RU2795658C1 - Device and method for hip joint diagnosis - Google Patents

Device and method for hip joint diagnosis Download PDF

Info

Publication number
RU2795658C1
RU2795658C1 RU2022125919A RU2022125919A RU2795658C1 RU 2795658 C1 RU2795658 C1 RU 2795658C1 RU 2022125919 A RU2022125919 A RU 2022125919A RU 2022125919 A RU2022125919 A RU 2022125919A RU 2795658 C1 RU2795658 C1 RU 2795658C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
landmarks
landmark
image
clinical
hip
Prior art date
Application number
RU2022125919A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Семен Александрович Киселев
Тамерлан Айдын Оглы Мустафаев
Original Assignee
Автономная некоммерческая организация высшего образования "Университет Иннополис"
Filing date
Publication date
Application filed by Автономная некоммерческая организация высшего образования "Университет Иннополис" filed Critical Автономная некоммерческая организация высшего образования "Университет Иннополис"
Application granted granted Critical
Publication of RU2795658C1 publication Critical patent/RU2795658C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: medical images processing.
SUBSTANCE: group of inventions relates to supporting medical decision-making based on the analysis of medical images. A device and method for diagnosing hip joints is proposed, comprising a block for obtaining a three-dimensional medical image of the pelvic region; a landmark search unit configured to automatically detect anatomical landmarks in the obtained image for diagnosing the hip joints and obtain their coordinates, wherein the landmark detection includes generating an initial set of candidate landmarks and iteratively refining the position of landmarks in the set based on the analysis of spatial relationships between landmarks in a set of candidate landmarks using reinforcement learning models based on the training set of images; a diagnostic unit configured to calculate clinical indicators describing the health status of the hip joint based on the data obtained by the landmark search unit and generate a report; and a block for transmitting a report to the device requesting the diagnostics.
EFFECT: group of inventions provides an increase in the speed, accuracy and automation of diagnostics.
16 cl, 7 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs

Настоящее изобретение относится к области обработки изображений, и, более конкретно, к поддержке принятия врачебных решений на основе анализа медицинских изображений.The present invention relates to the field of image processing, and more specifically to medical decision support based on medical image analysis.

Уровень техникиState of the art

Морфологические аномалии тазобедренного сустава являются одними из наиболее распространенных заболеваний опорно-двигательного аппарата человека, и их диагностика обычно основывается на сочетании клинических и рентгенологических исследований. Рентгенологические исследования направлены на количественную оценку формы и пространственных взаимосвязей между бедренной костью, головкой бедренной кости и вертлужной впадиной с использованием рентгеновской компьютерной томографии (КТ) в переднезадней проекции или магнитно-резонансных (МР) изображений сустава. Ортопедическое сообщество составило список анатомических показателей, характеризующих различные аномалии тазобедренного сустава, многие из которых на ранних, легко поддающихся лечению стадиях протекают бессимптомно. В рамках различных систематических обзоров, проведенных в уровне техники, было показано, например, что около 22% из бессимптомных добровольцев имели признаки импинджмента тазобедренного сустава, которые можно было наблюдать на медицинских изображениях, и до 19% из бессимптомных добровольцев имели невыявленную дисплазию тазобедренного сустава. Выявление бессимптомных или ранних стадий аномалий тазобедренного сустава может быть достигнуто путем изучения изображений тазовых/абдоминальных областей пациентов, полученных по причинам, отличным от визуализации тазобедренного сустава. Поиск аномалий тазобедренного сустава на всех таких изображениях требует много времени и ресурсов, поэтому не должен выполняться врачами. Это освобождает место для решений на базе компьютерной диагностики (CAD), которые могут самостоятельно сканировать изображения бессимптомных пациентов и предупреждать пользователя об обнаруженных потенциальных аномалиях.Morphological anomalies of the hip joint are among the most common diseases of the human musculoskeletal system, and their diagnosis is usually based on a combination of clinical and radiographic studies. Radiological studies aim to quantify the shape and spatial relationships between the femur, femoral head, and acetabulum using anteroposterior computed tomography (CT) or magnetic resonance (MR) imaging of the joint. The orthopedic community has compiled a list of anatomical indicators characterizing various hip joint anomalies, many of which are asymptomatic in the early, easily treatable stages. In various systematic reviews conducted in the prior art, it was shown, for example, that about 22% of asymptomatic volunteers had signs of hip impingement that could be observed on medical images, and up to 19% of asymptomatic volunteers had undiagnosed hip dysplasia. Identification of asymptomatic or early stage hip abnormalities can be achieved by examining images of the pelvic/abdominal regions of patients obtained for reasons other than imaging of the hip joint. Finding hip anomalies on all such images is time consuming and resource intensive and should not be performed by clinicians. This frees up space for computer-aided diagnostic (CAD) solutions that can independently scan images of asymptomatic patients and alert the user to potential anomalies detected.

Автоматическое обнаружение и сегментация бедренной кости и вертлужной впадины на медицинских изображениях обычно являются начальными этапами компьютерной диагностики аномалий тазобедренного сустава. Ранние методы в этой области были основаны на эвристике и комбинированной пороговой обработке изображений, фильтрации, разложении связанных компонентов и т.д. для улучшения распознавания кости и края кости. Многие из таких алгоритмов основаны на относительной сферичности головки бедренной кости, что позволяет надежно идентифицировать ее с помощью сопоставления сферических шаблонов или нахождения точки пересечения векторов градиента, инициализированных на краях кости. В дальнейшем был выпущен ряд статей, в которых проверялась идея о том, что головки бедренных костей и чашечки вертлужной впадины могут быть аппроксимированы сферическими формами, и было обнаружено, что сфера уже является хорошим приближением к здоровой головке бедренной кости с ошибкой подгонки поверхности около 0,87 мм, в то время как более сложный суперовоид может захватывать поверхность кости с ошибкой подгонки 0,68 мм. Однако было замечено, что основанные на эвристике методы не работают при наличии патологии тазобедренного сустава, особенно у людей, страдающих артритом. В результате впоследствии для сегментации бедренной кости появились другие методы, такие как анализ графов и анатомический атлас. Одним из недостатков таких методов является невозможность с их помощью выполнить морфометрию структур тазобедренного сустава, так как даже точная сегментация головки бедренной кости и вертлужной впадины сама по себе не указывает на наличие недостаточного или избыточного покрытия вертлужной впадины. С другой стороны, морфологию тазобедренного сустава можно автоматически анализировать с помощью статистического моделирования формы, при котором ткани тазобедренного сустава обычно определяются с помощью ячеек, и допустимые деформации таких ячеек, которые фиксируют анатомическую изменчивость нормальных и патологических суставов, изучаются из обучающего набора размеченных изображений. В ряде известных из уровня техники решений статистические модели формы использовались для сегментации бедренной кости, головки бедренной кости, вертлужной впадины, других костей и хрящей. Одно из свойств, присущих статистическим моделям формы, заключается в том, что они пытаются аппроксимировать форму тазобедренного сустава пациента по формам из обучающего набора, что потенциально может усложнить сегментацию тазобедренных суставов с серьезными аномалиями, которых не было в обучающем наборе. Однако эта неспособность фиксировать ранее не известные аномалии, наоборот, стала использоваться для точного определения их присутствия. Несколько исследований продемонстрировали, что ячеистые структуры здорового таза могут быть совмещены с пациентом с деформацией вертлужной впадины для количественной оценки уровня потери костной массы, а затем предложена оптимальная поверхность вертлужной впадины для планирования реконструкции кости для ревизионного тотального эндопротезирования тазобедренного сустава. Несмотря на более точную сегментацию, чем ранее описанные методы, статистические ячеистые структуры все же могут давать сбой в случае непредсказуемых или трудно фиксируемых аномалий.Automatic detection and segmentation of the femur and acetabulum on medical images are usually the initial steps in computerized diagnosis of hip anomalies. Early methods in this area were based on heuristics and combined image thresholding, filtering, coupled component decomposition, and so on. to improve bone and bone edge recognition. Many of these algorithms are based on the relative sphericity of the femoral head, allowing it to be reliably identified by matching spherical templates or finding the intersection point of gradient vectors initialized at the edges of the bone. Subsequently, a number of papers were released that tested the idea that the femoral heads and acetabular cups could be approximated by spherical shapes and found that a sphere is already a good approximation to a healthy femoral head with a surface fitting error of around 0. 87 mm, while a more complex superovoid can capture the bone surface with a fitting error of 0.68 mm. However, it has been observed that heuristic-based methods do not work in the presence of hip pathology, especially in people with arthritis. As a result, other methods such as graph analysis and anatomical atlas subsequently emerged for segmenting the femur. One of the disadvantages of such methods is the impossibility of using them to perform morphometry of the structures of the hip joint, since even accurate segmentation of the femoral head and acetabulum does not in itself indicate the presence of insufficient or excessive coverage of the acetabulum. On the other hand, the morphology of the hip joint can be automatically analyzed using statistical shape modeling, in which the tissues of the hip joint are usually defined using cells, and the allowable deformations of such cells, which capture the anatomical variability of normal and pathological joints, are learned from the training set of labeled images. A number of prior art solutions have used statistical shape models to segment the femur, femoral head, acetabulum, other bones, and cartilage. One of the inherent properties of statistical shape models is that they attempt to approximate the shape of the patient's hip joint from the shapes in the training set, potentially making it difficult to segment hips with severe anomalies that were not present in the training set. However, this inability to detect previously unknown anomalies, on the contrary, began to be used to accurately determine their presence. Several studies have demonstrated that the cellular structures of a healthy pelvis can be aligned with a patient with an acetabular deformity to quantify the level of bone loss, and then suggest an optimal acetabular surface for bone reconstruction planning for revision total hip arthroplasty. Despite more accurate segmentation than previously described methods, statistical cellular structures can still fail in the event of unpredictable or hard-to-fix anomalies.

Известные подходы не предлагают инструмента для быстрой и точной диагностики трехмерных медицинских изображений области таза.The known approaches do not offer a tool for fast and accurate diagnosis of 3D medical images of the pelvis.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

С целью устранения по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники, настоящее изобретение направлено на повышение эффективности систем, устройств и способов диагностики тазобедренных суставов.In order to overcome at least some of the aforementioned shortcomings of the prior art, the present invention is directed to improving the efficiency of systems, devices and methods for diagnosing hip joints.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложено устройство для диагностики тазобедренных суставов, содержащее:According to a first aspect of the present invention, there is provided a device for diagnosing hip joints, comprising:

блок получения изображения, выполненный с возможностью получать трехмерное медицинское изображение, содержащее область таза;an image acquisition unit configured to acquire a three-dimensional medical image including the pelvic region;

блок поиска ориентиров, выполненный с возможностью, с использованием по меньшей мере одного процессора и памяти, автоматически выявлять на полученном изображении анатомические ориентиры для диагностики тазобедренных суставов и выводить их координаты, причем выявление ориентиров включает в себя:a landmark search unit configured, using at least one processor and memory, to automatically detect anatomical landmarks in the obtained image for diagnosing hip joints and output their coordinates, the landmark detection including:

- генерирование первоначального набора ориентиров-кандидатов на основе случайно выбранных точек на изображении, на основе средних местоположений соответствующих ориентиров, вычисленных по обучающим изображениям, или на основе данных, полученных от первой предварительно обученной нейронной сети, анализирующей полученное изображение;- generating an initial set of candidate landmarks based on randomly selected points in the image, based on the average locations of the respective landmarks calculated from the training images, or based on data received from the first pre-trained neural network analyzing the received image;

- итеративное уточнение положения ориентиров в наборе на основе анализа пространственных взаимосвязей между ориентирами в наборе ориентиров-кандидатов с применением моделей обучения с подкреплением на базе обучающего набора изображений, причем анализ пространственных взаимосвязей включает в себя последовательное применение метода графического лассо, второй предварительно обученной нейронной сети и анализа чувствительности Морриса в отношении полученного изображения;- iterative refinement of the position of landmarks in the set based on the analysis of spatial relationships between landmarks in the set of candidate landmarks using reinforcement learning models based on the training set of images, and the analysis of spatial relationships includes the sequential application of the graphical lasso method, the second pretrained neural network and Morris sensitivity analysis on the acquired image;

блок диагностики, выполненный с возможностью, с использованием по меньшей мере одного процессора и памяти, вычислять клинические показатели, описывающие состояние здоровья тазобедренного сустава, на основе данных, выводимых блоком поиска ориентиров, и формировать отчет о состоянии здоровья тазобедренных суставов, содержащий по меньшей мере один вычисленный клинический показатель; иa diagnostic unit configured, using at least one processor and memory, to calculate clinical indicators describing the state of health of the hip joint, based on the data output by the landmark search unit, and generate a report on the state of health of the hip joints, containing at least one calculated clinical score; And

блок передачи отчета, выполненный с возможностью передавать отчет на устройство, запрашивавшее диагностику.a reporting unit configured to send a report to the device requesting the diagnostics.

В одном из вариантов осуществления блок диагностики дополнительно выполнен с возможностью сопоставлять вычисленные клинические показатели с допустимыми пределами или диапазонами, делать вывод о наличии или отсутствии патологий тазобедренных суставов на основе сопоставления, и включать упомянутый вывод в отчет.In one of the embodiments, the diagnostic unit is further configured to compare the calculated clinical indicators with acceptable limits or ranges, conclude the presence or absence of hip pathologies based on the comparison, and include said conclusion in the report.

В одном из вариантов осуществления блок диагностики выполнен с возможностью формировать отчет, если на изображении выявлена патология, причем отчет содержит указание на наличие патологии и соответствующий по меньшей мере один вычисленный клинический показатель, подтверждающий наличие патологии.In one of the embodiments, the diagnostic unit is configured to generate a report if a pathology is detected in the image, and the report contains an indication of the presence of a pathology and a corresponding at least one calculated clinical indicator confirming the presence of a pathology.

В одном из вариантов осуществления область таза на изображении включает в себя полностью обе вертлужные впадины и обе головки бедренных костей, пространство между ними и прилегающие части бедренных костей.In one embodiment, the pelvic region in the image includes the entirety of both acetabulums and both femoral heads, the space between them, and adjacent portions of the femurs.

В одном из вариантов осуществления блок поиска ориентиров дополнительно выполнен с возможностью формировать копию входного изображения с нанесенными на него ориентирами.In one of the embodiments, the landmark search block is additionally configured to generate a copy of the input image with landmarks applied to it.

В одном из вариантов осуществления анатомические ориентиры для диагностики тазобедренных суставов представляют собой опорные точки на изображении, необходимые для вычисления клинических показателей, описывающих состояние здоровья тазобедренного сустава.In one embodiment, the implementation of the anatomical landmarks for the diagnosis of the hips are the reference points on the image needed to calculate clinical indicators that describe the state of health of the hip joint.

В одном из вариантов осуществления клинические показатели включают в себя: латеральный центрально-краевой угол (LCEA), шеечно-диафизарный угол (NSA), угол переднего сектора вертлужной впадины (AASA) и угол заднего сектора вертлужной впадины.In one embodiment, the clinical measures include: lateral central-octane angle (LCEA), cervical-diaphyseal angle (NSA), anterior acetabular angle (AASA), and posterior acetabular angle.

В одном из вариантов осуществления блок диагностики дополнительно выполнен с возможностью включать в отчет копию входного изображения с нанесенными на него ориентирами.In one of the embodiments, the diagnostic unit is additionally configured to include in the report a copy of the input image with landmarks applied to it.

В одном из вариантов осуществления блок передачи отчета дополнительно выполнен с возможностью передавать копию входного изображения с нанесенными на него ориентирами, выявленными блоком поиска ориентиров, на удаленный пользовательский интерфейс;In one embodiment, the reporter is further configured to send a copy of the input image with the landmarks detected by the landmark finder to the remote user interface;

блок диагностики дополнительно выполнен с возможностью принимать ввод от пользователя, полученный через пользовательский интерфейс, указывающий надлежащие местоположения ориентиров, и вычислять клинические показатели с учетом принятого ввода от пользователя.the diagnostic unit is further configured to receive input from a user received through the user interface indicating appropriate landmark locations and calculate clinical scores based on the received input from the user.

В одном из вариантов осуществления блок диагностики выполнен с возможностью определять, что следует осуществлять передачу на пользовательский интерфейс, в случае если разница между по меньшей мере одним из вычисленных клинических показателей и границей соответствующего диапазона показателей, определяющих состояние здоровья тазобедренного сустава, не превышает предварительно заданный порог.In one of the embodiments, the diagnostic unit is configured to determine that it should be transmitted to the user interface if the difference between at least one of the calculated clinical indicators and the boundary of the corresponding range of indicators that determine the state of health of the hip joint does not exceed a predetermined threshold .

В одном из вариантов осуществления блок диагностики выполнен с возможностью определять, что следует осуществлять передачу на пользовательский интерфейс, на основании того, может ли возможное отклонение, вызванное ошибкой определения положения ориентира, привести к выходу значения соответствующего клинического показателя за пределы того диапазона, в котором находится первоначально вычисленное значение клинического показателя.In one of the embodiments, the diagnostic unit is configured to determine that it should be transmitted to the user interface, based on whether a possible deviation caused by an error in determining the position of the landmark can lead to the value of the corresponding clinical indicator falling outside the range in which it is located. the initially calculated value of the clinical indicator.

В одном из вариантов осуществления блок диагностики выполнен с возможностью определять положение отклоненного ориентира путем выбора случайной точки в пределах области возможного отклонения.In one of the embodiments, the diagnostic unit is configured to determine the position of the deviated landmark by selecting a random point within the area of possible deviation.

В одном из вариантов осуществления блок диагностики выполнен с возможностью определять точку, соответствующую отклоненному ориентиру, в пределах области возможного отклонения в таком положении, которое обеспечивает максимальное отклонение значения соответствующего клинического показателя в направлении ближайшей границы диапазона этого показателя.In one of the embodiments, the diagnostic unit is configured to determine the point corresponding to the deviated landmark within the area of possible deviation in such a position that provides the maximum deviation of the value of the corresponding clinical indicator in the direction of the nearest limit of the range of this indicator.

В одном из вариантов осуществления область возможного отклонения задается в виде окружности с радиусом, равным предварительно заданной ошибке определения данного ориентира, или в виде замкнутой кривой, соответствующей предварительно заданному пространственному распределению вероятности отклонения данного ориентира.In one of the embodiments, the area of possible deviation is specified as a circle with a radius equal to a predetermined error in determining a given landmark, or as a closed curve corresponding to a predetermined spatial distribution of the probability of deviating a given landmark.

В одном из вариантов осуществления блок диагностики выполнен с возможностью вычислять или уточнять радиус отклонения ориентира и/или пространственное распределение вероятности отклонения ориентира путем калибровки системы, причем для калибровки выполняется передача множества изображений на пользовательский интерфейс без определения, следует ли осуществлять их передачу на пользовательский интерфейс.In one embodiment, the diagnostic unit is configured to calculate or refine the landmark deviation radius and/or the spatial distribution of the landmark deviation probability by calibrating the system, wherein a plurality of images are transmitted to the user interface for calibration without determining whether they should be transmitted to the user interface.

В одном из вариантов осуществления блок передачи отчета дополнительно выполнен с возможностью передавать копию входного изображения с нанесенными на него ориентирами, выявленными блоком поиска ориентиров, на удаленный пользовательский интерфейс;In one embodiment, the reporter is further configured to send a copy of the input image with the landmarks detected by the landmark finder to the remote user interface;

блок поиска ориентиров дополнительно выполнен с возможностью принимать от пользовательского интерфейса копию входного изображения с нанесенными на него ориентирами, указанными пользователем, и сохранять его в обучающем наборе.the landmark search unit is additionally configured to receive from the user interface a copy of the input image with user-specified landmarks printed on it and store it in the training set.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения, предложен способ диагностики тазобедренных суставов, содержащий этапы, на которых:According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for diagnosing hip joints, comprising the steps of:

с использованием блока получения изображения получают трехмерное медицинское изображение, содержащее область таза;using the imaging unit, a three-dimensional medical image containing the pelvic region is obtained;

с использованием блока поиска ориентиров автоматически выявляют на полученном изображении анатомические ориентиры для диагностики тазобедренных суставов и выводят их координаты, причем выявление ориентиров включает в себя:using the landmark search block, anatomical landmarks are automatically detected on the received image for the diagnosis of the hip joints and their coordinates are output, and the identification of landmarks includes:

- генерирование первоначального набора ориентиров-кандидатов на основе случайно выбранных точек на изображении, на основе средних местоположений соответствующих ориентиров, вычисленных по обучающим изображениям, или на основе данных, полученных от первой предварительно обученной нейронной сети, анализирующей полученное изображение;- generating an initial set of candidate landmarks based on randomly selected points in the image, based on the average locations of the respective landmarks calculated from the training images, or based on data received from the first pre-trained neural network analyzing the received image;

- итеративное уточнение положения ориентиров в наборе на основе анализа пространственных взаимосвязей между ориентирами в наборе ориентиров-кандидатов с применением моделей обучения с подкреплением на базе обучающего набора изображений, причем анализ пространственных взаимосвязей включает в себя последовательное применение метода графического лассо, второй предварительно обученной нейронной сети и анализа чувствительности Морриса в отношении полученного изображения;- iterative refinement of the position of landmarks in the set based on the analysis of spatial relationships between landmarks in the set of candidate landmarks using reinforcement learning models based on the training set of images, and the analysis of spatial relationships includes the sequential application of the graphical lasso method, the second pretrained neural network and Morris sensitivity analysis on the acquired image;

с использованием блока диагностики вычисляют клинические показатели, описывающие состояние здоровья тазобедренного сустава, на основе данных, выводимых блоком поиска ориентиров, и формируют отчет о состоянии здоровья тазобедренных суставов, содержащий по меньшей мере один вычисленный клинический показатель; иusing the diagnostic unit, calculating clinical indicators describing the state of health of the hip joint, based on the data output by the landmark search unit, and generating a report on the state of health of the hip joints, containing at least one calculated clinical indicator; And

с использованием блока передачи отчета передают отчет на устройство, запрашивавшее диагностику.using the reporting transmission unit, transmitting a report to the device requesting the diagnostics.

Технический результатTechnical result

Настоящее изобретение позволяет повысить эффективность систем и способов диагностики тазобедренных суставов. При этом обеспечивается:The present invention improves the efficiency of systems and methods for diagnosing hip joints. This provides:

- повышение точности диагностики;- improving the accuracy of diagnostics;

- повышение скорости обработки трехмерных изображений;- increasing the speed of processing three-dimensional images;

- упрощение интерпретации и описания изображений;- simplification of interpretation and description of images;

- возможность выполнения ранней диагностики заболеваний тазобедренных суставов на стадиях, легко поддающихся лечению;- the ability to perform early diagnosis of diseases of the hip joints at stages that are easily treatable;

- освобождение медицинского персонала от рутинных процессов анализа снимков пациентов, не имеющих патологий и симптомов в области таза;- release of medical personnel from the routine processes of analyzing images of patients who do not have pathologies and symptoms in the pelvic area;

- уменьшение влияния человеческого фактора (внимательность, утомляемость, ответственность).- reducing the influence of the human factor (mindfulness, fatigue, responsibility).

Эти и другие преимущества настоящего изобретения станут понятны при прочтении нижеследующего подробного описания со ссылкой на сопроводительные чертежи.These and other advantages of the present invention will become apparent upon reading the following detailed description with reference to the accompanying drawings.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Фиг. 1 - примеры магнитно-резонансных изображений таза.Fig. 1 - examples of magnetic resonance images of the pelvis.

Фиг. 2 - примеры анатомических ориентиров для диагностики тазобедренных суставов.Fig. 2 - examples of anatomical landmarks for the diagnosis of the hip joints.

Фиг. 3 – блок-схема системы диагностики тазобедренных суставов.Fig. 3 - block diagram of the system for diagnosing the hip joints.

Фиг. 4 – визуализация процесса, выполняющегося в блоке поиска ориентиров.Fig. 4 - visualization of the process running in the landmark search block.

Фиг. 5 – блок-схема системы диагностики тазобедренных суставов с внешней коррекцией.Fig. 5 - block diagram of the system for diagnosing hip joints with external correction.

Фиг. 6 – пример диапазонов клинических показателей, определяющих состояние здоровья тазобедренного сустава.Fig. 6 is an example of ranges of clinical indicators that determine the state of health of the hip joint.

Фиг. 7 – пример отклонения ориентиров.Fig. 7 is an example of landmark deviation.

Следует понимать, что фигуры могут быть представлены схематично и не в масштабе и предназначены, главным образом, для улучшения понимания настоящего изобретения.It should be understood that the figures may be represented schematically and not to scale and are intended primarily to improve understanding of the present invention.

Подробное описаниеDetailed description

Анатомические ориентиры и клинические показателиAnatomical landmarks and clinical indicators

Аномалии тазобедренного сустава на практике обычно диагностируются врачами путем ручного размещения на изображении анатомических опорных точек (ориентиров) и вычисления на их основе анатомических расстояний и углов, характеризующих состояние здоровья тазобедренных суставов. Настоящее изобретение предоставляет способ и систему, которые имитируют этот рабочий процесс диагностики, автоматически определяя анатомические ориентиры на изображениях таза, что обеспечивает упрощение интерпретации и описания изображений, а также позволяет выполнять раннюю диагностику заболеваний тазобедренных суставов на стадиях, легко поддающихся лечению.Anomalies of the hip joint in practice are usually diagnosed by doctors by manually placing anatomical reference points (landmarks) on the image and calculating, based on them, anatomical distances and angles that characterize the health of the hip joints. The present invention provides a method and system that mimics this diagnostic workflow by automatically detecting anatomical landmarks in pelvic images, allowing for easier interpretation and description of the images, as well as early diagnosis of easily treatable stages of hip disease.

Авторами настоящего изобретения была собрана анонимная база данных пациентов с аномалиями таза. Каждый случай пациента состоит из одного или нескольких Т1- (Фиг. 1а), Т2- (Фиг. 1b) и/или PD (по протонной плотности)-взвешенных (Фиг. 1c) МРТ-изображений и соответствующих диагностических заметок. Следует заметить, что примеры МРТ-изображений, приведенные на Фиг. 1, для удобства понимания представляют собой только выбранные двумерные коронарные сечения (срезы) из объемных МРТ-изображений.The authors of the present invention have collected an anonymous database of patients with pelvic anomalies. Each patient case consists of one or more T1- (Fig. 1a), T2- (Fig. 1b), and/or PD (proton density)-weighted (Fig. 1c) MRI images and associated diagnostic notes. It should be noted that the example MRI images shown in FIG. 1, for ease of understanding, are only selected two-dimensional coronal sections (slices) from MRI volumetric images.

На каждом МРТ-изображении опытный рентгенолог вручную размещал 16 анатомических ориентиров с целью оценки патологии тазобедренного сустава, а именно два ориентира в центрах головок бедренных костей, четыре ориентира на осях обоих бедер, четыре ориентира на обеих осях головки бедренной кости и шейки бедра и шесть ориентиров на боковом, переднем и заднем краях обеих вертлужных впадин. На Фиг. 2 проиллюстрированы все ориентиры (помечены крупными пронумерованными точками) для одного бедра. Ориентиры включают:On each MRI image, an experienced radiologist manually placed 16 anatomical landmarks to assess the pathology of the hip joint, namely two landmarks in the centers of the femoral heads, four landmarks on the axes of both hips, four landmarks on both axes of the femoral head and femoral neck, and six landmarks on the lateral, anterior and posterior edges of both acetabulums. On FIG. 2 illustrates all landmarks (marked with large numbered dots) for one hip. Landmarks include:

1) (Фиг. 2a, 2c) центр головки бедренной кости, 1) (Fig. 2a, 2c) the center of the femoral head,

2) (Фиг. 2a) латеральный край вертлужной впадины,2) (Fig. 2a) lateral edge of the acetabulum,

3), 4) (Фиг. 2b) ориентацию диафиза бедренной кости (2 ориентира),3), 4) (Fig. 2b) orientation of the femoral shaft (2 landmarks),

5), 6) (Фиг. 2b) ориентацию шейки бедра (2 ориентира),5), 6) (Fig. 2b) orientation of the femoral neck (2 landmarks),

7) (Фиг. 2c) передний край вертлужной впадины,7) (Fig. 2c) anterior edge of the acetabulum,

8) (Фиг. 2c) задний край вертлужной впадины.8) (Fig. 2c) the posterior edge of the acetabulum.

Эти восемь ориентиров определяются для каждой бедренной кости, в результате всего получается 16 ориентиров. На основе этих ориентиров могут быть рассчитаны четыре наиболее широко используемых клинических показателя, описывающих состояние здоровья тазобедренного сустава: These eight landmarks are determined for each femur, resulting in a total of 16 landmarks. Based on these benchmarks, the four most widely used clinical indicators describing hip health can be calculated:

1) Латеральный центрально-краевой угол (LCEA, угол Виберга): угол между продольной осью тела и линией, соединяющей центр головки бедренной кости с латеральным краем вертлужной впадины (Фиг. 2a). Служит для выявления и количественной оценки импинджмента тазобедренного сустава клещевого типа, дисплазии вертлужной впадины и др.1) Lateral Central-Extreme Angle (LCEA, Wiberg's angle): the angle between the longitudinal axis of the body and the line connecting the center of the femoral head with the lateral edge of the acetabulum (Fig. 2a). Serves to detect and quantify tick-borne impingement of the hip joint, acetabular dysplasia, etc.

2) Шеечно-диафизарный угол (NSA): угол между осью бедренной кости и осью головки-шейки бедренной кости (Фиг. 2b). Служит для характеристики развития нижних конечностей и помогает диагностировать различные заболевания.2) Neck-diaphyseal angle (NSA): the angle between the axis of the femur and the axis of the head-neck of the femur (Fig. 2b). It serves to characterize the development of the lower extremities and helps to diagnose various diseases.

3) Угол переднего сектора вертлужной впадины (AASA): угол между линией, соединяющей центры головок левой и правой бедренной кости, и передним краем вертлужной впадины (Фиг. 2c). Служит для количественной оценки недостаточного или избыточного покрытия вертлужной впадины.3) Anterior acetabular angle (AASA): the angle between the line connecting the centers of the heads of the left and right femoral heads and the anterior edge of the acetabulum (Fig. 2c). Serves to quantify under or over coverage of the acetabulum.

4) Угол заднего сектора вертлужной впадины (PASA): угол между линией, соединяющей центры головок левой и правой бедренной кости, и задним краем вертлужной впадины (Фиг. 2c). Служит для количественной оценки недостаточного или избыточного покрытия вертлужной впадины.4) Posterior acetabular angle (PASA): the angle between the line connecting the centers of the left and right femoral heads and the posterior edge of the acetabulum (Fig. 2c). Serves to quantify under or over coverage of the acetabulum.

Настоящее изобретение направлено на получение новой системы и способа, в которых обнаружение ориентиров выполняется автоматически или автоматизированно. Предложенный способ основан на концепции, что анатомические ориентиры имеют попарные и групповые пространственные взаимосвязи, которые можно извлекать и использовать для повышения точности обнаружения ориентиров. Из уровня техники известны системы, в которых для обнаружения ориентиров на 2D (двумерных) изображениях использовались модели поиска взаимосвязей между ориентирами, но в отличие от 2D, в приложении к 3D сложность традиционных моделей поиска пространственных взаимосвязей между ориентирами является препятствием, так как количество ориентиров в 3D может превышать тысячи, когда эти ориентиры, например, охватывают 3D поверхность органов. Тем не менее, настоящее изобретение эффективно преодолевает это препятствие за счет того, что предлагается выполнять обнаружение ориентиров как многоагентную задачу оптимизации, где каждый ориентир рассматривается как интеллектуальный агент для обучения с подкреплением (RL), а окружение агента зависит от взаимосвязей между ориентирами, при этом полученную задачу оптимизации предлагается решать с использованием концепции графического лассо и анализа чувствительности Морриса, чтобы выявить наиболее репрезентативные связи между ориентирами, которые лучше всего описывают целевой объект.The present invention is directed to a novel system and method in which landmark detection is performed automatically or automated. The proposed method is based on the concept that anatomical landmarks have pairwise and group spatial relationships that can be extracted and used to improve the accuracy of landmark detection. From the prior art, systems are known in which to detect landmarks in 2D (two-dimensional) images, models for searching for relationships between landmarks were used, but unlike 2D, in application to 3D, the complexity of traditional models for searching for spatial relationships between landmarks is an obstacle, since the number of landmarks in 3D can exceed thousands when these landmarks, for example, cover the 3D surface of organs. However, the present invention effectively overcomes this obstacle by suggesting that landmark detection be performed as a multi-agent optimization problem, where each landmark is treated as a Reinforcement Learning (RL) intelligent agent and the agent's environment depends on the relationships between the landmarks, whereby the resulting optimization problem is proposed to be solved using the concept of graphical lasso and Morris sensitivity analysis in order to identify the most representative relationships between landmarks that best describe the target object.

Общее описание системыGeneral description of the system

Как изображено на блок-схеме на Фиг. 3, система 300 диагностики патологий таза согласно настоящему изобретению содержит блок 310 получения изображения, блок 330 поиска ориентиров, блок 340 диагностики и блок 350 передачи отчета. Блок 310 получения изображения в одном варианте осуществления может представлять собой сетевую плату или иное средство приема данных. В другом варианте осуществления блок 310 получения изображения может представлять собой непосредственно МРТ-сканер или компьютерный томограф. Блок 330 поиска ориентиров и блок 340 диагностики реализуются на базе устройства обработки, содержащего вычислительный модуль (например, центральный процессор), модуль памяти (например, оперативную память и постоянную память), а также при необходимости дополнительный вычислительный модуль (например, графический процессор или нейронный процессор). Таким образом, блок 330 поиска ориентиров и блок 340 диагностики могут быть реализованы на базе компьютера или сервера. Блок 350 передачи отчета может представлять собой сетевую плату, аппаратный интерфейс передачи данных/видеосигнала или иное средство обмена данными.As shown in the block diagram in FIG. 3, the pelvic pathology diagnostic system 300 according to the present invention comprises an image acquisition unit 310, a landmark search unit 330, a diagnostic unit 340, and a report unit 350. The image acquisition unit 310 in one embodiment may be a network card or other means of receiving data. In another embodiment, the imaging unit 310 may be an MRI scanner or a CT scanner itself. The landmarking unit 330 and the diagnostic unit 340 are implemented on the basis of a processing device containing a computing module (for example, a central processing unit), a memory module (for example, random access memory and permanent memory), and, if necessary, an additional computing module (for example, a graphics processor or neural CPU). Thus, the locator 330 and the diagnostics 340 may be implemented on a computer or server basis. Reporting unit 350 may be a network card, a hardware data/video interface, or other means of communication.

Способ диагностики патологий таза выполняется системой диагностики патологий таза и в целом заключается в следующем.The method for diagnosing pathologies of the pelvis is performed by the system for diagnosing pathologies of the pelvis and generally consists in the following.

Сначала с помощью блока получения изображения получают трехмерное изображение (МРТ или КТ), содержащее область таза. В частности, требуемая область таза должна содержать полностью обе вертлужные впадины и обе головки бедренных костей, пространство между ними и прилегающие части бедренных костей. В предпочтительном варианте осуществления изображение должно полностью содержать тазовую кость, и при этом вертлужные впадины и головки бедренных костей должны располагаться приблизительно в зоне центральной горизонтальной оси изображения. Тем не менее возможен вариант осуществления, в котором верхняя часть тазовой кости не полностью попадает на изображение – это может несколько снизить точность, но не повлияет принципиальным образом на выполнимость задачи, поскольку верхняя часть тазовой кости не содержит искомые анатомические ориентиры.First, a three-dimensional image (MRI or CT) containing the pelvic region is obtained using an imaging unit. In particular, the required pelvic region must contain the entirety of both acetabulums and both heads of the femurs, the space between them, and the adjacent portions of the femurs. In a preferred embodiment, the image should completely contain the pelvic bone, with the acetabulum and femoral heads located approximately in the zone of the central horizontal axis of the image. However, an embodiment is possible in which the upper part of the pelvic bone does not completely fall on the image - this may somewhat reduce the accuracy, but will not fundamentally affect the feasibility of the task, since the upper part of the pelvic bone does not contain the desired anatomical landmarks.

Как указывалось выше, в одном варианте осуществления, если блок получения изображения является МРТ или КТ-сканером, он может получать изображение самостоятельно в процессе МРТ или КТ-сканирования. В другом варианте осуществления блок получения изображения, будучи частью сервиса диагностики патологий, может получать извне (например, от медицинской организации, от врача, от региональной системы хранения медицинских данных и т.д.) запрос на диагностику или входные данные, содержащие одно или множество (например, пакет) изображений, и извлекать требуемое изображение из полученных входных данных или запроса.As mentioned above, in one embodiment, if the imaging unit is an MRI or CT scanner, it can acquire an image on its own during an MRI or CT scan. In another embodiment, the image acquisition unit, being part of a pathology diagnostic service, may receive from outside (for example, from a medical organization, from a doctor, from a regional medical data storage system, etc.) a diagnostic request or input data containing one or more (for example, a batch) of images, and extract the desired image from the received input or query.

При необходимости полученное изображение подвергается предварительной обработке в блоке 320 предобработки (не показан на Фиг. 3), чтобы оно было пригодно для обработки дальнейшими блоками. Например, если исходное изображение имеет в каком-либо направлении недостаточное или избыточное разрешение (или число срезов), то может выполняться преобразование или реконструкция изображения до требуемого разрешения. В конкретном неограничивающем примере, если исходное трехмерное изображение имеет 180 пространственных срезов (поперечных сечений) в одном из направлений, а требуется разрешение 256 срезов, то может выполняться преобразование – например, методом аппроксимации с учетом физических размеров данной области. Также могут корректироваться яркость, контрастность и иные параметры изображения.If necessary, the resulting image is pre-processed in a pre-processing block 320 (not shown in FIG. 3) so that it is suitable for processing by further blocks. For example, if the original image has insufficient or excessive resolution (or the number of slices) in any direction, then the image can be transformed or reconstructed to the required resolution. In a specific non-limiting example, if the original 3D image has 180 spatial slices (cross sections) in one of the directions, and a resolution of 256 slices is required, then a transformation can be performed - for example, by an approximation method, taking into account the physical dimensions of this area. Brightness, contrast and other image parameters can also be adjusted.

Затем изображение подается на блок поиска ориентиров, который автоматически выявляет на изображении анатомические ориентиры для диагностики тазобедренных суставов. Более подробно процесс, выполняющийся в блоке поиска ориентиров, будет описан позднее в данном документе. В результате обработки блок поиска ориентиров выдает координаты 16 ориентиров. Также в одном из вариантов осуществления блок поиска ориентиров формирует копию входного изображения с нанесенными на него ориентирами.The image is then fed to a landmark search box, which automatically detects anatomical landmarks in the image for hip diagnosis. The process performed in the landmark search block will be described in more detail later in this document. As a result of processing, the landmark search block provides the coordinates of 16 landmarks. Also in one of the embodiments, the implementation of the landmark search block generates a copy of the input image with landmarks applied to it.

Выходные данные от блока поиска ориентиров передаются на блок диагностики, который на их основании автоматически определяет состояние здоровья тазобедренных суставов, вычисляя клинические показатели, описывающие состояние здоровья тазобедренного сустава, а именно: латеральный центрально-краевой угол (LCEA) (Фиг. 2a), шеечно-диафизарный угол (NSA) (Фиг. 2b), угол переднего сектора вертлужной впадины (AASA) (Фиг. 2c) и угол заднего сектора вертлужной впадины (PASA) (Фиг. 2c); и формирует соответствующий отчет. Блок диагностики может сопоставлять вычисленные клинические показатели с допустимыми пределами или диапазонами и делать вывод о наличии или отсутствии патологий тазобедренных суставов.The output from the landmark finder is passed to the diagnostic unit, which automatically determines the state of health of the hip joints based on them, calculating clinical indicators that describe the state of health of the hip joint, namely: lateral central-contact angle (LCEA) (Fig. 2a), cervical diaphyseal angle (NSA) (Fig. 2b), anterior acetabular angle (AASA) (Fig. 2c) and posterior acetabular angle (PASA) (Fig. 2c); and generates the corresponding report. The diagnostic unit can compare the calculated clinical indicators with acceptable limits or ranges and make a conclusion about the presence or absence of pathologies of the hip joints.

В одном варианте осуществления отчет о состоянии здоровья тазобедренных суставов может формироваться для каждого изображения. В другом варианте осуществления запрос на диагностику или настройки системы диагностики могут предусматривать необходимость формирования отчета только для случаев, в которых выявлена патология тазобедренных суставов. Например, если в полученном пакете из 10 изображений блок диагностики выявил один случай недопустимого отклонения LCEA от нормы, он может формировать отчет для соответствующего изображения (или пациента), содержащий вычисленные клинические показатели (либо все, либо по меньшей мере тот, который указывает на патологию – в данном случае LCEA) и указание на вероятное наличие импинджмента тазобедренного сустава клещевого типа или дисплазии вертлужной впадины, а для остальных изображений (или пациентов) либо совсем не формировать отчет, либо формировать отчет, указывающий, что патологии на соответствующих изображениях не выявлены. Отчет также может содержать сформированную блоком поиска ориентиров копию входного изображения с нанесенными на него ориентирами.In one embodiment, a hip health report may be generated for each image. In another embodiment, the request for diagnostics or settings of the diagnostic system may include the need to generate a report only for cases in which pathology of the hip joints is detected. For example, if in a received batch of 10 images, the diagnostic unit detects one case of an unacceptable LCEA deviation from the norm, it can generate a report for the corresponding image (or patient) containing the calculated clinical indicators (either all, or at least one that indicates pathology). – in this case, LCEA) and an indication of the likely presence of tick-borne impingement of the hip joint or acetabular dysplasia, and for the remaining images (or patients) either do not generate a report at all, or generate a report indicating that no pathologies were detected on the corresponding images. The report can also contain a copy of the input image generated by the landmark search block with landmarks applied to it.

Далее отчет о состоянии здоровья тазобедренных суставов выводится на экран монитора, подключенного к серверу, или на экран самого МРТ-сканера или компьютерного томографа, или же передается с помощью блока передачи отчета на устройство, запрашивавшее диагностику – например, на расположенное удаленно автоматизированное рабочее место (АРМ) врача. Для упрощения описания в данном документе все эти случаи рассматриваются как передача на устройство, запрашивавшее диагностику.Further, the report on the state of health of the hip joints is displayed on the screen of a monitor connected to the server, or on the screen of the MRI scanner or CT scanner itself, or transmitted using the report transmission unit to the device that requested diagnostics - for example, to a remotely located workstation ( AWP) doctor. To simplify the description in this document, all of these cases are considered as transfers to the device that requested the diagnostics.

С помощью изображения с нанесенными на него ориентирами и других данных, содержащихся в отчете (вычисленные клинические показатели, указание на наличие/отсутствие патологии), врач принимает решение о состоянии здоровья тазобедренных суставов (о наличии/отсутствии патологии) и при необходимости принимает решение о лечении пациента.Using the image with landmarks printed on it and other data contained in the report (calculated clinical indicators, indication of the presence / absence of pathology), the doctor makes a decision about the health of the hip joints (the presence / absence of pathology) and, if necessary, decides on treatment patient.

Поиск ориентировFinding Landmarks

Далее процесс, выполняющийся в блоке поиска ориентиров, будет более подробно описан со ссылкой на Фиг. 4.Next, the process performed in the landmark search unit will be described in more detail with reference to FIG. 4.

Предложение ориентиров-кандидатовProposal of candidate landmarks

Обнаружение ориентиров на основе RL основано на концепции итеративной оптимизации положения ориентиров с использованием информации об интенсивности изображения и, возможно, пространственных взаимосвязей между ориентирами. Итеративная оптимизация требует некоторой инициализации в виде предложений ориентиров-кандидатов. Могут быть использованы разные подходы к созданию предложений-кандидатов.RL-based landmark detection is based on the concept of iteratively optimizing the location of landmarks using image intensity information and possibly spatial relationships between landmarks. Iterative optimization requires some initialization in the form of candidate landmark proposals. Different approaches can be used to create candidate proposals.

Первый подход определяет предложения ориентиров-кандидатов как случайные точки, выбранные на изображении. Такая инициализация применима в ситуации, когда исходные предложения ориентиров не предоставляют никакой информации.The first approach defines candidate landmark sentences as random points selected from an image. This initialization is applicable in a situation where the original landmark sentences do not provide any information.

Второй подход определяет предложения ориентиров-кандидатов как средние местоположения соответствующих ориентиров, вычисленные по обучающим МР-изображениям. Для такой инициализации оптимизация на основе RL начинается со средней анатомии таза.The second approach defines the candidate landmark suggestions as the average locations of the respective landmarks computed from the training MR images. For such an initialization, RL-based optimization starts from the mid-pelvic anatomy.

Также инициализации могут быть основаны на предложениях-кандидатах, обнаруженных с помощью нейронных сетей – например, таких моделей глубокого обучения, как UNet и пирамидальная сеть признаков (FPN) с сетью предложений областей (RPN). Эти сети могут изучать положение ориентиров на обучающих МР-изображениях, а затем сканировать ранее не обрабатывавшиеся МР-изображения, чтобы определить наиболее вероятные возможные местоположения ориентиров. Ориентиры и координаты предложений ориентиров могут быть нормализованы к диапазону [0,1] относительно соответствующих размеров изображения. После окончательного определения положения ориентиров на тестовом изображении их координаты возвращаются к исходному масштабу.Also, initializations can be based on candidate sentences discovered using neural networks, such as deep learning models such as UNet and pyramidal feature network (FPN) with region suggestion network (RPN). These networks can learn the position of landmarks on training MR images and then scan previously unprocessed MR images to determine the most likely possible locations for the landmarks. The landmarks and coordinates of the landmark proposals can be normalized to the range [0,1] with respect to the respective image sizes. After the final determination of the position of landmarks on the test image, their coordinates return to the original scale.

UNet для предложения ориентира-кандидатаUNet for Landmark Candidate Proposal

Архитектура UNet была разработана для сегментации изображений и в настоящее время широко используется в медицинской визуализации благодаря своей универсальности и высокоточным результатам сегментации. Она состоит из пути кодера с понижающей дискретизацией, который извлекает признаки изображения в разных масштабах и различной сложности, и пути декодера с повышающей дискретизацией, который генерирует результаты сегментации с использованием извлеченных признаков. Основная концепция UNet состоит в том, чтобы использовать замыкающие соединения (skip connections), которые проходят от кодера к декодеру и идут от ранних уровней пути кодера, где все еще сохраняются мелкие детали изображения, к поздним уровням пути декодера, которые содержат информацию от грубых признаков, необходимую для распознавания и сегментации объектов. Путь энкодера состоит из четырех блоков, каждый из которых состоит из двух сверточных слоев 3 × 3 × 3, за которым следует слой активации ReLU и слой объединения по максимальному значению (max-pooling) 2 × 2 × 2. Путь декодера состоит из четырех блоков, каждый из которых состоит из слоя повышающей дискретизации, слоя свертки транспонирования 2 × 2 × 2 и двух слоев свертки 3 × 3 × 3, за каждым из которых следует слой ReLU.The UNet architecture was developed for image segmentation and is now widely used in medical imaging due to its versatility and highly accurate segmentation results. It consists of a downsampling encoder path that extracts image features at different scales and complexity, and an upsampling decoder path that generates segmentation results using the extracted features. The basic concept of UNet is to use skip connections that go from the encoder to the decoder and go from the early levels of the encoder path, where fine image details are still preserved, to the later levels of the decoder path, which contain information from coarse features. required for object recognition and segmentation. The encoder path consists of four blocks, each of which consists of two 3 × 3 × 3 convolutional layers, followed by a ReLU activation layer and a 2 × 2 × 2 max-pooling layer. The decoder path consists of four blocks , each consisting of an upsampling layer, a 2×2×2 transposition convolution layer, and two 3×3×3 convolution layers, each followed by a ReLU layer.

Чтобы получить предложения ориентиров от UNet, проблема обнаружения ориентиров сначала преобразуется в проблему сегментации. Для каждого изображения l размера l × m × n маска ориентира J размера l × m × n с |P| каналов, где |P| - это количество ориентиров. Для ориентира p ∈ P создается бинарная сфера радиуса r = 10 мм, которая вставляется в p-й канал J в точке p. UNet обучен генерировать маски J для изображений I, используя линейную комбинацию бинарной перекрестной энтропии и функций потерь Dice с весовыми коэффициентами 0,5. Для тестового изображения I предложение-кандидат для ориентира p вычисляется как центр масс наибольшего связанного компонента из p-го канала соответствующего порогового результата J. В конкретном неограничивающем примере UNet может быть обучена с использованием оптимизатора Adam со скоростью обучения 0,0002 и снижением веса 0,0001.To get the landmark suggestions from UNet, the landmark detection problem is first converted to a segmentation problem. For each image l of size l × m × n, the mask of landmark J of size l × m × n with |P| channels, where |P| is the number of references. For a landmark p ∈ P, a binary sphere of radius r = 10 mm is created and inserted into the pth channel J at point p. UNet is trained to generate J masks for I images using a linear combination of binary cross entropy and Dice loss functions with weights of 0.5. For test image I, the candidate sentence for landmark p is computed as the center of mass of the largest connected component from the p-th channel of the corresponding threshold outcome J. In a specific non-limiting example, UNet can be trained using the Adam optimizer with a learning rate of 0.0002 and weight reduction of 0. 0001.

FPN для предложения ориентира-кандидатаFPN for Landmark Proposal Candidate

Архитектура FPN с RPN основана на принципе эффективного извлечения многомасштабных признаков, что позволяет сочетать семантически устойчивые признаки с низким разрешением и семантически слабые признаки с высоким разрешением. Такой подход является эффективным для задачи обнаружения объектов. Компонент FPN извлекает признаки из входного изображения, и во время этого процесса, он имеет определенное сходство с UNet. В FPN часть кодера представляет собой 3D-ResNet, в конкретном примере предварительно обученную на комбинированных наборах данных «Kinetics-700» и «Moments in Time». Часть декодера создает карты объектов с более высоким разрешением путем повышения дискретизации результатов предыдущих слоев, и каждый блок пути декодера генерирует отдельный вывод для обучения сети. Замыкающие соединения состоят из слоев свертки 1 × 1, применяемых к блокам кодера, которые затем добавляются к соответствующим блокам декодера. В результате FPN стремится генерировать признаки переменного разрешения, которые смогут описать целевой объект. Компонент RPN анализирует выходные данные блока кодера FPN, чтобы оценить, насколько описательными являются функции FPN, и имитирует детектор объектов со скользящим окном, не зависящий от класса, который выполняет бинарную классификацию объект/не-объект и регрессию ограничивающей рамки на картах признаков. Для этой цели RPN применяет набор из множества (например, 15) прямоугольных якорных фильтров к каждому вокселю выходного массива FPN и измеряет вероятность того, что этот воксель соответствует ориентиру из P, используя функции в выходном массиве. Если якорные фильтры вычисляются для вокселя, расположенного в непосредственной близости от истинного ориентира, FPN обучается улучшать этот воксель. Желаемое соседство моделируется путем вычисления отношения площадей ограничивающих рамок (IoU) между фильтрами привязки и предварительно определенной прямоугольной ограничивающей рамкой, охватывающей ориентир, где значения IoU выше 0,7 считаются положительными примерами местоположения ориентира. Выходные данные FPN в разных масштабах затем анализируются RPN для извлечения вокселей, которые с наибольшей вероятностью представляют ориентиры. Координаты этих вокселей преобразуются в вектор, а затем проходят через два полносвязных слоя с 1024 признаками, которые предсказывают координаты каждого ориентира из P, а оптимальные координаты используются в качестве окончательных предложений ориентиров. В конкретном примере FPN может обучаться с использованием оптимизатора Adam со скоростью обучения 0,0002 и снижением веса 0,0001.The FPN architecture with RPN is based on the principle of efficient multi-scale feature extraction, which allows the combination of semantically strong low-resolution features and semantically weak high-resolution features. This approach is effective for the object detection problem. The FPN component extracts features from the input image, and during this process, it has a certain resemblance to UNet. In FPN, the encoder part is a 3D-ResNet, in a specific example, pre-trained on the combined "Kinetics-700" and "Moments in Time" datasets. The decoder part generates higher resolution feature maps by upsampling the results of previous layers, and each decoder path block generates a separate output for network training. Closing connections consist of 1×1 convolution layers applied to encoder blocks, which are then added to the corresponding decoder blocks. As a result, the FPN tends to generate variable resolution features that can describe the target object. The RPN component analyzes the output of the FPN encoder block to evaluate how descriptive the FPN features are, and simulates a class-independent sliding window object detector that performs object/non-object binary classification and bounding box regression on feature maps. For this purpose, the RPN applies a set of multiple (eg 15) rectangular anchor filters to each voxel of the FPN output array and measures the probability that that voxel matches a landmark from P using the functions in the output array. If anchor filters are computed for a voxel located in close proximity to the true reference, the FPN learns to improve that voxel. The desired neighborhood is modeled by calculating the ratio of bounding box areas (IoU) between anchor filters and a predefined rectangular bounding box enclosing the landmark, where IoU values above 0.7 are considered positive examples of the landmark's location. The FPN output at different scales is then parsed by the RPN to extract the voxels that are most likely to represent landmarks. The coordinates of these voxels are converted to a vector and then passed through two fully connected layers with 1024 features that predict the coordinates of each landmark from P, and the optimal coordinates are used as the final landmark suggestions. In a specific example, an FPN can be trained using the Adam optimizer with a learning rate of 0.0002 and a weight reduction of 0.0001.

Многоагентный RL для корректировки ориентировMulti-agent RL for landmark correction

После того, как получены предложения-кандидаты, в настоящем изобретении предлагается итеративно корректировать их, решая задачу многоагентного RL. Чтобы применить методологию RL, оптимизация положения ориентира переформулируется как многоагентный марковский процесс принятия решений, где каждый агент связан с соответствующими ориентирами из P. Пространство состояний Sp, наблюдаемое агентом ориентира p, определяется следующим образом:After candidate proposals are received, the present invention proposes to iteratively correct them by solving the multi-agent RL problem. To apply the RL methodology, the landmark position optimization is reformulated as a multi-agent Markov decision process, where each agent is associated with the corresponding landmarks from P. The state space S p observed by the landmark agent p is defined as follows:

Figure 00000001
Figure 00000001

где I(p) — участок локального МР-изображения, извлеченный вокруг предполагаемого местоположения p = [xp, yp, zp] для ориентира p, P - вектор предложений координат ориентира, а v p - двоичный вектор, указывающий, какие ориентиры видны p (v p = 1, если все ориентиры видны, и их координаты могут влиять на координаты p; v p содержит хотя бы один ненулевой элемент, так как p всегда может видеть свои собственные координаты при оптимизации положения). Другими словами, агент ориентира p может во время оптимизации своего положения наблюдать свое текущее местоположение p, интенсивность изображения вокруг p и местоположения некоторых других ориентиров из P\p.where I(p) is the region of the local MR image extracted around the estimated location p = [x p , y p , z p ] for landmark p, P is a vector of proposals for landmark coordinates, and v p is a binary vector indicating which landmarks p are visible ( v p = 1 if all landmarks are visible and their coordinates can affect p's coordinates; v p contains at least one non-zero element, since p can always see its own coordinates when position is optimized). In other words, the landmark agent p can, while optimizing its position, observe its current location p, the intensity of the image around p, and the locations of some other landmarks from P\p.

На каждом этапе оптимизации участок (патч) изображения I(p) и видимые для p ориентиры v p P сначала анализируются нейронной сетью для создания скрытого представления текущего состояния агента ориентира p. Данный патч изображения проходит через три сверточных слоя с размером фильтра 3 × 3 × 3, за каждым из которых следует слой ReLU. Выход сверточных слоев сглаживается в одномерный вектор

Figure 00000002
. Вектор
Figure 00000003
пространственной информации определяется как все ненулевые элементы v p P, т.е. как текущие координаты всех ориентиров, видимых для p. Векторы
Figure 00000002
представляют собой
Figure 00000003
и объединяются в представление текущего состояния w p. Представление w p затем анализируется с помощью модели RL, в качестве которой может использоваться глубокая Q-сеть (DeepQN), градиент глубокой детерминированной политики (DDPG), градиент глубокой детерминированной политики с двойной задержкой (TD3) или градиент политики актер-критик (A2C). Функция вознаграждения R каждой модели RL определяется как взвешенная сумма между качеством текущего шага агента и историей его перемещений:At each optimization stage, the image patch I( p ) and landmarks v p P visible for p are first analyzed by the neural network to create a hidden representation of the current state of the landmark agent p. A given image patch passes through three 3 × 3 × 3 convolutional layers, each followed by a ReLU layer. The output of the convolutional layers is flattened into a one-dimensional vector
Figure 00000002
. Vector
Figure 00000003
spatial information is defined as all non-zero elements v p P , i.e. as the current coordinates of all landmarks visible to p. Vectors
Figure 00000002
represent
Figure 00000003
and are combined into a representation of the current state w p . The representation w p is then analyzed using an RL model, which can be a Deep Q-Network (DeepQN), a Deep Deterministic Policy Gradient (DDPG), a Double Delay Deep Deterministic Policy Gradient (TD3), or an Actor-Critic Policy Gradient (A2C) . The reward function R of each RL model is defined as a weighted sum between the quality of the agent's current step and the history of his movements:

Figure 00000004
Figure 00000004

где p k - положение ориентира на k-й итерации оптимизации, p * - правильное положение ориентира, а λ - весовой коэффициент для балансировки членов функции R. Первый член функции R вознаграждает агента за приближение к правильному положению ориентира, а второй член вознаграждает агента за то, что он продолжает двигаться в том же направлении и избегает зигзагов.where p k is the position of the landmark at the kth optimization iteration, p * is the correct position of the landmark, and λ is a weighting factor for balancing the R terms. The first term of the R function rewards the agent for approaching the correct position of the landmark, and the second term rewards the agent for that he continues to move in the same direction and avoids zigzags.

Функция потерь L представляет собой взвешенную комбинацию между квадратом ошибки расстояния и штрафом за смену направления:The loss function L is the weighted combination between the square of the distance error and the change direction penalty:

Figure 00000005
Figure 00000005

где d - количество шагов, необходимых агенту для перемещения из исходного положения p 0 в правильное положение p *. Для DeepQN, DDPG и TD3 агент может перемещаться на определенное расстояние (например, 1 мм) в любом из направлений x, y и z, в то время как для A2C движения агента не ограничены в трехмерном пространстве. Модели RL обучаются улучшать положение ориентиров в P, учитывая расположение друг друга, то есть взаимосвязи между ориентирами.where d is the number of steps the agent needs to move from the initial position p 0 to the correct position p * . For DeepQN, DDPG and TD3, the agent can move a certain distance (eg 1mm) in any of the x, y and z directions, while for A2C the agent's movements are unlimited in 3D space. The RL models are trained to improve the position of the landmarks in P given the location of each other, that is, the relationship between the landmarks.

Соответственно, обнаружение ориентиров на основе RL согласно настоящему изобретению выполняется на новом изображении следующим образом. Для изображения J сначала генерируются первоначальный набор предложений ориентиров-кандидатов P 0. Как указывалось выше, эти предложения могут быть определены на основе результатов FPN, UNet или с использованием какого-либо другого подхода. Исходное состояние {J(p 0), v p P 0} для ориентира p преобразуется в представление состояния w p с использованием сети, описанной выше, и пропускается через соответствующую модель RL для ориентира p для генерации оптимального перемещения, которое должно улучшить текущее предлагаемое местоположение от р 0 к р 1. После нахождения улучшенных предложений для всех ориентиров набор предложений ориентиров обновляется до P 1. Процедура повторяется до тех пор, пока перемещения для всех ориентиров не станут меньше порогового значения δ или пока не будет достигнуто заданное количество итераций.Accordingly, RL-based landmark detection according to the present invention is performed on a new image as follows. For image J, an initial set of candidate landmark sentences P 0 is first generated. As stated above, these proposals can be determined based on the results of FPN, UNet, or using some other approach. The initial state {J( p 0 ), v p P 0 } for landmark p is transformed into a state representation w p using the network described above and fed through the corresponding RL model for landmark p to generate an optimal move that should improve the current proposed location from r 0 to r 1 . After finding improved sentences for all landmarks, the set of landmark sentences is updated to P 1 . The procedure is repeated until the displacements for all landmarks are less than the threshold value δ or until the specified number of iterations is reached.

Разреженный ненаправленный граф соединенийSparse undirected connection graph

Векторы v p (уравнение 1) предварительно определяются для каждого ориентира p ∈ P перед оптимизацией RL и представляют собой один из наиболее важных компонентов предлагаемой системы. Если v p = 1 (т. е. все ориентиры видны для p), то модели RL могут стать слишком ограничительными и сместить ориентиры в сторону средней морфологии таза. С другой стороны, если v p содержит один-единственный ненулевой элемент (то есть ориентир p «видит» только сам себя), то модели RL будут игнорировать пространственные взаимосвязи между ориентирами. Между тем, необходимо найти оптимальную многоориентирную среду для каждого агента с учетом пространственных взаимосвязей между ориентирами в P. Трехмерные координаты ориентиров для всех M изображений из обучающего набора заполняют матрицу расстояний D размером 3|P| × M. Значения D нормируются в соответствии со значениями каждой координаты ориентира из обучающей выборки. Ковариационная матрица D описывает степень корреляции различных координат ориентиров и, следовательно, оценивает пространственную взаимосвязь между этими ориентирами. Чтобы найти набор наиболее коррелированных ориентиров, предлагается оптимизировать разреженность матрицы точности Θ = Σ -1. Оптимальная матрица точности Θ * может быть найдена путем минимизации L1-регуляризованного отрицательного логарифмического правдоподобия:The vectors v p (Equation 1) are predetermined for each landmark p ∈ P before RL optimization and represent one of the most important components of the proposed system. If v p = 1 (i.e., all landmarks are visible for p), then RL models can become too restrictive and bias the landmarks towards average pelvic morphology. On the other hand, if v p contains a single non-zero element (that is, landmark p "sees" only itself), then RL models will ignore the spatial relationships between landmarks. Meanwhile, it is necessary to find the optimal multi-orientation environment for each agent, taking into account the spatial relationships between landmarks in P. Three-dimensional coordinates of landmarks for all M images from the training set fill the distance matrix D with size 3|P| × M. The D values are normalized according to the values of each landmark coordinate from the training set. The covariance matrix D describes the degree of correlation of different coordinates of landmarks and, therefore, estimates the spatial relationship between these landmarks. To find the set of the most correlated landmarks, it is proposed to optimize the sparseness of the accuracy matrix Θ = Σ -1 . The optimal precision matrix Θ * can be found by minimizing the L1-regularized negative log-likelihood:

Figure 00000006
Figure 00000006

где |Θ| - определитель матрицы Θ, S - эмпирическая ковариационная матрица, оцениваемая по D, функция следа tr(·) вычисляет сумму диагональных элементов своего входа, ||Θ|| 1 - сумма абсолютных значений, а параметр γ управляет разреженностью результирующей оптимальной оценки. Уравнение (4) называется проблемой графического лассо и может быть решено с помощью методов двойственности или внутренней точки. Решение Θ * позволяет выделить среди остальных координат наиболее коррелированных ориентиров в обучающем наборе. После агрегирования значений Θ * с использованием ядра 3ⅹ3 получается разреженная матрица наиболее коррелированных ориентиров.where | Θ | is the determinant of the matrix Θ , S is the empirical covariance matrix evaluated by D , the trace function tr( ) calculates the sum of the diagonal elements of its input, || Θ || 1 is the sum of the absolute values, and the parameter γ controls the sparseness of the resulting optimal estimate. Equation (4) is called the graphical lasso problem and can be solved using duality or interior point methods. The solution Θ * allows you to select among the remaining coordinates the most correlated landmarks in the training set. After aggregating the Θ * values using the 3ⅹ3 kernel, a sparse matrix of the most correlated landmarks is obtained.

Нейронные сети для оценки положения ориентираNeural networks for estimating the position of a landmark

Чтобы выполнить анализ взаимосвязей между множеством ориентиров, предсказуемость нормализованных координат ориентира с использованием местоположений оставшегося ориентира оценивается путем обучения |P| нейронных сетей. Сеть Fp для ориентира p ∈ P определяется как многослойный перцептрон с четырьмя блоками, где первые три блока состоят из плотных слоев n land нейронов, за которыми следуют уровни пакетной нормализации, активации ReLU и отсева, а последний блок определяется как плотный слой с тремя нейронами, за которым следует слой активации softmax, и предсказывает трехмерные координаты ориентира p. Сеть обучается с помощью функции потерь на основе среднеквадратичной ошибки, дополненной L1-регуляризацией.To perform an analysis of the relationships between a set of landmarks, the predictability of the normalized coordinates of the landmark using the locations of the remaining landmark is estimated by training |P| neural networks. A network Fp for a landmark p ∈ P is defined as a four-block multilayer perceptron, where the first three blocks consist of dense layers of n land neurons, followed by layers of batch normalization, ReLU activation, and dropout, and the last block is defined as a dense layer with three neurons , followed by a softmax activation layer, and predicts the 3D coordinates of the p landmark. The network is trained using a loss function based on the root mean square error, supplemented with L1 regularization.

Для ориентира p соответствующая сеть Fp обучается на нормированных координатах ориентиров P\p, чтобы предсказать координату для p, используя все выборки из обучающего набора. Когда правдоподобный набор координат x P\p для ориентиров P\p проходит через сеть Fp, он предсказывает координату x p = Fp(x P\p) для ориентира p. Помимо предсказания координат p, сеть Fp может количественно оценить относительное влияние ориентиров P\p на p. Например, если координаты ориентира x P\p изменены на Δx P\p, то результирующая оценка изменится на x p + Δx p = Fp(x P\p + Δx P\p). Это приращение Δx p позволяет оценить, как изменения координат ориентиров P\p влияют на координату p, и выявить наиболее пространственно зависимые подгруппы ориентиров.For a landmark p, the corresponding network F p is trained on the normalized coordinates of the landmarks P\p to predict the coordinate for p using all samples from the training set. When a plausible set of coordinates x P\p for landmarks P\p passes through the network F p , it predicts a coordinate x p = F p ( x P\p ) for landmark p. In addition to predicting p coordinates, the F p network can quantify the relative influence of P\p landmarks on p. For example, if the coordinates of the landmark x P\p are changed to Δ x P\p , then the resulting estimate will change to x p + Δ x p = F p ( x P\p + Δ x P\p ). This increment Δ x p allows us to estimate how changes in the coordinates of landmarks P\p affect the coordinate p, and to identify the most spatially dependent subgroups of landmarks.

Анализ пространственных взаимосвязей между множеством ориентировAnalysis of spatial relationships between multiple landmarks

Целью этого шага является выявление ориентиров, которые в наибольшей степени вносят вклад в местоположение ориентира p ∈ P. Сначала множество окрестностей N(p) всех потенциально связанных с p ориентиров заполняется индексами ненулевых элементов в p-й строке и столбце Θ *. Чтобы выяснить, как изменения в различных подмножествах ориентиров из N(p) влияют на координаты точки p, задается вектор

Figure 00000007
суммарных вкладов каждого ориентира из N(p) и инициализируется нулями (
Figure 00000007
= 0). Для подмножества ориентиров S из N(p) выборочный вектор вклада
Figure 00000008
вычисляется как:The purpose of this step is to identify the landmarks that contribute the most to the location of the landmark p ∈ P. First, the neighborhood set N(p) of all potentially related landmarks is filled with the indices of the nonzero elements in the pth row and column Θ * . To find out how changes in different subsets of landmarks from N(p) affect the coordinates of the point p, a vector is given
Figure 00000007
the total contributions of each landmark from N(p) and is initialized to zero (
Figure 00000007
= 0). For a subset of landmarks S from N(p), the sample contribution vector
Figure 00000008
calculated as:

Figure 00000009
Figure 00000009

где rand(0, σk) - случайное трехмерное смещение, выбранное из нормального распределения с нулевым средним значением и стандартным отклонением σk, так что значения σ = {σk} определяют степень гибкости смещения ориентира. Другими словами, вектор вклада оценивает, как случайные изменения положения ориентира от S изменяют прогнозируемое положение ориентира p. Чтобы вычислить σ, местоположения ориентиров pI для каждого изображения I нормализуются по отношению к перемещению и повороту:where rand(0, σ k ) is a random 3D bias selected from a normal distribution with zero mean and standard deviation σ k , such that the values σ = {σ k } determine the degree of flexibility of the landmark bias. In other words, the contribution vector estimates how random changes in the position of the landmark from S change the predicted position of the landmark p. To calculate σ, the pI landmark locations for each image I are normalized with respect to translation and rotation:

Figure 00000010
Figure 00000010

где

Figure 00000011
- центр тяжести ориентиров p I для изображения I, а R(Iref, I) - оптимальная матрица поворота, максимально приближающая нормализованные ориентиры (p I
Figure 00000011
) для изображения I к нормализованному ориентиру (p Iref
Figure 00000012
) для предварительно выбранного случайным образом эталонного изображения Iref. Трехмерное стандартное отклонение σi местоположения ориентира p ∈ P вычисляется из нормализованных местоположений
Figure 00000011
для всех обучающих изображений.Where
Figure 00000011
is the center of gravity of the p I landmarks for image I, and R (I ref , I) is the optimal rotation matrix that approximates the normalized landmarks ( p I
Figure 00000011
) for image I to the normalized landmark ( p Iref
Figure 00000012
) for a pre-selected random reference image I ref . The three-dimensional standard deviation σ i of the landmark location p ∈ P is calculated from the normalized locations
Figure 00000011
for all training images.

Вектор суммарных вкладов

Figure 00000007
увеличивается в соответствии с вкладом выборки
Figure 00000008
:Vector of total contributions
Figure 00000007
increases according to the contribution of the sample
Figure 00000008
:

Figure 00000013
Figure 00000013

так что вклад выборки

Figure 00000008
взвешивается в соответствии с абсолютным смещением |y S|. Уравнения (5)–(7) повторяются предварительно заданное число раз для оценки изменения координат точки p при различных случайных смещениях ориентиров из S при сохранении оставшихся координат ориентиров x P\{p,S} неизменными. Такой анализ повторяется для подмножеств ориентиров S разного размера, и полученный вектор
Figure 00000007
оценивает относительный вклад каждого ориентира из окрестности N(p) в координаты точки p. Ориентиры l с наибольшим относительным вкладом определяют ненулевые элементы v p для мультиагентной оптимизации RL (уравнение 1). Следует отметить, что нет необходимости нормализовать вектор
Figure 00000007
, так как выбираются ориентиры с наибольшим вкладом, и каждый ориентир из N(p) участвует одинаковое количество раз в формировании
Figure 00000007
. Алгоритм, описанный в этом подразделе, расширяет концепции анализа чувствительности Морриса до оценки пространственной взаимосвязи множества ориентиров.so the sample contribution
Figure 00000008
weighted according to absolute offset | y S |. Equations (5)–(7) are repeated a predetermined number of times to estimate the change in the coordinates of the point p for various random displacements of landmarks from S while maintaining the remaining coordinates of the landmarks x P\{p,S} unchanged. This analysis is repeated for subsets of landmarks S of different sizes, and the resulting vector
Figure 00000007
evaluates the relative contribution of each landmark from the neighborhood N(p) to the coordinates of the point p. Landmarks l with the largest relative contribution determine non-zero elements v p for multi-agent RL optimization (equation 1). Note that there is no need to normalize the vector
Figure 00000007
, since the landmarks with the largest contribution are chosen, and each landmark from N(p) participates the same number of times in the formation
Figure 00000007
. The algorithm described in this subsection extends the concepts of Morris sensitivity analysis to assess the spatial relationship of multiple landmarks.

Таким образом, обеспечивается повышенная точность определения ориентиров в блоке поиска ориентиров.Thus, increased accuracy of determining landmarks in the landmark search block is provided.

Внешняя коррекцияExternal correction

В одном из вариантов осуществления может выполняться внешняя коррекция результатов работы системы. Пример системы 500 диагностики тазобедренных суставов с внешней коррекцией показан на Фиг. 5. Блоки 510-550 в системе 500 аналогичны блокам 310-350 в системе 300, которые описаны выше, поэтому не будут описываться здесь повторно.In one embodiment, an external correction of system results may be performed. An example of an externally corrected hip diagnostic system 500 is shown in FIG. 5. Blocks 510-550 in system 500 are similar to blocks 310-350 in system 300 described above and will therefore not be described again here.

Основное отличие системы 500 от системы 300 состоит в том, что отчет о состоянии здоровья тазобедренных суставов от блока 550 передачи отчета может предоставляться врачу через пользовательский интерфейс 560. Пользовательский интерфейс может быть реализован в виде клиента, установленного на оборудовании врача (АРМ, компьютере, ноутбуке, планшете, смартфоне и т.д.), или в виде удаленного подключения к сервису диагностики (например, через браузер). Сервис диагностики представляет собой один или более процессоров, компьютеров или серверов, содержащих в совокупности блоки 510-550, и предоставляет услугу или выполняет функцию диагностики патологий на предоставляемых ему медицинских изображениях. Сервис диагностики в данном документе может также называться устройством диагностики.The main difference between the system 500 and the system 300 is that the hip health report from the reporting unit 550 can be provided to the doctor via the user interface 560. The user interface can be implemented as a client installed on the doctor's equipment (workstation, computer, laptop , tablet, smartphone, etc.), or as a remote connection to the diagnostic service (for example, via a browser). The diagnostic service is one or more processors, computers, or servers, collectively comprising blocks 510-550, and provides a service or performs the function of diagnosing pathologies on the medical images provided to it. A diagnostic service may also be referred to as a diagnostic device in this document.

Пользовательский интерфейс 560 может предоставлять трехмерное изображение на плоском экране или виртуальное трехмерное изображение в рамках виртуальной, дополненной, смешанной реальности (VR, AR, MR) и т.д. Рендеринг изображения может производиться как полностью на стороне пользователя, так и полностью или частично на стороне сервиса диагностики. Врач может визуально проверить корректность определения анатомических ориентиров и через пользовательский интерфейс указать надлежащие местоположения ориентиров (с помощью мыши, сенсорного ввода, VR-манипулятора, клавиатуры и т.д.). Следует понимать, что врач, выполняющий внешнюю коррекцию через пользовательский интерфейс 560, не обязательно является тем врачом, для которого предназначен конечный результат работы системы – например, внешнюю коррекцию может выполнять привлеченный специально для этой цели специалист, в то время как сервис диагностики может предоставлять услугу по диагностике патологий для других врачей и организаций.The user interface 560 may provide a flat screen 3D image or a virtual 3D image within virtual, augmented, mixed reality (VR, AR, MR), etc. Image rendering can be done either completely on the user's side, or completely or partially on the side of the diagnostic service. The clinician can visually verify that anatomical landmarks have been correctly identified and use the user interface to indicate the correct locations for the landmarks (using a mouse, touch input, VR manipulator, keyboard, etc.). It should be understood that the doctor performing external correction through the user interface 560 is not necessarily the doctor for whom the end result of the system is intended - for example, an external correction may be performed by a specialist specifically engaged for this purpose, while the diagnostic service may provide a service on the diagnosis of pathologies for other doctors and organizations.

Коррекция в данном документе рассматривается в качестве внешней по отношению к блоку 530 поиска ориентиров, то есть к блоку, который сначала автоматически определяет положение анатомических ориентиров.The correction in this document is considered as external to the block 530 search for landmarks, that is, the block that first automatically determines the position of anatomical landmarks.

Данные о скорректированном местоположении анатомических ориентиров (и при необходимости сформированное в результате в пользовательском интерфейсе изображение с нанесенными на него скорректированными ориентирами) передаются из пользовательского интерфейса 560 на блок 540 диагностики, который выполняет на их основе коррекцию клинических показателей и соответствующим образом корректирует отчет.Data about the corrected location of anatomical landmarks (and, if necessary, the resulting image generated in the user interface with corrected landmarks applied to it) is transmitted from the user interface 560 to the diagnostic unit 540, which performs correction of clinical indicators based on them and adjusts the report accordingly.

Скорректированный отчет о состоянии здоровья тазобедренных суставов выводится на экран монитора, подключенного к серверу, или на экран самого МРТ-сканера или компьютерного томографа, или же передается с помощью блока передачи отчета на устройство, запрашивавшее диагностику.The corrected report on the state of health of the hip joints is displayed on the screen of the monitor connected to the server, or on the screen of the MRI scanner or CT scanner itself, or is transmitted using the report transmission unit to the device that requested diagnostics.

Таким образом, обеспечивается повышение точности диагностики тазобедренных суставов за счет проверки и коррекции полученных данных специалистом.Thus, an increase in the accuracy of the diagnosis of the hip joints is ensured by checking and correcting the data obtained by a specialist.

В одном из вариантов осуществления также возможна передача врачу в пользовательский интерфейс 560 не отчета о состоянии здоровья, подготовленного блоком 540 диагностики, а непосредственно изображения с нанесенными на него ориентирами, сформированного блоком 530 поиска ориентиров, то есть минуя блок 540 диагностики (показано пунктиром на Фиг. 5). Это позволяет несколько сократить время на предоставление изображения врачу. Вместе с тем врач может испытывать неудобство, не имея перед глазами дополнительные данные о клинических показателях, формируемые блоком 540 диагностики. Как будет показано далее, такой подход может быть полезен на этапе начальной настройки системы при ее вводе в эксплуатацию.In one of the embodiments, it is also possible to transfer to the doctor in the user interface 560 not the health report prepared by the diagnostic block 540, but directly the image with landmarks printed on it, formed by the landmark search block 530, that is, bypassing the diagnostic block 540 (shown in dotted line in Fig. . 5). This allows you to somewhat reduce the time to provide the image to the doctor. However, the doctor may feel uncomfortable not having before his eyes additional data on clinical indicators generated by block 540 diagnostics. As will be shown below, this approach can be useful at the stage of initial setup of the system during its commissioning.

В одном из вариантов осуществления на проверку могут направляться только случаи, в которых по меньшей мере один из вычисленных клинических показателей (LCEA, NSA, AASA и PASA) близок к границам диапазонов, определяющих состояние здоровья тазобедренного сустава. Например, как показано на Фиг. 6, для угла LCEA нормальным показателем здоровья тазобедренного сустава для взрослого человека может являться диапазон от 25 до 39 градусов, диапазон от 20 до 25 градусов может указывать на пограничную дисплазию, диапазон от 20 градусов и менее может указывать на дисплазию, и диапазон от 39 градусов и более может указывать на импиджмент. В данном случае границами диапазонов являются значения угла LCEA 20, 25 и 39 градусов. Если вычисленный клинический показатель близок к границе диапазона (например, разница между вычисленным клиническим показателем и границей диапазона не превышает предварительно заданный порог в 0,5 градуса), то такой случай можно рассматривать как требующий согласования с врачом, и соответствующее изображение направляется на проверку в пользовательский интерфейс 560. Порог близости к той или иной границе диапазона может быть различным и зависит от требований конкретного применения. Таким образом, учитывая приведенную выше статистику по бессимптомным больным и здоровым пациентам, а также то, что доля пациентов, у которых вычисленные клинические показатели близки к границе диапазона, мала относительно общего числа пациентов, большинство снимков в данном варианте осуществления будут сразу отправляться на устройство, запрашивавшее диагностику, поскольку они не нуждаются в согласовании, и лишь часть будет отправляться на проверку к внешнему специалисту. Тем самым, обеспечивается одновременное повышение точности диагностики, повышение автоматизации обработки и снижение нагрузки на внешнего специалиста.In one embodiment, only cases in which at least one of the calculated clinical scores (LCEA, NSA, AASA, and PASA) is close to the boundaries of the hip health ranges may be submitted for review. For example, as shown in FIG. 6, for the LCEA angle, the normal range of adult hip health may be 25 to 39 degrees, 20 to 25 degrees may indicate borderline dysplasia, 20 degrees or less may indicate dysplasia, and 39 degrees and more may indicate impingement. In this case, the range boundaries are the LCEA angle values of 20, 25, and 39 degrees. If the calculated clinical score is close to the range limit (for example, the difference between the calculated clinical score and the range limit does not exceed a predefined threshold of 0.5 degrees), then such a case can be considered as requiring agreement with the doctor, and the corresponding image is sent to the user interface for verification. interface 560. The proximity threshold to a particular range boundary may be different and depends on the requirements of a particular application. Thus, considering the above statistics on asymptomatic patients and healthy patients, and also that the proportion of patients in whom the calculated clinical indicators are close to the range limit is small relative to the total number of patients, most images in this embodiment will be immediately sent to the device, requesting diagnostics, since they do not need to be coordinated, and only a part will be sent for verification to an external specialist. This ensures simultaneous improvement in diagnostic accuracy, increased processing automation and reduced workload on an external specialist.

В одном из вариантов осуществления блок 540 диагностики может определять, следует ли отправить полученный результат на проверку к внешнему специалисту, на основании того, имеется ли неопределенность результата диагностики с учетом возможной ошибки определения положения ориентиров. Для этого блок 540 диагностики помимо вычисления клинических показателей на основе данных о положении анатомических ориентиров, полученных от блока 530 поиска ориентиров, также определяет возможные значения клинических показателей при отклонении ориентиров. Величина возможного отклонения ориентиров определяется ошибкой их определения (средней, среднеквадратической и т.д.) и задается заранее настройками производителя, организации, выполняющей установку системы, или настройками самого медицинского учреждения или врача, пользующегося системой 500 диагностики тазобедренных суставов. Вокруг каждого ориентира строится окружность с радиусом, равным величине возможного отклонения данного ориентира, которая определяет область возможного отклонения. В рамках каждой такой области в качестве возможного отклоненного ориентира выбирается точка, отличная от центра области. Далее на основе положений отклоненных ориентиров вычисляется соответствующее возможное значение клинического показателя при отклонении.In one embodiment, the diagnostic unit 540 may determine whether to send the obtained result to an external specialist for verification, based on whether there is an uncertainty in the diagnostic result, taking into account the possible error in determining the position of landmarks. To this end, the diagnostic block 540, in addition to calculating clinical indicators based on the data on the position of anatomical landmarks received from the landmark search block 530, also determines the possible values of clinical indicators when the landmarks are deviated. The magnitude of the possible deviation of the landmarks is determined by the error in their determination (mean, root mean square, etc.) and is predetermined by the settings of the manufacturer, the organization that installs the system, or the settings of the medical institution itself or the doctor using the hip diagnostic system 500. A circle is built around each landmark with a radius equal to the value of the possible deviation of this landmark, which determines the area of possible deviation. Within each such area, a point different from the center of the area is selected as a possible deviated reference point. Further, based on the positions of the rejected landmarks, the corresponding possible value of the clinical indicator in case of deviation is calculated.

В одном варианте осуществления в каждой области возможного отклонения случайным образом выбирается одна точка, соответствующая отклоненному ориентиру. Полученное в результате возможное значение клинического показателя при отклонении сопоставляется с границами диапазонов данного клинического показателя, и если вычисленное возможное значение клинического показателя при отклонении находится в пределах того же диапазона клинического показателя, что и первоначально вычисленное значение клинического показателя (без отклонения ориентира), то есть оба показателя окажутся по одну сторону от границы диапазона, то это указывает на то, что внешняя коррекция может оказаться нецелесообразной, поскольку даже в случае коррекции предполагаемый диагноз может не измениться. В конкретном неограничивающем примере, блок 540 диагностики может первоначально вычислить значение клинического показателя, равное 25,4 градуса, а затем на основании случайного отклонения ориентира вычислить возможное значение клинического показателя при отклонении, равное 25,2 градуса – в таком случае оба вычисленных показателя окажутся в диапазоне от 25 до 39 градусов, с одной стороны от границы 25 градусов, а значит диагноз даже при отклонении ориентира останется прежним: в пределах нормы. Соответственно, такой случай не отправляется на внешнюю коррекцию. Если же вычисленное возможное значение клинического показателя при отклонении находится в пределах другого диапазона клинического показателя по сравнению с тем, в котором находится первоначально вычисленное значение клинического показателя (без отклонения ориентира), то есть показатели окажутся по разные стороны от границы диапазона, то это указывает на то, что имеется неопределенность в результате диагностики, и внешняя коррекция может существенно повлиять на предполагаемый диагноз. Соответственно, такой случай отправляется на внешнюю коррекцию. Таким образом, система самостоятельно уточняет целесообразность коррекции даже вблизи границ диапазонов, что обеспечивает дополнительное повышение автоматизации обработки и снижение нагрузки на внешнего специалиста при поддержании высокой точности диагностики.In one embodiment, in each area of possible deviation, one point is randomly selected corresponding to the deviated landmark. The resulting clinical score probable value on deviation is compared to the range limits of that clinical score, and if the computed clinical score probable value on deviation is within the same clinical score range as the originally calculated clinical score value (without benchmark deviation), i.e. both indicators will be on the same side of the range limit, this indicates that external correction may not be appropriate, since even in the case of correction, the alleged diagnosis may not change. In a specific, non-limiting example, diagnostic unit 540 may initially calculate a clinical score of 25.4 degrees, and then, based on a random deviation of the landmark, calculate a possible clinical score with a deviation of 25.2 degrees - in which case both calculated scores will be in range from 25 to 39 degrees, on one side of the border of 25 degrees, which means that the diagnosis, even if the landmark deviates, will remain the same: within the normal range. Accordingly, such a case is not sent for external correction. If the calculated possible value of the clinical indicator with a deviation is within a different range of the clinical indicator compared to the one in which the initially calculated value of the clinical indicator is located (without the deviation of the reference point), that is, the indicators will be on opposite sides of the range boundary, then this indicates that there is uncertainty as a result of the diagnosis, and external correction can significantly affect the proposed diagnosis. Accordingly, such a case is sent for external correction. Thus, the system independently refines the feasibility of correction even near the boundaries of the ranges, which provides an additional increase in processing automation and a reduction in the load on an external specialist while maintaining high diagnostic accuracy.

В другом варианте осуществления точка, соответствующая отклоненному ориентиру, выбирается не случайным образом, а в таком положении, которое обеспечивает максимальное отклонение значения соответствующего клинического показателя в направлении ближайшей границы диапазона. В конкретном неограничивающем примере, блок 540 диагностики может первоначально вычислить значение клинического показателя, равное 25,4 градуса. Разность между этим значением и границей диапазона составляет 0,4 градуса и не превышает предварительно заданный порог в 0,6 градусов, то есть может потребоваться уточнение положения ориентира. Ближайшая граница диапазона находится на уровне 25 градусов, соответственно, для изменения клинического показателя в направлении этой границы необходимо, чтобы клинический показатель при отклонении был меньше вычисленного.In another embodiment, the point corresponding to the deviated landmark is not chosen randomly, but in a position that provides the maximum deviation of the value of the corresponding clinical indicator towards the nearest end of the range. In a specific non-limiting example, diagnostic unit 540 may initially calculate a clinical index value of 25.4 degrees. The difference between this value and the limit of the range is 0.4 degrees and does not exceed the pre-set threshold of 0.6 degrees, that is, it may be necessary to refine the position of the landmark. The nearest limit of the range is at the level of 25 degrees, therefore, in order to change the clinical indicator in the direction of this limit, it is necessary that the clinical indicator in case of deviation be less than the calculated one.

На Фиг. 7 показан один из способов отклонения ориентиров для уменьшения угла LCEA. Точки 1 и 2 – это ориентиры, определенные блоком 530 поиска ориентиров. Жирными линиями показаны стороны угла LCEA, построенного на базе точек 1 и 2 – а именно, продольная ось тела и линия, соединяющая центр головки бедренной кости с латеральным краем вертлужной впадины. Окружности вокруг точек 1 и 2 задают области возможного отклонения ориентиров. Точка 1* - это отклоненный ориентир, полученный на пересечении границы области возможного отклонения ориентира 1 и нормали к продольной оси тела, проведенной от ориентира 1 в направлении к точке 2. Точка 2* - это отклоненный ориентир, полученный на пересечении границы области возможного отклонения ориентира 2 и нормали, проведенной от ориентира 2 в направлении касательной окружности вокруг точки 2, построенной от точки 1*. Направления отклонения ориентиров показаны на Фиг. 7 стрелками, а новая продольная ось тела и линия, соединяющая центр головки бедренной кости с латеральным краем вертлужной впадины, показаны пунктирными линиями.On FIG. 7 shows one way to deviate landmarks to decrease the LCEA angle. Points 1 and 2 are landmarks determined by the landmark search block 530 . Bold lines show the sides of the LCEA angle based on points 1 and 2 - namely, the longitudinal axis of the body and the line connecting the center of the femoral head with the lateral edge of the acetabulum. The circles around points 1 and 2 define the areas of possible deviation of landmarks. Point 1* is a deviated landmark obtained at the intersection of the boundary of the area of possible deviation of the landmark 1 and the normal to the longitudinal axis of the body drawn from the landmark 1 in the direction to point 2. Point 2* is the deviated landmark obtained at the intersection of the boundary of the area of possible deviation of the landmark 2 and the normal drawn from landmark 2 in the direction of the tangent circle around point 2, constructed from point 1*. The directions of landmark deflection are shown in Fig. 7 by arrows, and the new longitudinal axis of the body and the line connecting the center of the femoral head with the lateral edge of the acetabulum are shown by dotted lines.

Если возможное значение клинического показателя при отклонении (LCEA* в примере на Фиг. 7) находится в пределах другого диапазона клинического показателя по сравнению с тем, в котором находится первоначально вычисленное значение клинического показателя (LCEA в примере на Фиг. 7, без отклонения ориентира), то есть показатели окажутся по разные стороны от границы диапазона (например, LCEA* составит 24,8 градуса, тогда как LCEA равен 25,4 градуса), то это указывает на то, что внешняя коррекция может существенно повлиять на предполагаемый диагноз. Соответственно, такой случай отправляется на внешнюю коррекцию. Если же вычисленное возможное значение клинического показателя при отклонении находится в пределах того же диапазона клинического показателя, что и первоначально вычисленное значение клинического показателя (например, LCEA* составит 25,1 градуса, тогда как LCEA равен 25,4 градуса), то есть оба показателя окажутся по одну сторону от границы диапазона, то это указывает на то, что внешняя коррекция может оказаться нецелесообразной, и такой случай не отправляется на внешнюю коррекцию. Таким образом, при проверке целесообразности внешней коррекции система учитывает наихудший сценарий, что позволяет избежать ошибок, которые могли бы возникнуть при отсутствии внешней коррекции, что обеспечивает дополнительное повышение точности диагностики при поддержании высокой автоматизации обработки и освобождение внешнего специалиста от рутинных процессов коррекции, не влияющих на диагноз.If the possible clinical score value at deviation (LCEA* in the example of Fig. 7) is within a different clinical score range than the originally calculated clinical score value (LCEA in the example of Fig. 7, without benchmark deviation) , that is, the readings will be on opposite sides of the range boundary (for example, LCEA * will be 24.8 degrees, while LCEA is 25.4 degrees), this indicates that the external correction can significantly affect the proposed diagnosis. Accordingly, such a case is sent for external correction. If, however, the calculated possible clinical score at deviation is within the same clinical score range as the originally calculated clinical score (e.g., LCEA* is 25.1 degrees while LCEA is 25.4 degrees), then both scores turn out to be on the same side of the range boundary, this indicates that an external correction may not be appropriate, and such a case is not sent for an external correction. Thus, when checking the feasibility of external correction, the system takes into account the worst-case scenario, which makes it possible to avoid errors that could occur in the absence of external correction, which provides an additional increase in diagnostic accuracy while maintaining high automation of processing and freeing an external specialist from routine correction processes that do not affect diagnosis.

В некоторых вариантах осуществления выбор возможного отклоненного ориентира может осуществляться с учетом заранее известного распределения вероятности отклонения данного ориентира. Для этого граница области возможного отклонения вокруг ориентира может соответствовать предварительно заданному пороговому значению вероятности отклонения – соответственно, в общем случае она может представлять собой произвольную замкнутую кривую, отличную от окружности. Поиск максимального отклонения значения клинического показателя может выполняться именно с применением этой границы. Также в рамках этой границы может выполняться случайный выбор отклоненного ориентира – на основе равномерного распределения или на основе упомянутого заранее известного распределения вероятности отклонения. Таким образом, устраняются наименее вероятные отклонения, которые могли бы ошибочно привести к отправке данных к внешнему специалисту, то есть дополнительно повышается точность принятия решения о целесообразности внешней коррекции, что обеспечивает дополнительное повышение автоматизации обработки и снижение нагрузки на внешнего специалиста при поддержании высокой точности диагностики.In some embodiments, the selection of a possible deviated landmark may be based on a predetermined probability distribution of the deviation of that landmark. To do this, the boundary of the area of possible deviation around the landmark can correspond to a predetermined threshold value of the probability of deviation - accordingly, in the general case, it can be an arbitrary closed curve other than a circle. The search for the maximum deviation of the value of a clinical indicator can be performed using this boundary. Also, within this boundary, a random selection of the deviated landmark can be performed - based on a uniform distribution or on the basis of the aforementioned known distribution of the deviation probability. Thus, the least probable deviations that could erroneously lead to sending data to an external specialist are eliminated, that is, the accuracy of deciding whether an external correction is appropriate is further increased, which provides an additional increase in processing automation and a reduction in the load on an external specialist while maintaining high diagnostic accuracy.

В одном варианте осуществления радиус окружности, которая определяет область возможного отклонения ориентира, и/или пространственное распределение вероятности отклонения ориентира могут быть предварительно заданы настройками производителя, организации, выполняющей установку системы, или настройками самого медицинского учреждения или врача, пользующегося системой 500 диагностики тазобедренных суставов. В конкретном неограничивающем примере источником данных для установки настроек могут быть исследования, результаты опытной эксплуатации, собственные знания специалистов и т.д. Это позволяет ускорить процесс ввода системы в эксплуатацию.In one embodiment, the radius of the circle that defines the area of possible deviation of the landmark and/or the spatial distribution of the probability of deviation of the landmark may be predefined by the settings of the manufacturer, the organization that performs the installation of the system, or the settings of the medical institution itself or the doctor using the hip diagnostic system 500. In a specific non-limiting example, the source of data for setting the settings may be studies, results of trial operation, own knowledge of specialists, etc. This speeds up the system commissioning process.

В другом варианте осуществления радиус отклонения ориентира и/или пространственное распределение вероятности отклонения ориентира могут вычисляться или уточняться путем калибровки непосредственно в процессе использования конкретного экземпляра системы. Для этого блок 540 диагностики не выполняет проверку на необходимость внешней коррекции, и каждое изображение отправляется на коррекцию к внешнему специалисту. Получив через пользовательский интерфейс 560 от внешнего специалиста скорректированные данные для множества изображений, блок 540 диагностики может вычислить ошибку определения ориентира (среднюю, среднеквадратическую и т.д.) и/или пространственное распределение вероятности отклонения ориентира. Точное количество изображений, требующихся для калибровки, определяется требованиями конкретного применения. Таким образом, обеспечивается повышение точности определения ориентиров, так как медицинская организация, использующая предложенную систему 500, может специализироваться на лечении пациентов определенной половой или возрастной категории, пациентов, имеющих определенные заболевания, может иметь оборудование, выдающее медицинские изображения, обладающие определенной спецификой, и т.д., и этой организации могут не подходить стандартные заводские настройки системы, тогда как калибровка позволяет максимально адаптировать систему под особенности применения.In another embodiment, the landmark deviation radius and/or the spatial distribution of the landmark deviation probability can be calculated or refined by calibration directly in the process of using a particular instance of the system. To do this, the diagnostic unit 540 does not check for the need for external correction, and each image is sent for correction to an external specialist. After receiving corrected data for multiple images via user interface 560 from an external expert, diagnostic unit 540 may calculate the landmark error (mean, root mean square, etc.) and/or the spatial distribution of the landmark deviation probability. The exact number of images required for calibration is determined by the requirements of the particular application. Thus, an increase in the accuracy of determining landmarks is provided, since a medical organization using the proposed system 500 may specialize in the treatment of patients of a certain gender or age category, patients with certain diseases, may have equipment that produces medical images with certain specifics, etc. .d., and this organization may not be suitable for the standard factory settings of the system, while calibration allows you to maximally adapt the system to the specific application.

Калибровка может проводиться на этапе начальной настройки системы при ее вводе в эксплуатацию или при необходимости уже в процессе эксплуатации. Во время калибровки, так как все изображения отправляются на внешнюю коррекцию, может применяться упоминавшийся выше подход с отправкой изображений врачу в пользовательский интерфейс 560 сразу от блока 530 поиска ориентиров, то есть минуя блок 540 диагностики (показано пунктиром на Фиг. 5). Это позволяет не только сократить время на предоставление изображения врачу, но и избежать непроизводительных затрат вычислительных ресурсов и времени на промежуточную обработку данных блоком 540 диагностики.Calibration can be carried out at the stage of initial setup of the system during its commissioning or, if necessary, already during operation. During calibration, since all images are sent for external correction, the above approach of sending images to the clinician to the user interface 560 directly from the landmark finder 530, i.e. bypassing the diagnostic unit 540 (shown in dotted line in Fig. 5), can be applied. This allows not only to reduce the time for providing the image to the doctor, but also to avoid the overhead of computing resources and time for intermediate data processing by the diagnostic block 540.

Калибровка может производиться с учетом данных или настроек, которые уже имеются в системе. При этом предварительные настройки могут учитываться с определенным весом. В конкретном неограничивающем примере для вычисления ошибки определения ориентира предварительная настройка может иметь вес 0,7, а новые данные об отклонении ориентиров, получаемые в результате внешней коррекции, могут учитываться с весом 0,01, что позволит регулировать степень влияния отдельно взятых случаев на общий результат и избежать переобучения системы в соответствии с тем множеством изображений, которое использовалось для калибровки. Точные значения весов зависят от требований конкретного применения. Кроме того, во избежание переобучения может быть предварительно установлен порог минимальной ошибки определения ориентира, чтобы система не подстраивалась чрезмерно сильно под множество изображений, которое использовалось для калибровки.Calibration can be performed using data or settings that are already in the system. In this case, presettings can be taken into account with a certain weight. In a specific, non-limiting example, for calculating a landmark error, the pre-setting may have a weight of 0.7, and new data on the deviation of landmarks obtained as a result of external correction can be taken into account with a weight of 0.01, which will allow you to adjust the degree of influence of individual cases on the overall result. and avoid retraining the system according to the set of images used for calibration. The exact weight values depend on the requirements of the particular application. Also, to avoid overfitting, a minimum landmark error threshold can be pre-set so that the system does not over-adjust to the set of images used for calibration.

В одном из вариантов осуществления изображение с нанесенными на него скорректированными ориентирами, сформированное в пользовательском интерфейсе в результате внешней коррекции, передается из пользовательского интерфейса 560 на блок 530 поиска ориентиров, который сохраняет это изображение в обучающем наборе. Таким образом, обеспечивается регулярное пополнение обучающего набора, что позволяет повысить точность определения положения ориентиров блоком 530 поиска ориентиров. Более того, при сочетании с вышеупомянутой обработкой, выполняемой в блоке 540 диагностики, это позволяет достичь синергетического эффекта, когда уменьшение ошибки в блоке 530 поиска ориентиров позволяет еще больше снизить ошибку в работе блока 540 диагностики, что обеспечивает дополнительное повышение автоматизации обработки и снижение нагрузки на внешнего специалиста.In one embodiment, the image with the corrected landmarks applied to it, generated in the user interface as a result of external correction, is transmitted from the user interface 560 to the landmark finder 530, which stores this image in the training set. Thus, regular replenishment of the training set is ensured, which makes it possible to improve the accuracy of determining the position of landmarks by the landmark search block 530 . Moreover, when combined with the aforementioned processing performed in the diagnostic block 540, this achieves a synergistic effect whereby reducing the error in the landmarking block 530 can further reduce the error in the operation of the diagnostic block 540, which further increases processing automation and reduces the burden on external specialist.

Следует понимать, что стрелки от пользовательского интерфейса на Фиг. 5 показаны для упрощения понимания того, какой именно блок может быть получателем данных от пользовательского интерфейса, и ввод от пользователя, полученный через пользовательский интерфейс 560, может быть отправлен к блоку 530 поиска ориентиров или блоку 540 диагностики не напрямую, а через средство приема данных, такое как блок 510 получения изображения.It should be understood that the arrows from the user interface in FIG. 5 are shown to make it easier to understand which block can be the recipient of data from the user interface, and input from the user received through the user interface 560 can be sent to the landmark finder 530 or diagnostic block 540 not directly, but through the data receiving means, such as the image acquisition block 510 .

Пример осуществленияImplementation example

Предложенная система была проверена на базе данных 260 пациентов, содержащей 337 МРТ-изображений (в частности, 115 Т1-, 109 Т2- и 113 PD-взвешенных изображений), где 180 пациентов / 251 изображение (78 Т1, 92 Т2 и 81 PD) использовались для обучения, а 80 пациентов / 86 изображений (37 T1, 17 T2 и 32 PD) использовались для тестирования. Изображения коронально реконструировались до изотропного разрешения с размером коронального среза от 320 х 320 мм2 до 370 х 370 мм2 и количеством поперечных сечений от 58 до 180.The proposed system was tested on a database of 260 patients containing 337 MRI images (in particular, 115 T1, 109 T2 and 113 PD-weighted images), where 180 patients / 251 images (78 T1, 92 T2 and 81 PD) were used for training and 80 patients/86 images (37 T1, 17 T2 and 32 PD) were used for testing. The images were coronally reconstructed to isotropic resolution with a coronal slice size from 320 x 320 mm2 to 370 x 370 mm2 and a number of cross sections from 58 to 180.

Возраст пациентов колебался от 5 до 86 лет со средним значением 56 лет, 63% пациентов были женщинами. Статистические данные по полу и возрасту согласуются с клиническими данными о том, что заболевания органов малого таза чаще встречаются у женщин. Все больные страдали той или иной патологией таза с истончением хряща, наиболее частым диагнозом был лево- и правосторонний коксартроз. Также у некоторых пациентов имелись другие аномалии, в том числе патологии, не связанные непосредственно с тазобедренным суставом, и заболевания, специфичные для женщин.The age of patients ranged from 5 to 86 years with a mean of 56 years, 63% of patients were women. Statistics by sex and age are consistent with clinical evidence that pelvic disease is more common in women. All patients suffered from one or another pathology of the pelvis with cartilage thinning, the most common diagnosis was left- and right-sided coxarthrosis. Also, some patients had other anomalies, including pathologies not directly related to the hip joint, and diseases specific to women.

Параметры отдельных компонентов системы определялись следующим образом. В моделях RL для оптимизации местоположения ориентиров (DeepQN, DDPG, TD3 и A2C) использовались фрагменты I(p) (патчи) 3D МР-изображений размером 10 мм3, чтобы охватывать внешние границы местоположения ориентиров, а функции потерь имели штраф за ориентацию, взвешенный с λ = 0,3, с учетом среднеквадратичной ошибки. Оптимизация положения ориентира на основе RL продолжается, если есть хотя бы один кандидат на ориентир, который перемещается более чем на δ = 0,1 мм от своего местоположения в предыдущей итерации. Алгоритм графического лассо был оптимизирован для 100 итераций с параметром регуляризации γ = 0,01, который контролирует разреженность результатов, и был решен с использованием пакета scikit-learn на базе python.The parameters of the individual components of the system were determined as follows. The RL models for feature location optimization (DeepQN, DDPG, TD3, and A2C) used 10 mm3 I(p) patches of 3D MR images to cover the outer boundaries of the feature location, and the loss functions had an orientation penalty weighted with λ = 0.3, taking into account the root mean square error. The RL-based landmark position optimization continues if there is at least one landmark candidate that moves more than δ = 0.1 mm from its location in the previous iteration. The graphical lasso algorithm was optimized for 100 iterations with a regularization parameter γ = 0.01, which controls the sparseness of the results, and was solved using the python-based scikit-learn package.

Нейронные сети для анализа взаимосвязей между множеством ориентиров имели, соответственно, nland = 48, 32 и 16 признаков для первых трех сетевых блоков. Максимальное количество ориентиров k = 3 определяло случайную комбинацию ориентиров для проверки их совместного влияния на ориентир p ∈ P, и для каждой комбинации генерировалось 1000 случайных перемещений.Neural networks for analyzing relationships between a set of landmarks had, respectively, n land = 48, 32 and 16 features for the first three network blocks. The maximum number of landmarks k = 3 determined a random combination of landmarks to test their joint influence on the landmark p ∈ P, and 1000 random movements were generated for each combination.

Скорость обучения для моделей RL и сети определения формы на основе ориентиров была выбрана равной 0,001. Оптимизация RL прекращалась после 50 итераций, если коррекция положения ориентира не сошлась. Фреймворк был обучен на сервере, оснащенном графическим процессором (GPU) Tesla V100-SXM2-16 ГБ, 80-ядерным центральным процессором (CPU) Intel(R) Xeon(R) E5-2698 v4 @ 2,20 ГГц, оперативной памятью (RAM) 503 ГБ.The learning rate for the RL models and the landmark-based shape network was chosen to be 0.001. RL optimization was terminated after 50 iterations if the landmark position correction did not converge. The framework was trained on a server equipped with a Tesla V100-SXM2-16 GB GPU, 80-core Intel(R) Xeon(R) E5-2698 v4 @ 2.20 GHz, RAM ) 503 GB.

Эффективность системы оценивалась путем оценки точности определения ориентиров, расчета анатомического угла, а также обнаружения и количественного определения аномалий тазобедренного сустава. При сочетании предложений ориентиров на основе FPN и предложенной моделью формы результирующая точность составила 81%, 100%, 99% и 100% для LCEA, NSA, AASA и PASA, соответственно. Полученные результаты были сопоставлены с другими системами и с человеческими оценками и было выявлено, что предложенная система может успешно количественно определять морфологические аномалии тазобедренного сустава, демонстрируя почти по всем показателям повышенную точность и скорость диагностики. При наличии механизма внешней коррекции удается дополнительно повысить точность диагностики, при этом помощь внешнего специалиста требуется только в случаях, когда существует вероятность неверной автоматической постановки диагноза.The effectiveness of the system was assessed by evaluating the accuracy of landmarking, calculating the anatomical angle, and detecting and quantifying hip anomalies. When combining the FPN-based landmark suggestions and the proposed shape model, the resulting accuracy was 81%, 100%, 99%, and 100% for LCEA, NSA, AASA, and PASA, respectively. The results obtained were compared with other systems and with human assessments, and it was found that the proposed system can successfully quantify the morphological abnormalities of the hip joint, demonstrating increased accuracy and speed of diagnosis in almost all indicators. In the presence of an external correction mechanism, it is possible to further improve the accuracy of diagnosis, while the help of an external specialist is required only in cases where there is a possibility of an incorrect automatic diagnosis.

ПрименениеApplication

Системы, устройства и способы согласно настоящему изобретению можно использовать для обработки диагностических медицинских изображений, содержащих область таза, с целью выявления в них признаков патологий тазобедренных суставов.The systems, devices, and methods of the present invention can be used to process diagnostic medical images containing the pelvic area for signs of hip joint pathology.

Дополнительные особенности реализацииAdditional Implementation Features

Несмотря на то, что в данном документе может быть указано, что данные передаются/отправляются или принимаются/получаются человеком (например, медицинским специалистом, врачом, экспертом), специалист в данной области техники должен понимать, что такое указание используется исключительно в целях упрощения описания, тогда как на самом деле подразумевается, что данные передаются/отправляются или принимаются/получаются соответствующим устройством, которым пользуется и/или управляет этот человек.Although this document may indicate that data is being transmitted/sent or received/received by a person (e.g., medical professional, physician, expert), one skilled in the art should understand that such indication is used solely for the purpose of simplifying the description. , while in fact it is understood that the data is transmitted / sent or received / received by the corresponding device used and / or controlled by this person.

Один или более описанных в настоящем документе блоков или устройств передачи (передатчиков) и один или более блоков или устройств приема (приемников) физически могут быть реализованы в одном и том же блоке или устройстве приемопередачи или в разных блоках или устройствах.One or more transmission units or devices (transmitters) described herein and one or more receiver units or devices (receivers) may be physically implemented in the same transceiver unit or device or in different units or devices.

Устройством или блоком передачи в данном документе для упрощения описания может называться устройство или блок, имеющий функции не только передачи, но и приема данных, информации и/или сигналов. Аналогичным образом, устройство или блок приема может также заключать в себе функции передачи данных, информации и/или сигналов.A device or a transmission unit in this document, for the sake of simplicity of description, may be referred to as a device or unit having the functions of not only transmitting, but also receiving data, information and/or signals. Similarly, the receiving device or unit may also include data, information and/or signaling functions.

Различные иллюстративные блоки и модули, описанные в связи с раскрытием сущности в данном документе, могут реализовываться или выполняться с помощью процессора общего назначения, процессора цифровых сигналов (DSP), специализированной интегральной схемы (ASIC), программируемой пользователем вентильной матрицы (FPGA) или другого программируемого логического устройства (PLD), дискретного логического элемента или транзисторной логики, дискретных аппаратных компонентов либо любой комбинации вышеозначенного, предназначенной для того, чтобы выполнять описанные в данном документе функции. Процессор общего назначения может представлять собой микропроцессор, но в альтернативном варианте, процессор может представлять собой любой традиционный процессор, контроллер, микроконтроллер или конечный автомат. Процессор также может реализовываться как комбинация вычислительных устройств (к примеру, комбинация DSP и микропроцессора, несколько микропроцессоров, один или более микропроцессоров вместе с DSP-ядром либо любая другая подобная конфигурация).Various illustrative blocks and modules described in connection with the disclosure herein may be implemented or executed by a general purpose processor, digital signal processor (DSP), application specific integrated circuit (ASIC), field programmable gate array (FPGA), or other programmable logic device (PLD), discrete logic element or transistor logic, discrete hardware components, or any combination of the foregoing, designed to perform the functions described in this document. A general purpose processor may be a microprocessor, but in the alternative, the processor may be any conventional processor, controller, microcontroller, or state machine. A processor may also be implemented as a combination of computing devices (eg, a combination of a DSP and a microprocessor, multiple microprocessors, one or more microprocessors together with a DSP core, or any other similar configuration).

Некоторые блоки по отдельности или вместе могут представлять собой, например, компьютер, и включать в себя процессор, который сконфигурирован для вызова и выполнения компьютерных программ из памяти для выполнения этапов способа или функций блоков в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Согласно вариантам осуществления, устройство может дополнительно включать в себя память. Процессор может вызывать и выполнять компьютерные программы из памяти для выполнения способа. Память может быть отдельным устройством, независимым от процессора, или может быть интегрирована в процессор. Память может хранить код, инструкции, команды и/или данные для исполнения на наборе из одного или более процессоров описанного устройства. Коды, инструкции, команды могут предписывать процессору выполнять этапы способа или функции устройства.Some blocks individually or collectively may be, for example, a computer, and include a processor that is configured to call and execute computer programs from memory to perform method steps or block functions in accordance with embodiments of the present invention. According to embodiments, the device may further include a memory. The processor may call and execute computer programs from memory to execute the method. The memory may be a separate device independent of the processor or may be integrated with the processor. The memory may store code, instructions, instructions, and/or data for execution on a set of one or more processors of the device described. Codes, instructions, commands may direct the processor to perform the steps of a method or device function.

Функции, описанные в данном документе, могут реализовываться в аппаратном обеспечении, программном обеспечении, выполняемом посредством одного или более процессоров, микропрограммном обеспечении или в любой комбинации вышеозначенного. Аппаратные и программные средства, реализующие функции, также могут физически находиться в различных позициях, в том числе согласно такому распределению, что части функций реализуются в различных физических местоположениях, то есть может выполняться распределенная обработка или распределенные вычисления.The functions described herein may be implemented in hardware, software running on one or more processors, firmware, or any combination of the foregoing. The hardware and software implementing the functions may also be physically located in different locations, including such a distribution that parts of the functions are implemented in different physical locations, that is, distributed processing or distributed computing may be performed.

При необходимости (например, в случае если велик объем данных и/или вычислений, которые необходимо выполнить в отношении этих данных), может производиться многопоточная обработка данных, которая в простом представлении может выражаться в том, что все множество подлежащих обработке данных разделяется на набор подмножеств, и каждое ядро процессора выполняет обработку в отношении назначенного для него подмножества данных.If necessary (for example, if the amount of data and / or calculations that need to be performed on this data is large), multi-threaded data processing can be performed, which in a simple representation can be expressed in the fact that the entire set of data to be processed is divided into a set of subsets , and each processor core performs processing on its assigned subset of data.

Вышеупомянутая память может быть энергозависимой или энергонезависимой памятью или может включать в себя как энергозависимую, так и энергонезависимую память. Специалисту в области техники должно быть также понятно, что, когда речь идет о памяти и о хранении данных, программ, кодов, инструкций, команд и т.п., подразумевается наличие машиночитаемого (или компьютерно-читаемого, процессорно-читаемого) запоминающего носителя. Машиночитаемые носители данных включают в себя как некратковременные компьютерные носители хранения данных, так и среду связи, включающую в себя любую передающую среду, которая упрощает перемещение компьютерной программы или ее части из одного места в другое. Некратковременный машиночитаемый запоминающий носитель может представлять собой любой доступный носитель, который может использоваться для того, чтобы переносить или сохранять требуемое средство программного кода в форме инструкций или структур данных, и к которому можно осуществлять доступ посредством компьютера, процессора или иного устройства обработки общего назначения или специального назначения.The above memory may be volatile or non-volatile memory, or may include both volatile and non-volatile memory. One of ordinary skill in the art will also understand that when referring to memory and storage of data, programs, codes, instructions, instructions, and the like, it is understood that there is a machine-readable (or computer-readable, processor-readable) storage medium. Computer-readable storage media includes both non-transitory computer storage media and communication media, including any transmission medium that facilitates movement of a computer program, or portion thereof, from one place to another. A non-transitory computer-readable storage medium can be any available medium that can be used to carry or store a desired piece of program code in the form of instructions or data structures, and that can be accessed by a computer, processor, or other general purpose or special processing device. destination.

В качестве примера, а не ограничения, машиночитаемые носители могут содержать постоянное запоминающее устройство (ROM), программируемое постоянное запоминающее устройство (PROM), стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EPROM), электронно-стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EEPROM), флэш-память, оперативную память (RAM), статическую память с произвольным доступом (SRAM), динамическую память с произвольным доступом (DRAM), синхронную динамическую память с произвольным доступом (SDRAM), синхронную динамическую память с произвольной выборкой с двойной скоростью передачи данных (DDR SDRAM), синхронную динамическую память с произвольной выборкой с повышенной скоростью (ESDRAM), DRAM с синхронной линией связи (SLDRAM) и оперативную память с шиной прямого доступа (DR RAM), регистр, кэш-память, полупроводниковые запоминающие устройства, магнитные носители, такие как внутренние жесткие диски и съемные диски, магнитооптические носители и оптические носители, такие как диски CD-ROM и цифровые универсальные диски (DVD), а также любые другие известные в уровне техники носители данных.By way of example, and not limitation, computer-readable media may include read-only memory (ROM), programmable read-only memory (PROM), erasable programmable read-only memory (EPROM), electronically erasable programmable read-only memory (EEPROM), flash memory. , Random Access Memory (RAM), Static Random Access Memory (SRAM), Dynamic Random Access Memory (DRAM), Synchronous Dynamic Random Access Memory (SDRAM), Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory (DDR SDRAM) , accelerated speed synchronous dynamic random access memory (ESDRAM), synchronous link DRAM (SLDRAM), and direct access bus random access memory (DR RAM), register, cache, semiconductor memories, magnetic media such as internal hard disks and removable disks, magneto-optical media and optical media such as CD-ROMs and digital versatile disks (DVDs), as well as any other storage media known in the art.

Информация и сигналы, описанные в данном документе, могут представляться с помощью любой из множества различных технологий. Например, данные, инструкции, команды, информация, сигналы, биты, символы и элементарные сигналы, которые могут приводиться в качестве примера в вышеприведенном описании, могут представляться посредством напряжений, токов, электромагнитных волн, магнитных полей или частиц, оптических полей или частиц либо любой комбинации вышеозначенного, если это применимо к настоящему изобретению.The information and signals described herein may be represented using any of a variety of different technologies. For example, the data, instructions, commands, information, signals, bits, symbols, and elementary signals that may be exemplified in the above description may be represented by voltages, currents, electromagnetic waves, magnetic fields or particles, optical fields or particles, or any combinations of the above, if applicable to the present invention.

По меньшей мере один из этапов в способе или блоков в устройстве может использовать модель искусственного интеллекта (AI) для выполнения соответствующих операций. Функция, связанная с AI, может выполняться через процессор и энергонезависимую и/или энергозависимую память.At least one of the steps in the method or blocks in the device may use an artificial intelligence (AI) model to perform the respective operations. The AI-related function may be executed via a processor and non-volatile and/or volatile memory.

Процессор может включать в себя один или более процессоров. В то же время, один или более процессоров могут быть процессором общего назначения, например центральным процессором (CPU), прикладным процессором (AP) и т.п., блоком обработки только графики, таким как графический процессор (GPU), визуальный процессор (VPU), и/или специализированным процессором AI, таким как нейронный процессор (NPU).The processor may include one or more processors. At the same time, one or more processors may be a general purpose processor such as a central processing unit (CPU), an application processor (AP) and the like, a graphics-only processing unit such as a graphics processing unit (GPU), a visual processing unit (VPU). ), and/or a specialized AI processor such as a Neural Processing Unit (NPU).

Один или более процессоров управляют обработкой входных данных в соответствии с предварительно определенным правилом работы или моделью искусственного интеллекта (AI), хранящейся в энергонезависимой памяти и/или энергозависимой памяти. Предварительно определенное правило работы или модель искусственного интеллекта могут быть получены путем обучения. При этом процессор может выполнять операцию предварительной обработки данных для преобразования в форму, подходящую для использования в качестве входных данных для модели искусственного интеллекта.One or more processors direct the processing of input data in accordance with a predefined operating rule or artificial intelligence (AI) model stored in non-volatile memory and/or non-volatile memory. A predetermined operating rule or artificial intelligence model can be obtained through training. In doing so, the processor may perform a pre-processing operation on the data to convert it into a form suitable for use as input to the artificial intelligence model.

«Получены путем обучения» означает, что посредством применения алгоритма обучения к обучаемой модели искусственного интеллекта с использованием множества обучающих данных создается предварительно определенное правило работы или модель AI с желаемой характеристикой. Обучение может выполняться на самом устройстве, в котором выполняется AI согласно варианту осуществления, и/или может быть реализовано через отдельный сервер/систему."Obtained by training" means that by applying a learning algorithm to a trainable artificial intelligence model using a set of training data, a predefined operation rule or AI model with a desired characteristic is created. The training may be performed on the device itself running the AI according to the embodiment and/or may be implemented via a separate server/system.

Модель искусственного интеллекта может включать в себя множество слоев нейронной сети. Каждый из множества слоев нейронной сети включает в себя множество весовых значений (коэффициентов) и выполняет рабочую операцию для данного слоя путем вычисления с применением множества весовых значений данного слоя в отношении входных данных или результата вычисления предыдущего слоя.An artificial intelligence model may include multiple neural network layers. Each of the multiple layers of the neural network includes a plurality of weights (coefficients) and performs a work operation for a given layer by computing using the plurality of weights of a given layer with respect to the input or calculation result of a previous layer.

Примеры нейронных сетей включают, помимо прочего, сверточную нейронную сеть (CNN), глубокую нейронную сеть (DNN), рекуррентную нейронную сеть (RNN), ограниченную машину Больцмана (RBM), глубокую сеть доверия (DBN), двунаправленную рекуррентную глубокую нейронную сеть (BRDNN), генеративно-состязательные сети (GAN) и глубокие Q-сети.Examples of neural networks include, but are not limited to, Convolutional Neural Network (CNN), Deep Neural Network (DNN), Recurrent Neural Network (RNN), Restricted Boltzmann Machine (RBM), Deep Belief Network (DBN), Bidirectional Recurrent Deep Neural Network (BRDNN). ), generative adversarial networks (GANs), and deep Q-nets.

Алгоритм обучения - это метод обучения предварительно определенного целевого устройства (например, нейронной сети на базе GPU или NPU) с использованием множества обучающих данных, чтобы вызывать, разрешать или управлять целевым устройством для выполнения определения или прогнозирования. Примеры алгоритмов обучения включают, но не ограничиваются ими, обучение с учителем, обучение без учителя, обучение с частичным привлечением учителя или обучение с подкреплением.A learning algorithm is a method of training a predetermined target device (eg, a GPU or NPU based neural network) using a set of training data to call, enable, or control the target device to perform a determination or prediction. Examples of learning algorithms include, but are not limited to, supervised learning, unsupervised learning, partially supervised learning, or reinforcement learning.

Следует понимать, что хотя в настоящем документе для описания различных блоков, модулей, сетей, элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций, могут использоваться такие термины, как "первый", "второй", "третий" и т.п., эти блоки, модули, сети, элементы, компоненты, области, слои и/или секции не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один блок, модуль, сеть, элемент, компонент, область, слой или секцию от другого блока, модуля, сети, элемента, компонента, области, слоя или секции. Так, первый блок, модуль, сеть, элемент, компонент, область, слой или секция может быть назван вторым блоком, модулем, сетью, элементом, компонентом, областью, слоем или секцией без выхода за рамки объема настоящего изобретения. В настоящем описании термин "и/или" включает любые и все комбинации из одной или более из соответствующих перечисленных позиций. Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.It should be understood that although terms such as "first", "second", "third" and the like may be used in this document to describe various blocks, modules, networks, elements, components, regions, layers and/or sections ., these blocks, modules, networks, elements, components, areas, layers and/or sections should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one block, module, network, element, component, region, layer, or section from another block, module, network, element, component, region, layer, or section. Thus, a first block, module, network, element, component, region, layer, or section may be referred to as a second block, module, network, element, component, region, layer, or section, without departing from the scope of the present invention. As used herein, the term "and/or" includes any and all combinations of one or more of the respective listed positions. Elements mentioned in the singular do not exclude the plurality of elements, unless otherwise specified.

Функциональность элемента, указанного в описании или формуле изобретения как единый элемент, может быть реализована на практике посредством нескольких компонентов устройства, и наоборот, функциональность элементов, указанных в описании или формуле изобретения как несколько отдельных элементов, может быть реализована на практике посредством единого компонента.The functionality of an element specified in the description or claims as a single element may be practiced by means of several components of the device, and conversely, the functionality of elements indicated in the description or claims as several separate elements may be practiced by means of a single component.

В одном из вариантов осуществления некоторые или все элементы/блоки/модули предложенного устройства находятся в общем корпусе, могут быть размещены на одной раме/конструкции/печатной плате/кристалле и связаны друг с другом конструктивно посредством монтажных (сборочных) операций и функционально посредством линий связи. Упомянутые линии или каналы связи, если не указано иное, являются типовыми, известными специалистам линиями связи, материальная реализация которых не требует творческих усилий. Линией связи может быть провод, набор проводов, шина, дорожка, беспроводная линия связи (индуктивная, радиочастотная, инфракрасная, ультразвуковая и т.д.). Протоколы связи по линиям связи известны специалистам и не раскрываются отдельно.In one of the embodiments, some or all elements/blocks/modules of the proposed device are located in a common housing, can be placed on the same frame/structure/printed circuit board/crystal and are structurally connected to each other through assembly (assembly) operations and functionally through communication lines . The mentioned communication lines or channels, unless otherwise indicated, are typical communication lines known to specialists, the material implementation of which does not require creative efforts. The communication link may be a wire, a set of wires, a bus, a track, a wireless link (inductive, RF, infrared, ultrasonic, etc.). Communication protocols over communication lines are known to those skilled in the art and are not disclosed separately.

Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.The functional connection of elements should be understood as a connection that ensures the correct interaction of these elements with each other and the implementation of one or another functionality of the elements. Particular examples of functional communication may be communication with the ability to exchange information, communication with the ability to transmit electric current, communication with the ability to transmit mechanical motion, communication with the ability to transmit light, sound, electromagnetic or mechanical vibrations, etc. The specific type of functional connection is determined by the nature of the interaction of the mentioned elements, and, unless otherwise indicated, is provided by well-known means, using principles well-known in the art.

Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать настоящее изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку специалисту в данной области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники могут быть очевидны различные другие модификации и варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.Although the exemplary embodiments have been described in detail and shown in the accompanying drawings, it should be understood that such embodiments are illustrative only and are not intended to limit the present invention, and that the present invention should not be limited to the particular arrangements and structures shown and described, since a person skilled in the art on the basis of the information set forth in the description and the knowledge of the prior art may be obvious various other modifications and embodiments of the invention, without going beyond the essence and scope of this invention.

Claims (30)

1. Устройство для диагностики тазобедренных суставов, содержащее:1. A device for diagnosing hip joints, comprising: блок получения изображения, выполненный с возможностью получать трехмерное медицинское изображение, содержащее область таза;an image acquisition unit configured to acquire a three-dimensional medical image including the pelvic region; блок поиска ориентиров, выполненный с возможностью, с использованием по меньшей мере одного процессора и памяти, автоматически выявлять на полученном изображении анатомические ориентиры для диагностики тазобедренных суставов и выводить их координаты, причем выявление ориентиров включает в себя:a landmark search unit configured, using at least one processor and memory, to automatically detect anatomical landmarks in the obtained image for diagnosing hip joints and output their coordinates, the landmark detection including: - генерирование первоначального набора ориентиров-кандидатов на основе случайно выбранных точек на изображении, на основе средних местоположений соответствующих ориентиров, вычисленных по обучающим изображениям, или на основе данных о положении ориентиров-кандидатов, полученных от первой предварительно обученной нейронной сети, анализирующей полученное изображение;- generating an initial set of candidate landmarks based on randomly selected points in the image, based on the average locations of the respective landmarks calculated from the training images, or based on position data of the candidate landmarks obtained from the first pretrained neural network analyzing the received image; - итеративное уточнение положения ориентиров в наборе на основе анализа пространственных взаимосвязей между ориентирами в наборе ориентиров-кандидатов с применением моделей обучения с подкреплением на базе обучающего набора изображений, причем анализ пространственных взаимосвязей включает в себя последовательное применение метода графического лассо, второй предварительно обученной нейронной сети и анализа чувствительности Морриса в отношении полученного изображения;- iterative refinement of the position of landmarks in the set based on the analysis of spatial relationships between landmarks in the set of candidate landmarks using reinforcement learning models based on the training set of images, and the analysis of spatial relationships includes the sequential application of the graphical lasso method, the second pretrained neural network and Morris sensitivity analysis on the acquired image; блок диагностики, выполненный с возможностью, с использованием по меньшей мере одного процессора и памяти, вычислять клинические показатели, описывающие состояние здоровья тазобедренного сустава, на основе данных, выводимых блоком поиска ориентиров, причем клинические показатели включают в себя: латеральный центрально-краевой угол (LCEA), шеечно-диафизарный угол (NSA), угол переднего сектора вертлужной впадины (AASA) и угол заднего сектора вертлужной впадины (PASA), и формировать отчет о состоянии здоровья тазобедренных суставов, содержащий по меньшей мере один вычисленный клинический показатель; иa diagnostic unit configured, using at least one processor and memory, to calculate clinical indicators describing the state of health of the hip joint, based on data output by the landmark search unit, and clinical indicators include: lateral central contact angle (LCEA ), cervical-diaphyseal angle (NSA), anterior acetabular angle (AASA), and posterior acetabular angle (PASA), and generate a hip health report containing at least one calculated clinical score; And блок передачи отчета, выполненный с возможностью передавать отчет на устройство, запрашивавшее диагностику.a reporting unit configured to send a report to the device requesting the diagnostics. 2. Устройство по п. 1, в котором блок диагностики дополнительно выполнен с возможностью сопоставлять вычисленные клинические показатели с допустимыми пределами или диапазонами, делать вывод о наличии или отсутствии патологий тазобедренных суставов на основе сопоставления и включать упомянутый вывод в отчет.2. The device according to claim 1, wherein the diagnostic unit is further configured to compare the calculated clinical indicators with acceptable limits or ranges, conclude the presence or absence of pathologies of the hip joints based on the comparison, and include said conclusion in the report. 3. Устройство по п. 2, в котором блок диагностики выполнен с возможностью формировать отчет, если на изображении выявлена патология, причем отчет содержит указание на наличие патологии и соответствующий по меньшей мере один вычисленный клинический показатель, подтверждающий наличие патологии.3. The device according to claim 2, in which the diagnostic unit is configured to generate a report if a pathology is detected in the image, and the report contains an indication of the presence of a pathology and a corresponding at least one calculated clinical indicator confirming the presence of a pathology. 4. Устройство по п. 1, в котором область таза на изображении включает в себя полностью обе вертлужные впадины и обе головки бедренных костей, пространство между ними и прилегающие части бедренных костей.4. The device according to claim. 1, in which the pelvic region in the image includes both acetabulum and both heads of the femur, the space between them and adjacent parts of the femur. 5. Устройство по п. 1, в котором блок поиска ориентиров дополнительно выполнен с возможностью формировать копию входного изображения с нанесенными на него ориентирами.5. The device according to claim. 1, in which the landmark search unit is additionally configured to form a copy of the input image with landmarks applied to it. 6. Устройство по п. 1, в котором анатомические ориентиры для диагностики тазобедренных суставов представляют собой опорные точки на изображении, необходимые для вычисления клинических показателей, описывающих состояние здоровья тазобедренного сустава.6. The device of claim. 1, in which the anatomical landmarks for diagnosing the hip joints are reference points in the image necessary to calculate clinical indicators that describe the state of health of the hip joint. 7. Устройство по п. 1, в котором блок диагностики дополнительно выполнен с возможностью включать в отчет копию входного изображения с нанесенными на него ориентирами.7. The device according to claim 1, in which the diagnostic unit is additionally configured to include in the report a copy of the input image with landmarks printed on it. 8. Устройство по любому из пп. 5 или 7, в котором блок передачи отчета дополнительно выполнен с возможностью передавать копию входного изображения с нанесенными на него ориентирами, выявленными блоком поиска ориентиров, на удаленный пользовательский интерфейс;8. The device according to any one of paragraphs. 5 or 7, wherein the reporting unit is further configured to send a copy of the input image marked with the landmarks detected by the landmark finder to the remote user interface; блок диагностики дополнительно выполнен с возможностью принимать ввод от пользователя, полученный через пользовательский интерфейс, указывающий надлежащие местоположения ориентиров, и вычислять клинические показатели с учетом принятого ввода от пользователя.the diagnostic unit is further configured to receive input from a user received through the user interface indicating appropriate landmark locations and calculate clinical scores based on the received input from the user. 9. Устройство по п. 8, в котором блок диагностики выполнен с возможностью определять, что следует осуществлять передачу на пользовательский интерфейс, в случае если разница между по меньшей мере одним из вычисленных клинических показателей и границей соответствующего диапазона показателей, определяющих состояние здоровья тазобедренного сустава, не превышает предварительно заданный порог.9. The device according to claim 8, in which the diagnostic unit is configured to determine that it should be transmitted to the user interface, if the difference between at least one of the calculated clinical indicators and the border of the corresponding range of indicators that determine the health status of the hip joint, does not exceed a predetermined threshold. 10. Устройство по п. 8, в котором блок диагностики выполнен с возможностью определять, что следует осуществлять передачу на пользовательский интерфейс, на основании того, может ли возможное отклонение, вызванное ошибкой определения положения ориентира, привести к выходу значения соответствующего клинического показателя за пределы того диапазона, в котором находится первоначально вычисленное значение клинического показателя.10. The device according to claim 8, wherein the diagnostic unit is configured to determine that it should be transmitted to the user interface, based on whether a possible deviation caused by an error in determining the position of the landmark can lead to the output of the value of the corresponding clinical indicator beyond that the range in which the value of the clinical indicator is initially calculated. 11. Устройство по п. 10, в котором блок диагностики выполнен с возможностью определять положение отклоненного ориентира путем выбора случайной точки в пределах области возможного отклонения.11. The device according to claim 10, in which the diagnostic unit is configured to determine the position of the deviated landmark by selecting a random point within the area of possible deviation. 12. Устройство по п. 10, в котором блок диагностики выполнен с возможностью определять точку, соответствующую отклоненному ориентиру, в пределах области возможного отклонения в таком положении, которое обеспечивает максимальное отклонение значения соответствующего клинического показателя в направлении ближайшей границы диапазона этого показателя.12. The device according to claim 10, in which the diagnostic unit is configured to determine the point corresponding to the deviated landmark within the area of possible deviation in such a position that provides the maximum deviation of the value of the corresponding clinical indicator in the direction of the nearest border of the range of this indicator. 13. Устройство по любому из пп. 11 или 12, в котором область возможного отклонения задается в виде окружности с радиусом, равным предварительно заданной ошибке определения данного ориентира, или в виде замкнутой кривой, соответствующей предварительно заданному пространственному распределению вероятности отклонения данного ориентира.13. The device according to any one of paragraphs. 11 or 12, in which the area of possible deviation is specified as a circle with a radius equal to a predetermined error in determining a given landmark, or as a closed curve corresponding to a predetermined spatial distribution of the probability of deviation of a given landmark. 14. Устройство по п. 13, в котором блок диагностики выполнен с возможностью вычислять или уточнять радиус отклонения ориентира и/или пространственное распределение вероятности отклонения ориентира путем калибровки системы, причем для калибровки выполняется передача изображений на пользовательский интерфейс без определения, следует ли осуществлять их передачу на пользовательский интерфейс.14. The device according to claim 13, in which the diagnostic unit is configured to calculate or refine the radius of deviation of the landmark and / or the spatial distribution of the probability of deviation of the landmark by calibrating the system, and for calibration, images are transmitted to the user interface without determining whether they should be transmitted to the user interface. 15. Устройство по любому из пп. 5 или 7, в котором блок передачи отчета дополнительно выполнен с возможностью передавать копию входного изображения с нанесенными на него ориентирами, выявленными блоком поиска ориентиров, на удаленный пользовательский интерфейс;15. The device according to any one of paragraphs. 5 or 7, wherein the reporting unit is further configured to send a copy of the input image marked with the landmarks detected by the landmark finder to the remote user interface; блок поиска ориентиров дополнительно выполнен с возможностью принимать от пользовательского интерфейса копию входного изображения с нанесенными на него ориентирами, указанными пользователем, и сохранять его в обучающем наборе.the landmark search unit is additionally configured to receive from the user interface a copy of the input image with user-specified landmarks printed on it and store it in the training set. 16. Способ диагностики тазобедренных суставов, содержащий этапы, на которых:16. A method for diagnosing hip joints, comprising the steps of: с использованием блока получения изображения получают трехмерное медицинское изображение, содержащее область таза;using the imaging unit, a three-dimensional medical image containing the pelvic region is obtained; с использованием блока поиска ориентиров автоматически выявляют на полученном изображении анатомические ориентиры для диагностики тазобедренных суставов и выводят их координаты, причем выявление ориентиров включает в себя:using the landmark search block, anatomical landmarks are automatically detected on the received image for the diagnosis of the hip joints and their coordinates are output, and the identification of landmarks includes: - генерирование первоначального набора ориентиров-кандидатов на основе случайно выбранных точек на изображении, на основе средних местоположений соответствующих ориентиров, вычисленных по обучающим изображениям, или на основе данных о положении ориентиров-кандидатов, полученных от первой предварительно обученной нейронной сети, анализирующей полученное изображение;- generating an initial set of candidate landmarks based on randomly selected points in the image, based on the average locations of the respective landmarks calculated from the training images, or based on position data of the candidate landmarks obtained from the first pretrained neural network analyzing the received image; - итеративное уточнение положения ориентиров в наборе на основе анализа пространственных взаимосвязей между ориентирами в наборе ориентиров-кандидатов с применением моделей обучения с подкреплением на базе обучающего набора изображений, причем анализ пространственных взаимосвязей включает в себя последовательное применение метода графического лассо, второй предварительно обученной нейронной сети и анализа чувствительности Морриса в отношении полученного изображения;- iterative refinement of the position of landmarks in the set based on the analysis of spatial relationships between landmarks in the set of candidate landmarks using reinforcement learning models based on the training set of images, and the analysis of spatial relationships includes the sequential application of the graphical lasso method, the second pretrained neural network and Morris sensitivity analysis on the acquired image; с использованием блока диагностики вычисляют клинические показатели, описывающие состояние здоровья тазобедренного сустава, на основе данных, выводимых блоком поиска ориентиров, причем клинические показатели включают в себя: латеральный центрально-краевой угол (LCEA), шеечно-диафизарный угол (NSA), угол переднего сектора вертлужной впадины (AASA) и угол заднего сектора вертлужной впадины (PASA), и формируют отчет о состоянии здоровья тазобедренных суставов, содержащий по меньшей мере один вычисленный клинический показатель; иusing the diagnostic unit calculates clinical indicators describing the state of health of the hip joint, based on the data output by the landmark finder, and the clinical indicators include: lateral central-area angle (LCEA), neck-diaphyseal angle (NSA), angle of the anterior sector acetabulum (AASA) and posterior acetabular angle (PASA), and generate a hip health report comprising at least one calculated clinical score; And с использованием блока передачи отчета передают отчет на устройство, запрашивавшее диагностику.using the reporting transmission unit, transmitting a report to the device requesting the diagnostics.
RU2022125919A 2022-10-04 Device and method for hip joint diagnosis RU2795658C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2795658C1 true RU2795658C1 (en) 2023-05-05

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU222339U1 (en) * 2023-11-07 2023-12-21 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") Device for analyzing human lower limb movements

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2536405A (en) * 2015-01-15 2016-09-21 Corin Ltd Pre-operative joint diagnostics
JP2022512500A (en) * 2018-12-12 2022-02-04 ハウメディカ・オステオニクス・コーポレーション Bone density modeling and orthopedic surgery planning system
JP2022516586A (en) * 2018-12-24 2022-02-28 ボディ コンポジション テクノロジーズ プロプライアタリー リミテッド Body analysis
CN114980810A (en) * 2019-08-30 2022-08-30 梅特拉莱布斯新技术和系统公司 System for detecting a course of motion and/or vital sign parameters of a person

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2536405A (en) * 2015-01-15 2016-09-21 Corin Ltd Pre-operative joint diagnostics
JP2022512500A (en) * 2018-12-12 2022-02-04 ハウメディカ・オステオニクス・コーポレーション Bone density modeling and orthopedic surgery planning system
JP2022516586A (en) * 2018-12-24 2022-02-28 ボディ コンポジション テクノロジーズ プロプライアタリー リミテッド Body analysis
CN114980810A (en) * 2019-08-30 2022-08-30 梅特拉莱布斯新技术和系统公司 System for detecting a course of motion and/or vital sign parameters of a person

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU222339U1 (en) * 2023-11-07 2023-12-21 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") Device for analyzing human lower limb movements
RU2814790C1 (en) * 2023-12-02 2024-03-04 Общество с ограниченной ответственностью "МЛМЕДИЦИНА" Method for detecting oncological diseases in pelvic organs and system for implementing method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11944463B2 (en) Pseudo-CT generation from MR data using a feature regression model
US11491350B2 (en) Decision support system for individualizing radiotherapy dose
US11615879B2 (en) System and method for automated labeling and annotating unstructured medical datasets
US10102451B2 (en) Pseudo-CT generation from MR data using tissue parameter estimation
US11494871B2 (en) Registration method and apparatus
EP3608871B1 (en) Plane selection using localizer images
Camps et al. Automatic quality assessment of transperineal ultrasound images of the male pelvic region, using deep learning
Grimm et al. Pose-dependent weights and domain randomization for fully automatic X-ray to CT registration
Andrew et al. Spine magnetic resonance image segmentation using deep learning techniques
CN114707742A (en) Artificial intelligence prediction method and system for adaptive radiotherapy strategy
Bekkouch et al. Multi-landmark environment analysis with reinforcement learning for pelvic abnormality detection and quantification
US11704796B2 (en) Estimating bone mineral density from plain radiograph by assessing bone texture with deep learning
EP3659510B1 (en) Heatmap and atlas
RU2795658C1 (en) Device and method for hip joint diagnosis
RU2801420C1 (en) System and method for diagnostics of hip joints
EP3910597A1 (en) Body representations
CN114511642A (en) Method and system for predicting virtual anchor sheet flow
CN111950636A (en) Deep learning-based lumbar X-ray image classification method
KR102647251B1 (en) Method for evaluating low limb alignment and device for evaluating low limb alignment using the same
Morita Computer-aided Diagnosis Systems Based on Medical Image Registration
Nissinen Convolutional neural networks in osteoporotic fracture risk prediction using spine DXA images
WO2023224022A1 (en) Program, information processing method, and information processing device
Bennström et al. Automated 3d bone segmentation using deep learning in scoliosis
EP4345753A2 (en) Ct reconstruction for machine consumption
Weisman Automatic Quantification and Assessment of FDG PET/CT Imaging in Patients with Lymphoma