CN111868781A - 一种按照3d医学图像的几何形状通过多个神经网络经由结构化卷积来自动分割3d医学图像的处理 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自动分割在由体素组成的对象的3D医学图像中可见的特征的自动分割方法,所述特征比如是解剖和病理结构或器械。所述方法的特征在于包括提供全局软件装置或布置,所述全局软件装置或布置组合N个不同的卷积神经网络(CNN),N≥2,并且具有与图像体积的结构化几何形状或架构相适应和可比较的结构化几何形状或架构,和按照N个不同的重建轴线或平面分析形成3D图像的所述体积的体素,每个CNN被分配给属于一个轴线或平面的体素的分析。
Description
技术领域
本发明涉及数据处理领域,更具体地,涉及图像的处理和分析,尤其是医学图像的分割,并且涉及按照3D医学图像的几何形状(geometry)或结构,通过一个或多个神经网络经由结构化卷积来自动分割3D医学图像的处理。
背景技术
从医学成像设备形成的三维图像,比如扫描仪、MRI、超声、CT或SPEC类图像由一组体素组成,体素是3D图像的基本单元。体素是像素的3D延伸,而像素是2D图像的基本单元。每个体素与可被认为是2D函数F(x,y)或3D函数F(x,y,z)的结果的灰度或密度关联,其中x、y和z表示空间坐标(参见图1)。
在3D图像中,可以按照不同的轴线或平面来以2D查看体素。医学图像中的3个主要轴线或平面是轴向、矢状和额状轴线或平面(参见图2)。然而,利用不同的角度可以创建无限数量的轴线或平面。
通常,2D或3D医学图像包含临床医生必须进行描述以便评估情况并确定和计划其治疗策略的一组解剖和病理结构(器官、骨骼、组织、…)或人造元件(支架、植入物、器械、…)。在这方面,在图像中必须识别器官和病理,这意味标记(例如着色)2D图像的每个像素或者3D图像的每个体素。该处理被称为分割。
例如,图3表示按照横向视图的3D医学图像分割的各个阶段。
有许多已知的方法来进行分割,特别是利用算法尤其是AI算法的自动方法。
在这种情况下,现有技术中使用了神经网络的众多变种,所有的都基于标准的非特定架构,造成全局性不适当的资源浪费以及效率和准确性的缺乏。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种旨在克服上述限制的新方法以及新系统。
因此,本发明涉及一种自动分割在由体素组成的对象的3D医学图像中可见的特征的自动分割方法,所述特征比如是解剖和病理结构或器械,
所述方法的特征在于包括:
提供全局软件装置或布置,所述全局软件装置或布置组合N个不同的卷积神经网络CNN,N≥2,并且具有与图像体积的结构化几何形状或架构相适应和可比较的结构化几何形状或架构,和
按照N个不同的重建轴线或平面分析形成3D图像的所述体积的体素,每个CNN被分配给属于一个轴线或平面的体素的分析。
附图说明
利用以下说明将更好地理解本发明,以下说明涉及作为非限制性例子给出的并且参考附图说明的一些优选实施例,附图中:
-图4是按照本发明的第一实施例,整合3D图像的不同分析轴线或平面的独特的全局CNN算法的示意和符号表示,特定的CNN被分配给每个轴线或平面;
-图5是本发明的再一个实施例的示意和符号表示,表示CNN的串行或顺序布置;
-图6是本发明的另一个实施例的示意和符号表示,表示CNN的并行布置;和
-图7和8是包括CNN的并行布置的本发明的其他实施例的示意和符号表示。
具体实施方式
附图中的图4-8中所示的是在由体素组成的对象的3D医学图像中可见的特征(比如解剖和病理结构或器械之类)的自动分割方法。
按照本发明,所述方法包括提供全局软件装置或布置,所述软件置或布置组合N个不同的卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN),N≥2,并且具有与图像体积的结构化几何形状或架构相适应和可比较的结构化几何形状或架构,以及按照N个不同的重建轴线或平面,分析形成3D图像的所述体积的体素,每个CNN被分配给属于一个轴线或平面的体素的分析。
因此,本发明提供考虑到医学图像的几何形状、结构和内容的多个CNN的结构化组织和协同工作。
按照3D图像体积的N个不同重建轴线或平面组合N个不同的CNN(N≥2,优选N≥3)的这种特定的复合计算系统(可能被集合在单一框架中)允许将用于分析和分割2D图像的已知CNN的使用扩展到3D图像。
通常,可以在本发明的方法和系统内使用的已知CNN算法是“U-Net”(例如参见:“U-Net:Convolutional Networks for Biomedical Image Segmentation”;O.Ronneberger等;MICCAI 2015,Part III,LNCS 3951,pp 234-‘’241,Springer IPS)。
“U-Net”可以结合其他已知的架构,比如“ResNet”或“DenseNet”之类实现。
有利的是,如同样在图4-8中所示,本发明的方法可以包括对3D图像的N个重建平面中的每一个,借助提供的N个CNN之中的专用CNNi来分析并分割由给定平面的体素形成的2D图像,所述CNN是类似于3D图像体积构成的,以及组合由所述不同的CNN进行的所述N个分析的中间或最终结果。
通过分割3D图像体积以便分析,并通过将这些部分分析的结果合并(组合)成单一的3D图像分割,本发明允许以有限的资源实现复杂的分割过程,并快速提供准确且以某种方式交叉检查过的结果。
通过以下操作,可以进行N个分析和分割的结果的组合或合并:
-对于每个体素,组合N个网络的中间激活(参见图4-所谓的“特征组合”)。所得合并信息随后作为输入数据被全局CNN接收,所述全局CNN提供图像的最终分割;
-组合N个不同CNN的退出信息(参见图7和8-后期(late)融合或合并),例如,通过分类器的(加权)求和、乘法或者本领域的技术人员已知的其他适应的预测集成操作。
按照图4中所示的本发明的第一实施例,所述方法可包括提供单一神经网络,所述单一神经网络在其结构中整合N个不同的CNN,所述N个不同的CNN有利地是并行工作的,所述N个不同的CNN自动分割在3D医学图像中可见的解剖和病理结构或器械,每个CNN按照不同的重建平面或轴线分析形成所述3D图像的体积的所有体素,以及在具有结构化几何形状的所述神经网络的最终结构中,通过卷积组合不同的2D分析和分割的结果。
这种情况下,如此形成的单一元CNN的非常内部的结构整合3D轴图像分析,以及由不同的2D分析和分割产生的信息的组合。
当然,这样的多重并行2D处理连同这些处理的结果的组合也可通过没有整合在单一框架中的N个独立CNN的并行布置来管理(图6)。
按照图5中所示的本发明的第二备选实施例,所述方法还可包括进行N个顺序的操作步骤或图像处理步骤,其中每个步骤由自动分割在3D医学图像中可见的解剖和病理结构或器械的CNN进行,所述CNN中的每个CNNi按照用于N个不同的CNN中的每一个的特定重建平面,通过使用由序列中的前一个网络CNNi-1(当它存在时)所提供的结果,分析形成3D图像的体积的所有体素。
这种情况下,CNN 2D顺序处理方案被整合到算法框架的全局架构中,或者被整合到CNN布置的结构化几何形状中,该序列的信息的最终组合因此被固有地整合在所述框架或布置的结构中。
关于图6-8中所示的本发明的优选实施例,分割方法主要包括两个连续的操作步骤的组合,第一步骤包括进行N个分割,每个分割是按照N个不同的重建轴线或平面中的一个进行的,并且第二步骤包括将这N个分割的结果组合成在3D医学图像中可见的解剖和病理结构或器械的单一分割。
有利的是,第一个操作步骤由并行或者顺序地工作的N个不同CNN进行,其中这些CNN中的每个CNN都独立于其他CNN自动分割在3D医学图像中可见的解剖和病理结构或器械,每个CNN按照用于N个不同的CNN中的每一个的不同重建平面来分析形成3D图像的体积的所有体素。
按照图7中所示的本发明的第一备选实现,专用于将第一步骤的N个分割的结果组合成在3D医学图像中可见的解剖和病理结构或器械的单一分割的第二操作步骤是通过向图像体积的每个体素分配标记(label)进行的,所述标记对应于在第一步骤的N个分割期间,分配给同一个体素的N个标记的组合。
按照图8中所示的本发明的第二备选实现,专用于将第一步骤的N个分割的结果组合成在3D医学图像中可见的解剖和病理结构或器械的单一分割的第二操作步骤是通过向图像体积的每个体素分配标记进行的,所述标记对应于在第一步骤的N个分割期间,分配给同一个体素以及分配给该体素的一个或多个邻近体素的N个标记的组合。
在3D图像体积中,给定体素的邻近体素可涉及三组不同的体素,即(如图8中所示):
-面对面接触所涉及的体素的一组6个体素;
-面对面或边对边接触所涉及的体素的一组18个体素;
-包括上述一组18个体素以及与所涉及的体素的角尖单点接触的8个附加体素。
如图4-8中图解所示,(在实现本发明的方法时使用的)N个重建平面优选地包括矢状平面2和额状或冠状平面3,以及垂直于横向平面或轴向平面1、包含矢状平面和冠状平面的相交线并且绕所述相交线向这些平面进行角度移动(shift)的至少一个其他平面。
除了上述以外或者作为上述的替代,N个重建平面还可包括:
-平行于矢状平面2或者冠状平面3的平面,和/或
-多个相互平行的轴向平面1。
如图4-8中象征性所示,本发明还包括用于进行如上所述的自动分割方法的系统。
所述系统的特征在于它包括至少一个计算机设备,所述至少一个计算机设备以结构化布置的方式托管N个不同的卷积神经网络(CNNi),并且以串行或并行组织的方式允许所述N个不同的卷积神经网络(CNNi)协同工作,其中N≥2,每个CNNi被调整和配置成通过按照N个不同的重建轴线或平面分析形成3D图像的所述体积的体素,来自动并且独立于其他CNN地进行在待处理的3D医学图像中可见的解剖和病理结构或器械的分割,每个CNN被分配给属于一个轴线或平面的体素的分析。
优选地,所述系统还包括组合并可能显示由所述N个不同的CNN进行的分析和分割的结果的装置。
按照第一备选方案,N个不同的CNN可以按如下方式布置成串行架构(图5):所述N个不同的CNN中的每个CNNi按照用于所述N个不同的CNN中的每一个的特定重建平面分析形成3D图像的体积的所有体素,并使用由前一个网络CNNi-1(当它存在时)所提供的结果。
按照第二备选方案,N个不同的CNN可以布置成并行架构,可在单一算法框架内,所述N个不同的CNN的结果在最后阶段被组合(图4、6和8)。
当然,本发明并不限于附图中描述和表示的至少一个实施例。各种修改仍然是可能的,特别是从各要素的组成的视角来看,或者通过技术等同物的替代,而不超出本发明的保护范围。
Claims (15)
1.一种自动分割在由体素组成的对象的3D医学图像中可见的特征的自动分割方法,所述特征比如是解剖和病理结构或器械,
所述方法的特征在于包括:
提供全局软件装置或布置,所述全局软件装置或布置组合N个不同的卷积神经网络CNN,N≥2,并且具有与图像体积的结构化几何形状或架构相适应和可比较的结构化几何形状或架构,和
按照N个不同的重建轴线或平面分析形成3D图像的所述体积的体素,每个CNN被分配给属于一个轴线或平面的体素的分析。
2.按照权利要求1所述的自动分割方法,其特征在于包括对3D图像的N个重建平面中的每一个,借助提供的N个CNN之中的专用CNNi,分析并分割由给定平面的体素形成的2D图像,所述CNN是类似于3D图像体积构成的,和组合由所述不同的CNN进行的所述N个分析的中间或最终结果。
3.按照权利要求1或2所述的自动分割方法,其特征在于包括提供单一神经网络,所述单一神经网络在其结构中整合有N个不同的CNN,所述N个不同的CNN有利地是并行工作的,所述N个不同的CNN自动分割在3D医学图像中可见的解剖和病理结构或器械,每个CNN按照不同的重建平面或轴线来分析形成所述3D图像的体积的所有体素,和在具有结构化几何形状的所述神经网络的最终结构中,通过卷积组合不同的2D分析和分割的结果。
4.按照权利要求1或2所述的自动分割方法,其特征在于包括进行N个顺序的操作步骤或图像处理步骤,其中每个步骤由自动分割在3D医学图像中可见的解剖和病理结构或器械的CNN进行,所述CNN中的每个CNNi按照用于N个不同的CNN中的每一个的特定重建平面并通过使用由序列中如果存在的前一个网络CNNi-1所提供的结果,来分析形成3D图像的体积的所有体素。
5.按照权利要求1-4任意之一所述的自动分割方法,其特征在于所述方法主要包括两个连续的操作步骤的组合,第一步骤包括进行N个分割,每个分割是按照N个不同的重建轴线或平面中的一个进行的,并且第二步骤包括将这N个分割的结果组合成在3D医学图像中可见的解剖和病理结构或器械的单一分割。
6.按照权利要求5所述的自动分割方法,其特征在于第一操作步骤由并行或者顺序地工作的N个不同CNN进行,其中这些CNN中的每个CNN都独立于其他CNN地自动分割在3D医学图像中可见的解剖和病理结构或器械,每个CNN按照用于N个不同的CNN中的每一个的不同重建平面来分析形成3D图像的体积的所有体素。
7.按照权利要求5或6所述的自动分割方法,其特征在于专用于将第一步骤的N个分割的结果组合成在3D医学图像中可见的解剖和病理结构或器械的单一分割的第二操作步骤是通过向图像体积的每个体素分配标记进行的,所述标记对应于在第一步骤的N个分割期间分配给同一个体素的N个标记的组合。
8.按照权利要求5或6所述的自动分割方法,其特征在于专用于将第一步骤的N个分割的结果组合成在3D医学图像中可见的解剖和病理结构或器械的单一分割的第二操作步骤是通过向图像体积的每个体素分配标记进行的,所述标记对应于在第一步骤的N个分割期间分配给同一个体素以及分配给该体素的一个或多个邻近体素的N个标记的组合。
9.按照权利要求1-8任意之一所述的自动分割方法,其特征在于所述N个平面包括矢状平面(2)和额状或冠状平面(3),以及垂直于横向或轴向平面(1)、包含矢状平面和冠状平面的相交线并且绕所述相交线向这些平面进行角度移动的至少一个其他平面。
10.按照权利要求1-8任意之一所述的自动分割方法,其特征在于使用的N个重建平面包括平行于矢状平面(2)或者冠状平面(3)的平面。
11.按照权利要求1-8任意之一所述的自动分割方法,其特征在于使用的N个重建平面包括多个相互平行的轴向平面(1)。
12.一种进行按照权利要求1-11任意之一所述的自动分割方法的系统,其特征在于所述系统包括至少一个计算机设备,所述至少一个计算机设备以结构化布置的方式托管N个不同的卷积神经网络(CNNi),并且以串行或并行组织的方式允许所述N个不同的卷积神经网络(CNNi)协同工作,其中N≥2,每个CNNi被调整和配置成通过按照N个不同的重建轴线或平面分析形成3D图像的所述体积的体素,来自动并且独立于其他CNN地进行在待处理的3D医学图像中可见的解剖和病理结构或器械的分割,每个CNN被分配给属于一个轴线或平面的体素的分析。
13.按照权利要求12所述的系统,其特征在于所述系统还包括组合并且可能地显示由所述N个不同的CNNi进行的分析和分割的结果的装置。
14.按照权利要求12或13所述的系统,其特征在于所述N个不同的CNN按照如下方式布置成串行架构:所述N个不同的CNN中的每个CNNi按照用于所述N个不同的CNN中的每一个的特定重建平面来分析形成3D图像的体积的所有体素,并使用由如果存在的前一个网络CNNi-1所提供的结果。
15.按照权利要求12或13所述的系统,其特征在于所述N个不同的CNN布置成并行架构,可能在单一算法框架内,所述N个不同的CNN的结果在最后阶段被组合。
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