RU2813480C1 - Method of processing magnetic resonance imaging images for generating training data - Google Patents
Method of processing magnetic resonance imaging images for generating training data Download PDFInfo
- Publication number
- RU2813480C1 RU2813480C1 RU2023128096A RU2023128096A RU2813480C1 RU 2813480 C1 RU2813480 C1 RU 2813480C1 RU 2023128096 A RU2023128096 A RU 2023128096A RU 2023128096 A RU2023128096 A RU 2023128096A RU 2813480 C1 RU2813480 C1 RU 2813480C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- brightness
- mri
- images
- image
- column
- Prior art date
Links
- 238000002595 magnetic resonance imaging Methods 0.000 title claims abstract description 70
- 238000012545 processing Methods 0.000 title claims abstract description 49
- 238000012549 training Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 30
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 claims abstract description 39
- 238000003062 neural network model Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000002059 diagnostic imaging Methods 0.000 claims description 11
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 claims description 10
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000010606 normalization Methods 0.000 claims description 5
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000007170 pathology Effects 0.000 description 4
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 4
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 3
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 3
- 238000003709 image segmentation Methods 0.000 description 3
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 3
- 230000002547 anomalous effect Effects 0.000 description 2
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 2
- 208000003174 Brain Neoplasms Diseases 0.000 description 1
- 208000032843 Hemorrhage Diseases 0.000 description 1
- 230000005856 abnormality Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000013135 deep learning Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 208000010125 myocardial infarction Diseases 0.000 description 1
- 230000001575 pathological effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 1
- 210000003625 skull Anatomy 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Область техникиField of technology
Настоящее изобретение относится к обработке изображений магнитно-резонансной томографии (МРТ) с использованием нейронных сетей для определения аномалий в головном мозге.The present invention relates to magnetic resonance imaging (MRI) image processing using neural networks to detect abnormalities in the brain.
Уровень техникиState of the art
Медицинская визуализация становится все более важной в современной медицине. В некоторых случаях обработка изображений, такая как сегментация изображений и/или улучшение изображений, выполняется на медицинских изображениях, чтобы помочь врачам поставить диагноз. Поэтому желательно предоставить системы и способ для реализации более точной и более эффективной сегментации изображения и/или улучшения изображения.Medical imaging is becoming increasingly important in modern medicine. In some cases, image processing, such as image segmentation and/or image enhancement, is performed on medical images to help doctors make diagnoses. It is therefore desirable to provide systems and a method for implementing more accurate and more efficient image segmentation and/or image enhancement.
Подходы на основе обучения имеют целью создание прогнозной модели на основе доступных обучающих данных. Как только прогнозная модель была обучена, она может быть применена к любому новому изображению МРТ того же самого типа. В частности, применяется алгоритм обучения с учителем, в котором использует известный набор входных данных и известные ответы или выводы для этих данных, а затем модель обучается генерировать приемлемые прогнозы для ответа на новые данные.Learning-based approaches aim to create a predictive model based on available training data. Once the prediction model has been trained, it can be applied to any new MRI image of the same type. Specifically, a supervised learning algorithm is used that uses a known set of input data and known answers or conclusions to that data, and then trains the model to generate reasonable predictions to respond to the new data.
Изображение, полученное в ходе МРТ, имеет различную форму картинки. В область сканирования попадает значительно количество окружающих тканей, не относящихся к предмету исследования. Эти лишние области создают дополнительный шум при обучении нейронных сетей приводя к переобучению и снижению точности. Особенно часто эта проблема встречается при работе с медицинскими данными, поскольку данные пациентов всегда ограниченны. Применяются различные способы предобработки изображения, выделяющие интересующую область на картинке.The image obtained during MRI has a different picture shape. The scanning area includes a significant amount of surrounding tissue that is not related to the subject of study. These extra areas create additional noise when training neural networks, leading to overtraining and decreased accuracy. This problem is especially common when working with medical data, since patient data is always limited. Various image preprocessing methods are used to highlight the area of interest in the picture.
Так в уровне техники известна система обработки изображения (US 11475569 В2), в которой используется обученная нейронная сеть, которая обрабатывает изображение грудной клетки пациента с целью получения области объекта и области фона (сегментация изображения). Для обучения нейронной сети создают бинарное изображение области объекта и области фона посредством сложения яркости пикселей по оси ординат Y. Область, яркость пикселей которой не удовлетворяет пороговому значению, удаляется.Thus, an image processing system is known in the prior art (US 11475569 B2), which uses a trained neural network that processes an image of the patient's chest to obtain an object area and a background area (image segmentation). To train a neural network, a binary image of the object area and the background area is created by adding the pixel brightness along the Y axis. The area whose pixel brightness does not satisfy the threshold value is removed.
Для поставки точного диагноза следует выбирать минимально возможную зону без потерь информации. Изображение МРТ является послойным изображением, каждый срез которого имеет свою толщину. Поэтому использование статического (неизменяющегося) порогового значения, позволяет отсеивать только небольшое количество лишней информации, что приводит к зашумлению обучающих данных, и как следствие к неточной работе нейронной сети.To deliver an accurate diagnosis, you should select the smallest possible area without loss of information. An MRI image is a layered image, each slice of which has its own thickness. Therefore, the use of a static (unchanging) threshold value allows us to filter out only a small amount of unnecessary information, which leads to noisy training data and, as a consequence, to inaccurate operation of the neural network.
Следовательно, основной задачей является подготовка более информативных обучающих данных для выявления аномалий и постановки более точного диагноза.Therefore, the main challenge is to prepare more informative training data to detect anomalies and make more accurate diagnoses.
Для решения данной задачи в заявленном решении используется новый подход подготовки обучающих данных, в котором используются динамические пороговые значения на каждом слое изображения МРТ, изменяющееся в зависимости от значений яркости пикселей по осям X и Y.To solve this problem, the claimed solution uses a new approach to preparing training data, which uses dynamic threshold values on each layer of the MRI image, which changes depending on the brightness values of the pixels along the X and Y axes.
Технический результат, достигаемый заявленным решением, заключается в повышении точности определения аномалий в изображениях МРТ.The technical result achieved by the claimed solution is to increase the accuracy of detecting anomalies in MRI images.
Раскрытие изобретенияDisclosure of the Invention
Поставленная цель, требуемый и получаемый при использовании изобретения технический результат достигаются тем, что способ обработки изображений магнитно-резонансной томографии (МРТ) для формирования обучающих данных реализуется устройством обработки, содержащим процессор, память и машиночитаемые инструкции побуждающие процессор выполнять следующие этапы:The stated goal, the technical result required and obtained when using the invention is achieved by the fact that the method of processing magnetic resonance imaging (MRI) images to generate training data is implemented by a processing device containing a processor, memory and machine-readable instructions that induce the processor to perform the following steps:
прием изображений магнитно-резонансной томографии (МРТ) пациентов;receiving magnetic resonance imaging (MRI) images of patients;
обработка полученных изображений, при которой:processing of the received images, in which:
определяют значение яркости каждого пиксели;determine the brightness value of each pixel;
вычисляют гистограмму яркости по оси Y, для чего: вычисляют яркости каждой строки, путем сложения яркостей пикселей каждой строки, определяют среднее значение яркости для каждой строки; вычисляют среднеквадратичное отклонение яркости всех пикселей строки от среднего для этой же строки и для каждой строки вычисляют произведение суммы яркостей на среднеквадратичное отклонение яркости;calculate the brightness histogram along the Y axis, for which: calculate the brightness of each line by adding the brightness of the pixels of each line, determine the average brightness value for each line; the standard deviation of the brightness of all pixels in a row from the average for the same line is calculated, and for each line the product of the sum of brightnesses and the standard deviation of brightness is calculated;
вычисляют гистограмму яркости по оси X, для чего: вычисляют яркость каждого столбца, путем сложения яркостей пикселей каждого столбца, определяют среднее значение яркости для каждого столбца; вычисляют среднеквадратичное отклонение яркости всех пикселей столбца от среднего для этого же столбца и для каждого столбца вычисляют произведение суммы яркостей на среднеквадратичное отклонение яркости;calculate the brightness histogram along the X axis, for which: calculate the brightness of each column by adding the brightness of the pixels of each column, determine the average brightness value for each column; the standard deviation of the brightness of all pixels in a column from the average for the same column is calculated, and for each column the product of the sum of the brightnesses and the standard deviation of the brightness is calculated;
устанавливают пороговые значения яркости;set brightness thresholds;
исключают по оси Y строки, значение яркости для которых ниже первого порогового значения, а по оси X столбцы, значение яркости для которых ниже второго порогового значения;exclude along the Y axis rows whose brightness value is below the first threshold value, and along the X axis columns whose brightness value is below the second threshold value;
осуществляют нормализацию полученных изображений;carry out normalization of the obtained images;
подают итоговое изображение на вход нейронной сети для обучения;the final image is supplied to the input of the neural network for training;
сохраняют полученную модель нейронной сети на устройстве обработки.the resulting neural network model is stored on the processing device.
При этом первое пороговое значение устанавливается в 10% от максимального значения гистограммы яркости для оси Y.In this case, the first threshold value is set to 10% of the maximum brightness histogram value for the Y axis.
При этом второе пороговое значение устанавливается в 5% от максимального значения гистограммы яркости для оси X.In this case, the second threshold value is set to 5% of the maximum value of the brightness histogram for the X axis.
Кроме этого нормализация изображений включает:In addition, image normalization includes:
установку минимального значения яркости как 10% перцентиль от всех изображений МРТ пациента;setting the minimum brightness value as the 10% percentile of all patient MRI images;
установку максимального значения яркости как 99% перцентиль от всех изображений МРТ пациента;setting the maximum brightness value as the 99% percentile of all patient MRI images;
вычитание из всех значений яркостей среднее значение яркости для всех пациентов;subtracting the average brightness value for all patients from all brightness values;
деление полученного значения яркости на среднюю дисперсию по всему набору данных.dividing the resulting brightness value by the average variance over the entire data set.
При этом итоговое изображение, которое подают на вход нейронной сети, имеет размерность N*224*224.In this case, the final image, which is fed to the input of the neural network, has a dimension of N*224*224.
Причем первое и второе пороговые значения вычисляются для каждого слоя изображений МРТ.Moreover, the first and second threshold values are calculated for each layer of MRI images.
Поставленная цель, требуемый и получаемый при использовании изобретения технический результат достигаются тем, что способ диагностики аномалий на изображениях магнитно-резонансной томографии (МРТ) пациента с помощью нейронной сети содержит этапы:The stated goal, the technical result required and obtained by using the invention is achieved by the fact that the method for diagnosing anomalies in magnetic resonance imaging (MRI) images of a patient using a neural network contains the following steps:
сканирование пациента медицинским устройством формирования изображения;scanning a patient with a medical imaging device;
отправку полученного изображения МРТ в устройство обработки;sending the resulting MRI image to the processing device;
обработка изображения МРТ нейронной сетью, сохраненной в устройстве обработке и обученной способом по пункту 1;MRI image processing by a neural network stored in the processing device and trained in the method according to point 1;
выделение на изображении областей, определенных как аномальные;highlighting areas identified as anomalous in the image;
отправки изображения с выделенными областями на клиентский терминал и/или устройство хранения.sending an image with selected areas to the client terminal and/or storage device.
При этом изображение принимаются в режиме реального времени.In this case, images are taken in real time.
Также изображение являются изображения МРТ головного мозга.Also imaged are MRI images of the brain.
Причем аномалия представляет собой опухоль.Moreover, the anomaly is a tumor.
Кроме этого выделение областей имеет цветовую маркировку, определяющую наиболее опасные участки.In addition, the selection of areas is color-coded, identifying the most dangerous areas.
Поставленная цель, требуемый и получаемый при использовании изобретения технический результат достигаются тем, что система диагностики аномалий на изображениях магнитно-резонансной томографии (МРТ) с помощью нейронной сети, содержащая: взаимосвязанные посредством сети медицинское устройство формирования изображения, устройство обработки, устройство хранения, один или несколько клиентских терминалов, в которой:The goal, the technical result required and obtained when using the invention is achieved by the fact that a system for diagnosing anomalies in magnetic resonance imaging (MRI) images using a neural network, containing: a medical imaging device, a processing device, a storage device, interconnected via a network, one or several client terminals, in which:
медицинское устройство отправляет изображение магнитно-резонансной томографии (МРТ) пациентов в устройство обработки;the medical device sends the magnetic resonance imaging (MRI) image of the patients to the processing device;
устройство обработки выполнено с возможностью:The processing device is configured to:
приема исходного изображения магнитно-резонансной томографии (МРТ) пациента;receiving the original magnetic resonance imaging (MRI) image of the patient;
обработки исходного изображения МРТ нейронной сетью, обученной способом по пункту 1;processing the original MRI image with a neural network trained using the method according to point 1;
выделение областей, определенных как аномальные;highlighting areas identified as anomalous;
отправки изображения с выделенными областями на клиентский терминал и/или устройство хранения.sending an image with selected areas to the client terminal and/or storage device.
При этом изображение принимаются в режиме реального времени.In this case, images are taken in real time.
Также клиентский терминал является терминалом медицинского работника или пациента.Also, the client terminal is the terminal of a medical professional or patient.
Таким образом технический результат достигается за счет обработки изображений МРТ посредством нейронной сети, обученной следующем образом:Thus, the technical result is achieved by processing MRI images using a neural network trained as follows:
для каждого из множества изображения МРТ, используемых в качестве обучаемых данных:for each of the set of MRI images used as training data:
определяют значение яркости каждого пиксели в изображении;determine the brightness value of each pixel in the image;
вычисляют гистограмму яркости по оси Y, для чего: вычисляют яркости каждой строки, путем сложения яркостей пикселей каждой строки, определяют среднее значение яркости для каждой строки; вычисляют среднеквадратичное отклонение яркости всех пикселей строки от среднего для этой же строки и для каждой строки вычисляют произведение суммы яркостей на среднеквадратичное отклонение яркости;calculate the brightness histogram along the Y axis, for which: calculate the brightness of each line by adding the brightness of the pixels of each line, determine the average brightness value for each line; the standard deviation of the brightness of all pixels in a row from the average for the same line is calculated, and for each line the product of the sum of brightnesses and the standard deviation of brightness is calculated;
вычисляют гистограмму яркости по оси X, для чего: вычисляют яркость каждого столбца, путем сложения яркостей пикселей каждого столбца, определяют среднее значение яркости для каждого столбца; вычисляют среднеквадратичное отклонение яркости всех пикселей столбца от среднего для этого же столбца и для каждого столбца вычисляют произведение суммы яркостей на среднеквадратичное отклонение яркости;calculate the brightness histogram along the X axis, for which: calculate the brightness of each column by adding the brightness of the pixels of each column, determine the average brightness value for each column; the standard deviation of the brightness of all pixels in a column from the average for the same column is calculated, and for each column the product of the sum of the brightnesses and the standard deviation of the brightness is calculated;
для каждого слоя изображения устанавливают пороговые значения яркости;brightness thresholds are set for each image layer;
исключают по оси Y строки, значение яркости для которых ниже первого порогового значения, а по оси X столбцы, значение яркости для которых ниже второго порогового значения;exclude along the Y axis rows whose brightness value is below the first threshold value, and along the X axis columns whose brightness value is below the second threshold value;
осуществляют нормализацию полученных изображений;carry out normalization of the obtained images;
и подают итоговое изображение на вход нейронной сети для обучения.and the final image is fed to the input of the neural network for training.
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
Сущность изобретения поясняется чертежами.The essence of the invention is illustrated by drawings.
На фиг. 1 представлена схема архитектуры нейронной сети для задачи классификации многослойного снимка МРТ, где 1) - изображения слоев МРТ; 2) - условное изображение архитектуры сверточной части нейронной сети; 3) - операция выбора максимума значений выходного вектора среди всех слоев МРТ; 4) - классификатор на нужное число классов; 5) - общие веса слоев нейронной сети.In fig. Figure 1 shows a diagram of the neural network architecture for the task of classifying a multilayer MRI image, where 1) are images of MRI layers; 2) - conditional image of the architecture of the convolutional part of the neural network; 3) - operation of selecting the maximum values of the output vector among all MRI layers; 4) - classifier for the required number of classes; 5) - the total weights of the layers of the neural network.
На фиг. 2 показа график функции потерь на тренировочных данных в процессе обучения, где 1) - предобработанные; 2) - исходного размера.In fig. 2 shows a graph of the loss function on training data during the learning process, where 1) - preprocessed; 2) - original size.
Осуществление изобретенияCarrying out the invention
Заявленное изобретение раскрывает систему диагностики аномалий на изображениях магнитно-резонансной томографии (МРТ), которая содержит соединенные через сеть медицинское устройство формирования изображения, устройство обработки, устройство хранения данных, один или несколько клиентских терминалов.The claimed invention discloses a system for diagnosing anomalies in magnetic resonance imaging (MRI) images, which contains a medical imaging device, a processing device, a data storage device, and one or more client terminals connected through a network.
Медицинское устройство формирования изображения является устройством формирования изображения, которое используется для сканирования объекта, расположенного в пределах его области обнаружения, и генерации множества данных сканирования (например, цифровых сигналов), используемых для генерации одного или более изображений относящиеся к объекту. В настоящем раскрытии понятия «объект» может включать определенную часть, орган пациента. Например, объект может включать головной мозг.A medical imaging device is an imaging device that is used to scan an object located within its detection area and generate a plurality of scan data (eg, digital signals) used to generate one or more images related to the object. In the present disclosure, the term “object” may include a specific part, an organ of a patient. For example, the object may include a brain.
Устройство обработки может обрабатывать данные и/или информацию, полученные от медицинского устройства формирования изображения и/или устройства хранения. Например, устройство обработки может генерировать одно или несколько медицинских изображений (например, изображений головного мозга) путем обработки данных сканирования (например, цифровых сигналов) от медицинского устройства формирования изображения. В некоторых вариантах реализации устройство обработки может представлять собой компьютер или сервер или группу серверов. Группа серверов может быть централизованной или распределенной. В некоторых вариантах реализации устройство обработки может быть локальным или удаленным.The processing device may process data and/or information received from the medical imaging device and/or storage device. For example, a processing device may generate one or more medical images (eg, brain images) by processing scan data (eg, digital signals) from a medical imaging device. In some embodiments, the processing device may be a computer or a server or group of servers. A group of servers can be centralized or distributed. In some embodiments, the processing device may be local or remote.
Сеть может включать в себя любую подходящую сеть, которая может способствовать обмену информацией и/или данными для системы диагностики аномалий. В некоторых вариантах реализации сеть может быть и/или включать в себя общедоступную сеть (например, Интернет), частную сеть (например, локальную сеть (LAN), глобальную сеть (WAN)) и т.д.), проводную сеть (например, сеть Ethernet), беспроводную сеть (например, сеть 802.11, сеть Wi-Fi и т.д.), сотовую сеть (например, сеть долгосрочного развития (LTE)), сеть ретрансляции кадров, виртуальную частную сеть («VPN»), спутниковую сеть, телефонную сеть, беспроводную локальную сеть (WLAN).The network may include any suitable network that can facilitate the exchange of information and/or data for the anomaly diagnostic system. In some embodiments, the network may be and/or include a public network (e.g., the Internet), a private network (e.g., a local area network (LAN), a wide area network (WAN), etc.), a wired network (e.g., Ethernet network), wireless network (e.g., 802.11 network, Wi-Fi network, etc.), cellular network (e.g., Long Term Evolution (LTE) network), frame relay network, virtual private network (“VPN”), satellite network, telephone network, wireless local area network (WLAN).
Клиентский терминал включает в себя мобильное устройство, планшетный компьютер, портативный компьютер и т.п., или любую их комбинацию.The client terminal includes a mobile device, a tablet computer, a laptop computer, etc., or any combination thereof.
Устройство хранения данных может быть подключено к сети для связи с одним или более компонентами системы диагностики аномалий (например, медицинским устройством обработки изображений, устройством обработки, клиентским терминалом 13 и т.д.). В некоторых вариантах реализации устройство хранения может быть напрямую подключено или взаимодействовать с одним или несколькими компонентами системы или быть частью устройства обработки или расположено на одном или нескольких серверах.The storage device may be connected to a network for communication with one or more components of the anomaly diagnostic system (eg, medical imaging device, processing device, client terminal 13, etc.). In some embodiments, a storage device may be directly connected to or interface with one or more system components, or be part of a processing device, or located on one or more servers.
Заявленная система диагностики использует подход глубокого обучения для классификации результатов МРТ головного мозга как «вероятно нормальные» или «вероятно аномальные».The claimed diagnostic system uses a deep learning approach to classify brain MRI findings as “probably normal” or “probably abnormal.”
При решении задачи классификации на МРТ, используемые для обучения метки классов являются "слабыми". "Слабыми" означает то, что для всех слоев МРТ которых может быть больше нескольких сотен мы имеем только одну метку здоров/обнаружена болезнь. То есть часть изображений слоев имеют признаки болезни, но на большей части они отсутствуют. Поэтому предпочтительно использовать архитектуру нейронной сети, в которую подаются все изображения слоев одновременно фиг. 1.When solving an MRI classification problem, the class labels used for training are “weak”. “Weak” means that for all MRI layers of which there may be more than several hundred, we have only one healthy/disease detected label. That is, some of the layer images have signs of disease, but for the most part they are absent. Therefore, it is preferable to use a neural network architecture in which all the layers' images are fed simultaneously FIG. 1.
На фиг. 1 показана схема архитектуры нейронной сети для задачи классификации многослойного снимка МРТ, где 1) - изображения слоев МРТ; 2) - условное изображение архитектуры сверточной части нейронной сети; 3) - операция выбора максимума значений выходного вектора среди всех слоев МРТ; 4) - классификатор на нужное число классов; 5) - общие веса слоев нейронной сети.In fig. Figure 1 shows a diagram of the neural network architecture for the task of classifying a multilayer MRI image, where 1) are images of MRI layers; 2) - conditional image of the architecture of the convolutional part of the neural network; 3) - operation of selecting the maximum values of the output vector among all MRI layers; 4) - classifier for the required number of classes; 5) - the total weights of the layers of the neural network.
Размерность таких входных данных значительно превышает количество доступных образцов МРТ по каждому классу данных. Так, например, в открытом наборе данных [The RSNA-ASNR-MICCAI BraTS 2021 Benchmark on Brain Tumor Segmentation and Radiogenomic Classification", arXiv:2107.02314, 2021] размерность колеблется от 40×256×256 до 176×256×256. В связи с чем возникает проблема шума, которая не позволяет нейронной сети обучиться и качественно детектировать аномалии. На фиг. 2 видно, что суммарная ошибка для всех необработанных данных колеблется около какого-то значения (кривая 2), в то время как должна уменьшаться по мере итераций (кривая 1 для предобработанных данных).The dimensionality of such input data greatly exceeds the number of available MRI samples for each data class. For example, in the open dataset [The RSNA-ASNR-MICCAI BraTS 2021 Benchmark on Brain Tumor Segmentation and Radiogenomic Classification", arXiv:2107.02314, 2021] the dimension ranges from 40×256×256 to 176×256×256. In connection what causes the problem of noise, which does not allow the neural network to learn and detect anomalies qualitatively.In Fig. 2 it can be seen that the total error for all raw data fluctuates around a certain value (curve 2), while it should decrease with iterations (curve 1 for preprocessed data).
Используемая в данном решении нейронная сеть была обучена на большом разнородном наборе данных, охватывающем широкий спектр патологических (аномальных) состояний, в том числе новообразования, кровоизлияния, инфаркты и другие.The neural network used in this solution was trained on a large heterogeneous data set covering a wide range of pathological (abnormal) conditions, including neoplasms, hemorrhages, heart attacks and others.
Для обучения нейронной сети используются исторические данные пациентов, в частности, изображения МРТ головного мозга с поставленными диагнозами, собранные за определенный промежуток времени и сохраненные на устройстве хранения.To train the neural network, historical patient data is used, in particular, MRI images of the brain with diagnosed diagnoses, collected over a certain period of time and stored on a storage device.
Изображение МРТ является послойным изображением, каждый срез которого имеет свою толщину.An MRI image is a layered image, each slice of which has its own thickness.
Для каждого слоя изображения МРТ стоят гистограмму яркости пикселей по осям X и Y.For each layer of the MRI image there is a histogram of pixel brightness along the X and Y axes.
Алгоритм вычисления яркости по оси X заключается в следующем:The algorithm for calculating brightness along the X axis is as follows:
складывают значения яркости пикселей каждого столбца, тем самым получая яркость каждого столбца;add the brightness values of the pixels of each column, thereby obtaining the brightness of each column;
определяют среднее значение яркости для каждого столбца;determine the average brightness value for each column;
вычисляют среднеквадратичное отклонение значения яркости для каждого столбца;calculating the standard deviation of the brightness value for each column;
вычисляют произведение суммы значений яркости на среднеквадратичное отклонение для каждого столбца.calculate the product of the sum of the brightness values and the standard deviation for each column.
Алгоритм вычисления яркости по оси Y заключается в следующем:The algorithm for calculating brightness along the Y axis is as follows:
складывают значения яркости пикселей каждой строки, тем самым получая яркость каждой строки;add the brightness values of the pixels of each row, thereby obtaining the brightness of each row;
определяют среднее значение яркости для каждой строки;determine the average brightness value for each line;
вычисляют среднеквадратичное отклонение значения яркости для каждой строки;calculating the standard deviation of the brightness value for each line;
вычисляют произведение суммы значений яркости на среднеквадратичное отклонение для каждой строки.calculate the product of the sum of the brightness values and the standard deviation for each line.
Далее для каждого слоя устанавливают пороговое значение по оси X и пороговое значение по оси Y, то есть происходит динамическое изменение порогового значение от слоя к слою. Каждое пороговое значение зависит от максимального значения гистограмм яркости по осям X и Y на каждом слое. Так пороговое значение по оси X (первое пороговое значение) устанавливается в 5% от максимального значения гистограмм яркости по оси X, а пороговое значение по оси Y (второе пороговое значение) устанавливается в 10% от максимального значения гистограмм яркости по оси Y.Next, for each layer, a threshold value is set along the X axis and a threshold value along the Y axis, that is, the threshold value changes dynamically from layer to layer. Each threshold value depends on the maximum value of the X and Y luminance histograms on each layer. So the X-axis threshold (first threshold) is set to 5% of the maximum value of the X-axis brightness histograms, and the Y-axis threshold (second threshold value) is set to 10% of the maximum value of the Y-axis brightness histograms.
Указанные проценты подобраны эмпирически, что бы соблюсти определенный баланс. С одной стороны, чтобы вырезать максимально маленький участок МРТ, но при этом, что бы в него вошли все признаки требуемой патологии (аномалии).The percentages indicated are selected empirically in order to maintain a certain balance. On the one hand, to cut out the smallest possible area of the MRI, but at the same time, so that it includes all the signs of the required pathology (anomaly).
При подборе использовались имеющиеся открытые данные по МРТ головного мозга. Механизм подбора включает следующие шаги:Available open data on brain MRI were used in the selection process. The selection mechanism includes the following steps:
- создаются случайные подвыборки с различным количеством МРТ,- random subsamples with different numbers of MRIs are created,
- вычисляются оптимальные пороги для каждой подвыборки, позволяющие обучить нейронную сеть до максимальной точности,- optimal thresholds are calculated for each subsample, allowing the neural network to be trained to maximum accuracy,
- в качестве оценки порога берется математическое ожидание от распределения порогов подвыборок из имеющейся совокупности МРТ снимков.- the mathematical expectation of the distribution of thresholds of subsamples from the available set of MRI images is taken as an estimate of the threshold.
- значение округляется с шагом 5, поскольку оценка достаточно грубая.- the value is rounded in increments of 5, since the estimate is quite rough.
После чего из изображения исключаются строки и столбцы, значения яркости для которых ниже установленного порога. То есть исключаются неинформативные области, в которых по оси X исключаются столбцы, значение яркости для которых ниже второго порогового значения, а по оси Y исключаются строки, значение яркости для которых ниже первого порогового значения.After that, rows and columns whose brightness values are below the set threshold are excluded from the image. That is, uninformative areas are excluded in which the X-axis excludes columns whose brightness value is below the second threshold value, and the Y-axis excludes rows whose brightness value is lower than the first threshold value.
Для улучшения стабильности обучения производится нормализация значений яркости с целью группировки их около нулевого значения (алгоритм препроцессинга). Устанавливают минимальное значение яркости как 10% перцентиль от всех изображений МРТ пациента и максимальное значение яркости как 99% перцентиль от всех изображений МРТ пациента. После чего из всех значений вычитается среднее значение яркости для всех пациентов, и делят полученное значение яркости на среднюю дисперсию по всему набору данных.To improve the stability of training, the brightness values are normalized in order to group them around the zero value (preprocessing algorithm). Set the minimum brightness value as the 10% percentile of all MRI images of the patient and the maximum brightness value as the 99% percentile of all MRI images of the patient. Then the average brightness value for all patients is subtracted from all values, and the resulting brightness value is divided by the average variance over the entire data set.
Вышеуказанные процентные значения обусловлены следующим. Признаки болезней на МРТ представляют собой контрастные области отличающиеся формой и яркостью от обычных тканей. При этом условия исследования подбираются специально, что бы можно было увидеть достаточно контрастно нужные патологии. Из за этого значения яркости пикселей находятся в очень широком диапазоне, который зависит в том числе от плотности тканей конкретного человека. Динамический диапазон на основе вычисления квантилей позволяет нормировать все значения в диапазоне [-1,1] и при этом отфильтровать выбросы с обоих сторон, в отличие от нормирования с помощью минимума и максимума яркостей. Верхнее значение 99% отсекает слишком яркие твердые ткани черепа и возможные случайные яркие объекты на снимке, но не затрагивает выделенные контрастные области патологий. Нижнее значение 10% подобрано исходя из величины шума наблюдаемых на снимках.The above percentages are due to the following. Signs of diseases on MRI are contrasting areas that differ in shape and brightness from normal tissue. In this case, the research conditions are selected specifically so that the necessary pathologies can be seen in sufficient contrast. Because of this, the brightness values of the pixels are in a very wide range, which depends, among other things, on the density of the tissues of a particular person. Dynamic range based on quantile calculation allows you to normalize all values in the range [-1,1] and at the same time filter out outliers on both sides, as opposed to normalizing using minimum and maximum brightness. The upper value of 99% cuts out too bright hard tissues of the skull and possible random bright objects in the image, but does not affect the highlighted contrast areas of pathologies. The lower value of 10% was selected based on the amount of noise observed in the images.
После алгоритма препроцессинга итоговый массив данных, подаваемый на вход нейронной сети, имеет размерность N*224*224, где N - число слоев МРТ. Использование размерности 224 обусловлено тем, что в данном случае для обработки таких данных требуется память меньшего размера, а необходимая видимость признаков патологии сохраняется.After the preprocessing algorithm, the final data array supplied to the input of the neural network has a dimension of N*224*224, where N is the number of MRI layers. The use of dimension 224 is due to the fact that in this case, processing such data requires smaller memory, and the necessary visibility of pathology signs is preserved.
Обученная нейронная сети, сохраняется на устройстве обработки для последующей диагностики аномалий на изображениях МРТ пациента.The trained neural network is stored on the processing device for subsequent diagnosis of anomalies in the patient’s MRI images.
Работа системы диагностики заключаются в следующем.The operation of the diagnostic system is as follows.
Устройство обработки посредством сети, соединяется с медицинским устройством создания изображения, на котором в режиме реального времени посредством сканирования интересующего органа, например, головы, создается изображение МРТ головного мозга.The processing device is connected via a network to a medical imaging device, which creates an MRI image of the brain in real time by scanning an organ of interest, such as the head.
Посредством подачи сигнала на медицинское устройство происходит автоматическая передача изображения МРТ на устройство обработки.By sending a signal to the medical device, the MRI image is automatically transferred to the processing device.
Устройство обработки, на котором расположена обученная нейронная сеть, обрабатывает изображение МРТ, для чего на каждом слое отсекаются области, значение яркости пикселей по осям X и Y для которых, ниже установленных пороговых значений.The processing device on which the trained neural network is located processes the MRI image, for which, on each layer, areas are cut off for which the pixel brightness value along the X and Y axes is below the established threshold values.
В результате обработки происходит классификация изображения как «вероятно нормальное» или «вероятно аномальное» с одновременным выделением аномальных областей.As a result of processing, the image is classified as “probably normal” or “probably abnormal” while simultaneously highlighting abnormal areas.
После чего результат обработки сохраняется на устройстве хранения, для последующего использования медицинским работником и/или в режиме реального времени отправляется на клиентское устройство врача.After which, the processing result is stored on a storage device for subsequent use by a medical professional and/or sent in real time to the doctor’s client device.
В одном из вариантов осуществления могут использоваться две нейронной сети. Первая нейронная сеть определяет градацию серого для каждого пикселя и исключает области, для которых значение меньше порогового значения (область фона).In one embodiment, two neural networks may be used. The first neural network determines the gray level for each pixel and excludes regions for which the value is less than a threshold (background region).
После чего вторая нейронная сеть, алгоритм обучения которой изложен выше, обрабатывает оставшуюся область (область головного мозга), классифицируя изображение и выявляя области аномалий.After which the second neural network, the learning algorithm of which is described above, processes the remaining area (brain area), classifying the image and identifying areas of anomalies.
Как следует из описания заявленного изобретения, предложенный способ обработки изображений магнитно-резонансной томографии (МРТ) для формирования обучающих данных обеспечивает достижение заявленного технического результата, а именно обеспечивает повышение точности определения аномалий в изображениях МРТ.As follows from the description of the claimed invention, the proposed method for processing magnetic resonance imaging (MRI) images to generate training data ensures the achievement of the stated technical result, namely, increases the accuracy of determining anomalies in MRI images.
Проведенный анализ показывает, что все общие и частные признаки группы изобретений являются существенными, так как каждый из них необходим для промышленного осуществления заявленной группы изобретений, а в совокупности признаки позволяют достичь заявленного технического результата.The analysis shows that all the general and specific features of the group of inventions are essential, since each of them is necessary for the industrial implementation of the claimed group of inventions, and together the features make it possible to achieve the declared technical result.
Таким образом, в разделах «Уровень техники» и «Раскрытие изобретения» было показано, что все общие и частные признаки предложенного решения являются существенными и в совокупности удовлетворяют критерию патентоспособности «новизна». В разделе «Осуществление изобретения» было показано, что заявленная группа изобретений технически осуществимо, позволяет решать поставленные изобретательские задачи и уверенно достигать требуемого технического результата при его (изобретения) использовании, что свидетельствует о промышленной применимости предложенного способа и устройства. Исходя из сказанного выше, мы считаем, что заявленный способ обработки изображений магнитно-резонансной томографии (МРТ) для формирования обучающих данных, а также способ диагностики аномалий на изображениях магнитно-резонансной томографии (МРТ) пациента с помощью нейронной сети и система диагностики аномалий на изображениях магнитно-резонансной томографии (МРТ) с помощью нейронной сети, удовлетворяют всем требованиям охраноспособности, предъявляемым к изобретениям.Thus, in the sections “State of the art” and “Disclosure of the invention” it was shown that all general and specific features of the proposed solution are essential and together satisfy the patentability criterion of “novelty”. In the section “Implementation of the invention” it was shown that the claimed group of inventions is technically feasible, allows solving the stated inventive problems and confidently achieving the required technical result when using it (the invention), which indicates the industrial applicability of the proposed method and device. Based on the above, we believe that the claimed method for processing magnetic resonance imaging (MRI) images to generate training data, as well as a method for diagnosing anomalies in magnetic resonance imaging (MRI) images of a patient using a neural network and a system for diagnosing anomalies in images magnetic resonance imaging (MRI) using a neural network, satisfy all the requirements for patentability for inventions.
Claims (39)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2813480C1 true RU2813480C1 (en) | 2024-02-12 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2698997C1 (en) * | 2016-09-06 | 2019-09-02 | Электа, Инк. | Neural network for generating synthetic medical images |
RU2708818C1 (en) * | 2019-04-01 | 2019-12-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный медицинский исследовательский центр кардиологии" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ "НМИЦ кардиологии" Минздрава России) | Method for determining the volume of pathological formations of the spinal cord on a high-field magnetic resonance tomography |
CN110992440A (en) * | 2019-12-10 | 2020-04-10 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | Weak supervision magnetic resonance fast imaging method and device |
RU2789260C1 (en) * | 2021-12-20 | 2023-01-31 | Автономная некоммерческая организация высшего образования "Университет Иннополис" | Medical decision support system based on medical image analysis |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2698997C1 (en) * | 2016-09-06 | 2019-09-02 | Электа, Инк. | Neural network for generating synthetic medical images |
RU2708818C1 (en) * | 2019-04-01 | 2019-12-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный медицинский исследовательский центр кардиологии" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ "НМИЦ кардиологии" Минздрава России) | Method for determining the volume of pathological formations of the spinal cord on a high-field magnetic resonance tomography |
CN110992440A (en) * | 2019-12-10 | 2020-04-10 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | Weak supervision magnetic resonance fast imaging method and device |
RU2789260C1 (en) * | 2021-12-20 | 2023-01-31 | Автономная некоммерческая организация высшего образования "Университет Иннополис" | Medical decision support system based on medical image analysis |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11151721B2 (en) | System and method for automatic detection, localization, and semantic segmentation of anatomical objects | |
US11436732B2 (en) | Automatic segmentation of acute ischemic stroke lesions in computed tomography data | |
CN113011485B (en) | Multi-mode multi-disease long-tail distribution ophthalmic disease classification model training method and device | |
US20190228524A1 (en) | System and method for medical image management | |
CN107464231B (en) | System and method for determining optimal operating parameters for medical imaging | |
Marbun et al. | Classification of stroke disease using convolutional neural network | |
CN111602173B (en) | Brain tomography data analysis method | |
WO2014186838A1 (en) | A system and method for remote medical diagnosis | |
CN110858399B (en) | Method and apparatus for providing post-examination images of a virtual tomographic stroke | |
CN110880366B (en) | Medical image processing system | |
RU2681280C2 (en) | Medical image processing | |
Barbosa et al. | Towards automatic quantification of the epicardial fat in non-contrasted CT images | |
CN111524109A (en) | Head medical image scoring method and device, electronic equipment and storage medium | |
Putra et al. | Retracted: Identification of Heart Disease With Iridology Using Backpropagation Neural Network | |
CN114332132A (en) | Image segmentation method and device and computer equipment | |
Hassan et al. | Conditional GAN for prediction of glaucoma progression with macular optical coherence tomography | |
CN117095815A (en) | System for predicting prostate cancer patient with homologous recombination defect based on magnetic resonance image and pathological panoramic scanning slice | |
CN114926396A (en) | Mental disorder magnetic resonance image preliminary screening model construction method | |
Ayub et al. | LSTM‐Based RNN Framework to Remove Motion Artifacts in Dynamic Multicontrast MR Images with Registration Model | |
KR20210050790A (en) | Apparatus and methods for classifying neurodegenerative diseases image of amyloid-positive based on deep-learning | |
CN116434918A (en) | Medical image processing method and computer readable storage medium | |
KR20210018214A (en) | Tomographic image prediction apparatus and tomographic image prediction method | |
CN110766651B (en) | Ultrasound device | |
RU2813480C1 (en) | Method of processing magnetic resonance imaging images for generating training data | |
US20230115927A1 (en) | Systems and methods for plaque identification, plaque composition analysis, and plaque stability detection |