Στην παρούσα διατριβή προτείνονται πρωτότυπες μέθοδοι ανάλυσης δισδιάστατων σημάτων που εστιάζονται στην κατάτμηση εικόνας, καθώς και εφαρμογές τους στην ιατρική. Με άξονα την προσέγγιση των ενεργών περιγραμμάτων, oι προτεινόμενες μέθοδοι αξιοποιούν πληροφορία υφής και έντασης. Η πληροφορία υφής αξιοποιείται με προσεγγίσεις που συνδέονται με εναλλακτικές ισορροπίες ανάμεσα στο υπολογιστικό κόστος και στη λεπτομέρεια της αναπαράστασης υφής: 1) κωδικοποίηση μέσω μονοχρωματικών εντάσεων της χωρικής κατανομής υποσυνόλου των τοπικών δυαδικών προτύπων (local binary patterns-LBP), επιλεγμένου βάσει κριτηρίου ελαχιστοποίησης μίας κατάλληλα ορισμένης συνάρτησης εντροπίας. Παράγεται τελικά μία μετασχηματισμένη εικόνα που επιτρέπει την εφαρμογή βαθμωτού ενεργού περιγράμματος, και 2) ενσωμάτωση πολυδιάστατων χαρακτηριστικών που εξάγονται απευθείας από τις κατανομές LBP σε προσεγγίσεις διανυσματικών ενεργών περιγραμμάτων. Το αυξημένο υπολογιστικό κόστος που συνδέεται με τους διανυσματικούς υπολογισμούς μειώνεται αν προηγηθεί αρχικοποίηση με εφαρμογή της βαθμωτής προσέγγισης. Προτείνεται επίσης το πρωτότυπο μοντέλο ενεργού περιγράμματος μεταβλητού υποβάθρου (variable background active contour-VBAC). Η διατύπωση του μοντέλου VBAC εξασφαλίζει ότι οι περιοχές της εικόνας υπεισέρχονται επιλεκτικά στους σχετικούς υπολογισμούς, ώστε να εξαιρούνται αυτές που επιτείνουν την ανομοιογένεια. Για την αυτόματη εξεύρεση των παραμέτρων των προτεινόμενων μοντέλων ενεργών περιγραμμάτων, προτείνεται πλαίσιο βελτιστοποίησης που βασίζεται στους γενετικούς αλγορίθμους. Τέλος, προτείνεται προσέγγιση αποτίμησης της επικινδυνότητας των θυρεοειδικών όζων με βάση χαρακτηριστικά που εξάγονται από το περίγραμμά τους. Οι προτεινόμενες μέθοδοι κατάτμησης εφαρμόσθηκαν τόσο σε καθιερωμένα στη βιβλιογραφία δεδομένα αναφοράς (VisTex, Brodatz, Berkeley), όσο και για τον εντοπισμό των ορίων θυρεοειδικών όζων σε υπερηχογραφικές εικόνες, οδηγώντας σε υψηλότερη ποιότητα κατάτμησης σε σύγκριση με καθιερωμένες μεθόδους. Μελλοντικοί ερευνητικοί στόχοι περιλαμβάνουν εφαρμογές σε διάφορα τεχνολογικά πεδία.