration algorithms(average biases, so that precision ~ accuracy)

Use many different data (redundant information to ensure precision) Average transformations (maximal consistency)

• Best explanation of the observations (ML) :– Robust Fréchet mean– Robust initialisation and Newton gradient descent

• Result

( )2221

2 ),,(min),( χµ TTTTd i=

transrotjiT σσ ,,,

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Example bronze std

222/

2 2 USMRUSMRloop σσσσ ++=

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• Data intensive application:– High number of images across different databases

– High number of registration algorithms

• Grid validation protocol (PhD Tristan Glatard)– Find available data that match the problem description– Find the algorithms that can deal with them

– Find and organize the resources to do the job

Performance Evaluation without Gold Std

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Bronze Standard workflow

W e b   S e r v i c eD a t a   l i n kC o n t r o l   l i n k

o u t p u ti n p u t

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Overview

• The Medical application: – Registration for oncology

• The scientific question:– Evaluation / comparison of registration algorithm performances

• The technical challenge:– Running the workflow on the GRID

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Workflow managers

• Workflow description– Business workflows (e.g. BPEL)

Control-centric

– Scientific workflows (e.g. Scuffl) Data-centric

• Workflow execution– Task-based workflows (e.g. DAGMan)

Explicit mention of data dependencies Complex workflow, simple optimisation

– Service-base workflows (e.g. Taverna) Independent expression of processors and input data-sets Simple workfkows, complex optimisation

CS friendly

user friendly

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Taverna

• Chosen workflow management tool: Taverna

– Developed in the UK eScience myGrid project (bioinformatique)

– Open source : http://taverna.sourceforge.net

– Based on web-services– Most powerful workflow manager for description

• Exploiting workflow parallelism

• Grid interface (Grid 5000 / EGEE)

C1C2

 C3C4

D0

Tavernaworkflowmanager

RegistrationWeb­Service

GridUser InterfaceSOAP

(over HTTP)ssh

tunnellingcommand line 

interface

Grid Resources

C2 || C3

D0, D1, D2, ...

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workflowmanager

The Web Services « isolation »

GridUser Interface

Grid Resources

Input 0

Service B

Output 0

Input 0 Input 1

Service A

Output 0

Data 0

Img Ref 0

Img Ref 0Img Ref 0 Img Ref 0

Img Ref 0

Data 1

Img Ref 1

Img Ref 1

Img Ref 1Img Ref 1

Img Ref 1

Img Ref 1Img Ref 1

Img Ref 1Data 2

Img Ref 2

Img Ref 2Img Ref 1Img Ref 2Img Ref 2

Img Ref 2

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Hypothesis

• Data– « Masses de données »

• Services– Standard (Web-Services)

– Independent (legacy code, services developed independently)

• Execution engine– Isolated from the grid

• Grid– Batch-oriented system

– No global workflow view– Not even WS view

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Data parallelism

• Data parallelism: – Lack of asynchronous WS implementations– Patch with submission/fetching services

Data order is not preserved (send 1/2/3, receive 3/1/2) Need a track record for each result

C1C2

 C3C4D0, D1, D2

–Asynchronous interactionTaverna Submission

service

Fetchingservice

GridMonitor2Monitor1query1

query2

Taverna Web­Service Grid

computation1

query1

result1

computation2

query2

result2

result2

result1

com

puta

tion

1

com

puta

tion

2

– Synchronous interaction

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Exploiting parallelism

• Data + component parallelism: streaming (Pipelining)

Nw sequential steps, ND Data sets, Mean time T per component

Execution time = ND.Nw.T vs (ND+Nw-1).T

– Example for registration:

nD = 50 ; n

W = 4 ; T = 30min

Execution time = 100h vs 26.5 h

• Data intensive applications

C1C2

 C3C4D0, D1, D2

C1 D0 D1 D2 - - - -

C2 - - - C1*D0 C1*D1 C1*D2 -

C3 - - - C1*D0 C1*D1 C1*D2 -

C4 - - - - - - Mean

C1 D0 D1 D2 - -

C2 - C1*D0 C1*D1 C1*D2 -

C3 - C1*D0 C1*D1 C1*D2 -

C4 - - - - Mean

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A new workflow execution engine

• Development of a new execution engine : MOTEUR– compatible with Taverna description (Scufl)– Allowing data and component parallelism – Implementing result traceability

http://www.i3s.unice.fr/~glatard

• Execution infrastructures> 1000 procs

OAR batch submitter

research infrastructure

> 16000 procs, 5 PB

LCG2 middleware (migration to gLite)

production infrastructure

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Performances

Taverna

MOTEUR

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Multiple infrastructures execution

• Monitoring processor performances• Selecting infrastructure

Machines localesTime

nJobs

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Tasks splitting

• n jobs to be executed such that the total execution time is W• Optimal processing: n tasks executed in W/n

• Grid overhead: scheduling + queuing time G

• Real execution time: H = max(G + W/n)

• Hypothesis : G is a random variable (of unknown distribution)

User interface User Interface

Grid Resources

Scheduler

W/nG

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Modeling

• Minimize H expectation

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G distribution function

• Unknown distribution function for G, varying through time

=> grid monitoring (test jobs submission)

• Preliminary results10% execution time by splitting W

32% less jobs

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Conclusion - perspectives

• MOTEUR: optimized workflow enactor prototype– Exploiting control and data parallelism– Data traceability– Generic workflow engine

• On-going work– Granularity of jobs (tasks splitting)– Data migration cost estimation– Multiple infrastructures usage

• The Bronze standard application– Application prototyped, production starting– Benchmark for

registration algorithms Compression

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References

• Bronze Standard Granger et al, MICCAI 2001 & ECCV 2002. Nicolau et al, IS4TM 2003.

• Worflows on GRIDS T. Glatard & al. Grid-enabled workflows for data intensive

applications. IEEE Int. Symp. On Computer-based Medical Systems CBMS’05.

T. Glatard & al. PDP’06 T. Glatard & al. I3S Research Report, 2005, http://www.i3s.unice.fr/~glatard/

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• Uncertainty = deviation from the real transformation– Bias (features, method, adequacy of the criterion)

– Accuracy Extrinsinc (sensitivity to the noise on the features) Intrinsic or precision (optimization, interpolation, local minima)

Types of errors for an energy minimization

• Robustness – Local minima at a

global scale

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Analyse Globalisée des Données d’Imagerie Radiologique

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Targeting using Augmented reality

• User 1 (50 trials):– Repeatability:

σ = 2.2 mm

– Bias: 3.0 mm

– Accuracy: σ = 3.7 mm

[ S. Nicolau, A. Garcia et al.,  Aug. & Virtual Reality Workshop, Geneva, 2003 ]

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AGIR: Oncology & Workflows, journées PariSTIC, 23 novembre 2005 37

Analyse Globalisée des Données d’Imagerie Radiologique

www.aci-agir.org

[ S. Nicolau, A. Garcia et al.,  Aug. & Virtual Reality Workshop, Geneva, 2003 ]

• User 2 (50 trials):– Repeatability:

σ = 1.9 mm

– Bias: 1.3 mm

– Accuracy: σ = 2.3 mm

Targeting using Augmented reality

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AGIR: Oncology & Workflows, journées PariSTIC, 23 novembre 2005 38

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[ S. Nicolau, A. Garcia et al.,  Aug. & Virtual Reality Workshop, Geneva, 2003 ]

• Both users (100 trials):– Repeatability:

σ = 2.2 mm

– Bias: 1.7 mm

– Accuracy: σ = 2.8 mm

Targeting using Augmented reality

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AGIR: Oncology & Workflows, journées PariSTIC, 23 novembre 2005 39

Analyse Globalisée des Données d’Imagerie Radiologique

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• Registration or consistency loops Pennec et al. IJCV 25(3) 1997 & MICCAI 1998. Holden et al. TMI 19(2), 2000 Roche et al MICCAI 2000 & TMI 20(10), 2001.

• Cross-comparison of criterions Hellier et al MICCAI 2001 & TMI 22(9), 2003.

• Ground truth as a hidden variable (EM like algorithms) Granger, MICCAI 2001 & ECCV 2002, Warfield, MICCAI 2002, [Staple, segmentation] Nicolau, IS4TM 2003

• Error prediction Pennec et al. ICCV 1995, IJCV 25(3) 1997 & MICCAI 1998. Fitzpatrick et al, MedIm 1998, TMI 17(5), 1999. Nicolau et al, INRIA Research Report 4993, 2003

Performance Evaluation without Gold Std

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Taverna

• Limitations of the data iteration strategy description– Scufl:

dot and cross products operators

– In our case: register all images of

the same patient

the same modality

A different exam date

  Set 0        Set 1    I0 J0

    I1      J1

    I2      J2

Ref Img      Flo Img    A0      A0

    A1      A1

    A2      A2

    B0 B0

    B1 B1

  Set 0        Set 1    I0 J0

    I1      J1

    I2      J2

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• Scenario 1: user accesses to registration services through the grid on his own data

• Scenario 2: the user test his algorithm on standard image databases

User

GRIDRegistration 

service

Computer resources

Image dataresources

Grid registration services

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Interoperability challenges

• Image format (input / output) Dicom (communication module ?) Basic 3D image format ?

• Transformation formats Standardized displacement field / resampled image Internal representation + std resampling function

• Algorithm parameters / options Define std param. w.r.t. classes of registration problems

• Interactivity State of advancement (reporting) Interactive corrections

Grid registration services

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Ontology of Algorithms (registration service)

• Type of data Images (2D, 3D, time series) Point clouds, landmarks

• Type of spatial transformation Rigid / similarity / affine Non rigid (global / local) (splines, def. Fields, polyrigids…)

• From Data to Transformation Comparison metric (SSD, Correlation coefficient)

takes into account the intensity transformation Optimization procedure Interactivity

Grid registration services

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Ontology of Registration Problems (image databases)

• Modality involved (specifies the type of data) Monomodal (CT, MR, US, Video, point measures…) Multimodal (combination of above) Atlas to modality

• Image content (specifies the type of transformation) Anatomical part concerned (head, thorax, abdomen…) Changes expected

• intrasubject / intersubject / atlas• Smooth evolution / pathology

Grid registration services

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Etat d’avancement actuel

• Description du Workflow– Expose Tristan

• Image database standardization – Geometrie des images (dicom -> simple 3D format)– Que faire avec des images tiltees ?

– Format des images (pour l’instant inr)

• Registration algorithm standardization– Format des transformations: gerer les multiples conversions – Description du parametrage des algorithmes pour des types de

recalage donnes, eg: MR T1, T1i, T2, PD, Flair

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Effet de la compression sur le recalage

• Probleme medical– Organe / pathologie– Probleme de recalage (e.g fusion pour planning oncologie)

• Base de donnee image– 2 types d’images (e.g. MR T1, T1i, T2, PD, Flair…)– Nb patients suffisant, Nb instant temporels >1 ?

• Compression– Nb parametres? Compression sur 1 ou les 2 images ?– PB de compression: optimale (stockage) / aleatoire (pertes

reseau)

• Recalage– Influence de l’algorithme / influence des parametres– Resultat = transformation

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Effet de la compression sur le recalage

• Evaluation du Resultat:– Erreur / resultat sans compresssion (ou ground truth?)

• Synthese de la population erreur+parametres– Resume (rigide): stddev rotation/translation, %outliers– 30 a 50 exp / parametre a tester– Combien de parametres

compression / image / recalage / ??

– Echelle de mesure Absolue Relative (requiert la variabilite normale)

• Quelle est la question scientifique?– E.g.: l’influence de la compression est negligeable / la variabilite

normale

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Ordonnancement sur la grille

• Temps de calcul des algorithmes de recalage dans le workflow des bronze standard :

• Problème de la granularité des jobs soumis :– soumettre un job introduit un surcoût (soumission,

ordonnancement, ...)

– les jobs de durée faible sont pénalisés

Algorithm Local execution(cluster of 4 PCs)

Execution on EGEE Speed­up

CrestLine (25 crest lines extractions) 6h15 49min 7.65Baladin (75 registrations) 24h25 4h07 5.93

CrestMatch (25 registrations) 5h29 24min 13.7PFMatchICP (50 registrations) 2h42 37min 4.38PFRegister (50 registrations) 7min 23min 0.3Yasmina (50 registrations) 16h11 1h41 9.6

Total execution time 24h25 4h07 5.93

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Ordonnancement sur la grille (2)• But : optimiser le nombre n de jobs à soumettre pour exécuter une

tâche de durée W

• Temps total d'exécution :

H = max(G + W/n) • G est une va dont la loi change au cours du temps

• Mesure de la densité de probabilité de G :

• Minimisation de l'espérance de H :

{jobs}

Soumission d'un job sur EGEE

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Interactive volume

reconstuctionA. Osorio

Workflow Management J. Montagnat

MedicalApps.

Les thématiques

Cardiological images

SegmentationI. Magnin

Humanitarian Medical

DevelopmentV. Breton

Image registration in oncologyX. Pennec

Dissem

ination C. G

ermain

Services for InteractivityC. Germain

Middleware evaluation E. Jeannot

Medical data ManagementJ. Montagnat

Medical data access

protocols J-M. Moureaux

CoreGrid

MedicalServices

AlgorithmGridification

Medical applications evaluation P-Y Bondiau