WO2023121510A1 - Determining chest pathology on the basis of x-ray images - Google Patents
Determining chest pathology on the basis of x-ray images Download PDFInfo
- Publication number
- WO2023121510A1 WO2023121510A1 PCT/RU2022/050306 RU2022050306W WO2023121510A1 WO 2023121510 A1 WO2023121510 A1 WO 2023121510A1 RU 2022050306 W RU2022050306 W RU 2022050306W WO 2023121510 A1 WO2023121510 A1 WO 2023121510A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- image
- pathology
- data
- neural network
- ray
- Prior art date
Links
- 230000007170 pathology Effects 0.000 title claims abstract description 178
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 94
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 claims abstract description 63
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 57
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 claims abstract description 19
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 17
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims abstract description 16
- 238000000844 transformation Methods 0.000 claims abstract description 16
- 210000004072 lung Anatomy 0.000 claims description 33
- 238000012800 visualization Methods 0.000 claims description 22
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 20
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 18
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 13
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 10
- 238000012567 pattern recognition method Methods 0.000 claims description 10
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 6
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 3
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 36
- 238000012549 training Methods 0.000 description 21
- 230000015654 memory Effects 0.000 description 18
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 16
- 238000013473 artificial intelligence Methods 0.000 description 15
- 230000006870 function Effects 0.000 description 13
- 238000010200 validation analysis Methods 0.000 description 13
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 9
- 208000032538 Depersonalisation Diseases 0.000 description 8
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 8
- 238000012797 qualification Methods 0.000 description 8
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 7
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 7
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 6
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 6
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 6
- 238000001994 activation Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 5
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 5
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 4
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 4
- 206010035664 Pneumonia Diseases 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 3
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 3
- 238000013527 convolutional neural network Methods 0.000 description 3
- 238000013502 data validation Methods 0.000 description 3
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011976 chest X-ray Methods 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 2
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 2
- 230000036541 health Effects 0.000 description 2
- 238000010191 image analysis Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000001537 neural effect Effects 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 230000001575 pathological effect Effects 0.000 description 2
- 238000003909 pattern recognition Methods 0.000 description 2
- 230000000306 recurrent effect Effects 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- 230000001225 therapeutic effect Effects 0.000 description 2
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 2
- YMHOBZXQZVXHBM-UHFFFAOYSA-N 2,5-dimethoxy-4-bromophenethylamine Chemical compound COC1=CC(CCN)=C(OC)C=C1Br YMHOBZXQZVXHBM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010003598 Atelectasis Diseases 0.000 description 1
- 208000025721 COVID-19 Diseases 0.000 description 1
- 208000017667 Chronic Disease Diseases 0.000 description 1
- 208000019693 Lung disease Diseases 0.000 description 1
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 208000002151 Pleural effusion Diseases 0.000 description 1
- 208000007123 Pulmonary Atelectasis Diseases 0.000 description 1
- 240000006394 Sorghum bicolor Species 0.000 description 1
- 235000011684 Sorghum saccharatum Nutrition 0.000 description 1
- 235000009430 Thespesia populnea Nutrition 0.000 description 1
- 241000545067 Venus Species 0.000 description 1
- 230000002547 anomalous effect Effects 0.000 description 1
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 1
- 230000002308 calcification Effects 0.000 description 1
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 description 1
- 238000007596 consolidation process Methods 0.000 description 1
- 230000001054 cortical effect Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000013503 de-identification Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000002405 diagnostic procedure Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000011478 gradient descent method Methods 0.000 description 1
- 208000035474 group of disease Diseases 0.000 description 1
- 208000019622 heart disease Diseases 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 1
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000005495 investment casting Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000010801 machine learning Methods 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000008506 pathogenesis Effects 0.000 description 1
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 1
- 201000003144 pneumothorax Diseases 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 238000004393 prognosis Methods 0.000 description 1
- 238000012950 reanalysis Methods 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 238000012419 revalidation Methods 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000009131 signaling function Effects 0.000 description 1
- 238000005549 size reduction Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 238000002560 therapeutic procedure Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000007514 turning Methods 0.000 description 1
- 238000011179 visual inspection Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06V—IMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
- G06V10/00—Arrangements for image or video recognition or understanding
- G06V10/40—Extraction of image or video features
- G06V10/50—Extraction of image or video features by performing operations within image blocks; by using histograms, e.g. histogram of oriented gradients [HoG]; by summing image-intensity values; Projection analysis
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06V—IMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
- G06V10/00—Arrangements for image or video recognition or understanding
- G06V10/70—Arrangements for image or video recognition or understanding using pattern recognition or machine learning
- G06V10/82—Arrangements for image or video recognition or understanding using pattern recognition or machine learning using neural networks
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16H—HEALTHCARE INFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR THE HANDLING OR PROCESSING OF MEDICAL OR HEALTHCARE DATA
- G16H30/00—ICT specially adapted for the handling or processing of medical images
- G16H30/40—ICT specially adapted for the handling or processing of medical images for processing medical images, e.g. editing
Definitions
- a neural network that has been previously trained on a labeled set of images receives a digitized x-ray image of a patient's chest, analyzes it, and makes a prediction about whether whether a given patient has a pathology, thereby helping the doctor to make an optimal informed decision.
- the present invention is directed to improving the accuracy of devices and methods for determining chest pathology based on x-ray images.
- a data receiving unit configured to receive data to be processed comprising a frontal chest x-ray image from the device requesting data processing by communicating therewith;
- an image preparation unit configured to prepare, using at least one processor, an x-ray image contained in the data to be processed by performing one or more preliminary transformations on it for use by a neural network operating on the basis of at least one processor, moreover, in the process
- the image preparation unit is configured to automatically crop the image so that it covers only the lungs by:
- a report generation unit configured to generate, using at least one processor, a report on an examination conducted in the device, the examination report containing at least one file containing an indication of a result of processing performed in the pathology prediction unit;
- the reporting unit is further configured to:
- the identification of possible areas with signs of pathologies is performed using computer vision methods that analyze the input image of the neural network and the activation within the neural network of the pathology predictor that were obtained by running this image through it.
- a combination of Grad-CAM (weighted combination of gradient-based class activation maps) and Saliency maps (significance maps) methods are used as computer vision methods.
- the indication of the found areas with signs of pathologies is made in the form of a heat map or an outline of the boundaries of the areas.
- the report generation unit is configured to overlay an indication of the found areas with signs of pathologies on a copy of the input image of the neural network of the pathology prediction unit.
- the indication of the found areas with signs of pathologies is linked to the size, shape and position of the image, which was directly analyzed by the neural network;
- the image preparation unit is additionally configured to save the parameters of all transformations performed on the original image obtained in the data to be processed and associated with its resizing, displacement, rotation, cropping and cropping;
- a method for determining the pathology of the chest organs based on the analysis of x-ray images comprising the steps of:
- an x-ray image contained in the data to be processed is prepared by performing one or more preliminary transformations on it for use by a neural network operating on the basis of at least one processor, and when preparing the image, the image is automatically cropped in such a way so that it covers only the lungs, by:
- FIG. 1 shows a schematic representation of a medical decision support system according to the present invention.
- FIG. 1 shows an example of an image to be processed in the pathology detection device.
- FIG. 1 shows a block diagram of a device for determining the pathology according to the present invention.
- FIG. 1 shows a flowchart of the method for determining the pathology according to the present invention.
- the chest health decision support system 100 will be generally described.
- the medical diagnostic facility (MO) 110 contains an x-ray imaging device 120 (also may be referred to interchangeably as a x-ray diagnostic machine, x-ray machine, x-ray unit, x-ray, etc.).
- x-ray imaging device 120 also may be referred to interchangeably as a x-ray diagnostic machine, x-ray machine, x-ray unit, x-ray, etc.
- a medical specialist using X-ray machine 120 performs an x-ray examination of the chest organs of the examined patient (including fluorography).
- a medical organization 110 there can be a clinic, a polyclinic, a doctor's office, a hospital, a hospital, a sanatorium, a medical care center, a pharmacy, a mobile unit, a mobile fluorography room, or any other organization, room or installation equipped with device 120 for obtaining x-ray images.
- the generated image is stored in a local data store 131, such as a store based on or as part of a PACS (DICOM Image Archiving and Communication System), RIS (Radiological Information System), MIS (Medical Information System) 130, or other system or device suitable for storage of medical data. If necessary, additional target information can be added to the saved image, such as information about the patient, about the study, about the medical organization, about the medical specialist, etc.
- a local data store 131 such as a store based on or as part of a PACS (DICOM Image Archiving and Communication System), RIS (Radiological Information System), MIS (Medical Information System) 130, or other system or device suitable for storage of medical data.
- PACS DICOM Image Archiving and Communication System
- RIS Radiological Information System
- MIS Medical Information System 130
- additional target information can be added to the saved image, such as information about the patient, about the study, about the medical organization, about the medical specialist, etc.
- the data to be processed is then generated using a data communication device 132 such as PACS, RIS, MIS 130, or other suitable open or proprietary system.
- a data communication device 132 such as PACS, RIS, MIS 130, or other suitable open or proprietary system.
- the communication device 132 is shown in FIG. 1 as part of MIS 130, it can also be separate from MIS 130 or be part of another internal storage system of a medical organization.
- depersonalization anonymization, de-identification
- patient information which in one way or another can be considered personal
- anonymized data from which a third party will not be able to restore the original data without having proper access to it.
- the fields “PatientName” (patient name), “OtherPatientNames” (other patient names), “PatientID” (patient identifier) and, if necessary, other fields containing personal data or related to such, are anonymized.
- the possible values of the depersonalized data may be predefined and known to all devices in the system, only to trusted devices, or only to the pathology device 160 so that they can determine whether the transmitted data is depersonalized.
- the depersonalized data to be processed are transmitted from the medical organization 110 directly or through the central medical information system 150 to the device 160 for determining the pathology.
- the implementation of depersonalization can be performed in the central medical information system 150, and in this case, non-anonymized data can first be transmitted from the medical organization 110 to the central medical information system 150, and then depersonalized data can be transmitted from it to the device 160 for determining the pathology. data to be processed.
- the depersonalization process can occur both completely automatically, and if necessary, part of the depersonalization process or the entire depersonalization process can be performed with the participation of a person who can delete or edit data through the appropriate interface of the central medical information system 150.
- the pathology detecting device 160 analyzes an X-ray image contained in the received data based on AI techniques and makes a prediction as to whether the image contains a pathology. If so, the pathology detecting device 160 indicates areas in the image that contain pathologies. If there is no pathology, then the image does not change.
- the device 160 for determining the pathology can generate a report (or protocol) on the result of the work, containing a description of the result in the form of textual information.
- the generated data (one or more images and/or report) is sent back (directly or indirectly) from the pathology device 160 to the medical organization 110 that requested data processing.
- the results of the work received from the device 160 for determining the pathology are provided to the responsible person, for example, a radiologist, the attending physician or other medical specialist or a person who has access to such information and is responsible for receiving and processing it in the medical organization 110, using the viewer 140 , and using them, he makes a decision about the state of the chest organs, namely the presence or absence of a particular pathology. If necessary, the medical specialist, taking into account the results of the device 160 for determining the pathology, can make a decision on the treatment of the patient. Viewer 140 in FIG. 1 is simplistically referred to as display 140, however, in the preferred embodiment, it is an AWP (workstation) of a physician.
- AWP workstation
- a physician's workstation may be a computer based on an Intel Core i3 processor or equivalent, having 8 GB of RAM, 40 GB of free disk space, a DVD-R/RW CD-ROM drive, a network connection speed of 5 Mbps, monitor with a screen resolution of 1920x1080 and can be viewed using DICOM image viewers or through a web browser.
- Intel Core i3 processor or equivalent having 8 GB of RAM, 40 GB of free disk space, a DVD-R/RW CD-ROM drive, a network connection speed of 5 Mbps, monitor with a screen resolution of 1920x1080 and can be viewed using DICOM image viewers or through a web browser.
- the system 100 helps to improve the accuracy of medical decision making.
- the data generated by the device 160 for determining the pathology is not sent directly to the medical organization 110 that requested data processing, but first (directly or through the central medical information system 150) to a specialized expert organization 170 that produces medical reports using the results. operation of the pathology device 160, or to an external radiologist 180 acting as an expert or consultant.
- the medical organization 110 in response to the sent x-ray image, can receive from the expert organization 170 or from the external radiologist 180 (again, directly or through the central medical information system 150) an immediately ready conclusion or a preliminary conclusion that can be used to make a medical decision.
- the term "external" in relation to a radiologist means that this doctor is not on the staff of the medical organization 110 that conducted the X-ray examination and requested the processing of the resulting image, and / or is not physically located in this organization and / or does not have access to MIS 130 of this organization.
- the term “radiologist” in the context of the present invention implies that this is a medical specialist who has a proven qualification (knowledge, skills, abilities and experience) in the analysis (interpretation) of the results of an x-ray examination.
- Specialists of the expert organization 170 and external radiologists 180 can access data from a specialized workstation (doctor's workstation) or using another suitable device, such as a computer, laptop, smartphone, tablet, VR helmet (virtual reality helmet), VR -glasses, etc.
- a specialized workstation doctor's workstation
- another suitable device such as a computer, laptop, smartphone, tablet, VR helmet (virtual reality helmet), VR -glasses, etc.
- the medical decision support system 100 when the medical decision support system 100 includes a plurality of medical organizations 110 and/or a plurality of pathology devices 160, as well as expert organizations 170 or external radiologists 180, it is advisable to use a central medical information system 150.
- the term “central” in this case indicates, first of all, not that this is a single central server that closes all possible connections, but that the central medical information system 150 occupies a place in the middle, in the center between the other participants in the medical decision support system 100, acting as an intermediate system for collecting, storing and redistributing data.
- the central medical information system 150 can be both concentrated (centralized) and distributed, including those implemented in the cloud.
- Images awaiting processing may be grouped into batches (series) for transfer to the device 160 for determining the pathology.
- the pathology detecting device 160 can perform batch processing of the received images. Grouping into packages can be performed both in the medical organization 110 and in the central medical information system 150.
- the central medical information system 150 can change the size and content of the packages received from the medical organizations 110 - for example, sort images by their resolution in pixels, by priority or other parameters and form new packages, and if necessary, images from different medical organizations 110 can be added to the same package.
- the device 200 for detecting chest pathology based on X-ray images will be described in detail. It should be noted that the chest pathology device 200 fully corresponds to the pathology device 160 shown in FIG. 1, and has the same functions and capabilities, if applicable and does not conflict with the descriptions in this section.
- the pathology determination device 200 includes a data receiving unit 210, a data storage unit 220, a data validation unit 230, an image preparation unit 240, a pathology prediction unit 250, a report generation unit 260, a data transmission unit 270, and a learning unit 280. Depending on the particular application, some of these blocks may be omitted, as will be explained in more detail later in this document.
- the data receiving unit 210 receives data to be processed containing an x-ray image of the chest of the patient being examined.
- the receiving unit 210 may be a separate chip, network card, or other suitable means capable of communicating with external devices in a wired and/or wireless manner, such as over a local area network (LAN) protocol, the Internet, etc. using Ethernet, fiber, WiFi, 4G, etc. technologies.
- LAN local area network
- the data storage unit 220 stores the data received by the data receiving unit 210 so that other units of the apparatus 200 can use it at the appropriate time. Received data can only be retained while it is being processed and erased when its processing is completed. For these purposes, in one embodiment, a short-term storage device such as RAM or the like is used. In another embodiment, the received data may be stored for a longer period of time than the immediate processing time, if necessary, and then a long-term storage device such as a hard disk or the like may be used.
- the data storage unit 220 may store short-term or long-term data and/or files resulting from or during the operation of other units of the device.
- the data validator 230 receives the data to be processed directly from the data receiving unit 210 or retrieves it from the data storage unit 220 . The data validator 230 then checks whether the received data is suitable for processing.
- part of the validation operations can be performed on the side of the medical organization itself or on the side of the central medical information system 150.
- the data validator 230 may not perform these operations, which can simplify and speed up processing, and thereby improve productivity.
- the pathology device 200 may not know which validations have already been performed, or it may re-perform them for further revalidation. This can improve the processing quality.
- an attempt is made to extract an image from the data to be processed. If the attempt fails, then it is concluded that the image file is corrupted or cannot be read. The reason for this may be factors such as the absence of an image in the data, the impossibility of reading metadata, the presence of any anomalous and unaccounted for tag values, etc. In this case, the data is not transferred for processing, and a corresponding indication is created for it. It is preferable to perform this operation in the data validation block 230, since even if it has already been performed by other devices, the data may be corrupted in the process of being sent to the pathology device 200 or may be in a format that is not currently available for one reason or another. device 200.
- the pathology detecting apparatus 200 can also be checked whether the data to be processed matches the type of processing that is performed in this device 200 to determine the pathology. For example, if the pathology detecting apparatus 200 is to process AP chest X-rays, a check may be made whether the attached data contains a AP chest X-ray. Various implementations of such a check are known to those skilled in the art and may include, for example, a pre-trained neural network (neural network) that produces the appropriate classification, or other computer vision methods. If the check fails, then such data is not transferred for processing, and a corresponding indication is created for them. Examples of such errors, when the study is claimed to be an X-ray of the chest in a direct projection, but in fact it is not and cannot be processed, are shown in Fig. 4 and 5.
- a check can be made whether the data is depersonalized. To do this, it is checked whether the fields that relate to personal data contain any values, and if so, whether these values are depersonalized. For example, if the "PatientName” field is empty or contains the predefined value "0" or "Anonymous” as indicated in FIG. 2 and FIG. 5, then this field is considered to be depersonalized, and the field with the value "Venus de Milo", indicated in FIG. 4, is not depersonalized. If the data is not depersonalized, then the corresponding image is not transferred for processing, and an indication of the impossibility of processing is generated on it.
- the pathology device 200 may support several different valid values for the depersonalized data, in which case the data validator 230 may check if the field values in the received data match at least one of the respective supported values. If the value does not match the predefined valid value, then it is assumed that the received data is not depersonalized. In this case, they are not transferred for processing, and a corresponding indication is created for them.
- the captured image has a size (pixel resolution) equal to or greater than a predetermined minimum size supported by the device 200, such as 1024x1024 pixels or 800x800 pixels, depending on the requirements of the particular application. If the source image is smaller than the minimum size, then the device 200 may not be accurate enough, so the image is not submitted for processing and an indication is generated for it.
- a predetermined minimum size supported by the device 200 such as 1024x1024 pixels or 800x800 pixels, depending on the requirements of the particular application.
- a check can be made whether the image is a positive or a negative.
- Various implementations of such a check are known to those skilled in the art and may include, for example, a pre-trained neural network (neural network) that produces the appropriate classification, or other computer vision methods. If the inspection reveals that the image does not meet the input requirements of the pathology detection device 200, then the image preparation unit 240 can subsequently perform an appropriate conversion of the image to a negative or a positive.
- Validation allows you to filter out data that cannot be analyzed or the accuracy of processing will have a deliberately low accuracy. Accordingly, the load on the most resource-intensive part of the analysis is reduced and the prediction accuracy is increased. In addition, screening out images that are not depersonalized ensures that no personal data is processed on the device 200 side, which reduces requirements for its implementation and certification.
- the image preparation unit 240 receives from the data storage unit 220 and/or from the data validation unit 230 the validated chest x-ray image and performs preliminary transformations on it in order to prepare it for direct use in the pathology prediction unit 250 .
- the image preparation performed in block 240 may be as follows.
- the aspect ratio of the cropped lung image depends on the size and shape of the lungs. For further processing, it is required to bring it to a single format. To do this, the image is resized to the second size.
- the second image size is predefined - for example, in the form of a square 224x224, 320x320 or 512x512 pixels. The selected value depends on the requirements of the specific neural network used further.
- the learning process of the neural network is controlled by the learning block 280 by applying a learning algorithm to the trained neural network using the training data.
- Instructions (markup) from the doctor are used by the trained neural network as ground truth.
- the markup may be a number: "1" (sick).
- the markup may be a different value, such as "healthy”.
- images are prepared in the same way as described above with respect to block 240, and fed to the input of the neural network, using images with both the presence and absence of pathologies.
- the neural network calculates predictions for one or more images. These predictions are compared with the indication of the true presence/absence of pathology, and the value of the loss function is calculated (how badly the neural network was wrong in detecting the presence of pathology). Further, using the gradient descent method and the backpropagation algorithm, all weights (weight coefficients) of the neural network are changed in accordance with the selected learning rate parameter in the direction opposite to the calculated gradient in order to minimize the error on the current image(s) ( I).
- a pathology image can be generated for those x-ray images for which the analysis revealed a probability of pathology that exceeds a predetermined threshold probability of pathology, which indicates that the radiologist should pay attention to such an image.
- the threshold probability of the presence of a pathology in the general case is 0.5 (or 50%), but depending on the accuracy of a particular trained model and the degree of confidence in it, it can vary in practical application both up and down.
- a medical organization may specialize in the treatment of diseases, the early detection of which is critical in terms of treatment prognosis, so it may request imaging images if the device detects a probability of pathology of only 10% or more.
- an indication of the found signs of pathologies in the form of a heat map or the boundaries of pathologies can be superimposed on the original x-ray image obtained in the data to be processed.
- the parameters of all transformations performed on the original image and associated with changing its size, shifting, rotating, cropping and cropping are stored by the image preparation block 240 - for example, in the storage block 220 .
- a visualization of the pathology is obtained in the form of a heat map or the boundaries of pathologies with reference to the size, shape and position of the image, which was directly analyzed by the neural network.
- the text protocol of the study contains the results of the work and a description of the operation of the device 200 in the form of textual information, for example, in CSV format.
- the protocol can be generated in the form of a DICOM Structured Report (structured DICOM report).
- the text protocol of the study may contain:
- the pathology determination method 400 may comprise step S410, in which data to be processed is received containing an X-ray image of the chest of the patient being examined.
- the pathology determination method 400 may also include step S440, which prepares an image contained in the data to be processed for use by a neural network by performing one or more preliminary transformations on it.
- the pathology determination method 400 may also comprise step S460 generating an examination report containing at least one of the following: a) a pathology imaging image; b) text protocol of the study.
- the proposed method for determining the pathology of the chest organs provides increased accuracy of automatic determination of the probability of pathology, reduces the requirements for the qualification of medical personnel and reduces the influence of the human factor (mindfulness, fatigue, responsibility).
- the result of the study provides a comprehensive set of information necessary for making the correct medical decision with increased speed and accuracy.
- Devices and methods according to the present invention can be used to process x-ray images of chest organs in order to detect signs of pathologies in them.
- One or more transmission units or devices (transmitters) described herein and one or more receiving units or devices (receivers) may be physically implemented in the same transceiver unit or device or in different blocks or devices.
- a device or a transmission unit in this document may be referred to as a device or unit having the functions of not only transmitting, but also receiving data, information and/or signals.
- the receiving device or unit may also include data, information and/or signaling functions.
- DSP digital signal processor
- ASIC application specific integrated circuit
- FPGA field programmable gate array
- PLD programmable logic device
- 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).
- 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.
- 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.
- 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.
- ROM read-only memory
- PROM programmable read-only memory
- EPROM erasable programmable read-only memory
- EEPROM electronically erasable programmable read-only memory
- RAM Random Access Memory
- SRAM Static Random Access Memory
- DRAM Dynamic Random Access Memory
- SDRAM Synchronous Dynamic Random Access Memory
- DDR SDRAM Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory
- ESDRAM accelerated speed synchronous dynamic random access memory
- SLDRAM synchronous link DRAM
- DR RAM direct access bus random access memory
- 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.
- AI artificial intelligence
- the AI-related function may be executed via a processor and non-volatile and/or volatile memory.
- One or more processors direct the processing of input data in accordance with a predetermined 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- CNN Convolutional Neural Network
- DNN Deep Neural Network
- RNN Recurrent Neural Network
- RBM Restricted Boltzmann Machine
- DNN Deep Belief Network
- BBN Deep Belief Network
- BNN Bidirectional Recurrent Deep Neural Network
- GANs generative adversarial networks
- deep Q-nets deep Q-nets.
- 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.
- a predetermined target device eg, a GPU or NPU based neural network
- Examples of learning algorithms include, but are not limited to, supervised learning, unsupervised learning, partially supervised learning, or reinforcement learning.
- 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/chip and are structurally connected to each other through assembly (assembly) operations and functionally through communication lines .
- the mentioned communication lines or channels 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.
- 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.
- the design of the elements of the proposed device is known to specialists in this field of technology and is not described separately in this document, unless otherwise indicated.
- the elements of the device can be made from any suitable material. These components can be manufactured using known methods including, by way of example only, machining, investment casting, crystal growth. Assembly, connection, and other operations as described herein are also within the knowledge of a person skilled in the art, and thus will not be explained in more detail here.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Databases & Information Systems (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Primary Health Care (AREA)
- Public Health (AREA)
- Medical Treatment And Welfare Office Work (AREA)
Abstract
The invention relates to the field of image processing, and more particularly to a device and method for determining a pathology from the analysis of X-ray images. Proposed is a device comprising: a unit for data to be processed, which contain an X-ray image of chest organs; a unit for preparing the image contained in the data to be processed for use by a neural network, wherein the image is prepared by performing one or more preliminary transformations thereon; a pathology prediction unit for determining the presence or absence of a pathology on the image using the neural network; a unit for generating a report on the examination carried out in the present device; and a unit for transmitting said report to the device that requested the processing of the data. The invention makes it possible to more accurately automatically determine the likelihood of a pathology, as well as allowing medical decisions to be taken with greater speed and accuracy.
Description
Настоящее изобретение относится к области обработки изображений, и, более конкретно, к устройству и способу для определения патологии органов грудной клетки на основе рентгеновских изображений.The present invention relates to the field of image processing, and more specifically, to a device and method for determining the pathology of the chest organs based on x-ray images.
В традиционных способах диагностики патологий органов грудной клетки, которые использовались в медицине на протяжении десятилетий, оператор рентген-установки или врач визуально исследовал рентгеновское изображение, полученное установкой, и делал вывод о наличии или отсутствии той или иной патологии у обследуемого пациента.In the traditional methods of diagnosing pathologies of the chest organs, which have been used in medicine for decades, the operator of the X-ray unit or the doctor visually examined the X-ray image obtained by the unit and made a conclusion about the presence or absence of this or that pathology in the examined patient.
Однако высокая распространенность раковых, сердечных, легочных заболеваний, а также вспышка covid-19, которая привела к существенному увеличению смертности от этих заболеваний, влекут за собой огромные социальные издержки. В медицинских учреждениях, осуществляющих диагностические и терапевтические мероприятия, наблюдается перегруженность и дефицит квалифицированных медицинских специалистов в области радиологических исследований, на оценку и трактовку результатов радиологических исследований оказывает влияние человеческий фактор, отсутствуют необходимые ресурсы для проведения повторных прочтений исследований. Практика осуществления диагностических мероприятий сопряжена с риском пропуска патологий при первичном анализе радиологических исследований.However, the high prevalence of cancer, heart and lung diseases, as well as the outbreak of covid-19, which has led to a significant increase in mortality from these diseases, entail huge social costs. In medical institutions that carry out diagnostic and therapeutic activities, there is an overload and shortage of qualified medical specialists in the field of radiological studies, the evaluation and interpretation of the results of radiological studies is influenced by the human factor, there are no necessary resources for re-reading studies. The practice of carrying out diagnostic measures is associated with the risk of missing pathologies in the initial analysis of radiological studies.
Данные факторы требуют проведения фундаментальных исследований в этой области с целью разработки новых и более эффективных терапевтических и диагностических инструментов, в том числе для того, чтобы повысить качество врачебных решений и по возможности ускорить процесс принятия врачебных решений.These factors require fundamental research in this area in order to develop new and more effective therapeutic and diagnostic tools, including in order to improve the quality of medical decisions and, if possible, speed up the process of making medical decisions.
Все это способствует внедрению в медицину современных цифровых методик обработки данных. Цифровизация здравоохранения сопровождается стремительно растущими объемами оцифрованной медицинской информации о пациентах, клинических баз данных и наборов медицинских данных, которые можно было бы использовать для поддержки принятия врачебных решений. В последние годы для работы над такими задачами все чаще применяются технологии искусственного интеллекта (ИИ).All this contributes to the introduction of modern digital data processing techniques into medicine. The digitalization of healthcare is accompanied by a rapidly growing volume of digitized medical patient information, clinical databases and medical datasets that could be used to support medical decision making. In recent years, artificial intelligence (AI) technologies have been increasingly used to work on such tasks.
Например, в известных способах современной ИИ-диагностики, таких как WO 2021/031279 A1 или WO 2021/091661 A1, нейронная сеть, которая была предварительно обучена на размеченном наборе изображений, получает оцифрованное рентгеновское изображение грудной клетки пациента, анализирует его и осуществляет предсказание того, имеется ли у данного пациента патология, помогая тем самым врачу принять оптимальное взвешенное решение.For example, in known modern AI diagnostic methods such as WO 2021/031279 A1 or WO 2021/091661 A1, a neural network that has been previously trained on a labeled set of images receives a digitized x-ray image of a patient's chest, analyzes it, and makes a prediction about whether whether a given patient has a pathology, thereby helping the doctor to make an optimal informed decision.
Производятся попытки применять самые разные архитектуры нейросетей, разные методы обучения и разные методы предварительной обработки изображений, однако точность известных методов такова, что существенная часть медицинского сообщества высказывает мнение, что на текущем уровне развития подобные системы не помогают врачу, а наоборот, мешают, поскольку они могут снижать концентрацию внимания специалиста, полагающегося отчасти на ИИ, и возможны ошибки в принятии решений, что может влиять на качество оказания медицинских услуг. А в силу того, что ответственность за решение лежит именно на человеке, по-прежнему велик человеческий фактор и высоки трудозатраты и требования к квалификации.Attempts are being made to apply a variety of neural network architectures, different training methods and different methods of image preprocessing, however, the accuracy of known methods is such that a significant part of the medical community is of the opinion that at the current level of development, such systems do not help the doctor, but rather interfere, because they may reduce the concentration of a specialist who relies partly on AI, and there may be errors in decision-making, which can affect the quality of medical services. And due to the fact that the responsibility for the decision lies with the person, the human factor is still great and labor costs and qualification requirements are high.
Сущность изобретения.The essence of the invention.
С целью устранения по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники, настоящее изобретение направлено на повышение точности устройств и способов для определения патологии органов грудной клетки на основе рентгеновских изображений.In order to overcome at least some of the aforementioned shortcomings of the prior art, the present invention is directed to improving the accuracy of devices and methods for determining chest pathology based on x-ray images.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложено устройство для определения патологии органов грудной клетки на основе анализа рентгеновских изображений, содержащее:According to the first aspect of the present invention, there is provided a device for determining the pathology of the chest organs based on the analysis of x-ray images, comprising:
блок приема данных, выполненный с возможностью принимать подлежащие обработке данные, содержащие рентгеновское изображение органов грудной клетки в прямой проекции, от устройства, запрашивающего обработку данных, посредством осуществления связи с ним;a data receiving unit configured to receive data to be processed comprising a frontal chest x-ray image from the device requesting data processing by communicating therewith;
блок подготовки изображений, выполненный с возможностью подготавливать с использованием по меньшей мере одного процессора рентгеновское изображение, содержащееся в подлежащих обработке данных, посредством выполнения над ним одного или более предварительных преобразований для использования нейронной сетью, работающей на основе по меньшей мере одного процессора, причем в процессе подготовки блок подготовки изображений выполнен с возможностью автоматического кадрирования изображения таким образом, чтобы оно охватывало только легкие, посредством:an image preparation unit configured to prepare, using at least one processor, an x-ray image contained in the data to be processed by performing one or more preliminary transformations on it for use by a neural network operating on the basis of at least one processor, moreover, in the process The image preparation unit is configured to automatically crop the image so that it covers only the lungs by:
- поиска на изображении правого легкого и левого легкого по отдельности по меньшей двумя разными не зависящими друг от друга предварительно обученными методами распознавания образов, отличными от нейронных сетей,- searching the image of the right lung and the left lung separately using at least two different independent pre-trained pattern recognition methods other than neural networks,
- формирования множества прямоугольников, каждый из которых охватывает одно найденное легкое и только его, на основе выполненных поисков,- formation of a set of rectangles, each of which covers one found lung and only it, based on the performed searches,
- формирования общего прямоугольника, который включает в себя, по существу, только упомянутое множество прямоугольников, и- forming a general rectangle that includes essentially only the said plurality of rectangles, and
- отсечения от изображения областей, выходящих за рамки общего прямоугольника;- clipping from the image areas that go beyond the general rectangle;
блок предсказания патологии, выполненный с возможностью с использованием упомянутой нейронной сети анализировать подготовленное изображение и определять наличие или отсутствие патологии на изображении;a pathology prediction unit configured to use said neural network to analyze the prepared image and determine the presence or absence of pathology in the image;
блок формирования отчета, выполненный с возможностью формировать с использованием по меньшей мере одного процессора отчет об исследовании, проведенном в данном устройстве, причем отчет об исследовании содержит по меньшей мере один файл, содержащий указание на результат обработки, выполненной в блоке предсказания патологии; иa report generation unit, configured to generate, using at least one processor, a report on an examination conducted in the device, the examination report containing at least one file containing an indication of a result of processing performed in the pathology prediction unit; And
блок передачи данных, выполненный с возможностью передавать отчет в устройство, запрашивавшее обработку данных, посредством осуществления связи с ним.a data transmission unit configured to transmit the report to the device requesting data processing by communicating with it.
В одном из вариантов осуществления, если определено, что на изображении имеется патология, блок формирования отчета дополнительно выполнен с возможностью:In one embodiment, if the image is determined to have pathology, the reporting unit is further configured to:
выявления возможных областей, на которых найдены признаки патологий;identifying possible areas where signs of pathologies are found;
формирования изображения с визуализацией патологии в виде указания найденных областей с признаками патологий; иforming an image with the visualization of the pathology in the form of an indication of the found areas with signs of pathologies; And
формирования отчета об исследовании, содержащего изображение с визуализацией патологии.generating a study report containing an image with visualization of the pathology.
В одном из вариантов осуществления выявление возможных областей с признаками патологий выполняется с использованием методов компьютерного зрения, анализирующих входное изображение нейронной сети и активации внутри нейронной сети блока предсказания патологии, которые были получены при прогоне через нее этого изображения.In one embodiment, the identification of possible areas with signs of pathologies is performed using computer vision methods that analyze the input image of the neural network and the activation within the neural network of the pathology predictor that were obtained by running this image through it.
В одном из вариантов осуществления в качестве методов компьютерного зрения используется комбинация методов Grad-CAM (взвешенная комбинация карт активации классов на основе градиентов) и Saliency maps (карты значимости).In one embodiment, a combination of Grad-CAM (weighted combination of gradient-based class activation maps) and Saliency maps (significance maps) methods are used as computer vision methods.
В одном из вариантов осуществления указание найденных областей с признаками патологий выполнено в виде тепловой карты или очертания границ областей.In one of the embodiments, the indication of the found areas with signs of pathologies is made in the form of a heat map or an outline of the boundaries of the areas.
В одном из вариантов осуществления для формирования изображения с визуализацией патологии блок формирования отчета выполнен с возможностью накладывать указание найденных областей с признаками патологий на копию входного изображения нейронной сети блока предсказания патологии.In one of the embodiments for the formation of an image with visualization of the pathology, the report generation unit is configured to overlay an indication of the found areas with signs of pathologies on a copy of the input image of the neural network of the pathology prediction unit.
В одном из вариантов осуществления указание найденных областей с признаками патологий имеет привязку к размерам, форме и положению изображения, которое непосредственно анализировалось нейронной сетью;In one of the embodiments, the indication of the found areas with signs of pathologies is linked to the size, shape and position of the image, which was directly analyzed by the neural network;
блок подготовки изображений дополнительно выполнен с возможностью сохранять параметры всех преобразований, выполнявшихся над исходным изображением, полученным в подлежащих обработке данных, и связанных с изменением его размера, смещением, поворотом, обрезкой и кадрированием; иthe image preparation unit is additionally configured to save the parameters of all transformations performed on the original image obtained in the data to be processed and associated with its resizing, displacement, rotation, cropping and cropping; And
для формирования изображения с визуализацией патологии блок формирования отчета выполнен с возможностью:to form an image with visualization of the pathology, the report generation unit is configured to:
применять преобразования, обратные вышеуказанным сохраненным преобразованиям, к указанию найденных областей с признаками патологий, с тем чтобы получить в результате визуализацию патологии с привязкой к размерам, форме и положению исходного рентгеновского изображения; иapply transformations inverse to the above saved transformations to indicate the found areas with signs of pathologies, in order to obtain a visualization of the pathology with reference to the size, shape and position of the original x-ray image; And
накладывать полученную визуализацию патологии с привязкой к размерам, форме и положению исходного рентгеновского изображения на копию исходного рентгеновского изображения.superimpose the resulting visualization of the pathology with reference to the size, shape and position of the original x-ray image on a copy of the original x-ray image.
В одном из вариантов осуществления в качестве методов распознавания образов используются три предварительно обученных метода: метод Виолы-Джонса с применением каскадного классификатора на основе признаков Хаара, метод гистограммы направленных градиентов и метод на основе локальных бинарных шаблонов.In one embodiment, three pre-trained methods are used as pattern recognition methods: the Viola-Jones method using a cascade classifier based on Haar features, the directed gradient histogram method, and the local binary template based method.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения, предложен способ определения патологии органов грудной клетки на основе анализа рентгеновских изображений, содержащий этапы, на которых:According to the second aspect of the present invention, a method for determining the pathology of the chest organs based on the analysis of x-ray images is provided, comprising the steps of:
принимают с использованием устройства связи подлежащие обработке данные, содержащие рентгеновское изображение органов грудной клетки в прямой проекции;receive using the communication device to be processed data containing x-ray image of the chest in frontal projection;
подготавливают с использованием по меньшей мере одного процессора рентгеновское изображение, содержащееся в подлежащих обработке данных, посредством выполнения над ним одного или более предварительных преобразований для использования нейронной сетью, работающей на основе по меньшей мере одного процессора, причем при подготовке изображения выполняют автоматическое кадрирование изображения таким образом, чтобы оно охватывало только легкие, посредством:using at least one processor, an x-ray image contained in the data to be processed is prepared by performing one or more preliminary transformations on it for use by a neural network operating on the basis of at least one processor, and when preparing the image, the image is automatically cropped in such a way so that it covers only the lungs, by:
- поиска на изображении правого легкого и левого легкого по отдельности по меньшей двумя разными не зависящими друг от друга предварительно обученными методами распознавания образов, отличными от нейронных сетей,- searching the image of the right lung and the left lung separately using at least two different independent pre-trained pattern recognition methods other than neural networks,
- формирования множества прямоугольников, каждый из которых охватывает одно найденное легкое и только его, на основе выполненных поисков,- formation of a set of rectangles, each of which covers one found lung and only it, based on the performed searches,
- формирования общего прямоугольника, который включает в себя, по существу, только упомянутое множество прямоугольников, и- forming a general rectangle that includes essentially only the said plurality of rectangles, and
- отсечения от изображения областей, выходящих за рамки общего прямоугольника;- clipping from the image areas that go beyond the general rectangle;
с использованием упомянутой нейронной сети анализируют подготовленное изображение и определяют наличие или отсутствие патологии на изображении;using said neural network, the prepared image is analyzed and the presence or absence of pathology in the image is determined;
формируют с использованием по меньшей мере одного процессора отчет, который содержит по меньшей мере один файл, содержащий указание на наличие или отсутствие патологии; иgenerate using at least one processor report, which contains at least one file containing an indication of the presence or absence of pathology; And
передают с использованием устройства связи отчет в устройство, запрашивавшее обработку данных.transmitting, using the communication device, a report to the device requesting data processing.
Настоящее изобретение позволяет повысить эффективность устройств и способов для определения патологии органов грудной клетки на основе рентгеновских изображений. При этом обеспечивается:The present invention improves the efficiency of devices and methods for determining the pathology of the chest organs based on x-ray images. This provides:
- повышение точности определения патологии органов грудной клетки;- increasing the accuracy of determining the pathology of the chest organs;
- снижение требований к квалификации медицинского персонала;- reducing the requirements for the qualification of medical personnel;
- уменьшение влияния человеческого фактора (внимательность, утомляемость, ответственность).- reducing the influence of the human factor (mindfulness, fatigue, responsibility).
Следует понимать, что не каждый из вариантов осуществления может обеспечивать одновременно все указанные преимущества по сравнению со всеми известными решениями из уровня техники. Соответственно, некоторые варианты осуществления могут обладать лишь некоторыми из указанных преимуществ или иными преимуществами относительно некоторых известных решений.It should be understood that not each of the embodiments can simultaneously provide all of these advantages over all known prior art solutions. Accordingly, some embodiments may have only some of these advantages or other advantages over some known solutions.
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.
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.
Общий обзор системыGeneral overview of the system
Далее со ссылкой на Фиг. 1 будет в целом описана система 100 поддержки принятия врачебных решений о состоянии органов грудной клетки.Next, with reference to FIG. 1, the chest health decision support system 100 will be generally described.
В диагностической медицинской организации (МО) 110 содержится устройство 120 для получения рентгеновских изображений (также может взаимозаменяемо называться рентгенографическим диагностическим аппаратом, рентген-аппаратом, рентген-установкой, рентгеном и т.д.). Медицинский специалист с помощью рентген-аппарата 120 производит рентгенологическое исследование органов грудной клетки обследуемого пациента (в том числе флюорографию).The medical diagnostic facility (MO) 110 contains an x-ray imaging device 120 (also may be referred to interchangeably as a x-ray diagnostic machine, x-ray machine, x-ray unit, x-ray, etc.). A medical specialist using X-ray machine 120 performs an x-ray examination of the chest organs of the examined patient (including fluorography).
В качестве медицинской организации 110, согласно настоящему изобретению, может выступать клиника, поликлиника, врачебный кабинет, больница, госпиталь, стационар, санаторий, пункт оказания медицинской помощи, аптека, мобильная установка, передвижной флюорографический кабинет или любая иная организация, помещение или установка, оборудованная устройством 120 для получения рентгеновских изображений.As a medical organization 110, according to the present invention, there can be a clinic, a polyclinic, a doctor's office, a hospital, a hospital, a hospital, a sanatorium, a medical care center, a pharmacy, a mobile unit, a mobile fluorography room, or any other organization, room or installation equipped with device 120 for obtaining x-ray images.
Результат исследования формируется в виде рентгеновского изображения, например, в формате DICOM (стандарт цифровых изображений и связи в медицине), NIfTI (Инициатива по технологии нейроизображения в области информатики), Analyze, Minc1, Minc2 или ином пригодном открытом или проприетарном формате. Медицинский специалист при необходимости перед сохранением может применить к изображению фильтры, которые, на его взгляд, могут улучшить восприятие изображения. Кроме того, на изображение могут накладываться в одном из вариантов осуществления какие-либо предустановленные фильтры, характерные для конкретного устройства или для конкретного производителя.The result of the study is formed in the form of an x-ray image, for example, in the format of DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine), NIfTI (Neural Imaging Technology Initiative in Informatics), Analyze, Minc1, Minc2 or other suitable open or proprietary format. The medical specialist, if necessary, can apply filters to the image before saving, which, in his opinion, can improve the perception of the image. In addition, the image can be superimposed in one of the embodiments of any preset filters that are specific to a particular device or to a particular manufacturer.
Сформированное изображение сохраняется в локальном хранилище 131 данных, таком как хранилище на основе или в составе PACS (системы архивации и передачи DICOM-изображений), RIS (радиологической информационной системы), МИС (медицинской информационной системы) 130 или иной системы или устройства, пригодного для хранения медицинских данных. При необходимости к сохраняемому изображению может добавляться дополнительная целевая информация, такая как сведения о пациенте, об исследовании, о медицинской организации, о медицинском специалисте и т.д.The generated image is stored in a local data store 131, such as a store based on or as part of a PACS (DICOM Image Archiving and Communication System), RIS (Radiological Information System), MIS (Medical Information System) 130, or other system or device suitable for storage of medical data. If necessary, additional target information can be added to the saved image, such as information about the patient, about the study, about the medical organization, about the medical specialist, etc.
МИС 130 (в том числе PACS или RIS) может быть развернута на компьютере или сервере общего назначения, на специализированном оборудовании или на иных аппаратных средствах хранения, обработки и передачи данных, пригодных для воплощения настоящего изобретения и известных специалисту в данной области техники. В иллюстративном неограничивающем примере МИС 130 может представлять собой компьютер, имеющий 4-ядерный процессор, 8 ГБ RAM, дисковое пространство 60 ГБ под операционную систему CentOS 7, дисковое пространство 2 ТБ под данные, дисковое пространство 1 ТБ под базу данных и 2 сетевых адаптера.MIS 130 (including PACS or RIS) can be deployed on a general-purpose computer or server, on specialized equipment, or on other data storage, processing and transmission hardware suitable for implementing the present invention and known to a person skilled in the art. In an illustrative non-limiting example, MIS 130 may be a computer having a 4-core processor, 8 GB of RAM, 60 GB disk space for the CentOS 7 operating system, 2 TB disk space for data, 1 TB disk space for the database, and 2 network adapters.
Хранилище 131 изображено на Фиг. 1 в составе МИС 130 лишь в качестве примера, и следует понимать, что возможны и иные реализации, в которых хранилище 131 является отдельным от МИС 130, находится в составе рентген-аппарата 120 или находится в составе другой внутренней системы хранения медицинской организации. Возможны также реализации, в которых медицинская организация вообще не использует специальные системы хранения и передачи медицинских данных, а использует для этих целей иные доступные средства хранения и передачи, такие как персональный компьютер или ноутбук.Storage 131 is shown in FIG. 1 as part of the MIS 130 by way of example only, and it should be understood that other implementations are possible in which the storage 131 is separate from the MIS 130, is part of the X-ray machine 120, or is part of another internal storage system of the medical organization. Implementations are also possible in which a medical organization does not use special systems for storing and transmitting medical data at all, but uses other available storage and transmission means for these purposes, such as a personal computer or laptop.
Затем с помощью устройства 132 передачи данных, такого как PACS, RIS, МИС 130 или иная пригодная открытая или проприетарная система, формируются подлежащие обработке данные. Как и в случае с хранилищем 131, несмотря на то, что устройство 132 передачи данных изображено на Фиг. 1 в составе МИС 130, оно также может быть отдельным от МИС 130 или находиться в составе другой внутренней системы хранения медицинской организации.The data to be processed is then generated using a data communication device 132 such as PACS, RIS, MIS 130, or other suitable open or proprietary system. As with the storage 131, although the communication device 132 is shown in FIG. 1 as part of MIS 130, it can also be separate from MIS 130 or be part of another internal storage system of a medical organization.
В одном из вариантов осуществления при формировании подлежащих обработке данных в устройстве 132 передачи данных может производиться деперсонализация (анонимизация, де-идентификация) рентгеновского изображения грудной клетки обследуемого пациента. Для этого производится замена сведений о пациенте, которые так или иначе можно считать персональными, на обезличенные данные, по которым третья сторона не сможет восстановить первоначальные данные, не имея к ним надлежащего доступа. Например, в случае применения системы PACS анонимизируются поля “PatientName” (имя пациента), “OtherPatientNames” (другие имена пациента), “PatientID” (идентификатор пациента) и при необходимости другие поля, содержащие персональные данные или отнесенные к таковым.In one of the embodiments, when generating the data to be processed in the data transmission device 132, depersonalization (anonymization, de-identification) of the x-ray image of the chest of the examined patient can be performed. To do this, patient information, which in one way or another can be considered personal, is replaced with anonymized data, from which a third party will not be able to restore the original data without having proper access to it. For example, in the case of a PACS system, the fields “PatientName” (patient name), “OtherPatientNames” (other patient names), “PatientID” (patient identifier) and, if necessary, other fields containing personal data or related to such, are anonymized.
Возможные значения деперсонализированных данных могут быть предварительно заданными и известными всем устройствам в системе, только доверенным устройствам или только устройству 160 для определения патологии, с тем чтобы они могли определять, являются ли передаваемые данные деперсонализированными.The possible values of the depersonalized data may be predefined and known to all devices in the system, only to trusted devices, or only to the pathology device 160 so that they can determine whether the transmitted data is depersonalized.
Процесс деперсонализации может происходить как полностью автоматически, так и при необходимости часть процесса деперсонализации или весь процесс деперсонализации может выполняться с участием человека, который может удалять или редактировать данные через соответствующий интерфейс устройства 132 передачи данных или медицинской информационной системы 130.The depersonalization process can occur both completely automatically, and if necessary, part of the depersonalization process or the entire depersonalization process can be performed with the participation of a person who can delete or edit data through the appropriate interface of the data transfer device 132 or medical information system 130.
Деперсонализированные подлежащие обработке данные, пример которых показан на Фиг. 2, передаются из медицинской организации 110 напрямую или через центральную медицинскую информационную систему 150 на устройство 160 для определения патологии. При этом в одном из вариантов осуществления деперсонализация может выполняться в центральной медицинской информационной системе 150, и в таком случае из медицинской организации 110 могут сначала передаваться неанонимизированные данные в центральную медицинскую информационную систему 150, а затем из неё на устройство 160 для определения патологии могут передаваться деперсонализированные подлежащие обработке данные. Процесс деперсонализации может происходить как полностью автоматически, так и при необходимости часть процесса деперсонализации или весь процесс деперсонализации может выполняться с участием человека, который может удалять или редактировать данные через соответствующий интерфейс центральной медицинской информационной системы 150.The depersonalized data to be processed, an example of which is shown in FIG. 2 are transmitted from the medical organization 110 directly or through the central medical information system 150 to the device 160 for determining the pathology. At the same time, in one of the embodiments, the implementation of depersonalization can be performed in the central medical information system 150, and in this case, non-anonymized data can first be transmitted from the medical organization 110 to the central medical information system 150, and then depersonalized data can be transmitted from it to the device 160 for determining the pathology. data to be processed. The depersonalization process can occur both completely automatically, and if necessary, part of the depersonalization process or the entire depersonalization process can be performed with the participation of a person who can delete or edit data through the appropriate interface of the central medical information system 150.
Устройство 160 для определения патологии, проанализировав на основе методов искусственного интеллекта (ИИ) рентгеновское изображение, содержащееся в поступивших данных, формирует предсказание, имеется ли на данном изображении патология. Если таковая имеется, то устройство 160 для определения патологии указывает области на изображении, содержащие патологии. Если патологии нет, то изображение не изменяется.The pathology detecting device 160 analyzes an X-ray image contained in the received data based on AI techniques and makes a prediction as to whether the image contains a pathology. If so, the pathology detecting device 160 indicates areas in the image that contain pathologies. If there is no pathology, then the image does not change.
Опционально устройство 160 для определения патологии может формировать отчет (или протокол) о результате работы, содержащий описание результата в виде текстовой информации.Optionally, the device 160 for determining the pathology can generate a report (or protocol) on the result of the work, containing a description of the result in the form of textual information.
Сформированные данные (одно или более изображений и/или отчет) отправляются обратно (напрямую или опосредованно) от устройства 160 для определения патологии в медицинскую организацию 110, запрашивавшую обработку данных. The generated data (one or more images and/or report) is sent back (directly or indirectly) from the pathology device 160 to the medical organization 110 that requested data processing.
Полученные от устройства 160 для определения патологии результаты работы предоставляются ответственному лицу, например, врачу-рентгентологу, лечащему врачу или иному медицинскому специалисту или лицу, имеющему доступ к таким сведениям и ответственному за их прием и обработку в медицинской организации 110, с помощью средства 140 просмотра, и с их использованием он принимает решение о состоянии органов грудной клетки, а именно о наличии или отсутствии той или иной патологии. При необходимости медицинский специалист с учетом полученных результатов работы устройства 160 для определения патологии может принимать решение о лечении пациента. Средство 140 просмотра на Фиг. 1 упрощенно указано как дисплей 140, однако в предпочтительном варианте оно представляет собой АРМ (автоматизированное рабочее место) врача. В иллюстративном неограничивающем примере АРМ врача может представлять собой компьютер на базе процессора Intel Core i3 или его аналога, имеющий 8 ГБ RAM, свободное дисковое пространство 40 ГБ, устройство чтения компакт-дисков DVD-R/RW, скорость сетевого соединения 5 Мбит/с, монитор с разрешением экрана 1920x1080, а просмотр может выполняться с использованием программ просмотра DICOM изображений или через web-браузер.The results of the work received from the device 160 for determining the pathology are provided to the responsible person, for example, a radiologist, the attending physician or other medical specialist or a person who has access to such information and is responsible for receiving and processing it in the medical organization 110, using the viewer 140 , and using them, he makes a decision about the state of the chest organs, namely the presence or absence of a particular pathology. If necessary, the medical specialist, taking into account the results of the device 160 for determining the pathology, can make a decision on the treatment of the patient. Viewer 140 in FIG. 1 is simplistically referred to as display 140, however, in the preferred embodiment, it is an AWP (workstation) of a physician. In an illustrative non-limiting example, a physician's workstation may be a computer based on an Intel Core i3 processor or equivalent, having 8 GB of RAM, 40 GB of free disk space, a DVD-R/RW CD-ROM drive, a network connection speed of 5 Mbps, monitor with a screen resolution of 1920x1080 and can be viewed using DICOM image viewers or through a web browser.
Тем самым, система 100 способствует повышению точности принятия врачебного решения.Thus, the system 100 helps to improve the accuracy of medical decision making.
Также возможен вариант осуществления, в котором сформированные устройством 160 для определения патологии данные отправляются не напрямую в медицинскую организацию 110, запрашивавшую обработку данных, а сначала (напрямую или через центральную медицинскую информационную систему 150) в специализированную экспертную организацию 170, производящую медицинские заключения с использованием результатов работы устройства 160 для определения патологии, или к внешнему врачу-рентгенологу 180, выполняющему функцию эксперта или консультанта. В таком случае медицинская организация 110 в ответ на отправленное рентгеновское изображение может получать от экспертной организации 170 или от внешнего врача-рентгенолога 180 (опять-таки, напрямую или через центральную медицинскую информационную систему 150) сразу готовое заключение или же предварительное заключение, которое может использоваться для принятия врачебного решения. Это позволяет снизить требования к квалификации и к рабочей нагрузке персонала медицинской организации 110 вплоть до возможности вообще не иметь в штате врача-рентгенолога, что обеспечивает существенное расширение географии возможного использования системы и позволяет получать высококвалифицированные медицинские услуги в тех местоположениях, где раньше они не были доступны из-за отсутствия персонала с надлежащей квалификацией, и с другой стороны, позволяет врачам-рентгентологам подключаться к системе из различных удаленных местоположений без привязки к конкретной медицинской организации.It is also possible that the data generated by the device 160 for determining the pathology is not sent directly to the medical organization 110 that requested data processing, but first (directly or through the central medical information system 150) to a specialized expert organization 170 that produces medical reports using the results. operation of the pathology device 160, or to an external radiologist 180 acting as an expert or consultant. In this case, the medical organization 110, in response to the sent x-ray image, can receive from the expert organization 170 or from the external radiologist 180 (again, directly or through the central medical information system 150) an immediately ready conclusion or a preliminary conclusion that can be used to make a medical decision. This allows to reduce the requirements for qualification and workload of the personnel of a medical organization 110 up to the possibility of not having a radiologist on the staff at all, which provides a significant expansion of the geography of the possible use of the system and allows you to receive highly qualified medical services in those locations where they were not available before. due to the lack of properly qualified personnel, and on the other hand, allows radiologists to connect to the system from various remote locations without being tied to a specific medical organization.
Следует понимать, что в данном документе блоки 170 и 180 упрощенно упоминаются как «экспертная организация 170» и «внешний врач-рентгенолог 180», однако технически с точки зрения системы эти блоки представляют собой оборудование/устройства для приема, просмотра, редактирования и передачи данных, которыми управляет/владеет/пользуется экспертная организация 170 и внешний врач-рентгенолог 180.It should be understood that in this document blocks 170 and 180 are simply referred to as "expert organization 170" and "external radiologist 180", however, technically, from the point of view of the system, these blocks are equipment / devices for receiving, viewing, editing and transmitting data managed/owned/used by an expert organization 170 and an external radiologist 180.
Согласно настоящему изобретению, термин “внешний” применительно к врачу-рентгенологу означает, что этот врач не состоит в штате медицинской организации 110, проводившей рентгенологическое исследование и запросившей обработку полученного снимка, и/или не находится физически в этой организации и/или не имеет доступа к МИС 130 этой организации. Кроме того, следует понимать, что термин “рентгенолог” в контексте настоящего изобретения подразумевает, что это медицинский специалист, который обладает подтвержденной квалификацией (знаниями, умениями, навыками и опытом) по анализу (интерпретации) результатов рентгенологического исследования.According to the present invention, the term "external" in relation to a radiologist means that this doctor is not on the staff of the medical organization 110 that conducted the X-ray examination and requested the processing of the resulting image, and / or is not physically located in this organization and / or does not have access to MIS 130 of this organization. In addition, it should be understood that the term “radiologist” in the context of the present invention implies that this is a medical specialist who has a proven qualification (knowledge, skills, abilities and experience) in the analysis (interpretation) of the results of an x-ray examination.
Экспертная организация 170 может представлять собой медицинскую или иную организацию, наделенную функциями по анализу медицинских изображений и составлению заключений и обладающую одним или более специалистами соответствующего профиля и надлежащей квалификации по анализу результатов рентгенологического исследования.The expert organization 170 may be a medical or other organization with the functions of analyzing medical images and drawing conclusions and having one or more specialists of the appropriate profile and appropriate qualifications for the analysis of the results of X-ray examination.
Специалисты экспертной организации 170 и внешние врачи-рентгенологи 180 могут осуществлять доступ к данным со специализированного рабочего места (АРМ врача) или с использованием иного подходящего устройства, такого как компьютер, ноутбук, смартфон, планшет, VR-шлем (шлем виртуальной реальности), VR-очки и т.д.Specialists of the expert organization 170 and external radiologists 180 can access data from a specialized workstation (doctor's workstation) or using another suitable device, such as a computer, laptop, smartphone, tablet, VR helmet (virtual reality helmet), VR -glasses, etc.
Центральная медицинская информационная система 150, указанная на Фиг. 1, экспертная организация 170 или внешний врач-рентгенолог 180 не являются обязательными элементами предложенной системы 100 поддержки принятия врачебных решений. Соответственно, в одном из вариантов осуществления медицинская организация 110 может осуществлять непосредственный обмен данными с устройством 160 для определения патологии. Это обеспечивает упрощение реализации системы 100 поддержки принятия врачебных решений. Такая реализация может быть удобна, например, для случаев, когда число медицинских организаций 110, обслуживаемых устройством 160 для определения патологии, относительно невелико, а экспертные организации 170 или внешние врачи-рентгенологи 180 вообще не привлекаются или их число также относительно невелико.The central medical information system 150 shown in FIG. 1, an expert organization 170 or an external radiologist 180 are not required elements of the proposed medical decision support system 100. Accordingly, in one embodiment, the implementation of the medical organization 110 may communicate directly with the device 160 to determine the pathology. This provides a simplified implementation of the medical decision support system 100 . Such an implementation can be convenient, for example, in cases where the number of medical organizations 110 served by the pathology device 160 is relatively small, and expert organizations 170 or external radiologists 180 are not involved at all or their number is also relatively small.
В другом варианте осуществления, когда в систему 100 поддержки принятия врачебных решений входит множество медицинских организаций 110 и/или множество устройств 160 для определения патологии, а также экспертные организации 170 или внешние врачи-рентгенологи 180, целесообразно применять центральную медицинскую информационную систему 150. Необходимо отметить, что термин “центральная” в данном случае указывает в первую очередь не на то, что это некий один-единственный центральный сервер, который замыкает на себе все возможные связи, а на то, что центральная медицинская информационная система 150 занимает место посередине, в центре между остальными участниками системы 100 поддержки принятия врачебных решений, выполняя роль промежуточной системы сбора, хранения и перераспределения данных. При этом в зависимости от требований конкретного применения центральная медицинская информационная система 150 может быть как сосредоточенной (централизованной), так и распределенной, в том числе реализованной в облаке.In another embodiment, when the medical decision support system 100 includes a plurality of medical organizations 110 and/or a plurality of pathology devices 160, as well as expert organizations 170 or external radiologists 180, it is advisable to use a central medical information system 150. It should be noted that the term “central” in this case indicates, first of all, not that this is a single central server that closes all possible connections, but that the central medical information system 150 occupies a place in the middle, in the center between the other participants in the medical decision support system 100, acting as an intermediate system for collecting, storing and redistributing data. In this case, depending on the requirements of a particular application, the central medical information system 150 can be both concentrated (centralized) and distributed, including those implemented in the cloud.
Изображения, ожидающие обработки, могут группироваться в пакеты (серии) для пересылки на устройство 160 для определения патологии. Соответственно, устройство 160 для определения патологии может выполнять пакетную обработку принятых изображений. Группировка в пакеты может выполняться как в медицинской организации 110, так и в центральной медицинской информационной системе 150. Центральная медицинская информационная система 150 может изменять размер и наполнение пакетов, полученных от медицинских организаций 110 - например, сортировать снимки по их разрешению в пикселях, по приоритету или иным параметрам и формировать новые пакеты, причем при необходимости в один и тот же пакет могут быть добавлены снимки от разных медицинских организаций 110.Images awaiting processing may be grouped into batches (series) for transfer to the device 160 for determining the pathology. Accordingly, the pathology detecting device 160 can perform batch processing of the received images. Grouping into packages can be performed both in the medical organization 110 and in the central medical information system 150. The central medical information system 150 can change the size and content of the packages received from the medical organizations 110 - for example, sort images by their resolution in pixels, by priority or other parameters and form new packages, and if necessary, images from different medical organizations 110 can be added to the same package.
В одном из вариантов осуществления центральная медицинская информационная система 150 может выполнять первичную валидацию или предобработку изображений. Также первичная валидация или предобработка возможна на стороне медицинской организации 110. Конкретные операции валидации или предобработки описываются далее в данном документе применительно к устройству для определения патологии, поэтому не раскрываются здесь подробно.In one embodiment, central health information system 150 may perform primary validation or pre-processing of images. Also, primary validation or pre-processing is possible on the side of the medical organization 110. Specific validation or pre-processing operations are described later in this document in relation to the device for determining the pathology, therefore, are not disclosed here in detail.
Структура устройства для определения патологии органов грудной клеткиThe structure of the device for determining the pathology of the chest organs
Далее со ссылкой на Фиг. 3 будет подробно описано устройство 200 для определения патологии органов грудной клетки на основе рентгеновских изображений согласно настоящему изобретению. Следует отметить, что устройство 200 для определения патологии органов грудной клетки полностью соответствует устройству 160 для определения патологии, изображенному на Фиг. 1, и имеет такие же функции и возможности, если это применимо и не противоречит описанию данного раздела.Next, with reference to FIG. 3, the device 200 for detecting chest pathology based on X-ray images according to the present invention will be described in detail. It should be noted that the chest pathology device 200 fully corresponds to the pathology device 160 shown in FIG. 1, and has the same functions and capabilities, if applicable and does not conflict with the descriptions in this section.
Устройство 200 для определения патологии содержит блок 210 приема данных, блок 220 хранения данных, блок 230 валидации данных, блок 240 подготовки изображений, блок 250 предсказания патологии, блок 260 формирования отчета, блок 270 передачи данных и блок 280 обучения. В зависимости от конкретного применения некоторые из этих блоков могут отсутствовать, как будет более подробно пояснено позднее в данном документе.The pathology determination device 200 includes a data receiving unit 210, a data storage unit 220, a data validation unit 230, an image preparation unit 240, a pathology prediction unit 250, a report generation unit 260, a data transmission unit 270, and a learning unit 280. Depending on the particular application, some of these blocks may be omitted, as will be explained in more detail later in this document.
Блок 210 приема данных принимает подлежащие обработке данные, содержащие рентгеновское изображение грудной клетки обследуемого пациента. Блок 210 приема может представлять собой отдельную микросхему, сетевую плату или иное подходящее средство, способное осуществлять связь с внешними устройствами проводным и/или беспроводным образом, например, по протоколу локальной сети (LAN), Интернет и т.д. с помощью технологий Ethernet, оптоволокна, WiFi, 4G и т.д.The data receiving unit 210 receives data to be processed containing an x-ray image of the chest of the patient being examined. The receiving unit 210 may be a separate chip, network card, or other suitable means capable of communicating with external devices in a wired and/or wireless manner, such as over a local area network (LAN) protocol, the Internet, etc. using Ethernet, fiber, WiFi, 4G, etc. technologies.
Блок 220 хранения данных хранит данные, принятые блоком 210 приема данных, с тем чтобы другие блоки устройства 200 могли ими воспользоваться в подходящий момент времени. Принятые данные могут сохраняться только на время их обработки и стираться, когда их обработка завершена. Для данных целей в одном из вариантов осуществления используется кратковременное запоминающее устройство, такое как RAM и т.п. В другом варианте осуществления принятые данные при необходимости могут сохраняться на более длительный промежуток времени, превышающий непосредственное время их обработки, и тогда может использоваться долговременное запоминающее устройство, такое как жесткий диск и т.п.The data storage unit 220 stores the data received by the data receiving unit 210 so that other units of the apparatus 200 can use it at the appropriate time. Received data can only be retained while it is being processed and erased when its processing is completed. For these purposes, in one embodiment, a short-term storage device such as RAM or the like is used. In another embodiment, the received data may be stored for a longer period of time than the immediate processing time, if necessary, and then a long-term storage device such as a hard disk or the like may be used.
Дополнительно блок 220 хранения данных может хранить кратковременно или долговременно данные и/или файлы, получаемые в результате или в процессе работы других блоков устройства.Additionally, the data storage unit 220 may store short-term or long-term data and/or files resulting from or during the operation of other units of the device.
Блок 230 валидации данных получает подлежащие обработке данные непосредственно от блока 210 приема данных или извлекает их из блока 220 хранения данных. Затем блок 230 валидации данных проверяет, являются ли принятые данные пригодными для обработки.The data validator 230 receives the data to be processed directly from the data receiving unit 210 or retrieves it from the data storage unit 220 . The data validator 230 then checks whether the received data is suitable for processing.
Как указывалось выше в разделе описания системы 100 поддержки принятия врачебных решений, часть операций валидации могут выполняться на стороне самой медицинской организации или на стороне центральной медицинской информационной системы 150. В таком случае, если устройству 200 для определения патологии известно, какие именно операции валидации уже произведены в отношении подлежащих обработке данных, блок 230 валидации данных может не выполнять эти операции, что позволяет упростить и ускорить обработку и тем самым повысить производительность. Тем не менее, в другом варианте осуществления устройству 200 для определения патологии может быть неизвестно, какие именно операции валидации уже произведены, или оно может повторно выполнять их в целях дополнительной перепроверки. Это может обеспечить повышение качества обработки.As mentioned above in the description section of the medical decision support system 100, part of the validation operations can be performed on the side of the medical organization itself or on the side of the central medical information system 150. In this case, if the device 200 for determining the pathology knows which validation operations have already been performed with regard to the data to be processed, the data validator 230 may not perform these operations, which can simplify and speed up processing, and thereby improve productivity. However, in another embodiment, the pathology device 200 may not know which validations have already been performed, or it may re-perform them for further revalidation. This can improve the processing quality.
Переходя конкретно к операциям валидации, из подлежащих обработке данных выполняется попытка извлечь изображение. Если попытка терпит неудачу, то делается вывод, что файл изображения поврежден или не может быть прочитан. Причиной этому могут быть такие факторы, как отсутствие изображения в данных, невозможность считывания метаданных, присутствие каких-либо аномальных и не учтенных значений тегов и т.д. В таком случае данные не передаются на обработку, и по ним создается соответствующее указание. Выполнение данной операции в блоке 230 валидации данных является предпочтительным, так как даже если она уже выполнялась ранее другими устройствами, данные могут быть повреждены в процессе их отправки на устройство 200 для определения патологии или могут иметь формат, по той или иной причине недоступный в данный момент устройству 200.Moving specifically to the validation operations, an attempt is made to extract an image from the data to be processed. If the attempt fails, then it is concluded that the image file is corrupted or cannot be read. The reason for this may be factors such as the absence of an image in the data, the impossibility of reading metadata, the presence of any anomalous and unaccounted for tag values, etc. In this case, the data is not transferred for processing, and a corresponding indication is created for it. It is preferable to perform this operation in the data validation block 230, since even if it has already been performed by other devices, the data may be corrupted in the process of being sent to the pathology device 200 or may be in a format that is not currently available for one reason or another. device 200.
Также может выполняться проверка, соответствуют ли данные, подлежащие обработке, тому типу обработки, который выполняется в данном устройстве 200 для определения патологии. Например, если устройство 200 для определения патологии предназначено для обработки рентгеновских снимков органов грудной клетки в прямой проекции, может выполняться проверка, содержат ли приложенные данные рентгеновский снимок органов грудной клетки в прямой проекции. Различные варианты реализации такой проверки известны специалистам в данной области техники и могут включать в себя, например, предварительно обученную нейронную сеть (нейросеть), производящую соответствующую классификацию, или иные методы компьютерного зрения. Если проверка терпит неудачу, то такие данные не передаются на обработку, и по ним создается соответствующее указание. Примеры подобных ошибок, когда исследование заявлено как рентгенограмма органов грудной клетки в прямой проекции, а на самом деле таковым не является и не может быть обработано, приводятся на Фиг. 4 и 5.It can also be checked whether the data to be processed matches the type of processing that is performed in this device 200 to determine the pathology. For example, if the pathology detecting apparatus 200 is to process AP chest X-rays, a check may be made whether the attached data contains a AP chest X-ray. Various implementations of such a check are known to those skilled in the art and may include, for example, a pre-trained neural network (neural network) that produces the appropriate classification, or other computer vision methods. If the check fails, then such data is not transferred for processing, and a corresponding indication is created for them. Examples of such errors, when the study is claimed to be an X-ray of the chest in a direct projection, but in fact it is not and cannot be processed, are shown in Fig. 4 and 5.
Кроме того, может производиться проверка, являются ли данные деперсонализированными. Для этого проверяется, содержат ли поля, которые относятся к персональным данным, какие-либо значения, и если содержат, то являются ли эти значения деперсонализированными. Например, если поле “PatientName” пустое или содержит предварительно заданное значение “0” или “Аноним”, как указано на Фиг. 2 и Фиг. 5, то считается, что это поле деперсонализировано, а поле со значением «Венера Милосская», указанное на Фиг. 4, не является деперсонализированным. Если данные не являются деперсонализированными, то соответствующее изображение не передается на обработку, и по нему создается указание о невозможности обработки.In addition, a check can be made whether the data is depersonalized. To do this, it is checked whether the fields that relate to personal data contain any values, and if so, whether these values are depersonalized. For example, if the "PatientName" field is empty or contains the predefined value "0" or "Anonymous" as indicated in FIG. 2 and FIG. 5, then this field is considered to be depersonalized, and the field with the value "Venus de Milo", indicated in FIG. 4, is not depersonalized. If the data is not depersonalized, then the corresponding image is not transferred for processing, and an indication of the impossibility of processing is generated on it.
Следует отметить, что устройство 200 для определения патологии может поддерживать несколько разных допустимых значений деперсонализированных данных, и в таком случае блок 230 валидации данных может проверять, соответствуют ли значения полей в принятых данных хотя бы одному из соответствующих поддерживаемых значений. Если значение не соответствует предварительно заданному допустимому значению, то делается предположение, что принятые данные не являются деперсонализированными. В таком случае они не передаются на обработку, и по ним создается соответствующее указание.It should be noted that the pathology device 200 may support several different valid values for the depersonalized data, in which case the data validator 230 may check if the field values in the received data match at least one of the respective supported values. If the value does not match the predefined valid value, then it is assumed that the received data is not depersonalized. In this case, they are not transferred for processing, and a corresponding indication is created for them.
Также может производиться проверка, имеет ли считанное изображение размер (разрешение в пикселях), равный или превышающий предварительно заданный минимальный размер, поддерживаемый устройством 200 – например, 1024х1024 пикселя или 800х800 пикселей, в зависимости от требований конкретного применения. Если исходное изображение имеет размер меньше минимального, то устройство 200 может не обеспечить достаточную точность, поэтому такое изображение не передается на обработку, и по нему создается соответствующее указание.It can also be checked if the captured image has a size (pixel resolution) equal to or greater than a predetermined minimum size supported by the device 200, such as 1024x1024 pixels or 800x800 pixels, depending on the requirements of the particular application. If the source image is smaller than the minimum size, then the device 200 may not be accurate enough, so the image is not submitted for processing and an indication is generated for it.
Кроме того, может выполняться проверка, является ли изображение позитивом или негативом. Различные варианты реализации такой проверки известны специалистам в данной области техники и могут включать в себя, например, предварительно обученную нейронную сеть (нейросеть), производящую соответствующую классификацию, или иные методы компьютерного зрения. Если в результате проверки выявляется, что изображение не соответствует входным требованиям устройства 200 для определения патологии, то в дальнейшем блок 240 подготовки изображений может выполнять надлежащее преобразование изображения в негатив или позитив.In addition, a check can be made whether the image is a positive or a negative. Various implementations of such a check are known to those skilled in the art and may include, for example, a pre-trained neural network (neural network) that produces the appropriate classification, or other computer vision methods. If the inspection reveals that the image does not meet the input requirements of the pathology detection device 200, then the image preparation unit 240 can subsequently perform an appropriate conversion of the image to a negative or a positive.
Валидация позволяет отсеять данные, по которым не может быть проведен анализ или же точность обработки будет иметь заведомо низкую точность. Соответственно, снижается нагрузка на самую ресурсоемкую часть анализа и повышается точность предсказания. Кроме того, отсев изображений, которые не являются деперсонализированными, обеспечивает отсутствие обработки персональных данных на стороне устройства 200, что снижает требования к его реализации и сертификации.Validation allows you to filter out data that cannot be analyzed or the accuracy of processing will have a deliberately low accuracy. Accordingly, the load on the most resource-intensive part of the analysis is reduced and the prediction accuracy is increased. In addition, screening out images that are not depersonalized ensures that no personal data is processed on the device 200 side, which reduces requirements for its implementation and certification.
Блок 240 подготовки изображений принимает из блока 220 хранения данных и/или из блока 230 валидации данных прошедшее валидацию рентгеновское изображение грудной клетки и выполняет над ним предварительные преобразования, с тем чтобы подготовить его для непосредственного использования в блоке 250 предсказания патологии.The image preparation unit 240 receives from the data storage unit 220 and/or from the data validation unit 230 the validated chest x-ray image and performs preliminary transformations on it in order to prepare it for direct use in the pathology prediction unit 250 .
В частности, выполняемая в блоке 240 подготовка изображений может заключаться в следующем.In particular, the image preparation performed in block 240 may be as follows.
Подлежащее обработке рентгеновское изображение считывается и при необходимости преобразуется в градации серого с предварительно заданной глубиной цвета. Параметры яркости и цветности исходного изображения зависят от параметров, выставленных врачом-рентгенологом при работе с рентгеновской установкой, и содержатся в метаданных изображения. Например, глубина цвета исходного изображения может составлять 12-16 бит. При этом, например, в результате считывания и преобразования в изображение с глубиной цвета 8 бит может быть получена матрица целочисленных значений пикселей от 0 до 255. Также, как указывалось выше, может выполняться надлежащее преобразование изображения в негатив или позитив.The X-ray image to be processed is read and, if necessary, converted to grayscale with a predetermined color depth. The brightness and color parameters of the original image depend on the parameters set by the radiologist when working with the X-ray unit and are contained in the image metadata. For example, the color depth of the original image may be 12-16 bits. In this case, for example, as a result of reading and converting to an image with a color depth of 8 bits, a matrix of integer pixel values \u200b\u200bfrom 0 to 255 can be obtained. Also, as mentioned above, an appropriate conversion of the image to a negative or positive can be performed.
Исходный размер рентгеновских снимков в основном является относительно большим и составляет в среднем 2500х2500 пикселей, то есть 2500 пикселей по высоте (по вертикали) и 2500 пикселей по длине (по горизонтали). Изображения в таком размере в общем случае поддаются обработке с применением методов машинного обучения, однако такие модели затрачивают очень много ресурсов.The initial size of X-ray images is generally relatively large and averages 2500x2500 pixels, that is, 2500 pixels in height (vertically) and 2500 pixels in length (horizontally). Images at this size are generally amenable to processing using machine learning methods, but such models are very resource intensive.
Кроме того, диапазон размеров входных рентгеновских изображений может быть достаточно велик, что может вызвать неудобство, если пытаться производить обработку каждого отдельного изображения непосредственно в исходном размере. В частности, становится затруднительно подобрать набор методов обработки, одинаково эффективный для разных размеров.In addition, the range of sizes of input x-ray images can be quite large, which can cause inconvenience if you try to process each individual image directly in the original size. In particular, it becomes difficult to choose a set of processing methods that are equally effective for different sizes.
В связи с этим перед обработкой больших рентгенограмм предпочтительно производить уменьшение их размера. Это позволяет без значимой потери качества значительно сократить затрачиваемые ресурсы: время, вычислительную мощность, энергопотребление. Применимы различные методы уменьшения размера - например, сжатие, кадрирование (обрезка) и т.д. Методы сжатия известны специалистам в данной области техники, поэтому подробное описание процесса сжатия здесь не приводится. Что касается обрезки изображения, она будет описана далее.In this regard, before processing large radiographs, it is preferable to reduce their size. This allows, without significant loss of quality, to significantly reduce the resources expended: time, computing power, energy consumption. Various methods of size reduction are applicable - for example, compression, cropping (cropping), etc. Compression techniques are known to those skilled in the art, so a detailed description of the compression process is not provided here. As for image cropping, it will be described later.
Например, в одном из вариантов осуществления, если медицинским специалистом, проводившим исследование, в параметрах изображения предварительно задана область интереса (VOI), то может выполняться соответствующая обрезка изображения (VOI LUT) для получения изображения, содержащего только область интереса. Например, если медицинский специалист, проводивший рентгенологическое исследование органов грудной клетки, указал область интереса, то согласно параметрам, вшитым в изображение, применяется обрезка, в результате которой на изображении остается только область легких.For example, in one embodiment, if a region of interest (VOI) is predefined in the image parameters by the medical professional performing the study, appropriate image cropping (VOI LUT) can be performed to obtain an image containing only the region of interest. For example, if the medical specialist who performed the chest x-ray has specified an area of interest, then cropping is applied according to the parameters embedded in the image, as a result of which only the lung region remains on the image.
В другом варианте осуществления в дополнение к вышеупомянутой обрезке VOI LUT или вместо нее выполняется поиск области легких на изображении и кадрирование изображения путем отсечения частей изображения, не входящих в найденную область легких.In another embodiment, in addition to or instead of the aforementioned VOI LUT cropping, a lung region is searched for in the image and the image is cropped by cutting off parts of the image that are not included in the found lung region.
Для этого сначала размер входного изображения приводится к единому первому размеру. Первый размер изображения является предварительно заданным – например, 800x800 пикселей. Выбранное значение зависит от требований конкретного применения и производительности используемого оборудования.To do this, first the size of the input image is reduced to a single first size. The first image size is predefined - for example, 800x800 pixels. The value chosen depends on the requirements of the particular application and the performance of the equipment being used.
В частности, на стадии проектирования может производиться оценка того, какой наименьший размер рентгеновского изображения может поступать в устройство 200 от медицинской организации 110 и/или от центральной медицинской информационной системы 150, и в соответствии с этим задаваться вышеупомянутый первый размер, который меньше или равен наименьшему возможному размеру входного рентгеновского изображения.In particular, at the design stage, an assessment can be made of what is the smallest size of the x-ray image that can enter the device 200 from the medical organization 110 and / or from the central medical information system 150, and in accordance with this, the aforementioned first size is set, which is less than or equal to the smallest possible size of the input x-ray image.
Тем не менее, на практике возможны также ситуации, когда наименьший возможный размер входного рентгеновского изображения слишком мал или принцип “меньше меньшего” по тем или иным причинам не подходит для отдельно взятого конкретного применения. Тогда первый размер, к которому приводятся все входные рентгеновские изображения, может быть задан по иному принципу, и в таком сценарии часть входных изображений будут сжиматься, часть растягиваться, а часть оставаться без изменения.However, in practice there are also situations where the smallest possible size of the input x-ray image is too small or the principle of "less than less" for one reason or another is not suitable for a particular application. Then the first size, to which all input X-ray images are reduced, can be set according to a different principle, and in such a scenario, some of the input images will be compressed, some will be stretched, and some will remain unchanged.
Затем выполняется кадрирование (crop, кроп) изображения таким образом, чтобы оно охватывало только легкие. В частности, изображение анализируется по отдельности разными методами распознавания образов – например, методом Виолы-Джонса с применением каскадного классификатора на основе признаков Хаара (Haar Cascades), методом гистограммы направленных градиентов (Histogram of Oriented Gradients, HOG) и методом на основе локальных бинарных шаблонов (Local Binary Patterns, LBP), в результате чего формируется несколько прямоугольников, каждый из которых указывает область, которая охватывает только правое и левое легкое. Соотношение сторон прямоугольников зависит от размера и формы легких. Анализ может выполняться параллельно, последовательно или иным подходящим образом. Используемые алгоритмы распознавания образов должны быть предварительно обученными для распознавания легких на изображении, имеющем первый размер.Then cropping (crop, crop) of the image is performed so that it covers only the lungs. In particular, the image is analyzed separately by different pattern recognition methods - for example, the Viola-Jones method using a cascade classifier based on Haar features (Haar Cascades), the Histogram of Oriented Gradients (HOG) method, and the method based on local binary patterns (Local Binary Patterns, LBP), resulting in the formation of several rectangles, each of which indicates an area that covers only the right and left lung. The aspect ratio of the rectangles depends on the size and shape of the lungs. The analysis may be performed in parallel, sequentially, or in any other suitable manner. The pattern recognition algorithms used must be pre-trained to recognize lungs in an image having a first dimension.
Упомянутые выше метод Виолы-Джонса, метод гистограммы направленных градиентов и метод на основе локальных бинарных шаблонов являются несколько более быстрыми по сравнению с традиционными сверточными нейронными сетями и требуют несколько меньшей обучающей выборки.The Viola-Jones method, the directed gradient histogram method, and the local binary template method mentioned above are somewhat faster than traditional convolutional neural networks and require a slightly smaller training set.
Метод Виолы-Джонса имеет очень высокую точность, когда распознаваемый объект на изображении имеет угол поворота не более 30-35 градусов. Соответственно, он хорошо применим для анализа рентгеновских снимков, так как положение пациента типизировано для получения изображения, например, в прямой проекции или в боковой проекции.The Viola-Jones method has a very high accuracy when the recognizable object in the image has a rotation angle of no more than 30-35 degrees. Accordingly, it is well applicable to the analysis of X-ray images, since the position of the patient is typed to obtain an image, for example, in frontal projection or in lateral projection.
Метод гистограммы направленных градиентов слабо чувствителен к смещению, изменению масштаба и яркости изображения и несколько чувствителен к перемене ориентации объекта. Тем не менее, по указанным выше причинам он также хорошо применим для анализа рентгеновских снимков.The directional gradient histogram method is weakly sensitive to displacement, scale and brightness of the image and somewhat sensitive to changes in object orientation. However, for the reasons mentioned above, it is also well applicable to the analysis of X-ray images.
Методы на основе локальных бинарных шаблонов в целом имеют высокую скорость и точность распознавания, а также слабо чувствительны к яркости изображения и к перемене ориентации объекта.Methods based on local binary templates generally have high recognition speed and accuracy, and are also weakly sensitive to image brightness and object orientation changes.
Затем строится один общий прямоугольник (см. пример на Фиг. 6A), который включает в себя все ранее полученные прямоугольники (1, 2 и 3 для правого и левого легкого). Входное (приведенное к первому размеру) изображение кадрируется до данного общего прямоугольника, остальные области изображения отбрасываются, поэтому кадрированное изображение содержит только область легких (см. пример на Фиг. 6B). В одном из вариантов осуществления каждая сторона общего прямоугольника содержит в себе по меньшей мере одну из сторон прямоугольников, полученных в результате анализа изображения, при этом ни одна из сторон этих прямоугольников не выступает за пределы общего прямоугольника.Then one general rectangle is built (see example in Fig. 6A), which includes all previously obtained rectangles (1, 2 and 3 for the right and left lung). The input (reduced to the first size) image is cropped to this general rectangle, the remaining areas of the image are discarded, so the cropped image contains only the lung region (see example in Fig. 6B). In one embodiment, each side of the general rectangle contains at least one of the sides of the rectangles obtained as a result of image analysis, with none of the sides of these rectangles protruding beyond the general rectangle.
Результаты разных методов распознавания образов в общем случае не являются идентичными (в примере на Фиг. 6A прямоугольники 1, 2 и 3 отличаются), поэтому такое объединение результатов позволяет охватить легкие полностью без ошибочного отсечения их частей, но в то же время и сфокусироваться именно на области легких, отбросив области, не представляющие интерес для данного исследования.The results of different pattern recognition methods are generally not identical (in the example in Fig. 6A, rectangles 1, 2, and 3 are different), so this combination of results allows you to cover the lungs completely without erroneously cutting off their parts, but at the same time focus on areas of the lungs, excluding areas that are not of interest for this study.
Кроме того, существует вероятность, что один или два из используемых методов распознавания образов не смогут найти легкое на изображении. Вместе с тем вероятность того, что все три метода не найдут легкое, крайне мала. Следовательно, использование сразу нескольких методов распознавания образов является оправданным, так как обеспечивается защита от потери данных и повышение точности предсказания.In addition, there is a chance that one or two of the pattern recognition methods used will not be able to find the lung in the image. However, the probability that all three methods will not find the lung is extremely small. Therefore, the use of several methods of pattern recognition at once is justified, since it provides protection against data loss and increases the accuracy of prediction.
Возможны также и другие варианты осуществления, когда вокруг полученных в результате анализа прямоугольников, как это показано на Фиг. 6A, дополнительно захватывается небольшая пограничная зона (отступ) в один или более пикселей, если выбранные конкретные методы анализа недостаточно точны и могут привести к потере областей интереса. Размеры отступов вверх, вниз, вправо и влево могут отличаться. Оптимальные размеры отступов могут подбираться в зависимости от результатов, демонстрируемых обученными алгоритмами, и требований к точности. В конкретном неограничивающем примере, если размер обрабатываемого изображения составляет 512х512 пикселей и применяются все три вышеупомянутых метода распознавания образов, отступ может составлять 15 пикселей (или менее, если отступ выходит за границу изображения). Это позволяет избежать потери данных и повысить точность предсказания.Other embodiments are also possible, when around the rectangles obtained as a result of the analysis, as shown in FIG. 6A, a small marginal zone (padding) of one or more pixels is additionally captured if the particular analysis methods chosen are not precise enough and may result in the loss of regions of interest. The size of the indents up, down, right and left may vary. The optimal indent sizes can be selected depending on the results demonstrated by the trained algorithms and the requirements for accuracy. In a specific non-limiting example, if the image being processed is 512x512 pixels and all three of the above pattern recognition methods are applied, the padding may be 15 pixels (or less if the padding extends beyond the image boundary). This avoids data loss and improves prediction accuracy.
Соотношение сторон изображения легких, полученного в результате кадрирования (то есть общего прямоугольника) (Фиг. 6B), зависит от размера и формы легких. Для дальнейшей обработки требуется привести его к единому формату. Для этого размер изображения изменяется до второго размера. Второй размер изображения является предварительно заданным – например, в виде квадрата 224x224, 320x320 или 512x512 пикселей. Выбранное значение зависит от требований конкретной применяемой далее нейросети. Что касается указанного выше первого размера изображения (800x800 пикселей), он позволяет существенно уменьшить размер исходного изображения для ускорения обработки, но при этом получить в результате кадрирования по-прежнему относительно большое изображение, которое не пришлось бы в большинстве случаев растягивать для приведения ко второму размеру, что потенциально могло бы уменьшить точность обработки.The aspect ratio of the cropped lung image (ie, the overall rectangle) (FIG. 6B) depends on the size and shape of the lungs. For further processing, it is required to bring it to a single format. To do this, the image is resized to the second size. The second image size is predefined - for example, in the form of a square 224x224, 320x320 or 512x512 pixels. The selected value depends on the requirements of the specific neural network used further. As for the first image size (800x800 pixels) mentioned above, it allows you to significantly reduce the size of the original image to speed up processing, but at the same time get a relatively large image as a result of cropping, which in most cases would not have to be stretched to bring it to the second size , which could potentially reduce processing accuracy.
Приведенное ко второму размеру изображение подвергается нормализации. В частности, значения пикселей из исходного диапазона (например, [0…255]) приводятся к диапазону, требуемому применяемой далее нейросетью (например, [0…1]). Различные методы нормализации известны специалистам в данной области техники и не раскрываются здесь подробно. В иллюстративном неограничивающем примере может применяться простая нормализация (Х-Хmin)/(Xmax-Xmin), где Х – это значение текущего пикселя, а Хmin и Xmax – это минимальное и максимальное значения пикселей в нормализуемом изображении.The image brought to the second size is subjected to normalization. In particular, pixel values from the original range (for example, [0…255]) are reduced to the range required by the neural network applied further (for example, [0…1]). Various normalization methods are known to those skilled in the art and are not detailed here. In an illustrative non-limiting example, simple normalization (X-Xmin)/(Xmax-Xmin) can be applied, where X is the value of the current pixel, and Xmin and Xmax are the minimum and maximum pixel values in the image being normalized.
Следует понимать, что возможны варианты осуществления, в которых нормализация изображения может быть выполнена и на более ранней стадии – например, еще до первого сжатия изображения. Тем не менее, предпочтительно выполнять ее после приведения кадрированного изображения ко второму размеру, так как это позволяет повысить точность на каждом из предыдущих этапов подготовки (предварительной обработки) изображения, а также несколько снизить объем вычислений, производимых непосредственно при нормализации.It should be understood that embodiments are possible in which image normalization can be performed at an earlier stage - for example, even before the first image compression. Nevertheless, it is preferable to perform it after bringing the cropped image to the second size, since this allows you to increase the accuracy at each of the previous stages of image preparation (pre-processing), as well as somewhat reduce the amount of calculations performed directly during normalization.
Тем самым, создается изображение, подготовленное к дальнейшей обработке.Thus, an image is created, prepared for further processing.
Блок 250 предсказания патологии принимает из блока 220 хранения данных и/или из блока 240 подготовки изображений подготовленное рентгеновское изображение грудной клетки, ограниченное областью легких, и анализирует его. В частности, блок 250 предсказания патологии с использованием предварительно обученной нейронной сети определяет наличие или отсутствие патологии и при ее наличии определяет наиболее вероятные границы, в пределах которых она расположена.The pathology prediction unit 250 receives from the data storage unit 220 and/or from the image preparation unit 240 the prepared chest x-ray image limited to the lung region and analyzes it. In particular, the pathology predictor 250, using a pretrained neural network, determines the presence or absence of a pathology and, if present, determines the most likely boundaries within which it is located.
Существует ряд патологических состояний органов грудной клетки, которые могут быть идентифицированы по рентгеновскому изображению врачом. Создание устройства, которое на основе ИИ анализировало бы снимки и выдавало точное указание для каждой из множества возможных патологий, является затруднительным и представляется нецелесообразным, поскольку многие патологии имеют схожие между собой признаки, и одного лишь деперсонализированного снимка для более детального предсказания часто бывает недостаточно, даже если нейронные сети обучены на больших качественно размеченных наборах данных.There are a number of pathological conditions of the chest organs that can be identified by an x-ray image by a doctor. Creating an AI-based device that would analyze images and give an accurate indication for each of the many possible pathologies is difficult and impractical, since many pathologies have similar signs, and a depersonalized image alone is often not enough for a more detailed prediction, even if neural networks are trained on large qualitatively labeled data sets.
Соответственно, в данном изобретении предлагается не анализировать дифференцированную вероятность конкретной патологии, а вместо этого определять вероятность наличия хотя бы одного рентгенологического признака из следующего перечня:Accordingly, in this invention it is proposed not to analyze the differentiated probability of a particular pathology, but instead to determine the probability of the presence of at least one radiological sign from the following list:
- Плевральный выпот;- Pleural effusion;
- Пневмоторакс;- Pneumothorax;
- Ателектаз;- Atelectasis;
- Очаг затемнения;- Center of blackout;
- Инфильтрация/консолидация;- Infiltration/consolidation;
- Диссеминация;- dissemination;
- Полость с распадом;- Cavity with decay;
- Полость с уровнем жидкости;- Cavity with liquid level;
- Кальцинат/кальцинированная тень в легких; - Calcification / calcified shadow in the lungs;
- Нарушение целостности кортикального слоя.- Violation of the integrity of the cortical layer.
Следует отметить, что термин «пневмония» объединяет большую группу болезней, каждая из которых имеет свою этиологию, патогенез, клиническую картину, рентгенологические признаки, характерные данные лабораторных исследований и особенности терапии. Учитывая, что многие из перечисленных выше рентгенологических признаков могут наблюдаться при пневмонии, настоящее изобретение позволяет выявлять в числе прочего признаки пневмонии.It should be noted that the term "pneumonia" unites a large group of diseases, each of which has its own etiology, pathogenesis, clinical picture, radiological signs, characteristic laboratory data and therapy features. Considering that many of the radiological signs listed above can be observed in pneumonia, the present invention allows, among other things, to detect signs of pneumonia.
Врач, получивший результат вышеуказанного определения, имеющий определенный опыт, а также при необходимости располагающий дополнительной информацией о пациенте, такой как анамнез, история болезни, жалобы, физическое состояние, результаты анализов и т.д., может иметь более полную картину и сделать более точное заключение. Соответственно, следует отметить, что результат работы предложенного устройства не является клинически значимым медицинским заключением, а применяется для поддержки принятия врачебных решений, при этом клиническое заключение должно приниматься врачом-рентгенологом.A doctor who has received the result of the above determination, has some experience, and also, if necessary, has additional information about the patient, such as anamnesis, medical history, complaints, physical condition, test results, etc., can have a more complete picture and make more accurate conclusion. Accordingly, it should be noted that the result of the operation of the proposed device is not a clinically significant medical opinion, but is used to support medical decision-making, while the clinical opinion should be taken by a radiologist.
Выполняемая в блоке 250 обработка изображений может заключаться в следующем.The image processing performed in block 250 may be as follows.
Нейронная сеть интерпретирует полученное изображение с целью выявления признаков патологий, при этом в качестве результата работы выдается вероятность наличия хотя бы одного рентгенологического признака из вышеуказанного перечня.The neural network interprets the resulting image in order to identify signs of pathologies, while the result of the work is the probability of having at least one radiological sign from the above list.
На выходе нейронной сети может выводиться, например, двоичное число, указывающее, имеется ли патология на данном снимке. «0» может указывать на отсутствие патологии (то есть на то, что пациент здоров), а «1» может указывать на наличие патологии. Возможно также и обратное указание, где «1» - здоров, «0» - вероятно, болен. В другом варианте осуществления на выходе нейронной сети может выводиться число в некотором диапазоне, например, от 0 до 1 или от 0 до 100, указывающее вероятность наличия патологии. Также возможен текстовый формат указания.At the output of the neural network, for example, a binary number can be displayed indicating whether there is a pathology in this image. "0" may indicate the absence of pathology (that is, that the patient is healthy), and "1" may indicate the presence of pathology. The reverse indication is also possible, where “1” is healthy, “0” is probably sick. In another embodiment, the output of the neural network may be a number in a range, such as 0 to 1 or 0 to 100, indicating the likelihood of pathology. A text format of the indication is also possible.
Далее будет более подробно описано предварительное обучение модели. В частности, оно производится по методу обучения с учителем на основе множества рентгеновских изображений, которые были заранее обработаны и размечены медицинскими специалистами, обладающими достаточной квалификацией - например, врачами-рентгенологами. В частности, в результате визуального изучения изображений врач указывает, имеется ли на представленном изображении патология. Например, «0» может указывать на отсутствие патологии (то есть на то, что пациент здоров), а «1» может указывать на наличие патологии, или наоборот. Это делает либо врач вручную, либо считывание производится автоматически из данных о пациенте, сохраненных в медицинской информационной системе 130 медицинской организации 110 или в центральной медицинской информационной системе 150, либо из метаданных изображения, если они содержат эти сведения, и т.д. Добавление меток вручную может происходить путем анализа текста описания снимка врачом, на основании которого составлялось заключение о наличии/отсутствии патологии на снимке. Также возможно автоматическое распознавание имеющихся текстов описаний к снимкам/на снимках, однако следует понимать, что точность распознавания в общем случае не равна 100%, что снижает степень доверия к такой разметке и вносит потенциальные ошибки в процесс обучения.Next, the pre-training of the model will be described in more detail. In particular, it is produced by a supervised learning method based on a plurality of x-ray images that have been pre-processed and labeled by medical professionals with sufficient qualifications, such as radiologists. In particular, as a result of a visual examination of the images, the doctor indicates whether there is a pathology in the presented image. For example, "0" may indicate the absence of pathology (that is, that the patient is healthy), and "1" may indicate the presence of pathology, or vice versa. This is done either manually by the doctor, or is read automatically from the patient data stored in the medical information system 130 of the medical organization 110 or in the central medical information system 150, or from the image metadata if it contains this information, etc. Adding labels manually can be done by analyzing the image description text by the doctor, on the basis of which a conclusion was made about the presence / absence of pathology in the image. It is also possible to automatically recognize existing description texts for images/images, however, it should be understood that the recognition accuracy in the general case is not equal to 100%, which reduces the degree of confidence in such markup and introduces potential errors in the learning process.
Процессом обучения нейронной сети управляет блок 280 обучения посредством применения алгоритма обучения к обучаемой нейронной сети с использованием обучающих данных. Указания (разметка) от врача используются обучаемой нейронной сетью в качестве истинных данных (ground truth). Например, в одном варианте осуществления разметка может представлять собой число: «1» (болен). В другом варианте осуществления разметка может представлять собой иное значение – например, «здоров».The learning process of the neural network is controlled by the learning block 280 by applying a learning algorithm to the trained neural network using the training data. Instructions (markup) from the doctor are used by the trained neural network as ground truth. For example, in one embodiment, the markup may be a number: "1" (sick). In another embodiment, the markup may be a different value, such as "healthy".
В иллюстративном варианте осуществления 70% взятых для обучения изображений могут использоваться непосредственно для обучения, а 30% для тестирования модели. В другом варианте осуществления может использоваться иное соотношение, более подходящее для целей обучения конкретной нейросети. Например, для обучения нейросети изображения могут быть разделены на обучающую, валидационную и тестовую выборки. Размер обучающей выборки может составлять 70%, размер валидационной выборки может составлять 15%, и размер тестовой выборки может составлять 15% от изображений, поданных на обучение. Конкретные соотношения зависят от количества обучающих снимков и предназначены для проверки обобщаемой модели – происходит проверка, в какой мере результаты исследования применимы к новым данным, перед использованием модели в рабочем режиме в медицинской организации.In an exemplary embodiment, 70% of the training images can be used directly for training and 30% for model testing. In another embodiment, a different ratio may be used, more suitable for the purposes of training a particular neural network. For example, to train a neural network, images can be divided into training, validation, and test sets. The training set size can be 70%, the validation set size can be 15%, and the test set size can be 15% of the images submitted for training. Specific ratios depend on the number of training images and are intended to test the generalized model - the extent to which the results of the study are applicable to new data is checked before using the model in production mode in a medical organization.
В процессе обучения изображения подготавливаются аналогично тому, как было описано выше применительно к блоку 240, и подаются на вход нейросети, при этом используются изображения как с наличием, так и с отсутствием патологий. На каждом шаге обучения нейронная сеть рассчитывает предсказания для одного или более изображений. Эти предсказания сравниваются с указанием истинного наличия/отсутствия патологии, и рассчитывается значение функции потерь (насколько сильно нейронная сеть ошиблась в выявлении наличия патологии). Далее, с помощью метода градиентного спуска и алгоритма обратного распространения ошибки (backpropagation) все веса (весовые коэффициенты) нейронной сети изменяются в соответствии с выбранным параметром скорости обучения в направлении, обратном вычисленному градиенту, для того чтобы минимизировать ошибку на текущем(их) изображении(ях). Этот шаг повторяется многократно, и в результате процесса обучения веса нейронной сети сходятся к оптимальным. В дальнейшем эти веса используются сетью в процессе работы устройства для выявления патологий на входных изображениях, которые не подвергались разметке.During the learning process, images are prepared in the same way as described above with respect to block 240, and fed to the input of the neural network, using images with both the presence and absence of pathologies. At each training step, the neural network calculates predictions for one or more images. These predictions are compared with the indication of the true presence/absence of pathology, and the value of the loss function is calculated (how badly the neural network was wrong in detecting the presence of pathology). Further, using the gradient descent method and the backpropagation algorithm, all weights (weight coefficients) of the neural network are changed in accordance with the selected learning rate parameter in the direction opposite to the calculated gradient in order to minimize the error on the current image(s) ( I). This step is repeated many times, and as a result of the learning process, the weights of the neural network converge to the optimal ones. In the future, these weights are used by the network during the operation of the device to detect pathologies in the input images that have not been labeled.
В одном из вариантов осуществления выходные данные блока 250 предсказания патологии, то есть указание вероятности наличия патологии, являются конечным результатом работы устройства 200 и используются далее другими устройствами – например, сохраняются в блоке 220 хранения данных, откуда в дальнейшем могут извлекаться по запросу от других устройств, и/или отправляются в блок 270 передачи данных, который передает этот результат в другое устройство – например, в центральную медицинскую информационную систему 150 или в медицинскую организацию 110, запрашивавшую обработку данных.In one of the embodiments, the output data of the pathology prediction block 250, that is, an indication of the probability of the presence of a pathology, is the end result of the operation of the device 200 and is further used by other devices - for example, stored in the data storage block 220, from which it can later be retrieved upon request from other devices , and/or sent to the data transfer unit 270, which transmits this result to another device - for example, to the central medical information system 150 or to the medical organization 110 that requested data processing.
В другом варианте осуществления выходные данные блока 250 предсказания патологии также передаются в блок 260 формирования отчета, который формирует отчет об исследовании, проведенном в устройстве 200. Отчет об исследовании может содержать по меньшей мере одно из следующего: а) изображение с визуализацией патологии; б) текстовый протокол исследования.In another embodiment, the output of the pathology predictor 250 is also passed to a report generator 260, which generates a report on the examination performed on the device 200. The examination report may comprise at least one of the following: a) a pathology image; b) text protocol of the study.
Изображение с визуализацией патологии может формироваться для тех рентгеновских изображений, для которых в результате анализа была выявлена вероятность наличия патологии, превышающая предварительно заданную пороговую вероятность наличия патологии, что указывает на то, что рентгенологу следует обратить внимание на такой снимок. Пороговая вероятность наличия патологии в общем случае составляет 0,5 (или 50%), но в зависимости от показателей точности конкретной обученной модели и от степени доверия к ней может варьироваться при практическом применении как в меньшую, так и в большую сторону. Например, медицинская организация может специализироваться на лечении таких заболеваний, раннее выявление которых является критически важным с точки зрения прогноза лечения, поэтому может запрашивать визуализированные изображения, если устройством выявлена вероятность наличия патологии всего 10% и более. В другом примере медицинская организация может быть прикреплена к предприятию, и основной контингент ее пациентов может иметь профессиональные хронические заболевания органов грудной клетки, и некоторые изменения на снимках у таких пациентов могут считаться допустимыми, поэтому визуализация может запрашиваться только для случаев, когда устройством выявлена вероятность наличия патологии 60% и более. Следует отметить, что возможно множество иных ситуаций, которые не перечислены в данном документе, но входят в объем данного изобретения. Возможность выбора пороговой вероятности наличия патологии позволяет адаптировать результаты работы предложенного устройства 200 к различным конкретным применениям, например, чтобы снизить нагрузку на медицинский персонал и при этом обеспечить раннее выявление патологий с необходимой точностью.A pathology image can be generated for those x-ray images for which the analysis revealed a probability of pathology that exceeds a predetermined threshold probability of pathology, which indicates that the radiologist should pay attention to such an image. The threshold probability of the presence of a pathology in the general case is 0.5 (or 50%), but depending on the accuracy of a particular trained model and the degree of confidence in it, it can vary in practical application both up and down. For example, a medical organization may specialize in the treatment of diseases, the early detection of which is critical in terms of treatment prognosis, so it may request imaging images if the device detects a probability of pathology of only 10% or more. In another example, a medical organization may be attached to an enterprise, and the main contingent of its patients may have occupational chronic diseases of the chest, and some changes in the images in such patients may be considered acceptable, so imaging may be requested only for cases where the device has detected the likelihood of having pathology 60% or more. It should be noted that many other situations are possible, which are not listed in this document, but are included in the scope of this invention. The ability to select a threshold probability of the presence of pathology allows the results of the proposed device 200 to be adapted to various specific applications, for example, to reduce the burden on medical personnel and at the same time provide early detection of pathologies with the required accuracy.
Изображение с визуализацией патологии представляет собой копию проанализированного изображения, на которое наложено указание найденных признаков патологий. Например, в случае использования формата DICOM оно может быть сформировано в виде DICOM Secondary Capture (вторичный снимок DICOM).An image with visualization of pathology is a copy of the analyzed image, on which an indication of the found signs of pathologies is superimposed. For example, in the case of using the DICOM format, it can be generated as a DICOM Secondary Capture (secondary DICOM snapshot).
Возможны различные варианты визуализации. В одном из вариантов осуществления визуализация может выполняться в виде тепловой карты, на которой выполняется более интенсивное выделение тех точек и/или областей, которые представляют больший интерес с точки зрения наличия патологий, менее интенсивное выделение тех точек и/или областей, которые представляют меньший интерес, а те области, которые, предположительно, не содержат патологии, не выделяются. Принцип выделения может быть различным - так, выделение может выполняться с помощью градиента одного и того же цвета (например, оттенки красного или оранжевого), с помощью градиентного перехода от одних цветов к другим цветам (например, от желтого к красному), с помощью точного указания цвета (например, голубой – меньшая вероятность, синий – большая вероятность), с помощью размера точки (например, чем меньше вероятность, тем меньше точка) и т.д. Применимы различные методы построения тепловых карт - например, повышенные характеристики показывает комбинация из двух методов: Grad-CAM (взвешенная комбинация карт активации классов на основе градиентов) и Saliency maps (карты значимости). В частности, каждый из этих методов по отдельности анализирует входное изображение нейронной сети и активации (числа) внутри нейронной сети, которые были получены при прогоне через нее этого изображения, после чего результаты работы методов объединяются, и строится общая тепловая карта, пример которой изображен на Фиг. 7.Various visualization options are possible. In one of the embodiments, the visualization can be performed in the form of a heat map, on which more intensive selection of those points and/or areas that are of greater interest in terms of the presence of pathologies is performed, less intense selection of those points and/or areas that are of less interest , and those areas that, presumably, do not contain pathology, are not highlighted. The principle of selection can be different - for example, selection can be performed using a gradient of the same color (for example, shades of red or orange), using a gradient transition from one color to another (for example, from yellow to red), using an exact specifying a color (for example, blue - less likely, blue - more likely), using the size of the dot (for example, the lower the probability, the smaller the dot), etc. Various methods for constructing heat maps are applicable - for example, a combination of two methods shows increased performance: Grad-CAM (a weighted combination of class activation maps based on gradients) and Saliency maps (significance maps). In particular, each of these methods separately analyzes the input image of the neural network and the activations (numbers) inside the neural network that were obtained when running this image through it, after which the results of the methods are combined, and a general heat map is built, an example of which is shown in Fig. 7.
Тепловые карты позволяют регулировать степень внимания, которую медицинскому специалисту следует обратить при изучении той или иной области на снимке, избавляя от необходимости детального визуального осмотра всего изображения. Таким образом, обеспечивается снижение нагрузки на медицинский персонал.Heat maps allow you to adjust the amount of attention that a medical specialist should pay when studying a particular area in the image, eliminating the need for a detailed visual inspection of the entire image. Thus, the burden on medical personnel is reduced.
Тем не менее, возможны ситуации, когда тепловая карта является недостаточно точной, и в таком случае врачу, наоборот, приходится тратить время на изучение такой области, которая не представляет интереса. Также выяснилось, что в некоторых реализациях тепловые карты загромождают собой изображение, вследствие чего специалисту приходится тратить время на то, чтобы просматривать одновременно два изображения: как исходное изображение, так и изображение с нанесенной на него тепловой картой.However, there are situations when the heat map is not accurate enough, in which case the doctor, on the contrary, has to spend time studying an area that is not of interest. It also turned out that in some implementations, heat maps clutter up the image, as a result of which the specialist has to spend time viewing two images at the same time: both the original image and the image with the heat map applied to it.
Соответственно, в другом варианте осуществления настоящего изобретения визуализация может выполняться в виде очертания границ (или контуров), охватывающих одну или более областей на изображении, на которой имеется вероятность наличия патологии, или иными словами, на которой блоком 250 предсказания патологии обнаружены признаки патологии. Для реализации такого подхода могут использоваться разные методы компьютерного зрения, анализирующие состояние нейронной сети блока 250 предсказания патологии. Например, как указывалось выше, повышенные характеристики показывает комбинация из двух методов: метода Grad-CAM (взвешенная комбинация карт активации классов на основе градиентов) и Saliency maps (карты значимости). К построенной на их основе тепловой карте применяется предварительно заданное пороговое значение теплоты, по которому и чертится контур (например, 0,25, 0,3 и т.п.). Таким образом, образуются замкнутые контуры, которые охватывают области с теплотой, равной или превышающей порог, тогда как области с теплотой, которая ниже порога, отбрасываются. Сами тепловые карты на изображение не наносятся, на нем визуализируются только контуры, как показано в примере на Фиг. 8.Accordingly, in another embodiment of the present invention, the visualization may be performed as a delineation of boundaries (or contours) covering one or more areas in the image in which there is a possibility of pathology, or in other words, in which signs of pathology are detected by the pathology predictor 250 . To implement this approach, various computer vision methods can be used that analyze the state of the neural network of the pathology predictor 250 . For example, as mentioned above, increased performance is shown by a combination of two methods: the Grad-CAM method (a weighted combination of class activation maps based on gradients) and Saliency maps (significance maps). A predetermined threshold value of heat is applied to the heat map built on their basis, according to which the contour is drawn (for example, 0.25, 0.3, etc.). In this way, closed loops are formed that enclose regions with heat equal to or above the threshold, while regions with heat below the threshold are discarded. The heat maps themselves are not applied to the image, only the contours are rendered on it, as shown in the example in Fig. 8.
Изображение с нанесенными на него очертаниями границ возможных патологий, по-прежнему, позволяет снизить нагрузку на медицинский персонал, при этом достаточно изучать только его, не обращаясь к исходному изображению. Кроме того, такой подход позволяет сгладить неточности в определении областей интереса.The image with the outlines of the boundaries of possible pathologies printed on it, as before, makes it possible to reduce the burden on medical personnel, while it is enough to study only it without referring to the original image. In addition, this approach makes it possible to smooth out inaccuracies in the determination of areas of interest.
В одном варианте осуществления указание найденных признаков патологий в виде тепловой карты или границ патологий может накладываться на копию изображения, которое непосредственно анализировалось нейронной сетью, то есть на изображение, которое по сравнению с исходным рентгеновским изображением, полученным в подлежащих обработке данных, подверглось сжатию, кадрированию и приведению к единому размеру. Это упрощает процесс визуализации патологии, но в таком случае полученное изображение отличается от первоначального, поэтому это может вызывать некоторое неудобство врача-рентгенолога, сопоставляющего эти два изображения.In one embodiment, an indication of the found signs of pathologies in the form of a heat map or pathological boundaries can be superimposed on a copy of the image that was directly analyzed by the neural network, that is, on the image that, compared with the original X-ray image obtained in the data to be processed, was compressed, cropped and bringing them to the same size. This simplifies the process of visualizing the pathology, but in this case the resulting image differs from the original, so this may cause some inconvenience for the radiologist comparing these two images.
В другом варианте осуществления указание найденных признаков патологий в виде тепловой карты или границ патологий может накладываться на исходное рентгеновское изображение, полученное в подлежащих обработке данных. Для реализации этого подхода параметры всех преобразований, выполнявшихся над исходным изображением и связанных с изменением его размера, смещением, поворотом, обрезкой и кадрированием, сохраняются блоком 240 подготовки изображений - например, в блоке 220 хранения. После отработки методов поиска признаков патологий получается визуализация патологии в виде тепловой карты или границ патологий с привязкой к размерам, форме и положению изображения, которое непосредственно анализировалось нейронной сетью. К полученной визуализации в обратном порядке применяются преобразования, обратные вышеуказанным сохраненным преобразованиям, с тем чтобы получить в результате визуализацию патологии с привязкой к размерам, форме и положению исходного рентгеновского изображения. Затем такая визуализация накладывается на копию исходного изображения. Это несколько усложняет обработку, но позволяет снизить время на анализ изображения врачом-рентгенологом и повысить точность идентификации патологий. Особенно это применимо к тепловым картам, когда сопоставление исходного изображения и изображения с визуализацией патологии во многом является насущной необходимостью для врача-рентгенолога.In another embodiment, an indication of the found signs of pathologies in the form of a heat map or the boundaries of pathologies can be superimposed on the original x-ray image obtained in the data to be processed. To implement this approach, the parameters of all transformations performed on the original image and associated with changing its size, shifting, rotating, cropping and cropping are stored by the image preparation block 240 - for example, in the storage block 220 . After working out the methods for searching for signs of pathologies, a visualization of the pathology is obtained in the form of a heat map or the boundaries of pathologies with reference to the size, shape and position of the image, which was directly analyzed by the neural network. The reverse transformations of the above stored transformations are applied to the resulting imaging in order to obtain a pathology imaging with reference to the size, shape and position of the original x-ray image. Then such visualization is superimposed on a copy of the original image. This somewhat complicates the processing, but reduces the time for image analysis by a radiologist and improves the accuracy of pathology identification. This is especially applicable to heat maps, when the comparison of the original image and the image with the visualization of the pathology is in many ways an urgent need for the radiologist.
При необходимости изображение с визуализацией патологии может содержать в текстовом виде указание вероятности наличия патологии, полученное в результате работы первой нейросети блока 250 предсказания патологии. Тем самым, уменьшается необходимость изучать какие-либо иные изображения или файлы, в том числе исходное изображение и/или файл с текстовым протоколом исследования.If necessary, the pathology visualization image may contain in text form an indication of the probability of pathology, obtained as a result of the operation of the first neural network of the pathology prediction block 250 . This reduces the need to study any other images or files, including the original image and/or a file with a text study protocol.
Обращаясь теперь к текстовому протоколу исследования, можно отметить, что он может как дополнять вышеописанное изображение с визуализацией патологии, так и заменять его. Текстовый протокол исследования содержит результаты работы и описание работы устройства 200 в виде текстовой информации, например, в формате CSV. В случае использования формата DICOM протокол может быть сформирован в виде DICOM Structured Report (структурированный отчет DICOM).Turning now to the text protocol of the study, it can be noted that it can both supplement the above image with visualization of the pathology, and replace it. The text protocol of the study contains the results of the work and a description of the operation of the device 200 in the form of textual information, for example, in CSV format. In the case of using the DICOM format, the protocol can be generated in the form of a DICOM Structured Report (structured DICOM report).
В частности, текстовый протокол исследования может содержать:In particular, the text protocol of the study may contain:
1) Наименование исходного изображения (ссылку на него в виде соответствующего идентификатора – например, StudyInstanceID).1) The name of the original image (a link to it in the form of an appropriate identifier - for example, StudyInstanceID).
2) Рекомендацию (или иными словами, предсказание). Как указывалось выше, данная рекомендация может иметь двоичное значение (например, 0 / 1), может быть числом в некотором диапазоне, указывающем вероятность наличия патологии (например, от 0 до 1), или может иметь текстовый формат (например, «вероятно, болен» / «вероятно, здоров»).2) Recommendation (or in other words, prediction). As noted above, this recommendation may be a binary value (for example, 0 / 1), may be a number in some range indicating the likelihood of a pathology (for example, from 0 to 1), or may be in text format (for example, “probably sick / "probably healthy").
3) Временные метки – время получения исследования, время формирования отчета.3) Timestamps - the time the study was received, the time the report was generated.
4) Информацию об ошибках работы устройства в ходе анализа, если таковые были.4) Information about errors in the operation of the device during the analysis, if any.
Полученный в результате работы блока 260 отчет об исследовании, содержащий изображение с визуализацией патологии и/или текстовый протокол исследования, сохраняется в блоке 220 хранения данных, откуда в дальнейшем может извлекаться по запросу от других устройств, и/или отправляется в блок 270 передачи данных, который передает этот отчет в другое устройство – например, в центральную медицинскую информационную систему 150 или в медицинскую организацию 110, запрашивавшую обработку данных.The study report obtained as a result of the operation of block 260, containing an image with visualization of the pathology and / or a text protocol of the study, is stored in the data storage block 220, from where it can later be retrieved upon request from other devices, and / or sent to the data transmission block 270, which transmits this report to another device - for example, to the central medical information system 150 or to the medical organization 110 that requested data processing.
В одном из вариантов осуществления результаты рентгенологических исследований органов грудной клетки, полученные устройством 200, могут при необходимости храниться в устройстве в течение предварительно заданного времени (например, семи дней) и далее удаляться. Это может выполняться, например, с целью резервного копирования, чтобы результат анализа можно было запросить и передать повторно без необходимости полноценного повторного анализа.In one embodiment, chest x-ray results acquired by device 200 may be stored in the device for a predetermined time (eg, seven days) as needed and then deleted. This can be done, for example, for the purpose of backup, so that the result of the analysis can be requested and retransmitted without the need for a full reanalysis.
Таким образом, обеспечивается устройство для определения патологии органов грудной клетки, способное с повышенной точностью автоматически определять вероятность патологии. Это позволяет снизить требования к квалификации медицинского персонала и уменьшить влияние человеческого фактора (внимательность, утомляемость, ответственность). Также обеспечивается возможность использования для обучения большого числа разрозненных наборов данных. Кроме того, результат исследования обеспечивает исчерпывающий набор сведений, необходимый для принятия корректного врачебного решения с повышенной скоростью и точностью.Thus, there is provided a chest pathology detecting device capable of automatically detecting pathology probability with improved accuracy. This reduces the requirements for the qualification of medical personnel and reduces the influence of the human factor (attention, fatigue, responsibility). It also provides the possibility of using a large number of disparate data sets for training. In addition, the result of the study provides a comprehensive set of information necessary for making the correct medical decision with increased speed and accuracy.
В иллюстративном неограничивающем примере для целей настоящего изобретения устройство 200 определения патологии может быть реализовано в виде облачного сервера, имеющего 24 вычислительных ядра, 64 ГБ RAM, дисковое пространство 300 ГБ под операционную систему CentOS 7, дисковое пространство 12 ТБ под данные, дисковое пространство 1,5 ТБ под базу данных и 2 сетевых адаптера.In an illustrative non-limiting example for the purposes of the present invention, the pathology detection device 200 can be implemented as a cloud server having 24 computing cores, 64 GB RAM, 300 GB disk space for the CentOS 7 operating system, 12 TB disk space for data, disk space 1, 5 TB for the database and 2 network adapters.
Способ определения патологии органов грудной клеткиMethod for determining the pathology of the chest organs
Далее со ссылкой на Фиг. 9 будет описан способ 400 определения патологии органов грудной клетки.Next, with reference to FIG. 9, a method 400 for determining chest pathology will be described.
Следует понимать, что этапы способа 400 соответствуют вышеописанным функциям, выполняемым каждым из блоков в устройстве 200, и если какая-либо информация не раскрывается применительно к способу, но раскрывается применительно к устройству, и наоборот, то это не подразумевает, что в устройстве или способе эта функция или этап не может выполняться, а сделано лишь для того, чтобы не загромождать описание повторением подробностей. Следует также понимать, что в зависимости от конкретного применения некоторые из описанных этапов способа могут не использоваться.It should be understood that the steps of the method 400 correspond to the above-described functions performed by each of the blocks in the device 200, and if any information is not disclosed in relation to the method, but is disclosed in relation to the device, and vice versa, then this does not imply that in the device or method this function or step cannot be performed, but is done only in order not to clutter up the description with repetition of details. It should also be understood that, depending on the particular application, some of the method steps described may not be used.
Способ 400 определения патологии может содержать этап S410, на котором принимают подлежащие обработке данные, содержащие рентгеновское изображение грудной клетки обследуемого пациента.The pathology determination method 400 may comprise step S410, in which data to be processed is received containing an X-ray image of the chest of the patient being examined.
Способ 400 определения патологии также может содержать этап S430, на котором выполняют валидацию посредством проверки, являются ли подлежащие обработке данные пригодными для обработки.The pathology determination method 400 may also comprise a step S430 in which validation is performed by checking whether the data to be processed is suitable for processing.
Способ 400 определения патологии также может содержать этап S440, на котором подготавливают изображение, содержащееся в подлежащих обработке данных, для использования нейронной сетью посредством выполнения над ним одного или более предварительных преобразований.The pathology determination method 400 may also include step S440, which prepares an image contained in the data to be processed for use by a neural network by performing one or more preliminary transformations on it.
Способ 400 определения патологии содержит этап S450, на котором с использованием предварительно обученной нейронной сети анализируют подготовленное изображение и определяют наличие или отсутствие патологии органов на изображении.The pathology determination method 400 comprises step S450, in which the prepared image is analyzed using a pre-trained neural network and the presence or absence of organ pathology in the image is determined.
Способ 400 определения патологии также может содержать этап S451, на котором при наличии патологии определяют наиболее вероятные границы, в пределах которых она расположена, с использованием предварительно обученной нейронной сети.The pathology determination method 400 may also comprise step S451, in which, if there is a pathology, the most likely boundaries within which it is located are determined using a pretrained neural network.
Способ 400 определения патологии также может содержать этап S460, на котором формируют отчет об исследовании, содержащий по меньшей мере одно из следующего: а) изображение с визуализацией патологии; б) текстовый протокол исследования.The pathology determination method 400 may also comprise step S460 generating an examination report containing at least one of the following: a) a pathology imaging image; b) text protocol of the study.
Способ 400 определения патологии также может содержать этап S470, на котором передают результат обработки, полученный на этапах S450, S451 и S460, в устройство, запрашивавшее обработку данных.The pathology determination method 400 may also comprise step S470, which transmits the processing result obtained in steps S450, S451, and S460 to the device requesting data processing.
Способ 400 определения патологии также может содержать этап S480 (не показан), на котором выполняют предварительное обучение нейронной сети с использованием предварительно размеченных обучающих изображений, причем разметка для каждого изображения содержит указание на наличие или отсутствие патологии органов в области изображения, в отношении которых требуется выполнить обучение нейронной сети.The pathology determination method 400 may also include step S480 (not shown) in which the neural network is pre-trained using the pre-labeled training images, where the label for each image contains an indication of the presence or absence of pathology of the organs in the image area, in relation to which it is required to perform neural network training.
Способ 400 определения патологии также может содержать этап S490 (не показан), на котором с использованием результата обработки, полученного на этапах S450, S451 и S460, принимают врачебное решение о наличии или отсутствии патологии органов в области изображения и при необходимости о характере патологии.The pathology determination method 400 may also comprise step S490 (not shown) in which, using the processing result obtained in steps S450, S451 and S460, a medical decision is made on the presence or absence of pathology of the organs in the image area and, if necessary, on the nature of the pathology.
Способ 400 определения патологии также может содержать этап S491 (не показан), на котором назначают и/или проводят лечение пациента на основе результата обработки, полученного на этапах S450, S451 и S460, и/или врачебного решения, принятого на этапе S490.The pathology determination method 400 may also comprise step S491 (not shown) in which the patient is prescribed and/or treated based on the processing result obtained in steps S450, S451 and S460 and/or the medical decision made in step S490.
Способ 400 определения патологии также может содержать этап S420 (не показан), на котором сохраняют в памяти данные, принятые блоком 210 приема данных и/или получаемые в результате или в процессе выполнения других этапов способа.The pathology detection method 400 may also include step S420 (not shown) storing data received by the data receiving unit 210 and/or resulting from or during other method steps.
Предложенный способ определения патологии органов грудной клетки обеспечивает повышенную точность автоматического определения вероятности патологии, позволяет снизить требования к квалификации медицинского персонала и уменьшить влияние человеческого фактора (внимательность, утомляемость, ответственность). Кроме того, результат исследования обеспечивает исчерпывающий набор сведений, необходимый для принятия корректного врачебного решения с повышенной скоростью и точностью.The proposed method for determining the pathology of the chest organs provides increased accuracy of automatic determination of the probability of pathology, reduces the requirements for the qualification of medical personnel and reduces the influence of the human factor (mindfulness, fatigue, responsibility). In addition, the result of the study provides a comprehensive set of information necessary for making the correct medical decision with increased speed and accuracy.
Устройства и способы, согласно настоящему изобретению, можно использовать для обработки рентгеновских изображений органов грудной клетки с целью выявления в них признаков патологий.Devices and methods according to the present invention can be used to process x-ray images of chest organs in order to detect signs of pathologies in them.
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 или устройств блоков 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 receiving units or devices (receivers) may be physically implemented in the same transceiver unit or device or in different blocks 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, commands, 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, commands, 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 dedicated 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 predetermined 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/chip 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.
Конструктивное исполнение элементов предложенного устройства является известным для специалистов в данной области техники и не описывается отдельно в данном документе, если не указано иное. Элементы устройства могут быть выполнены из любого подходящего материала. Эти составные части могут быть изготовлены с использованием известных способов, включая, лишь в качестве примера, механическую обработку на станках, литьё по выплавляемой модели, наращивание кристаллов. Операции сборки, соединения и иные операции в соответствии с приведенным описанием также соответствуют знаниям специалиста в данной области и, таким образом, более подробно поясняться здесь не будут.The design of the elements of the proposed device is known to specialists in this field of technology and is not described separately in this document, unless otherwise indicated. The elements of the device can be made from any suitable material. These components can be manufactured using known methods including, by way of example only, machining, investment casting, crystal growth. Assembly, connection, and other operations as described herein are also within the knowledge of a person skilled in the art, and thus will not be explained in more detail here.
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 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 (9)
- Устройство для определения патологии органов грудной клетки на основе анализа рентгеновских изображений, содержащее:
блок приема данных, выполненный с возможностью принимать подлежащие обработке данные, содержащие рентгеновское изображение органов грудной клетки в прямой проекции, от устройства, запрашивающего обработку данных, посредством осуществления связи с ним;
блок подготовки изображений, выполненный с возможностью подготавливать с использованием по меньшей мере одного процессора рентгеновское изображение, содержащееся в подлежащих обработке данных, посредством выполнения над ним одного или более предварительных преобразований для использования нейронной сетью, работающей на основе по меньшей мере одного процессора, причем в процессе подготовки блок подготовки изображений выполнен с возможностью автоматического кадрирования изображения таким образом, чтобы оно охватывало только легкие, посредством:
- поиска на изображении правого легкого и левого легкого по отдельности по меньшей двумя разными не зависящими друг от друга предварительно обученными методами распознавания образов, отличными от нейронных сетей,
- формирования множества прямоугольников, каждый из которых охватывает одно найденное легкое и только его, на основе выполненных поисков,
- формирования общего прямоугольника, который включает в себя, по существу, только упомянутое множество прямоугольников, и
- отсечения от изображения областей, выходящих за рамки общего прямоугольника;
блок предсказания патологии, выполненный с возможностью с использованием упомянутой нейронной сети анализировать подготовленное изображение и определять наличие или отсутствие патологии на изображении;
блок формирования отчета, выполненный с возможностью формировать с использованием по меньшей мере одного процессора отчет об исследовании, проведенном в данном устройстве, причем отчет об исследовании содержит по меньшей мере один файл, содержащий указание на результат обработки, выполненной в блоке предсказания патологии; и
блок передачи данных, выполненный с возможностью передавать отчет в устройство, запрашивавшее обработку данных, посредством осуществления связи с ним.A device for determining the pathology of the chest organs based on the analysis of x-ray images, comprising:
a data receiving unit configured to receive data to be processed comprising a frontal chest x-ray image from the device requesting data processing by communicating therewith;
an image preparation unit configured to prepare, using at least one processor, an x-ray image contained in the data to be processed by performing one or more preliminary transformations on it for use by a neural network operating on the basis of at least one processor, moreover, in the process The image preparation unit is configured to automatically crop the image so that it covers only the lungs by:
- searching the image of the right lung and the left lung separately using at least two different independent pre-trained pattern recognition methods other than neural networks,
- formation of a set of rectangles, each of which covers one found lung and only it, based on the performed searches,
- forming a general rectangle that includes essentially only the said plurality of rectangles, and
- clipping from the image areas that go beyond the general rectangle;
a pathology prediction unit configured to use said neural network to analyze the prepared image and determine the presence or absence of pathology in the image;
a report generation unit, configured to generate, using at least one processor, a report on an examination conducted in the device, the examination report containing at least one file containing an indication of a result of processing performed in the pathology prediction unit; And
a data transmission unit configured to transmit the report to the device requesting data processing by communicating with it. - Устройство по п. 1, в котором, если определено, что на изображении имеется патология, блок формирования отчета дополнительно выполнен с возможностью:
выявления возможных областей, на которых найдены признаки патологий;
формирования изображения с визуализацией патологии в виде указания найденных областей с признаками патологий; и
формирования отчета об исследовании, содержащего изображение с визуализацией патологии.The apparatus of claim. 1, wherein if it is determined that the image has a pathology, the reporting unit is further configured to:
identifying possible areas where signs of pathologies are found;
forming an image with the visualization of the pathology in the form of an indication of the found areas with signs of pathologies; And
generating a study report containing an image with visualization of the pathology. - Устройство по п. 2, в котором выявление возможных областей с признаками патологий выполняется с использованием методов компьютерного зрения, анализирующих входное изображение нейронной сети и активации внутри нейронной сети блока предсказания патологии, которые были получены при прогоне через нее этого изображения.The device according to claim 2, in which the identification of possible areas with signs of pathologies is performed using computer vision methods that analyze the input image of the neural network and the activation of the pathology prediction block within the neural network, which were obtained by running this image through it.
- Устройство по п. 3, в котором в качестве методов компьютерного зрения используется комбинация методов Grad-CAM (взвешенная комбинация карт активации классов на основе градиентов) и Saliency maps (карты значимости).The device according to claim 3, in which a combination of Grad-CAM methods (a weighted combination of class activation maps based on gradients) and Saliency maps (significance maps) are used as computer vision methods.
- Устройство по п. 2, в котором указание найденных областей с признаками патологий выполнено в виде тепловой карты или очертания границ областей.The device according to claim. 2, in which the indication of the found areas with signs of pathologies is made in the form of a heat map or an outline of the boundaries of the areas.
- Устройство по п. 2, в котором для формирования изображения с визуализацией патологии блок формирования отчета выполнен с возможностью накладывать указание найденных областей с признаками патологий на копию входного изображения нейронной сети блока предсказания патологии.The device according to claim 2, in which, in order to generate an image with visualization of the pathology, the report generation unit is configured to superimpose an indication of the found areas with signs of pathologies on a copy of the input image of the neural network of the pathology prediction unit.
- Устройство по п. 2, в котором указание найденных областей с признаками патологий имеет привязку к размерам, форме и положению изображения, которое непосредственно анализировалось нейронной сетью;
блок подготовки изображений дополнительно выполнен с возможностью сохранять параметры всех преобразований, выполнявшихся над исходным изображением, полученным в подлежащих обработке данных, и связанных с изменением его размера, смещением, поворотом, обрезкой и кадрированием; и
для формирования изображения с визуализацией патологии блок формирования отчета выполнен с возможностью:
применять преобразования, обратные вышеуказанным сохраненным преобразованиям, к указанию найденных областей с признаками патологий, с тем чтобы получить в результате визуализацию патологии с привязкой к размерам, форме и положению исходного рентгеновского изображения; и
накладывать полученную визуализацию патологии с привязкой к размерам, форме и положению исходного рентгеновского изображения на копию исходного рентгеновского изображения.The device according to claim 2, in which the indication of the found areas with signs of pathologies is linked to the size, shape and position of the image, which was directly analyzed by the neural network;
the image preparation unit is additionally configured to save the parameters of all transformations performed on the original image obtained in the data to be processed and associated with its resizing, displacement, rotation, cropping and cropping; And
to form an image with visualization of the pathology, the report generation unit is configured to:
apply transformations inverse to the above saved transformations to indicate the found areas with signs of pathologies, in order to obtain a visualization of the pathology with reference to the size, shape and position of the original x-ray image; And
superimpose the resulting visualization of the pathology with reference to the size, shape and position of the original x-ray image on a copy of the original x-ray image. - Устройство по п. 1, в котором в качестве методов распознавания образов используются три предварительно обученных метода: метод Виолы-Джонса с применением каскадного классификатора на основе признаков Хаара, метод гистограммы направленных градиентов и метод на основе локальных бинарных шаблонов.The device according to claim 1, in which three pre-trained methods are used as pattern recognition methods: the Viola-Jones method using a cascade classifier based on Haar features, the directional gradient histogram method, and the method based on local binary patterns.
- Способ определения патологии органов грудной клетки на основе анализа рентгеновских изображений, содержащий этапы, на которых:
принимают с использованием устройства связи подлежащие обработке данные, содержащие рентгеновское изображение органов грудной клетки в прямой проекции;
подготавливают с использованием по меньшей мере одного процессора рентгеновское изображение, содержащееся в подлежащих обработке данных, посредством выполнения над ним одного или более предварительных преобразований для использования нейронной сетью, работающей на основе по меньшей мере одного процессора, причем при подготовке изображения выполняют автоматическое кадрирование изображения таким образом, чтобы оно охватывало только легкие, посредством:
- поиска на изображении правого легкого и левого легкого по отдельности по меньшей двумя разными не зависящими друг от друга предварительно обученными методами распознавания образов, отличными от нейронных сетей,
- формирования множества прямоугольников, каждый из которых охватывает одно найденное легкое и только его, на основе выполненных поисков,
- формирования общего прямоугольника, который включает в себя, по существу, только упомянутое множество прямоугольников, и
- отсечения от изображения областей, выходящих за рамки общего прямоугольника;
с использованием упомянутой нейронной сети анализируют подготовленное изображение и определяют наличие или отсутствие патологии на изображении;
формируют с использованием по меньшей мере одного процессора отчет, который содержит по меньшей мере один файл, содержащий указание на наличие или отсутствие патологии; и
передают с использованием устройства связи отчет в устройство, запрашивавшее обработку данных.A method for determining the pathology of the chest organs based on the analysis of x-ray images, comprising the steps, in which:
receive using the communication device to be processed data containing x-ray image of the chest in frontal projection;
using at least one processor, an x-ray image contained in the data to be processed is prepared by performing one or more preliminary transformations on it for use by a neural network operating on the basis of at least one processor, and when preparing the image, the image is automatically cropped in such a way so that it covers only the lungs, by:
- searching the image of the right lung and the left lung separately using at least two different independent pre-trained pattern recognition methods other than neural networks,
- formation of a set of rectangles, each of which covers one found lung and only it, based on the performed searches,
- forming a general rectangle that includes essentially only the said plurality of rectangles, and
- clipping from the image areas that go beyond the general rectangle;
using said neural network, the prepared image is analyzed and the presence or absence of pathology in the image is determined;
generate using at least one processor report, which contains at least one file containing an indication of the presence or absence of pathology; And
transmitting, using the communication device, a report to the device requesting data processing.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021137783 | 2021-12-20 | ||
RU2021137783A RU2782518C1 (en) | 2021-12-20 | Device and method for determining the pathology of the chest organs based on x-ray images |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2023121510A1 true WO2023121510A1 (en) | 2023-06-29 |
Family
ID=86903460
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/RU2022/050306 WO2023121510A1 (en) | 2021-12-20 | 2022-09-28 | Determining chest pathology on the basis of x-ray images |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
WO (1) | WO2023121510A1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20180068083A1 (en) * | 2014-12-08 | 2018-03-08 | 20/20 Gene Systems, Inc. | Methods and machine learning systems for predicting the likelihood or risk of having cancer |
US20200058123A1 (en) * | 2018-08-19 | 2020-02-20 | Chang Gung Memorial Hospital, Linkou | Method and system of analyzing medical images |
WO2021248187A1 (en) * | 2020-06-09 | 2021-12-16 | Annalise-Ai Pty Ltd | Systems and methods for automated analysis of medical images |
-
2022
- 2022-09-28 WO PCT/RU2022/050306 patent/WO2023121510A1/en unknown
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20180068083A1 (en) * | 2014-12-08 | 2018-03-08 | 20/20 Gene Systems, Inc. | Methods and machine learning systems for predicting the likelihood or risk of having cancer |
US20200058123A1 (en) * | 2018-08-19 | 2020-02-20 | Chang Gung Memorial Hospital, Linkou | Method and system of analyzing medical images |
WO2021248187A1 (en) * | 2020-06-09 | 2021-12-16 | Annalise-Ai Pty Ltd | Systems and methods for automated analysis of medical images |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ABOULHOSN JAMIL: "Rotational angiography and 3D overlay in transcatheter congenital interventions", INTERVENTIONAL CARDIOLOGY, vol. 5, no. 4, 1 August 2013 (2013-08-01), pages 405 - 410, XP093077447, ISSN: 1755-5302, DOI: 10.2217/ica.13.30 * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11553874B2 (en) | Dental image feature detection | |
US11416747B2 (en) | Three-dimensional (3D) convolution with 3D batch normalization | |
US20190088359A1 (en) | System and Method for Automated Analysis in Medical Imaging Applications | |
US20210192727A1 (en) | Computer vision technologies for rapid detection | |
CN110827236B (en) | Brain tissue layering method, device and computer equipment based on neural network | |
Fareed et al. | ADD-Net: an effective deep learning model for early detection of Alzheimer disease in MRI scans | |
US11721023B1 (en) | Distinguishing a disease state from a non-disease state in an image | |
Jain et al. | Early detection of brain tumor and survival prediction using deep learning and an ensemble learning from radiomics images | |
CN113889229A (en) | Construction method of medical image diagnosis standard based on human-computer combination | |
RU2789260C1 (en) | Medical decision support system based on medical image analysis | |
RU2782518C1 (en) | Device and method for determining the pathology of the chest organs based on x-ray images | |
WO2023121510A1 (en) | Determining chest pathology on the basis of x-ray images | |
Padmapriya et al. | Computer-Aided Diagnostic System for Brain Tumor Classification using Explainable AI | |
EA045328B1 (en) | DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING PATHOLOGY OF CHEST ORGANS BASED ON X-RAY IMAGES | |
RU2813938C1 (en) | Device and method for determining boundaries of pathology on medical image | |
RU2806982C1 (en) | Device and method for analysis of medical images | |
Sangulagi et al. | Detection of Covid-19 from Chest X-ray images | |
EA044868B1 (en) | DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING PATHOLOGY BASED ON MEDICAL IMAGE ANALYSIS | |
Devi et al. | Exploring Deep Learning-Based MRI Radiomics for Brain Tumor Prognosis and Diagnosis | |
EP4273796A1 (en) | Processing spectral image data generated by a computed tomography scanner | |
EP4369284A1 (en) | Image enhancement using generative machine learning | |
Dumre et al. | Alzheimer Classification using Deep Learning and Augmentation | |
Dubey et al. | Enhancing Brain Tumor Detection Using Convolutional Neural Networks in Medical | |
Gancheva et al. | Medical X-ray Image Classification Method Based on Convolutional Neural Networks | |
Bejarano | The Benefits of Artificial Intelligence in Radiology: Transforming Healthcare through Enhanced Diagnostics and Workflow Efficiency |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 22912085 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |