(57)【要約】  画像内の対象の領域を決定するためのシステム。このシステムは、メモリおよび電子プロセッサを含む。システムに含まれる電子プロセッサは、メモリに接続され、空間格子のノードの内部状態を初期化するように構成される。空間格子の各ノードは、画像のピクセルに対応し、画像の隣のピクセルを表す少なくとも１つのノードに接続される。また、電子プロセッサは、ニューラル・ネットワークを使用し、空間的にゲーティングされる伝搬を使用して空間格子内の各ノードの内部状態を反復的に更新し、空間格子の収束でのノードの内部状態に基づいて画像内の対象の領域を識別するように構成される。一実施形態では、電子プロセッサは、画像の画像ピラミッドを作成するように構成される。
2021527859.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
医用画像内の対象の物体を識別するための方法であって、
空間格子のノードの内部状態を初期化することであって、各ノードが、前記医用画像のピクセルに対応し、前記医用画像の隣のピクセルを表す少なくとも１つのノードに接続される、前記初期化することと、
ニューラル・ネットワークを使用し、空間的にゲーティングされる伝搬を使用して前記空間格子内の前記ノードの前記内部状態を反復的に更新することであって、各反復で、各ノードが、前の反復からの前記ノードの値、前記前の反復からの隣のノードの値、および前記ノードの新しい値から成る群から選択された少なくとも１つに基づいて、その内部状態を更新する、前記更新することと、
前記空間格子の収束での前記ノードの前記値に基づいて、前記医用画像内の前記対象の物体を識別することとを含んでいる、方法。
【請求項２】
ニューラル・ネットワークを使用して前記ノードの前記内部状態を反復的に更新することが、前記ノードの前記内部状態に関連付けられた値のベクトル内の値を更新することを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記値のベクトル内の前記値が、前記ノードに対応する前記ピクセルの明るさを表す値、および前記ノードの前記内部状態を表す値を含んでいる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ノードの前の内部状態を含む畳み込みが反復ごとに実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記方法が、第１の反復において、各ピクセルの明るさを表す各値に対して畳み込みを実行することをさらに含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記空間格子の収束での前記ノードの前記値に基づいて前記医用画像内の対象の物体を識別することが、前記ニューラル・ネットワークの最終的な層を使用して、各ピクセルに関連付けられた値のベクトルに含まれている値に基づいて、各ピクセルが前記対象の物体に含まれている確率を計算することと、
ピクセルごとに、前記計算された確率が既定のしきい値より高いかどうかを判定することとを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
各ノードが、スカッシング関数を使用して、前の反復からの前記ノードの値、前記前の反復からの隣のノードの値、および前記ノードの新しい値から成る群から選択された少なくとも１つに基づいて、その内部状態を更新する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記隣のノードが、前記ノードによって表されたピクセルの真上、真下、右、および左にあるピクセルを表すノードから成る群から選択されたノードである、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記方法が、複数の層を含む画像ピラミッドを生成することをさらに含んでおり、各連続する層が、より少ない値を含む前記医用画像を表す、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記方法が、各反復において、前記画像ピラミッドの複数の層からの値を連結することをさらに含んでいる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
画像内の対象の領域を決定するためのシステムであって、
メモリと、
前記メモリに接続された電子プロセッサとを含み、前記電子プロセッサは、
空間格子のノードの内部状態を初期化することであって、各ノードが、前記画像のピクセルに対応し、前記画像の隣のピクセルを表す少なくとも１つのノードに接続される、前記初期化することと、
ニューラル・ネットワークを使用し、空間的にゲーティングされる伝搬を使用して前記空間格子内の各ノードの前記内部状態を反復的に更新することと、
前記空間格子の収束での前記ノードの前記内部状態に基づいて、前記画像内の前記対象の領域を識別することとを実行するように構成されている、システム。
【請求項１２】
前記電子プロセッサが、各反復で、前の反復からの前記ノードの値、前記前の反復からの隣のノードの値、または前記ノードの新しい値から成る群から選択された少なくとも１つに基づいて前記内部状態を更新することによって、前記ノードの前記内部状態を更新するように構成されている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記電子プロセッサが、ニューラル・ネットワークを使用して、前記ノードの前記内部状態に関連付けられた値のベクトル内の値を更新することによって、前記ノードの前記内部状態を反復的に更新するように構成されている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記値のベクトル内の前記値が、前記ノードに対応するピクセルの明るさを表す値、および前記ノードの前記内部状態を表す値を含んでいる、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記電子プロセッサが、各反復で、前記ノードの前の内部状態を含む畳み込みを実行するようにさらに構成されている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記電子プロセッサが、第１の反復において、各ピクセルの明るさを表す各値に対して畳み込みを実行するようにさらに構成されている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記電子プロセッサが、前記ニューラル・ネットワークの最終的な層を使用して、各ピクセルに関連付けられた前記ベクトルに基づいて、各ピクセルが前記画像内の対象の物体に含まれている確率を計算することと、
ピクセルごとに、前記計算された確率が既定のしきい値より高いかどうかを判定することとによって、前記空間格子の収束での前記ノードの前記値に基づいて前記画像内の前記対象の物体を識別するように構成されている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記電子プロセッサが、スカッシング関数を使用することによって、前の反復からの前記ノードの値、前記前の反復からの隣のノードの値、または前記ノードの新しい値から成る群から選択された少なくとも１つに基づいて前記内部状態を更新するように構成されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１９】
前記隣のノードが、前記ノードによって表された前記ピクセルの真上、真下、右、および左にあるピクセルを表すノードから成る群から選択されたノードである、請求項１２に記載のシステム。
【請求項２０】
電子プロセッサを使用して実行された場合に一連の機能を実行する命令を格納している非一時的なコンピュータ可読媒体であって、前記一連の機能が、
空間格子のノードの内部状態を初期化することであって、各ノードが、画像のピクセルを表しており、前記画像の少なくとも１つの隣のピクセルに接続される、前記初期化することと、
ニューラル・ネットワークを使用し、空間的にゲーティングされる伝搬を使用して前記空間格子内の前記ノードの前記内部状態を反復的に更新することであって、各反復で、各ノードが、前の反復からの前記ノードの値、前記前の反復からの隣のノードの値、または前記ノードの新しい値から成る群から選択された少なくとも１つに基づいて、その内部状態を更新する、前記更新することと、
前記空間格子の収束での前記ノードの前記値に基づいて、前記画像内の対象の物体を識別することとを含んでいる、非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項２１】
ニューラル・ネットワークを使用して前記ノードの前記内部状態を反復的に更新することが、前記ノードの前記内部状態に関連付けられた値のベクトル内の値を更新することを含んでいる、請求項２０に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項２２】
前記空間格子の収束での前記ノードの前記値に基づいて前記画像内の対象の物体を識別することが、前記ニューラル・ネットワーク内の最終的な層を使用して、各ピクセルに関連付けられた前記ベクトルに基づいて、各ピクセルが前記対象の物体に含まれている確率を計算することと、
ピクセルごとに、前記計算された確率が既定のしきい値より高いかどうかを判定することとを含んでいる、請求項２０に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項２３】
医用画像内の対象の物体を識別するための方法であって、
前記医用画像の画像ピラミッドを作成することであって、前記画像ピラミッドが複数の層を含んでおり、各層が複数の値を含んでおり、各値が前記医用画像内の１つまたは複数のピクセルのブロックを表し、各連続する層が、直前の層より少ない値を含んでいる、前記作成することと、
前記画像ピラミッドの層ごとに、
空間格子のノードの内部状態を初期化することであって、前記空間格子内の各ノードが、前記医用画像内の１つまたは複数のピクセルのブロックを表しており、前記医用画像内の１つまたは複数のピクセルの隣のブロックを表す少なくとも１つのノードに接続される、前記初期化することと、
ニューラル・ネットワークを使用し、空間的にゲーティングされる伝搬を使用して前記空間格子内の前記ノードの前記内部状態を反復的に更新することであって、各反復で、各ノードが、前の反復からの前記ノードの値、前記前の反復からの隣のノードの値、および前記ノードの新しい値から成る群から選択された少なくとも１つに基づいて、その内部状態を更新する、前記更新することと、
前記画像ピラミッドの第１の層に含まれる前記値を表すノードを含む前記空間格子の収束での前記ノードの前記値に基づいて、前記医用画像内の前記対象の物体を識別することとを含んでいる、方法。
【請求項２４】
ニューラル・ネットワークを使用して前記ノードの前記内部状態を反復的に更新することが、前記ノードの前記内部状態に関連付けられた値のベクトル内の値を更新することを含んでいる、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記方法が、
前記画像ピラミッドの層ごとの各反復で、前記画像ピラミッドの層に含まれている前記値および前記画像ピラミッドの前記層に含まれている前記値を表す前記ノードの前の内部状態の第１の連結を含む第１の畳み込みを実行することと、
前記第１の畳み込みの実行結果を格納することとをさらに含んでいる、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記方法が、前記画像ピラミッドの層ごとの各反復で、前記画像ピラミッドの現在の層、前記画像ピラミッドの前記現在の層の真上の前記画像ピラミッドの層、および前記画像ピラミッドの前記現在の層の真下の前記画像ピラミッドの層に対する前記第１の畳み込みの実行結果の第２の連結を含む第２の畳み込みを実行することをさらに含んでいる、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記画像ピラミッドを作成することが、前記医用画像内の１つまたは複数のピクセルの各ブロックの明るさを表す各値に対する畳み込みを実行することを含んでおり、入力医用画像データの次元の縮小を含む各畳み込みが、前記画像ピラミッドの次の層内の前記医用画像を表すために使用される値を生成する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
前記画像ピラミッドの前記第１の層内の前記医用画像を表す各値が、前記医用画像内のピクセルに対応する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２９】
前記画像ピラミッドの第１の層に含まれる前記値を表すノードを含んでいる前記空間格子の収束での前記ノードの前記値に基づいて前記医用画像内の前記対象の物体を識別することが、前記ニューラル・ネットワークの最終的な層を使用して、前記画像ピラミッドの第１の層に含まれる前記値を表すノードに関連付けられた値の各ベクトルに含まれている値に基づいて、前記医用画像内の各ピクセルが前記対象の物体に含まれている確率を計算することと、
ピクセルごとに、前記計算された確率が既定のしきい値より高いかどうかを判定することとを含んでいる、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
各ノードが、前の反復からの前記ノードの値、前記前の反復からの隣のノードの値、および前記ノードの新しい値から成る群から選択された少なくとも１つに基づいて、その内部状態を更新することが、スカッシング関数および前記第２の畳み込みの実行結果を使用することを含んでいる、請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
前記隣のノードが、前記ノードによって表された１つまたは複数のピクセルのブロックの真上、真下、右、および左にある１つまたは複数のピクセルのブロックを表すノードから成る群から選択されたノードである、請求項２３に記載の方法。
【請求項３２】
より少ない値を含んでいる前記医用画像を表すことによって、より低い解像度を有する医用画像を作成する、請求項２３に記載の方法。
【請求項３３】
画像内の対象の領域を決定するためのシステムであって、
メモリと、
前記メモリに接続された電子プロセッサとを備え、前記電子プロセッサは、
前記画像の画像ピラミッドを作成することであって、前記画像ピラミッドが複数の層を含んでいる、前記作成することと、
前記画像ピラミッドの層ごとに、
空間格子のノードの内部状態を初期化することであって、各ノードが、前記画像内の１つまたは複数のピクセルのブロックを表しており、前記画像内の１つまたは複数のピクセルの隣のブロックを表す少なくとも１つのノードに接続される、前記初期化することと、
ニューラル・ネットワークを使用し、空間的にゲーティングされる伝搬を使用して前記空間格子内の前記ノードの前記内部状態を反復的に更新することと、
前記画像ピラミッドの第１の層に含まれる値を表すノードを含んでいる前記空間格子の収束での前記ノードの前記内部状態に基づいて、前記画像内の前記対象の領域を識別することとを実行するように構成されている、システム。
【請求項３４】
前記画像ピラミッドに含まれている前記複数の層の各連続する層が、前記画像ピラミッドの直前の層で表される画像より低い解像度で前記画像を表す、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
前記電子プロセッサが、より少ない値を含む前記画像を表すことによって、より低い解像度で前記画像を表すように構成されている、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記電子プロセッサが、各反復で、ノードごとに、前の反復からの前記ノードの値を維持するのか、前記ノードの値を前の反復からの隣のノードの値に設定するのか、または前記ノードの新しい値を設定するのかを決定することによって、前記ノードの前記内部状態を更新するように構成されている、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３７】
前記電子プロセッサが、ニューラル・ネットワークを使用して、前記ノードの前記内部状態に関連付けられた値のベクトル内の値を更新することによって、前記ノードの前記内部状態を反復的に更新するように構成されている、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３８】
前記電子プロセッサが、前記画像ピラミッドの層ごとの各反復で、前記画像ピラミッドの前記層に含まれている前記値および前記画像ピラミッドの前記層に含まれている前記値を表す前記ノードの前の内部状態の第１の連結を含む第１の畳み込みを実行することと、前記第１の畳み込みの実行結果を格納することとを実行するように構成されている、請求項３５に記載のシステム。
【請求項３９】
前記電子プロセッサが、前記画像ピラミッドの層ごとの各反復で、前記画像ピラミッドの現在の層、前記画像ピラミッドの前記現在の層の真上の前記画像ピラミッドの層、および前記画像ピラミッドの前記現在の層の真下の前記画像ピラミッドの層に対する前記第１の畳み込みの実行結果の第２の連結を含む第２の畳み込みを実行するように構成されている、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４０】
前記電子プロセッサが、前記第１の反復において、前記画像内の１つまたは複数のピクセルの各ブロックの明るさを表す各値に対する畳み込みを実行するようにさらに構成されており、入力画像データの次元の縮小を含む各畳み込みが、前記画像ピラミッドの次の層内の前記画像を表すために使用される値を生成する、請求項３４に記載のシステム。
【請求項４１】
前記電子プロセッサが、前記ニューラル・ネットワークの最終的な層を使用して、前記画像ピラミッドの第１の層に含まれる前記値を表すノードに関連付けられた各ベクトルに基づいて、前記画像内の各ピクセルが前記画像内の対象の物体に含まれている確率を計算することと、
ピクセルごとに、前記計算された確率が既定のしきい値より高いかどうかを判定することとによって、前記画像ピラミッドの第１の層に含まれる値を表すノードを含む前記空間格子の収束での前記ノードの前記値に基づいて前記画像内の前記対象の物体を識別するように構成されている、請求項３３に記載のシステム。
【請求項４２】
前記電子プロセッサが、スカッシング関数および前記第２の畳み込みの実行結果を使用することによって、前の反復からの前記ノードの値、前記前の反復からの隣のノードの値、または前記ノードの新しい値から成る群から選択された少なくとも１つに基づいて前記内部状態を更新するように構成されている、請求項３９に記載のシステム。
【請求項４３】
前記隣のノードが、前記ノードによって表された前記画像内の１つまたは複数のピクセルの前記ブロックの真上、真下、右、および左にある前記画像内の１つまたは複数のピクセルのブロックを表すノードから成る群から選択されたノードである、請求項３６に記載のシステム。
【請求項４４】
電子プロセッサを使用して実行された場合に一連の機能を実行する命令を格納している非一時的なコンピュータ可読媒体であって、前記一連の機能が、
画像の画像ピラミッドを作成することであって、前記画像ピラミッドが複数の層を含んでおり、各層が複数の値を含んでおり、各値が前記画像内の１つまたは複数のピクセルのブロックを表し、各連続する層が、直前の層より少ない値を含んでいる、前記作成することと、
前記画像ピラミッドの層ごとに、
空間格子のノードの内部状態を初期化することであって、各ノードが、前記画像内の１つまたは複数のピクセルのブロックを表しており、前記画像内の１つまたは複数のピクセルの隣のブロックを表す少なくとも１つのノードに接続される、前記初期化することと、
ニューラル・ネットワークを使用し、空間的にゲーティングされる伝搬を使用して前記空間格子内の前記ノードの前記内部状態を反復的に更新することであって、各反復で、各ノードが、前の反復からの前記ノードの値、前記前の反復からの隣のノードの値、または前記ノードの新しい値から成る群から選択された少なくとも１つに基づいて、その内部状態を更新する、前記更新することと、
前記画像ピラミッドの第１の層に含まれる前記値を表すノードを含む前記空間格子の収束での前記ノードの前記値に基づいて、前記画像内の対象の物体を識別することとを含んでいる、非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項４５】
ニューラル・ネットワークを使用して前記ノードの前記内部状態を反復的に更新することが、前記ノードの前記内部状態に関連付けられた値のベクトル内の値を更新することを含んでいる、請求項４４に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項４６】
前記画像ピラミッドの第１の層に含まれる前記値を表すノードを含む前記空間格子の収束での前記ノードの前記値に基づいて前記画像内の対象の物体を識別することが、前記ニューラル・ネットワーク内の最終的な層を使用して、前記画像ピラミッドの第１の層に含まれる前記値を表すノードに関連付けられた前記ベクトルに基づいて、前記画像内の各ピクセルが前記対象の物体に含まれている確率を計算することと、
ピクセルごとに、前記計算された確率が既定のしきい値より高いかどうかを判定することとを含んでいる、請求項４４に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載された実施形態は、生物医学画像などの画像のセグメント化に関連しており、特に、時間および空間の両方においてニューラル・ネットワークのゲーティング・データの伝搬を使用する画像のセグメント化に関連している。
【発明の概要】
【０００２】
本明細書に記載された実施形態は、回帰型ニューラル・ネットワーク（ＲＮＮ：recurrent neural networks）および畳み込みニューラル・ネットワーク（ＣＮＮ：convolutional neural networks）において使用される原理を結合する、新しいタイプのニューラル・ネットワーク・ユニットに関連している。ＲＮＮは、入力シーケンスを受信し、一度にシーケンスの１つの要素を読み取って処理する。ＲＮＮがシーケンス内の各要素を処理するときに、ＲＮＮは、シーケンスに関する知識を変更し、この知識は、ＲＮＮの内部状態に格納される。ＲＮＮは、入力シーケンスのすべてを読み取った後に、内部状態の一部または全部を使用して第２のシーケンスを出力するか、または単一の予測を行う。ＲＮＮの例は、１つまたは複数のＬＳＴＭセルを含んでいる長短期記憶（ＬＳＴＭ：Long Short-Term Memory）ニューラル・ネットワークである。各ＬＳＴＭセルは、セルの前の状態を格納し、この前の状態は、ＬＳＴＭニューラル・ネットワークの他のコンポーネントに提供され得る。各ＬＳＴＭセルは、入力ゲート、忘却ゲート、および出力ゲートを含んでいる。ＬＳＴＭは、消失する勾配に関連するＲＮＮのトレーニングに伴う問題を解決するために導入された。
【０００３】
ＣＮＮは、フィルタ（カーネル）を入力（例えば、画像）に適用し、入力に関する予測を行う。１つの例では、この予測は、画像が一連のカテゴリのうちのどれに属するかである。フィルタは、入力画像内で検出されることがある特徴に対応する。例えば、画像がＣＮＮに入力される場合、入力画像内の隣接するピクセルのブロックにフィルタが適用されて中間画像を生成し、この中間画像は、画像内の各位置で各特徴がどの程度強く表されるかを示す。特徴の内容は、特徴に関連付けられたフィルタの重みによって示される。この重みは、隣接するピクセルの各ブロックに含まれているピクセルに掛け合わされる。例えば、ＣＮＮへの入力が手書き数字である場合、ＣＮＮは、手書き数字を複数のカテゴリ（この場合、カテゴリは数字１〜９である）のうちの１つに属しているとして分類する。手書き数字のＣＮＮの分類は、数字に関連付けられているとＣＮＮが検出した画像の特徴、およびそれらの特徴が、手書き数字が数字１〜９のうちの１つであるということをどの程度強く示しているかに基づく。
【０００４】
本明細書に記載された実施形態は、生物医学画像のセグメント化に関連している。生物医学画像のセグメント化は、画像（特に、医用画像）内の物体の境界を識別することを含む。以前は、画像内の物体を識別するために、領域拡張が使用された。領域拡張では、対象の物体内のどこかに、シード・ピクセルが配置される。シード・ピクセルは、画像内に配置された後に、類似する強度または明度の隣接するピクセルに、繰り返し広げられる。物体の境界に達したときに、ピクセルの拡張が止まる。領域拡張では、強度しきい値または明度しきい値を下回る低下によって、境界が定義されてよい。
【０００５】
領域拡張に伴う１つの問題は、医用画像内の隣接する明るいピクセルとのわずかな接続でさえ、対象の物体の外側への領域の拡張を引き起こす可能性があるということである。例えば、図１に示されているように、２つの明るい組織領域（肺の内部に位置する１つの組織領域および肺の外部に位置する１つの組織領域）が、小さい明るい組織の断片によって接続されている場合、領域拡張は、２つの明るい組織領域を同じ塊または物体に属しているとして誤って示す。したがって、多くの場合、領域拡張は破棄され、等位集合、条件付き確率場（ＣＲＦ：conditional random fields）、能動輪郭、およびグラフ・カットなどの、より洗練された方法が好まれる。
【０００６】
ＣＮＮは、ピクセルの隣接性の優位性を破棄する。むしろＣＮＮは、規則性を有する物体を識別する。規則性を有している物体を使用して、ある種類の物体として物体を分類するように、ＣＮＮをトレーニングすることができる。しかしＣＮＮは、腫瘤、病変などの、規則的でない形状を正確に認識してセグメント化することが、できないことがある。したがってＣＮＮは、多くの場合、配列、強度などにおいて変化する形状などの、医用画像内の不規則な形状の境界を正確に決定することができない。
【０００７】
したがって、本明細書に記載された実施形態は、不規則な形状の対象の物体の境界を識別するための以前の解決策に対応する、前述した問題に対する技術的解決策を提供する。具体的には、本明細書に記載された実施形態は、ＣＮＮの空間的接続性を、ＲＮＮにおいて使用される時間的ゲーティングと組み合わせ、画像内の不規則な構造をセグメント化するためのより高性能な方法を提供する。特に、本明細書に記載された実施形態は、前の内部状態、および分類されているピクセルに隣接するピクセルを表すノードの現在の値に基づいて画像内のピクセルを分類する、新しいタイプのユニットを提供する。この新しいタイプのユニットは、本明細書ではゲート付き時空間ユニット（gated spatiotemporal unit）と呼ばれ、通常はＣＮＮに関連付けられる空間認識を含むゲート付き回帰型ユニットである。例えば、各時間ステップで、各ノードが、それ自体の前の内部状態または隣のノードのうちの１つの内部状態の値でその内部状態を更新するかどうかを決定する。
【０００８】
したがって、本明細書に記載された方法およびシステムは、時間および空間の両方にわたって情報を伝搬するニューラル・ネットワークを提供する。単に時間にわたって情報の流れをゲーティングすることと比較して、時間および空間の両方にわたってゲーティングすることは、回帰型ユニットが、内部状態および画像内の周囲のピクセルの値に基づいて、ピクセルの内部状態に関する決定を行えるようにする。また、一部の実施形態では、ニューラル・ネットワークは、時間および空間の両方にわたって画像解像度間で情報を伝搬することができる。
【０００９】
下で詳細に説明されているように、本明細書に記載された実施形態は、機械学習を使用してアルゴリズムを学習する。具体的には、ネットワークは、内部状態に関連付けられた値が収束するまで更新される。これに対して、シングル・パス・ネットワークは関数を学習する。前述したように、本明細書における実施形態は、ピクセル間に広がる情報の量を制御するゲート付き時空間ユニットを提供する。下で詳細に説明されているように、一部の実施形態では、画像がシステムに入力され、システムが、複数の層を含んでいる画像ピラミッドを作成する。画像ピラミッドの各層は、入力画像を表す異なる数の変数を含む。ピラミッドの基部は、画像を表す多数の値を含む（言い換えると、基層は、高解像度で画像を表す）。ピラミッドの連続する各レベルで、画像を表すために、次第により少ない値が使用される（言い換えると、連続する各層は、直前の層より低い解像度で画像を表す）。画像ピラミッドは、システムが画像ピラミッドを利用しなかった場合より少ない反復回数で、画像の一部からの情報をより低い解像度に伝搬し、次に、画像の異なる部分においてより高い解像度に逆に情報を伝搬することを可能にする。これは、例えば、数千のピクセルを含む画像がシステムに入力される場合に有益である。そのような入力は、システムが予測を生成する前に、数千回の反復の実行を必要とすることがある。システムは、前の時間ステップからのシステムの内部状態および画像ピラミッド内の画像の表現を使用して、畳み込みを実行する。ネットワーク内のノードの現在の内部状態に含める値を決定するために、ゲート付き時空間ユニットによって畳み込み層の結果が使用される。ネットワーク内のノードの内部状態が収束するまで、ゲート付き時空間ユニット上で反復が実行される。システム内のノードの内部状態が収束したときに、各ピクセルが対象の物体に属する確率が計算される。具体的には、本明細書に記載された実施形態は、医用画像内の不規則な構造をセグメント化するためのネットワークを提供し、このネットワークは、データが格子上をどのように流れるかに関してインテリジェントであり、均質性などのその他の要因を学習して、ピクセルを広げる方法を決定する。しかし、これらの実施形態は、例えば気象予測、石油およびガスのモデル化などを含む、医用画像のセグメント化以外の領域において適用可能であってよい。
【００１０】
例えば、一実施形態は、医用画像内の対象の物体を識別するための方法を提供する。この方法は、空間格子のノードの内部状態を初期化することを含む。空間格子内の各ノードは、医用画像のピクセルに対応し、医用画像の隣のピクセルを表す少なくとも１つのノードに接続される。この方法は、ニューラル・ネットワークを使用し、空間的にゲーティングされる伝搬（spatially gated propagation）を使用して空間格子内のノードの内部状態を反復的に更新することも含む。各反復で、各ノードが、前の反復からのノードの値、前の反復からの隣のノードの値、およびノードの新しい値から成る群から選択された少なくとも１つに基づいて、その内部状態を更新する。この方法は、空間格子の収束でのノードの値に基づいて、医用画像内の対象の物体を識別することをさらに含む。
【００１１】
別の実施形態も、医用画像内の対象の物体を識別するための方法を提供する。しかし、この実施形態によって提供される方法は、医用画像の画像ピラミッドを作成することを含む。作成された画像ピラミッドは複数の層を含んでおり、各層は複数の値を含んでおり、各値は、医用画像内の１つまたは複数のピクセルのブロックを表す。画像ピラミッド内の連続する各層は、直前の層より少ない値を含む。この方法は、画像ピラミッドの層ごとに、空間格子のノードの内部状態を初期化することも含む。空間格子内の各ノードは、医用画像内の１つまたは複数のピクセルのブロックを表しており、医用画像内の１つまたは複数のピクセルの隣のブロックを表す少なくとも１つのノードに接続される。この方法は、画像ピラミッドの層ごとに、ニューラル・ネットワークを使用し、空間的にゲーティングされる伝搬を使用して空間格子内のノードの内部状態を反復的に更新することも含む。各反復で、各ノードが、前の反復からのノードの値、前の反復からの隣のノードの値、およびノードの新しい値から成る群から選択された少なくとも１つに基づいて、その内部状態を更新する。この方法は、画像ピラミッドの第１の層に含まれる値を表すノードを含んでいる空間格子の収束でのノードの値に基づいて、医用画像内の対象の物体を識別することをさらに含む。
【００１２】
一実施形態は、画像内の対象の領域を決定するためのシステムを提供する。このシステムは、メモリおよび電子プロセッサを含む。システムに含まれる電子プロセッサは、メモリに接続され、空間格子のノードの内部状態を初期化するように構成される。空間格子の各ノードは、画像のピクセルに対応し、画像の隣のピクセルを表す少なくとも１つのノードに接続される。また、電子プロセッサは、ニューラル・ネットワークを使用し、空間的にゲーティングされる伝搬を使用して空間格子内の各ノードの内部状態を反復的に更新し、空間格子の収束でのノードの内部状態に基づいて画像内の対象の領域を識別するように構成される。
【００１３】
別の実施形態も、画像内の対象の領域を決定するためのシステムを提供する。前述した実施形態のシステムと同様に、この実施形態において説明されるシステムも、メモリおよびメモリに接続された電子プロセッサを含む。しかし、この実施形態によって提供されるシステムの電子プロセッサは、画像の画像ピラミッドを作成するように構成される。画像ピラミッドは、複数の層を含む。画像ピラミッドの層ごとに、電子プロセッサは、空間格子のノードの内部状態を初期化し、ニューラル・ネットワークを使用し、空間的にゲーティングされる伝搬を使用して空間格子内の各ノードの内部状態を反復的に更新するように構成される。空間格子内の各ノードは、画像内の１つまたは複数のピクセルのブロックを表しており、画像内の１つまたは複数のピクセルの隣のブロックを表す少なくとも１つのノードに接続される。また、電子プロセッサは、画像ピラミッドの第１の層に含まれる値を表すノードを含んでいる空間格子の収束でのノードの内部状態に基づいて、画像内の対象の領域を識別するように構成される。
【００１４】
一実施形態は、一連の機能を実行するために電子プロセッサによって実行できる命令を含んでいる非一時的なコンピュータ可読媒体を提供する。一連の機能は、空間格子のノードの内部状態を初期化することを含む。各ノードは、画像のピクセルを表しており、画像の少なくとも１つの隣のピクセルに接続される。一連の機能は、ニューラル・ネットワークを使用し、空間的にゲーティングされる伝搬を使用して空間格子内のノードの内部状態を反復的に更新することも含む。各反復で、各ノードが、前の反復からのノードの値、前の反復からの隣のノードの値、またはノードの新しい値から成る群から選択された少なくとも１つに基づいて、その内部状態を更新する。一連の機能は、空間格子の収束でのノードの値に基づいて、画像内の対象の物体を識別することをさらに含む。
【００１５】
別の実施形態も、一連の機能を実行するために電子プロセッサによって実行できる命令を含んでいる非一時的なコンピュータ可読媒体を提供する。しかし、前述した実施形態における一連の機能とは異なり、この実施形態の電子プロセッサによって実行される一連の機能は、画像の画像ピラミッドを作成することを含む。作成された画像ピラミッドは複数の層を含んでおり、各層は複数の値を含んでおり、各値は、画像内の１つまたは複数のピクセルのブロックを表す。画像ピラミッド内の連続する各層は、直前の層より少ない値を含む。一連の機能は、画像ピラミッドの層ごとに、空間格子のノードの内部状態を初期化することも含む。画像ピラミッドの各ノードは、画像内の１つまたは複数のピクセルのブロックを表しており、画像内の１つまたは複数のピクセルの隣のブロックを表す少なくとも１つのノードに接続される。一連の機能は、画像ピラミッドの層ごとに、ニューラル・ネットワークを使用し、空間的にゲーティングされる伝搬を使用して空間格子内のノードの内部状態を反復的に更新することも含む。各反復で、各ノードが、前の反復からのノードの値、前の反復からの隣のノードの値、またはノードの新しい値から成る群から選択された少なくとも１つに基づいて、その内部状態を更新する。一連の機能は、画像ピラミッドの第１の層に含まれる値を表すノードを含んでいる空間格子の収束でのノードの値に基づいて、画像内の対象の物体を識別することをさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】対象の物体を識別するために領域拡張が適用された医用画像を示す図である。
【図２】画像内の対象の領域を決定するためのシステムを示す図である。
【図３】図２のシステムに含まれているニューラル・ネットワークを示す図である。
【図４】ゲート付き時空間ユニット内のノードへの入力の例を示す図である。
【図５】図４のニューラル・ネットワークが入力として受信する医用画像の例を示す図である。
【図６】図４のニューラル・ネットワークが図５の医用画像内で検出する対象の領域の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下の説明および添付の図面では、１つまたは複数の実施形態が説明され、図示される。これらの実施形態は、本明細書において提供される特定の詳細に限定されず、さまざまな方法で変更されてよい。さらに、本明細書に記載されていない他の実施形態が存在してよい。また、１つのコンポーネントによって実行されるとして本明細書において説明された機能が、複数のコンポーネントによって分散方式で実行されてよい。同様に、複数のコンポーネントによって実行される機能が、単一のコンポーネントによって統合されて実行されてよい。同様に、特定の機能を実行するとして説明されたコンポーネントが、本明細書に記載されていない追加の機能を実行してもよい。例えば、特定の方法で「構成された」デバイスまたは構造は、少なくともその方法で構成されるが、示されていない方法で構成されてもよい。さらに、本明細書に記載された一部の実施形態は、非一時的なコンピュータ可読媒体に格納された命令を実行することによって、説明された機能を実行するように構成された１つまたは複数の電子プロセッサを含んでよい。同様に、本明細書に記載された実施形態は、説明された機能を実行するために１つまたは複数の電子プロセッサによって実行できる命令を格納する非一時的なコンピュータ可読媒体として実装されてよい。本出願において使用されるとき、「非一時的なコンピュータ可読媒体」は、すべてのコンピュータ可読媒体を含むが、一過性の伝搬信号では構成されない。したがって、非一時的なコンピュータ可読媒体は、例えば、ハード・ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、光ストレージ・デバイス、磁気ストレージ・デバイス、ＲＯＭ（Read Only Memory：読み取り専用メモリ）、ＲＡＭ（Random Access Memory：ランダム・アクセス・メモリ）、レジスタ・メモリ、プロセッサのキャッシュ、またはこれらの任意の組み合わせを含んでよい。
【００１８】
加えて、本明細書において使用される表現および用語は、説明を目的としており、制限と見なされるべきではない。例えば、本明細書における「含んでいる」、「包含している」、「備えている」、「有している」、およびこれらの変形の使用は、その後に示された項目およびそれらと同等のものに加えて、追加の項目を包含するよう意図されている。「接続された」および「結合された」という用語は、広範囲に使用され、直接的および間接的に接続することおよび結合することの両方を包含する。さらに、「接続された」および「結合された」は、物理的または機械的接続または結合に制限されず、直接的または間接的のいずれであろうと、電気的接続または電気的結合を含むことができる。加えて、有線接続、無線接続、またはこれらの組み合わせを使用して、電子通信および電子通知が実行されてよく、さまざまな種類のネットワーク、通信チャネル、および接続を経由して、直接的に、または１つまたは複数の仲介デバイスを介して送信されてよい。さらに、本明細書では、第１および第２、上部および下部などの関係を示す用語が、そのような実体または動作の間のそのような実際の関係または順序を必ずしも必要としないか、または意味せずに、ある実体または動作を別の実体または動作と区別するために、単独で使用されることがある。
【００１９】
前述したように、生物医学画像のセグメント化は、対象の物体を表す画像内のピクセルを識別しようとし、物体に対するさまざまな計算およびデータ処理（例えば、体積計算など）を実行できるようにする。しかし、画像のセグメント化を実行するための多くの手法は、一貫性のある形状および状況を識別することに頼る。例えば、前述したように、ＣＮＮは、ＣＮＮが認識するようにトレーニングされている画像内の形状および物体を認識することにおいて優れているが、ＣＮＮは、画像内の不規則な形状を認識するのが不得意である。したがって、一貫性のある形状および状況を識別することに頼る手法は、腫瘤、病変などの不規則な物体の識別においては、効果的でないことがある。
【００２０】
他の手法は、画像内の対象の物体の境界を決定するために、ピクセルが広がることに頼る。前述したように、領域拡張は、規則性に頼らず、境界が識別されるまで、シード・ピクセルを隣接するピクセルに広げる。したがって、対象の物体の形状は、領域拡張の性能に影響を与えない。しかし、図１に示されているように、物体が明確に定義された境界を有していない場合（小さい接続によってであっても、物体が隣接する明るい組織に接続されている場合など）、領域拡張は、真の境界の外側に、物体を不適切に拡張することがある。
【００２１】
前述した手法の欠陥を解決するために、本明細書に記載された実施形態は、ＣＮＮおよびＲＮＮの利点を時空間ユニットにおいて組み合わせ、画像内の不規則な物体の識別を改善する。具体的には、下で詳細に説明されているように、本明細書に記載された実施形態は、空間的にゲーティングされる伝搬を採用する。ゲーティングは、（前の状態および新たに受信された情報に基づいて）システムの新しい状態を生成するネットワークの１つの部分と、この新しい状態をゲーティングし、新しい状態が使用されて時間において前方に伝搬されるかどうかを決定する、ネットワークの別の部分とを含む。本明細書において説明されているように、ピクセルおよびピクセルの最も近い隣の直前の内部状態が、ゲーティングされ、現在の時間ステップでのピクセルの内部状態を決定するために使用される。したがって、本明細書に記載されたシステムおよび方法は、空間および時間の両方にわたって値を伝搬する。さらに、前述した画像ピラミッドの作成によって、異なる画像解像度にわたる値の伝搬を可能にする。
【００２２】
図２は、ニューラル・ネットワークを実装するためのシステム２００を示している。ニューラル・ネットワークは、受信された入力に関する出力を予測するために非線形ユニットの１つまたは複数の層を採用する機械学習モデルである。一部のニューラル・ネットワークは、入力層および出力層に加えて、１つまたは複数の隠れ層を含む。各隠れ層の出力は、ネットワーク内の次の層（次の隠れ層または出力層）への入力として使用される。ネットワークの各層は、パラメータの各セットの現在の値に従って、受信された入力から出力を生成する。
【００２３】
図２に示されているように、システム２００は、電子プロセッサ２０４およびメモリ２０６を含んでいるコンピューティング・デバイス２０２を含んでいる。電子プロセッサ２０４およびメモリ２０６は、無線によって、有線通信チャネルもしくはバスを経由して、またはこれらの組み合わせによって、通信する。コンピューティング・デバイス２０２は、さまざまな構成において、図２に示されているコンポーネント以外の追加のコンポーネントを含んでよい。例えば、一部の実施形態では、コンピューティング・デバイス２０２は、複数の電子プロセッサ、複数のメモリ・モジュール、またはこれらの組み合わせを含む。また、一部の実施形態では、コンピューティング・デバイス２０２は、コンピューティング・デバイス２０２がネットワーク、周辺機器などと通信できるようにする、１つまたは複数の入出力インターフェイスを含む。
【００２４】
コンピューティング・デバイス２０２によって実行されるとして本明細書において説明されている機能が、さまざまな地理的位置にある複数のコンピューティング・デバイスによって分散的に実行されてよいということが、理解されるべきである。例えば、コンピューティング・デバイス２０２によって実行されるとして本明細書において説明されている機能は、クラウド・コンピューティング環境に含まれている複数のコンピューティング・デバイス２０２によって実行されてよい。電子プロセッサ２０４は、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：application-specific integrated circuit）などであってよい。電子プロセッサ２０４は、通常、本明細書に記載された機能を含む一連の機能を実行するためのソフトウェア命令を実行するように構成される。メモリ２０６は、非一時的なコンピュータ可読媒体を含み、電子プロセッサ２０４によって実行できる命令を含むデータを格納する。例えば、図２に示されているように、メモリ２０６は、電子プロセッサ２０４によって実行されるコンピュータ・プログラムを含んでいるニューラル・ネットワーク２０８を格納する。
【００２５】
図３は、電子プロセッサ２０４が本明細書に記載された方法を実行するために実行する、ニューラル・ネットワーク２０８の例の視覚的表現を示している。図３に示されているように、電子プロセッサ２０４によって実行されたときに、ニューラル・ネットワーク２０８は、入力を受信して出力３０５を生成する機械学習システムを提供する。１つの例として、入力は、生物医学画像などの画像（入力画像３００）、または別の種類の多次元データを含み、出力３０５は、同様に、画像または別の種類の多次元データを含む。
【００２６】
図３に示されているように、入力画像３００が、ニューラル・ネットワーク２０８の第１の層３１０に入力される。単一の層として第１の層３１０が示されているが、これは単に例示を目的としており、第１の層３１０が任意の数の層を含んでよいということが、理解されるべきである。第１の層３１０では、ニューラル・ネットワーク２０８が、各ピクセルの明るさを表す値に対して、複数の畳み込みを実行してよい。他の実施形態では、下で説明されているように、ニューラル・ネットワーク２０８が、第１の層３１０内で複数の畳み込みを実行し、入力画像３００（Ｉ０）から画像ピラミッド３１５を作成してよい。
【００２７】
画像ピラミッド３１５は、入力画像３００から畳み込まれたテンソル（Ｉ１−Ｉｌ）のシーケンスである。ｌ＝１の場合に生成されたテンソルは、入力画像３００（Ｉ０）と同じ空間的次元を有するが、その後の畳み込み／縮小ごとに、テンソルのサイズが半分になる。したがって、ｌの値ごとに、テンソルは異なる解像度を有し、テンソルＩ１が最高の解像度を有しており、テンソルＩｌが最低の解像度を有している。次の方程式は、第１の層３１０において実行される、画像ピラミッド３１５を作成するプロセスを示している。
【００２８】
【数１】
2021527859.tif 000003
【００２９】
【数２】
2021527859.tif 000004
・
・
・
【００３０】
【数３】
2021527859.tif 000005
【００３１】
演算子＊は、畳み込み演算を表している。例えば、方程式Ａ＊Ｂは、入力ＢとカーネルＡの間の畳み込みを表す。
【００３２】
Ｉ０は、元の入力画像３００を表す変数である。Ｉ０は次元Ｎ０×Ｎ０×１を有する。言い換えると、入力画像３００は、Ｎ０個の行、Ｎ０個の列、および（この実施形態例では、入力画像３００がグレースケール画像であるため）１つのチャネルを有する。
【００３３】
Ｉｌは、入力画像３００（Ｉ０）に対して１つまたは複数の縮小が実行された後に生成された画像データ（テンソル）の中間形態を表す変数である。前述したように、ｌ＞１である場合、Ｉｌは入力画像３００（Ｉ０）より低い解像度を有する。Ｉｌは次元Ｎｌ×Ｎｌ×Ｃを有し、Ｎｌ＝２−（ｌ−１）Ｎ０であり、Ｃはチャネルの数である。
【００３４】
【数４】
2021527859.tif 000006
は、入力画像データの次元を維持する畳み込み演算子（カーネル）を表す変数である。入力画像データは次元Ｎｌ×Ｎｌ×ＣＩを有し、一方、出力画像データは次元Ｎｌ×Ｎｌ×Ｃ０を有する。Ｋは、例えばＡｌｅｘＮｅｔ、ＤｅｎｓｅＮｅｔ、またはある範囲の他のアーキテクチャにおけるように配置された複数の連続的な畳み込み演算の組み合わせ、および畳み込み演算子の学習可能なパラメータを表してよい。
【００３５】
【数５】
2021527859.tif 000007
は、入力画像データの次元を半分に縮小する畳み込み演算子を表す変数である。入力画像データは次元Ｎｌ−１×Ｎｌ−１×ＣＩを有し、一方、出力画像データは次元Ｎｌ×Ｎｌ×Ｃ０を有する。Ｋと同様に、Ｄは、例えばＡｌｅｘＮｅｔ、ＤｅｎｓｅＮｅｔ、またはある範囲の他のアーキテクチャにおけるように配置された複数の連続的な畳み込み演算、および畳み込み演算子の学習可能なパラメータを表してよい。しかし、畳み込み演算子Ｄは、入力画像データの次元を半分に縮小する最大プーリング層またはストライド畳み込み層も表す。
【００３６】
画像ピラミッド３１５のレベルごとに計算されたテンソルが、第２の層３２０に供給される。第２の層３２０において実行される動作を示す方程式は、次のとおりである。
【００３７】
【数６】
2021527859.tif 000008
【００３８】
やはり、演算子＊は畳み込み演算子を表し、Ｉｌは、入力画像３００（Ｉ０）に対して１つまたは複数の縮小が実行された後に生成された画像データ（テンソル）の中間形態を表す変数である。
【００３９】
［Ａ、Ｂ］は、テンソル（例えば、ＡおよびＢ）間の連結動作である。２つのテンソルに対して実行される連結動作は、テンソルの各々に含まれているチャネルを結合する。例えば、テンソルＡが次元Ｍ×Ｍ×Ｃ１を有しており、テンソルＢが次元Ｍ×Ｍ×Ｃ２を有している場合、［Ａ、Ｂ］の出力は次元Ｍ×Ｍ×（Ｃ１＋Ｃ２）を有する。
【００４０】
【数７】
2021527859.tif 000009
は、解像度ｌおよび時間ステップｔでの空間格子内のノードごとに内部状態を保持するテンソル３２２である。前述したように、空間格子内の各ノードの内部状態が、各時間ステップで更新される。テンソル３２２は、次元Ｎｌ×Ｎｌ×ＣＨを有する。したがって、解像度ｌで画像の１つまたは複数のピクセルの各ブロックを表すＣＨ個の変数が存在する。
【００４１】
【数８】
2021527859.tif 000010
は、入力画像データの次元を維持する畳み込み演算子を表す変数である。入力画像データは次元Ｎｌ×Ｎｌ×ＣＩを有し、一方、出力画像データは次元Ｎｌ×Ｎｌ×Ｃ０を有する。Ｋは、例えばＡｌｅｘＮｅｔ、ＤｅｎｓｅＮｅｔ、またはある範囲の他のアーキテクチャにおけるように配置された複数の連続的な畳み込み演算の組み合わせ、および畳み込み演算子の学習可能なパラメータを表してよい。
【００４２】
【数９】
2021527859.tif 000011
は、方程式（４）の実行結果３２３を表す変数である。
【数１０】
2021527859.tif 000012
は、次元Ｎｌ×Ｎｌ×ＣＸを有しており、ニューラル・ネットワーク２０８の第３の層３２５に入力される。
【００４３】
要約すると、方程式（４）は、テンソル（Ｉｌ）をテンソル３２２（
【数１１】
2021527859.tif 000013
）に連結し（第１の連結を実行し）、畳み込み演算子
【数１２】
2021527859.tif 000014
をこの連結に適用し（画像ピラミッドの現在の層に対して第１の畳み込みを実行し）、結果３２３をテンソル
【数１３】
2021527859.tif 000015
に保存する。
【００４４】
第３の層３２５において実行される動作を示す方程式は、次のとおりである。
【００４５】
【数１４】
2021527859.tif 000016
【００４６】
やはり、前述したように、演算子＊は畳み込み演算を表し、［Ａ、Ｂ］は、テンソル（例えば、テンソルＡおよびＢ）間の連結動作である。同様に、
【数１５】
2021527859.tif 000017
は、入力画像データの次元を維持する畳み込み演算子（カーネル）を表す変数であり、
【数１６】
2021527859.tif 000018
は、入力画像データの次元を半分に縮小する畳み込み演算子（カーネル）を表す変数であり、
【数１７】
2021527859.tif 000019
は、テンソルＩｌ、内部状態
【数１８】
2021527859.tif 000020
、およびカーネル
【数１９】
2021527859.tif 000021
から計算された方程式（４）の結果を表す変数である。
【００４７】
【数２０】
2021527859.tif 000022
は、テンソルＩｌ＋１、内部状態
【数２１】
2021527859.tif 000023
、およびカーネル
【数２２】
2021527859.tif 000024
から計算された方程式（５）の結果を表す変数であり、
【数２３】
2021527859.tif 000025
は、テンソルＩｌ−１、内部状態
【数２４】
2021527859.tif 000026
、およびカーネル
【数２５】
2021527859.tif 000027
から計算された方程式（５）の結果を表す変数である。
【００４８】
【数２６】
2021527859.tif 000028
は、次元を２倍にすることによって入力画像データの次元をアップサンプリングする畳み込み演算子（カーネル）を表す変数である。例えば、入力画像データは次元Ｎｌ＋１×Ｎｌ＋１×ＣＩを有し、出力画像データは次元Ｎｌ×Ｎｌ×Ｃ０を有する。畳み込み演算子Ｋと同様に、畳み込み演算子Ｕは、ＡｌｅｘＮｅｔ、ＤｅｎｓｅＮｅｔ、またはある範囲の他のアーキテクチャにおけるように配置された複数の連続的な畳み込み演算、および畳み込み演算の学習可能なパラメータの組み合わせを表してよい。しかし、畳み込み演算子Ｕは、画像の次元を２倍にするための転置された畳み込み層を表してもよい。
【００４９】
【数２７】
2021527859.tif 000029
は、方程式（５）の実行結果を含むテンソルである。
【数２８】
2021527859.tif 000030
は、ゲート付き時空間ユニットに渡される情報を含む。要約すると、方程式（５）は、より高い解像度（Ｉｌ−１）で入力画像３００を表すテンソル（画像ピラミッドの現在の層の真下にある画像ピラミッドの層）を使用する方程式（４）の計算結果（
【数２９】
2021527859.tif 000031
）を縮小することと、より低い解像度（Ｉｌ＋１）で入力画像３００を表すテンソル（画像ピラミッドの現在の層の真上にある画像ピラミッドの層）からの方程式（４）の計算結果（
【数３０】
2021527859.tif 000032
）をアップサンプリングこととを含む。方程式（５）は、アップサンプリングの結果をダウンサンプリングの結果と連結し、解像度Ｉｌで入力画像３００を表すテンソルからの方程式（４）の計算結果と連結する（第２の連結を実行する）ことも含む。この方程式は、連結の結果およびカーネル
【数３１】
2021527859.tif 000033
の畳み込みを実行し（第２の畳み込みを実行し）、その結果を変数
【数３２】
2021527859.tif 000034
に保存する。
【００５０】
ニューラル・ネットワーク２０８の第１の反復では、第３の層３２５からの出力を使用して、ゲート付き時空間ユニット３３０の空間格子に含まれているノードごとに、内部状態を単に初期化する。各ノードは、ノードの内部状態を表す値のベクトル、およびそのノードの中心にある１つまたは複数のピクセルのブロックの明るさから画像ピラミッド内で導出された値を含む。連続する各反復で、前の反復からの各ノードの内部状態が、テンソル３２２（
【数３３】
2021527859.tif 000035
）を介してニューラル・ネットワーク２０８の第２の層３２０に入力される。その後、第２の層３２０から開始して、前述したプロセスが繰り返される。
【００５１】
前述したように、ニューラル・ネットワーク２０８は、複数のノードが空間格子内に配置されているゲート付き時空間ユニット３３０を含む。この格子内の各ノードは、入力画像３００内のピクセルに対応する。ゲート付き時空間ユニット３３０は、複数の時間ステップの各々でデータ処理を実行する。各時間ステップで、ゲート付き時空間ユニット３３０が複数の値を受信する。受信された値、および前の時間ステップでゲーティングされた各ノードの内部状態を表す値に基づいて、ゲート付き時空間ユニット３３０が、現在の時間ステップでの各ノードの内部状態の更新方法を決定する。下で詳細に説明されているように、ゲート付き時空間ユニット３３０は、格子内のノードごとに、前の時間ステップでのノードの内部状態を維持するか、ノードの内部状態を、前の時間ステップからの隣のノードの内部状態を表す値に設定するか、またはノードの新しい内部状態を生成するかを決定することによって、各ノードの内部状態を更新する方法を決定する。
【００５２】
以下の方程式は、現在の時間ステップでのゲート付き時空間ユニット３３０の格子に含まれているノードの内部状態
【数３４】
2021527859.tif 000036
３２７を決定するために使用される計算の例であり、解釈を容易にするために、７行に分けられている（Ｉ〜ＶＩＩのラベルが付けられている）。
【００５３】
【数３５】
2021527859.tif 000037
【００５４】
【数３６】
2021527859.tif 000038
【００５５】
【数３７】
2021527859.tif 000039
【００５６】
【数３８】
2021527859.tif 000040
【００５７】
【数３９】
2021527859.tif 000041
【００５８】
【数４０】
2021527859.tif 000042
【００５９】
【数４１】
2021527859.tif 000043
【００６０】
σ（Ａ）は、テンソルのすべての要素ａへのシグモイド関数１／（１＋ｅ−ａ）の要素ごとの適用を表す。シグモイド関数は、「スカッシング」関数と呼ばれることがある。シグモイド関数は、＋∞〜−∞の任意の入力値を受け取り、その入力値を０〜１の出力値に押しつぶす。
【００６１】
ｔａｎｈも、スカッシング関数である。ｔａｎｈ関数は、＋∞〜−∞の任意の入力値を受け取るが、この関数は、その入力値を−１〜１の出力値に押しつぶす。
【００６２】
演算子
【数４２】
2021527859.tif 000044
は、アダマール積演算を表している。例えば、方程式Ａ
【数４３】
2021527859.tif 000045
Ｂが与えられた場合、入力Ｂと入力Ａの間のアダマール積演算が実行される。アダマール積は、２つの同一サイズの入力からの要素の各対の、要素ごとの乗算である。
【００６３】
【数４４】
2021527859.tif 000046
は、解像度ｌおよび時間ステップｔでの第３の層３２５で実行される計算の結果３２６を含んでいるテンソルである。
【数４５】
2021527859.tif 000047
は次元Ｎｌ×Ｎｌ×７×ＣＨを有する。第３の次元の７つの要素の各々は、時空間ゲーティング・プロセスにおいて特定の役割を有している。方程式内の変数の
【数４６】
2021527859.tif 000048
〜
【数４７】
2021527859.tif 000049
は、７つの要素のうちの１つが選択されたときに得られるテンソルを参照している。７つの要素の各々に関連付けられた各テンソルは、次元Ｎｌ×Ｎｌ×ＣＨを有する。
【００６４】
【数４８】
2021527859.tif 000050
は、解像度ｌおよび時間ステップｔでの空間格子内のノードごとに内部状態を保持するテンソル３２２である。前述したように、内部状態は、各時間ステップで動的に更新される。テンソルは、次元Ｎｌ×Ｎｌ×ＣＨを有する。したがって、解像度ｌで各ノードを表すＣＨ個の変数が存在する。
【００６５】
ＳΔｘ，Δｙは、空間変位畳み込み演算子（spatial shifting convolution operator）である。この演算子は、学習可能なパラメータを含んでいない。ＳΔｘ，Δｙは、ノードの現在の内部状態を決定するときに、最も近い隣のノードの内部状態からの情報を考慮できるようにする。
【００６６】
上の方程式に戻ると、テンソル
【数４９】
2021527859.tif 000051
に格納される結果３２６が、７つの部分に分けられている。各部分は、前述したように、テンソル
【数５０】
2021527859.tif 000052
の第３の次元内の要素を表している。方程式（６）の行（Ｉ）は、ｔａｎｈスカッシング関数を方程式（６）の行ＩＩ〜ＶＩＩの合計に適用し、現在の反復でのノードの内部状態を決定する。方程式（６）の行（ＩＩ）は、ゲーティングされた値に応じて、前のタイムスタンプからのノードの内部状態を現在のタイムスタンプにコピーする可能性に対応する。次の４つの行（ＩＩＩ〜ＶＩ）（
【数５１】
2021527859.tif 000053
、
【数５２】
2021527859.tif 000054
、
【数５３】
2021527859.tif 000055
、
【数５４】
2021527859.tif 000056
）は、前の反復からの最も近い隣のうちの１つの内部状態を現在の反復でのノードの内部状態にコピーする可能性にそれぞれ対応する。最後の行（ＶＩＩ）は、全く新しい値を生成し、場合によっては現在の反復でのノードの内部状態を新しい値に設定することに対応する。
【００６７】
図４は、現在の反復で決定されている内部状態を有するノード４００と、前の反復で決定された内部状態を有するノードとの間の接続を示している。各ノードは、ゲート付き時空間ユニット３３０の直前の反復で計算された内部状態を有するノードに接続されている。具体的には、各ノードは、ゲート付き時空間ユニット３３０の直前の反復でのそれ自身の内部状態を表すノードに加え、ゲート付き時空間ユニット３３０の直前の反復での隣のノードの内部状態を表すノードに接続されている。図４では、グループ４０５内のノードは、ニューラル・ネットワーク２０８の直前の反復で決定された内部状態にそれぞれ関連付けられているノードである。グループ４１０内のノードは、ニューラル・ネットワーク２０８の現在の反復で決定された内部状態に関連付けられているノードである。前述したように、各ノードは、入力画像３００内のピクセル（または１つまたは複数のピクセルのブロック）に対応する。あるノードの隣の各ノードは、このノードによって表されるピクセル（または１つまたは複数のピクセルのブロック）に隣接するピクセル（または１つまたは複数のピクセルのブロック）を表す。例えば、ノード４００が座標（ｉ、ｊ）での画像内のピクセルを表している場合、（ｉ、ｊ）でのピクセルを表しているノード４００は、（（ｉ、ｊ）でのピクセルのすぐ左にある）座標（ｉ−１、ｊ）を表しているノード４１５、（（ｉ、ｊ）でのピクセルのすぐ右にある）座標（ｉ＋１、ｊ）でのピクセルを表しているノード４２０、（（ｉ、ｊ）でのピクセルのすぐ上にある）座標（ｉ、ｊ＋１）でのピクセルを表しているノード４２５、および（（ｉ、ｊ）でのピクセルのすぐ下にある）座標（ｉ、ｊ−１）でのピクセルを表しているノード４３０に接続される。ピクセル（ｉ、ｊ）を表しているノード４００に接続されているとして説明された上記のノードの各々は、ノード４００の隣のノードである。したがって、ゲート付き時空間ユニット３３０は、ノード４００の内部状態を、グループ４０５内のノードのうちの１つの内部状態に設定するかどうかを決定する。
【００６８】
ゲート付き時空間ユニット３３０の空間格子内のノードの内部状態が収束した（既定の量より少なく変化した）ときに、最高の解像度で入力画像３００を表すノードの内部状態が、ニューラル・ネットワーク２０８の最終的な層３３５に出力される。最終的な層３３５は、各ノードの内部状態に含まれている１つの値を使用して、そのノードが表しているピクセルが入力画像３００内の対象の物体に属している確率（例えば、０と１の間の値）を計算する。次の方程式は、各ピクセルが対象の物体の一部である確率を決定するために最終的な層３３５において実行される動作を表している。
【００６９】
【数５５】
2021527859.tif 000057
【００７０】
Ｙｔは、時間ステップｔでのニューラル・ネットワーク２０８の出力３０５を表す変数であり、次元Ｎ０×Ｎ０×１（入力と同じ次元）を有する。
【００７１】
【数５６】
2021527859.tif 000058
は、解像度１および時間ステップｔでの空間格子内のノードごとに内部状態を保持するテンソルである。
【００７２】
【数５７】
2021527859.tif 000059
は、入力画像データの次元を維持する畳み込み演算子を表す変数である。入力画像データは次元Ｎ０×Ｎ０×ＣＩを有し、一方、出力画像データは次元Ｎ０×Ｎ０×１を有する。Ｋは、例えばＡｌｅｘＮｅｔ、ＤｅｎｓｅＮｅｔ、またはある範囲の他のアーキテクチャにおけるように配置された複数の連続的な畳み込み演算の組み合わせ、および畳み込み演算子の学習可能なパラメータを表してよい。
【００７３】
要約すると、方程式（７）は、
【数５８】
2021527859.tif 000060
を使用する最後の畳み込みを、最高の解像度の内部状態
【数５９】
2021527859.tif 000061
に適用し、それによって、入力チャネルの数（ＣＨ）を１つの出力チャネルに減らす。この方程式は、
【数６０】
2021527859.tif 000062
を使用する最後の畳み込みを、最高の解像度の内部状態
【数６１】
2021527859.tif 000063
に適用した結果に、シグモイド関数を適用し、それによって、Ｙｔに含まれている各値を０〜１の範囲内の値に押しつぶす。Ｙｔに含まれている０〜１の範囲内の各値は、画像のピクセルが入力画像３００内の対象の物体内にある確率に対応する。例えば、単一のピクセルに対してシグモイド関数によって生成された値が０．５である場合、このピクセルが対象の物体内にある５０％の確率が存在する。
【００７４】
ニューラル・ネットワーク２０８は、生成された出力３０５（各ノードに対して計算された確率）を出力データ・リポジトリ（例えば、メモリ２０６）に格納するか、または生成された出力３０５を、ディスプレイ・デバイス上でユーザに表示することなどによって、使用または消費するために提供してよい。いずれにせよ、電子プロセッサ２０４は、ピクセルが対象の物体に含まれているピクセルごとの確率を、既定のしきい値と比較する。ピクセルが対象の物体の一部である確率が既定のしきい値より高い場合、電子プロセッサ２０４は、このピクセルが対象の物体の一部であるということを決定する。
【００７５】
一部の実施形態では、前述したニューラル・ネットワーク２０８内で、画像ピラミッド３１５に含まれている入力画像３００の表現のレベル（Ｉ１〜Ｉｌ）ごとに方程式（４〜６）が実行されるということが、理解されるべきである。ニューラル・ネットワーク２０８は、時間、空間、および解像度にわたって値を伝搬するとして、上で説明されたが、ニューラル・ネットワーク２０８が、時間および空間のみにわたって値を伝搬するように変更されてよいということも、理解されるべきである。
【００７６】
各反復で各ノードの内部状態を決定するために使用されるゲートの値は、０または１のいずれかである必要はなく、０〜１の範囲内の任意の値であってよいということも、理解されるべきである（上の方程式（６）を参照）。したがって、一部の実施形態では、ノードの更新された内部状態は、前述した選択肢（前の反復からのノードの値、前の反復からの１つまたは複数の隣のノードの値、およびノードの新しい値）のうちの２つ以上の混合（または、より数学的には、線形結合）であってよい。
【００７７】
図５および図６は、ニューラル・ネットワーク２０８の実際の適用の例を示している。図５は、ニューラル・ネットワーク２０８が入力として受信できる医用画像５００の例を示している。画像５００内の対象の物体は、左肺５１０内の腫瘍５０５である。図６は、ニューラル・ネットワーク２０８が対象の物体（腫瘍５０５）として識別する医用画像５００の領域を示している。領域拡張手法が使用される場合（図１を参照）と異なり、対象の物体の境界が左肺５１０の外側に広がっていない。
【００７８】
したがって、本明細書に記載された実施形態は、時空間ユニットを含んでいるニューラル・ネットワークを提供する。時空間ユニットは、空間的に拡張されたノードの格子である。例えば、各ノードは、画像内のピクセルに対応する。ニューラル・ネットワークは、ノードごとに初期内部状態を決定し、ノードごとに内部状態を反復的に更新し、時間または空間あるいはその両方にわたって値を伝搬することによって、およびノードごとに内部状態を表すための新しい値を計算することによって、何度も繰り返して新しい内部状態を生成する。したがって、文字または単語の１次元のシーケンスに対して反復する長短期記憶（ＬＳＴＭ）ネットワークおよびゲート付き回帰型ユニット（ＧＲＵ：gated recurrent unit）ネットワークなどの、他の種類のＲＮＮと比較して、本明細書に記載された実施形態は、各ノードの内部状態を更新するときに、隣のノードの決定を考慮する。具体的には、本明細書に記載された実施形態は、空間的次元および時間的次元の両方を適用する。したがって、時間次元は前方にのみ反復するが、空間的ゲーティングは、画像の１つの部分において新しい結論に達し、その結論が画像の他の部分に伝搬され、それらの部分での意思決定に情報を与えるというように、空間的情報が、必要な長さにわたって空間格子上を後方および前方に共鳴できるようにする。さらに、本明細書に記載された一部の実施形態では、ニューラル・ネットワーク２０８内の値が、画像の異なる解像度間で伝搬されてよい。
【００７９】
本明細書に記載された実施形態は、閉じている。具体的には、本明細書に記載されたニューラル・ネットワーク２０８には、外部の世界に関する情報のすべてが初期入力（処理を必要とする画像）として与えられ、その時点以降、ニューラル・ネットワーク２０８は、外部からさらに情報を受け取らずに、それ自身の内部状態およびルールのみに従って、時間と共に進化する。そのようにして、内部状態がそれ以上変化しなくなって収束するまで、反復が継続する。これによって、ニューラル・ネットワーク２０８を、関数ではなくアルゴリズムのようなものにする。これに対して、ＲＮＮには、各時間ステップで新しい１つの問題（例えば、１つの単語）が与えられるため、新しい情報が使用可能である場合にのみ、反復が継続する。
【００８０】
以下の特許請求の範囲では、一部の実施形態のさまざまな特徴および利点が示される。
【図１】
2021527859.tif 000064
【図２】
2021527859.tif 000065
【図３】
2021527859.tif 000066
【図４】
2021527859.tif 000067
【図５】
2021527859.tif 000068
【図６】
2021527859.tif 000069
【国際調査報告】
2021527859.tif 000070
2021527859.tif 000071