Основанная на модели сегментация анатомической структуры
MODEL-BASED SEGMENTATION OF ANATOMICAL STRUCTURE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способу генерирования деформируемой модели для сегментации анатомической структуры в медицинском изображении. Настоящее изобретение также относится к данным модели, получаемым упомянутым способом. Кроме того, настоящее изобретение относится к системе для наложения деформируемой модели на анатомическую структуру в медицинском изображении.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Надежная автоматическая сегментация различных анатомических структур в медицинском изображении является ключевым механизмом улучшения проведения клинических процедур. В данном случае термин сегментация относится к идентификации анатомической структуры в медицинском изображении, например, посредством очерчивания границ анатомической структуры или посредством пометки вокселов, охваченных этими границами. После такой сегментации можно извлечь такие клинические параметры, как, в случае сердечной структуры, желудочковая масса, фракция выброса и толщина стенки. Следовательно, автоматическая сегментация может значительно уменьшить время от сканирования до постановки диагноза и, в результате этого, помочь практикующим врачам эффективнее организовывать работу с пациентами.
Известна сегментация анатомической структуры в медицинском изображении с использованием деформируемой модели. Сегментация такого типа также называется основанной на модели сегментацией. Деформируемая модель может быть задана данными модели. В частности, данные модели могут задавать геометрию анатомической структуры, например, в виде многоячеистой сетки треугольников. Посредством назначения аффинного преобразования каждой части такой деформируемой модели можно эффективно моделировать самые разнообразные форм для различных пациентов и фаз. Аффинные преобразования охватывают сдвиг, поворот, масштабирование вдоль различных координатных осей и срезов. Кроме того, регулярность сетки может поддерживаться посредством интерполяции аффинных преобразований при переходах между различными частями деформируемой модели. Следует отметить, что такие типы деформируемых моделей также называются моделями средних форм.
Наложение деформируемой модели на данные изображения медицинского изображения, также называемое адаптацией сетки, может включать в себя оптимизацию энергетической функции, которая может быть основана на внешнем энергетическом условии, которое помогает адаптировать деформируемую модель к данным изображения, и внутреннем энергетическом условии, которое поддерживает жесткость деформируемой модели.
Как таковые, деформируемые модели вышеупомянутого описанного типа известны, поскольку существуют способы наложения таких моделей на анатомическую структуру в медицинском изображении.
Например, в публикации под названием «Автоматическая основанная на модели сегментация сердца в КТ-изображениях» под авторством О. Экэберта и др., Сборники IEEE по формированию медицинских изображений 2008, 27(9), стр. 1189-1201 («Automatic Model-based Segmentation of the Heart in CT Images» by O. Ecabert et al., IEEE Transactions on Medical Imaging 2008, 27(9), pp. 1189-1201) описан основанный на модели подход для автоматической сегментации сердца (четырех камер, миокарды и больших сосудов) на основе трехмерных (3D) компьютерно-томографических (КТ) изображений (КТ-изображений). В данном случае адаптацию модели выполняют с постепенным увеличением степеней свободы допустимых деформаций для повышения сходимости, а также точности сегментации. Сначала определяют местоположение сердца в изображении с использованием 3D-реализации обобщенного преобразования Хафа. Неточное совмещение расположения корректируют согласованием модели с изображением с использованием глобального преобразования подобия. Впоследствии к решению комплексной инициализации многоячеистой сетки подходят посредством назначения аффинного преобразования каждой анатомической области модели. В завершении выполняют деформируемую адаптацию для точного согласования с границами анатомии пациента.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Проблема известных деформируемых моделей состоит в том, что они недостаточно подходят для подробной сегментации стенки таких анатомических структур. В данном случае термин «стенка» относится к слоистой структуре, имеющей один или большее количество анатомических слоев. Примеры таких слоистых структур включают в себя стенку сердца, брюшную стенку и т.д.
Было бы полезным иметь деформируемую модель, которая обеспечивает более детальную сегментацию стенки анатомической структуры.
Для лучшего преодоления данного затруднения в первом варианте выполнения настоящего изобретения предложен способ генерирования деформируемой модели для сегментации анатомической структуры в медицинском изображении, причем анатомическая структура содержит стенку, имеющую первый поверхностный слой и второй поверхностный слой, а способ содержит этапы, на которых:
обеспечивают первую поверхностную сетку для наложения на первый поверхностный слой стенки во время основанной на модели сегментации;
обеспечивают вторую поверхностную сетку для наложения на второй поверхностный слой стенки во время основанной на модели сегментации;
генерируют сетку промежуточного слоя для наложения в промежутке между первым поверхностным слоем и вторым поверхностным слоем во время основанной на модели сегментации, причем генерирование включает в себя этап, на котором согласуют топологию сетки по меньшей мере части сетки промежуточного слоя с топологией сетки для имеющей анатомическое соответствие части сетки, выбранной из обеих поверхностных сеток, благодаря чему обеспечивают согласование топологий сеток; и
генерируют данные модели, задающие первую поверхностную сетку, вторую поверхностную сетку и сетку промежуточного слоя.
В дополнительном варианте выполнения настоящего изобретения предложены данные модели, задающие деформируемую модель, которая выполнена для сегментации анатомической структуры в медицинском изображении, причем анатомическая структура содержит стенку, имеющую первый поверхностный слой и второй поверхностный слой, а данные модели содержат:
первую поверхностную сетку для наложения на первый поверхностный слой стенки во время основанной на модели сегментации;
вторую поверхностную сетку для наложения на второй поверхностный слой стенки во время основанной на модели сегментации; и
сетку промежуточного слоя для наложения в промежутке между первым поверхностным слоем и вторым поверхностным слоем во время основанной на модели сегментации, при этом по меньшей мере часть сетки промежуточного слоя содержит топологию сетки, которая согласована с топологией сетки для имеющей анатомическое соответствие части сетки, выбранной из обеих поверхностных сеток, благодаря чему обеспечивают согласование топологий сеток.
В дополнительном варианте выполнения настоящего изобретения предложена система для наложения деформируемой модели на анатомическую структуру в медицинском изображении, причем анатомическая структура содержит стенку, имеющую первый поверхностный слой и второй поверхностный слой, при этом система содержит:
хранилище данных, содержащее данные модели, задающие деформируемую модель; и
подсистему обработки, выполненную с возможностью наложения деформируемой модели на анатомическую структуру в медицинском изображении.
Вышеупомянутые меры подразумевают генерирование деформируемой модели и ее наложение на анатомическую структуру, такую как орган, часть органа и т.д. Анатомическая структура представлена данными изображения медицинского изображения. Такие медицинские изображения обычно являются медицинскими изображениями пациента и могут быть получены с использованием формирующей изображения модальности, такой как, помимо прочего, формирование КТ-изображений, формирование магнитно-резонансных (МР) изображений (МР-изображений) и т.д. Анатомическая структура содержит стенку, которая является слоистой структурой, имеющей один или более анатомических слоев. Примером такой стенки является стенка сердца, брюшная стенка, стенка серого/белого вещества в мозгу и т.д. Деформируемая модель выполнена с возможностью наложения на стенку, которая содержит два поверхностных слоя, а именно, первый поверхностный слой и второй поверхностный слой. Например, в случае стенки сердца поверхностные слои являются эпикардом, являющимся наружным поверхностным слоем стенки сердца, и эндокардом, являющимся внутренним поверхностным слоем стенки сердца.
Деформируемую модель генерируют следующим образом. Обеспечивают две поверхностных сетки для наложения на соответствующие поверхностные слоя стенки. Такие поверхностные сетки могут быть сгенерированы известным образом, например, как описано в упомянутой публикации «Автоматическая основанная на модели сегментация сердца в КТ-изображениях» или посредством любой другой подходящей известной методики. Обеспечение таких поверхностных сеток также может подразумевать получение их из внешнего источника, такого как предварительно сгенерированная деформируемая модель, учебный или тренировочный алгоритм, управляемое пользователем генерирование модели и т.д. В результате, для каждого из поверхностных слоев получают поверхностную сетку. Такая сетка обычно состоит из узлов, также называемых точками, соответствующей поверхностной сетки и взаимных соединений между узлами. Примеры сеток включают в себя треугольные сетки, четырехугольные сетки, а также другие типы многоугольных сеток. Как таковые такие типы сеток известны из области компьютерной графики и, при использовании в основанной на модели сегментации изображения, также из области медицины.
В соответствии с настоящим изобретением осуществляют генерирование по меньшей мере одной сетки промежуточного слоя. Сетку промежуточного слоя выполняют с возможностью наложения на данные изображения медицинского изображения в промежутке между внутренним поверхностным слоем и наружным поверхностным слоем стенки, благодаря чему задают промежуточный слой внутри объема стенки. Сетку промежуточного слоя генерируют таким образом, что топология сетки по меньшей мере локально согласована с топологией сетки одной из поверхностных сеток. В данном случае, термин «топология сетки» относится к структуре, обеспеченной посредством по меньшей мере i) нескольких узлов и ii) их взаимных соединений, то есть того, какой узел с каким узлом соединен. Данная структура необязательно, но может обозначать схожую форму узлов, то есть их взаимное положение. Топология сетки осуществляет согласование между имеющими анатомическое соответствие частями поверхностной сетки и сеткой промежуточного слоя. Такие имеющие анатомическое соответствие части обычно обозначаются одним и тем же или подобным положением вдоль стенки.
После генерации сетки промежуточного слоя генерируют данные модели, которые задают первую поверхностную сетку, вторую поверхностную сетку и сетку промежуточного слоя. Такие данные модели представляют собой машиночитаемое задание или описание деформируемой модели и могут быть сохранены на машиночитаемом носителе, таком как полупроводниковое запоминающее устройство, магнитный или оптический диск и т.д. После генерации данных модели деформируемая модель может быть наложена на анатомическую структуру в медицинском изображении, а именно, посредством наложения первой поверхностной сетки на первый поверхностный слой стенки, второй поверхностной сетки на второй поверхностный слой и сетки промежуточного слоя в промежутке между первым поверхностным слоем и вторым поверхностным слоем.
Настоящее изобретение основано на глубоком анализе проводимой с медицинским целями сегментации сердца. В данном случае модели сегментации сердца обычно являются однослойными моделями, которые сегментируют только поверхность сердца. Так называемые двухслойные модели доступны только для левого желудочка и предсердия, причем они могут сегментировать как эндокард, так и эпикард левого желудочка. В случаях, при которых необходима объемная сетка, например, для хранения пространственно распределенной функциональной информации, такой как информация о рубце, между эндокардом и эпикардом вводится четырехгранная сетка. Объемная сетка может быть создана посредством инструмента формирования сеток, такого как тетхен (tetgen) (http://tetgen.berlios.de/), с наложением некоторых ограничений на качество, таких как соотношение радиуса к ребру четырехгранника.
К недостаткам относится то, что используемые в настоящее время или известные объемные сетки не отражают фактического построения стенок сердца и не позволяют хранить информацию о рубце с минимальной точностью глубины. В данном случае, термин «точности глубины» относится к пространственному разрешению деформируемой модели относительно стенки. Последняя проблема происходит из того факта, что известные способы формирования сеток не гарантируют конкретного минимального количества четырехгранников между внутренней и наружной поверхностью сердца. При этом информация о рубце для каждого четырехгранника хранится в двоичной форме (рубец есть или его нет). Так в случае худшего сценария полная глубина стенки представляется одиночным четырехгранником, характеризующим рубец уже с 50% трансмуральностью.
Авторы настоящего изобретения дополнительно выяснили, что такие недостатки также могут возникать при сегментации других анатомических структур. Настоящее изобретение позволяет устранить эти недостатки посредством обеспечения деформируемой модели, которая содержит сетку промежуточного слоя для наложения в промежутке между первым поверхностным слоем и вторым поверхностным слоем во время основанной на модели сегментации. Сетку промежуточного слоя генерируют таким образом, что топология по меньшей мере части сетки промежуточного слоя согласована с топологией сетки для имеющей анатомическое соответствие части одной из поверхностных сеток. Этим обеспечивается регулярность деформируемой модели, которая полезна для дальнейших этапов формирования сетки и визуализации. А именно, регулярность в топологии сеток автоматически визуально подчеркивает недостаточную регулярность в других аспектах сеток после их наложения, например, в таких как нерегулярность формы, расстояния между сетками и т.д. Такие нерегулярности часто связаны с анатомическими аномалиями, тем самым обеспечивая пользователю возможность обнаружения таких аномалий с меньшей когнитивной нагрузкой. Преимущество заключается в том, что деформируемая модель лучше согласуется со структурой стенки, благодаря чему обеспечивают более точную сегментацию. В случае сердечной сегментации, она позволяет хранить информацию о рубце с более высокой точностью глубины, а также гарантированием минимальной точности глубины.
В качестве дополнительной возможности этап генерирования сетки промежуточного слоя включает этап, на котором дублируют часть выбранной поверхностной сетки для получения части сетки промежуточного слоя. Посредством дублирования части выбранной поверхностной сетки гарантируется согласование топологий сеток между сеткой промежуточного слоя и выбранной поверхностной сеткой. Это позволяет эффективно генерировать указанную часть сетки промежуточного слоя.
В качестве дополнительной возможности этап генерирования данных модели включает этап, на котором задают соответствия между исходными узлами выбранной поверхностной сетки и продублированными узлами сетки промежуточного слоя, благодаря чему задают множество узловых пар. Посредством дублирования части выбранной поверхностной сетки узнают, как топологии сеток оказываются согласованными, так как для каждого исходного узла упомянутой части выбранной поверхностной сетки существует продублированный узел сетки промежуточного слоя. В данном случае термин «исходный» относится к источнику дублирования, то есть первоначальному узлу. Соответственно данные, задающие такие соответствия, могут быть легко сгенерированы.
В качестве дополнительной возможности этап генерирования данных модели дополнительно включает этап, на котором задают расстояния между исходными узлами и продублированными узлами узловых пар. Следовательно, сетка промежуточного слоя сгенерирована так, чтобы первоначально быть расположенной на расстоянии от выбранной поверхностной сетки.
В качестве дополнительной возможности способ дополнительно включает этапы, на которых:
обеспечивают первый набор расстояний для первого поднабора узловых пар;
получают второй набор расстояний для второго поднабора узловых пар посредством интерполяции первого набора расстояний.
Вместо непосредственно задания расстояний для всех узловых пар упомянутые расстояния задают только первоначально для некоторого поднабора узловых пар, а расстояния для оставшихся узловых пар генерируют посредством интерполяции. Например, первый поднабор узловых пар может быть выбран для грубого покрытия (части) соответствующих сеток, а второй поднабор узловых пар может быть распределен вперемешку среди первого поднабора узловых пар.
В качестве дополнительной возможности способ дополнительно включает генерирование объемной сетки между сеткой промежуточного слоя и выбранной поверхностной сеткой на основе соответствий между исходными узлами и продублированными узлами узловых пар. Благодаря генерированию объемной сетки на основе соответствий между соответствующими узловыми парами объемная сетка оказывается хорошо заданной, так как она учитывает согласование топологий сеток между выбранной поверхностной сеткой и сеткой промежуточного слоя. Например, указанные соответствия могут быть использованы в качестве ребер объемной сетки. В результате получают объемную сетку, которая заполняет по меньшей мере часть полости между сеткой промежуточного слоя и выбранной поверхностной сеткой и которая демонстрирует регулярность. Следует отметить, что если сгенерировано более одной сетки промежуточного слоя, то объемная сетка может быть сгенерирована для одной полости и впоследствии продублирована для наложения на другие полости, т.е. между сетками промежуточного слоя.
В качестве дополнительной возможности способ дополнительно включает генерирование сетки промежуточного слоя для наложения в промежутке между первым поверхностным слоем и вторым поверхностным слоем стенки, при этом их генерируют в количестве, которое больше одного. Благодаря генерированию более одной сетки промежуточного слоя деформируемую модель генерируют для соответствия более чем с одним промежуточным анатомическим слоем и/или искусственно заданным слоем. Преимущество состоит в том, что посредством генерирования сетки промежуточного слоя в определенном количестве увеличивается пространственное разрешение деформируемой модели, благодаря чему обеспечивают более высокую точность глубины.
В качестве дополнительной возможности упомянутое количество устанавливают на основе по меньшей мере одного элемента из следующей группы: ввод от пользователя, анатомическое строение стенки и пространственное разрешение медицинского изображения. Пользователь может непосредственно выбирать или косвенно влиять на упомянутое количество сеток промежуточного слоя. Данное количество может также быть определено посредством анатомического строения стенки, например, для отражения фактического количества анатомических слоев в промежутке между обоими поверхностными слоями. Это количество может также быть определено посредством пространственного разрешения медицинского изображения, тем самым учитывая то, что более высокое пространственное разрешение обеспечивает лучшее формирование изображений промежуточных анатомических слоев и, таким образом, обеспечивает для большего количества сеток промежуточного слоя соответствие с данными изображения стенки.
В качестве дополнительной возможности сетку промежуточного слоя генерируют для наложения на промежуточный анатомический слой стенки или искусственно заданный слой. Соответственно, сетка промежуточного слоя может быть выполнена с возможностью соответствия фактическому промежуточному анатомическому слою стенки или, наоборот, может представлять собой искусственно заданный слой. Такие искусственно заданные слои увеличивают пространственное разрешение деформируемой модели по стенке, что может быть предпочтительным для дополнительной обработки несмотря на несуществование фактического(их) промежуточного(ых) анатомического(их) слоя(ев) или на плохую видимость в медицинском изображении такого(их) промежуточного(ых) анатомического(их) слоя(ев) и, таким образом, на непригодность для непосредственной сегментации.
В качестве дополнительной возможности способ дополнительно включает этапы, на которых:
обеспечивают сетку, выбираемую из первой поверхностной сетки и второй поверхностной сетки; и
генерируют оставшуюся сетку из этих первой поверхностной сетки и второй поверхностной сетки, причем этап генерирования включает этап, на котором устанавливают согласование топологий сеток для имеющих анатомические соответствия частей обеих поверхностных сеток.
Соответственно обеспечена одна поверхностная сетка, и на основе обеспеченной поверхностной сетки генерируют сетку(и) промежуточного слоя, а также указанную другую поверхностную сетку. Например, может быть обеспечена наружная поверхностная сетка, а сетка промежуточного слоя и внутренняя поверхностная сетка могут быть сгенерированы посредством дублирования частей или всей наружной поверхностной сетки. Преимущественно упомянутые поверхностные сетки также имеют согласованные топологии сеток.
В качестве дополнительной возможности способ дополнительно включает этап, на котором устанавливают согласование топологий сеток в сетке промежуточного слоя и выбранной поверхностной сетке по существу для всех непрерывных частей стенки. Как таковые, топологии сеток между сеткой промежуточного слоя и выбранной поверхностной сеткой являются согласованными за исключением в разрывах стенки. Такие разрывы могут иметь анатомическую причину, например проходящий через стенку кровеносный сосуд, и могут приводить к нерегулярности формы стенки. Соответственно может оказаться невозможным или нежелательным устанавливать согласование топологий сеток в таких разрывах или около них.
В качестве дополнительной возможности в упомянутой системе подсистема обработки выполнена с возможностью наложения деформируемой модели на анатомическую структуру посредством:
наложения первой поверхностной сетки на первый поверхностный слой анатомической структуры и второй поверхностной сетки на второй поверхностный слой анатомической структуры на основе оптимизации, содержащей внешнее энергетическое условие, заданное как функция от данных изображения медицинского изображения; и
наложения сетки промежуточного слоя в промежутке между первым поверхностным слоем и вторым поверхностным слоем стенки на основе одного элемента из следующей группы: использование внутреннего энергетического условия в оптимизации и данные, характеризующие взаимное положение сетки промежуточного слоя по отношению к одной из упомянутых наложенных поверхностных сеток.
Вышеупомянутые принципы наложения сетки промежуточного слоя учитывают то, что промежуточный(ые) анатомический(ие) слой(и) стенки может(могут) быть плохо видимым(ыми) или может(могут) вообще фактически не существовать. Посредством использования внутреннего энергетического условия или взаимной кодировки узлов сетки промежуточного слоя по отношению к одной из наложенных поверхностных сеток сетка промежуточного слоя может тем не менее быть наложена в промежутке между обоими поверхностными слоями стенки.
Подводя итог вышесказанному, предложен способ генерирования деформируемой модели для сегментации анатомической структуры в медицинском изображении. Анатомическая структура содержит стенку. Деформируемая модель сгенерирована так, чтобы она содержала, в дополнение к двум поверхностным сеткам, сетку промежуточного слоя для наложения в промежутке между первым поверхностным слоем стенки и вторым поверхностным слоем стенки. При генерировании сетки промежуточного слоя топологию сетки по меньшей мере части сетки промежуточного слоя согласуют с топологией сетки одной из поверхностных сеток, благодаря чему обеспечивают согласование топологий сеток. Деформируемая модель, сгенерированная таким образом, лучше согласована со структурой таких стенок, благодаря чему обеспечивают более точную сегментацию.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что два или более из вышеупомянутых вариантов осуществления, вариантов реализации и/или вариантов выполнения настоящего изобретения могут быть объединены любым считаемым полезным образом.
Модификации и видоизменения системы и/или компьютерного программного продукта, которые соответствуют описанным модификациям и видоизменениям способа, могут быть выполнены специалистом в данной области техники на основе настоящего описания.
Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение может быть применено к данным многомерных изображений, например к двумерным (2D), трехмерным (3D) или четырехмерным (4D) изображениям, полученным посредством различных модальностей получения, таких как, но не ограничивающихся этим, стандартная рентгенография, компьютерная томография (КТ), формирование (МРИ) магниторезонансных изображений, ультразвук (УЗ), позитрон-эмиссионная томография (ПЭТ), однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОЭКТ) и ядерная медицина (ЯМ).
Настоящее изобретение ограничено независимыми пунктами формулы изобретения. Преимущественные варианты осуществления приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие варианты выполнения настоящего изобретения станут очевидными из вариантов осуществления, описанных в дальнейшем, и будут объяснены со ссылкой на них. На чертежах:
На Фиг. 1 показана система для генерирования деформируемой модели для сегментации анатомической структуры в медицинском изображении, причем система, в качестве примера, также выполнена с возможностью наложения деформируемой модели на данные изображения медицинского изображения;
На Фиг. 2 показан способ генерирования данных модели, задающих деформируемую модель для сегментации анатомической структуры в медицинском изображении;
На Фиг. 3 показан машиночитаемый носитель, содержащий данные модели, задающие деформируемую модель, причем данные модели получены упомянутым способом;
На Фиг. 4 показано поперечное сечение деформируемой модели, сгенерированной упомянутым способом и/или системой, при этом деформируемая модель содержит первую поверхностную сетку, вторую поверхностную сетку и сетку промежуточного слоя, содержащуюся в промежутке между обеими поверхностными сетками; и
На Фиг. 5 показан принцип генерирования деформируемой модели, в которой для получения набора расстояний для поднабора узловых пар используется интерполяция.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг. 1 показана система для генерирования деформируемой модели для сегментации анатомической структуры в медицинском изображении, а также система для наложения деформируемой модели на анатомическую структуру в медицинском изображении. В качестве примера, на Фиг. 1 показана одиночная система 100, обеспечивающая обе функциональности. Однако должно быть понятно, что при практической реализации обе функциональности могут быть разделены, т.е. могут выполняться различными системами.
Сначала будет рассмотрено генерирование деформируемой модели, при котором система 100 может содержать подсистему 140 обработки, выполненную с возможностью:
i) обеспечения первой поверхностной сетки для наложения на первый поверхностный слой стенки во время основанной на модели сегментации,
ii) обеспечения второй поверхностной сетки для наложения на второй поверхностный слой стенки во время основанной на модели сегментации, и
iii) генерирования сетки промежуточного слоя для наложения в промежутке между первым поверхностным слоем и вторым поверхностным слоем во время основанной на модели сегментации, причем упомянутое генерирование содержит согласование топологии сетки по меньшей мере части сетки промежуточного слоя с топологией сетки для имеющей анатомическое соответствие части сетки, выбранной из обеих поверхностных сеток, благодаря чему обеспечивают согласование топологий сеток.
Хотя на Фиг. 1 это не показано, первая поверхностная сетка и вторая поверхностная сетка могут быть получены из внешнего источника, такого как, например, предварительно сгенерированная деформируемая модель, учебный алгоритм, управляемое пользователем генерирование модели и т.д.
Выполнив вышеупомянутые этапы, подсистема 140 обработки может сгенерировать данные 162 модели, задающие первую поверхностную сетку, вторую поверхностную сетку и сетку промежуточного слоя. На Фиг. 1 показаны данные 162 модели, сохраненные в хранилище 160 данных. Хранилище 160 данных показано в качестве внутреннего компонента системы 100 и может быть составлено, например, основанным на диске хранилищем данных, таком как жесткий диск, основанным на полупроводниках хранилищем данных, таком как запоминающее устройство ROM-типа или RAM-типа. Альтернативно хранилище 160 данных может быть составлено внешним компонентом, таким как внешняя база данных или съемный носитель хранения информации, к которому осуществляет доступ система 100 через интерфейс с хранилищем. Для хранения данных 162 модели в хранилище 160 данных показано, что подсистема 140 обработки осуществляет связь с хранилищем 160 данных через обмен сообщениями 142.
Теперь будет описано наложение деформируемой модели, при котором система 100 может содержать подсистему 140 обработки, выполненную с возможностью наложения деформируемой модели на анатомическую структуру в медицинском изображении. С этой целью подсистема 140 обработки может извлекать данные 162 модели, задающие деформируемую модель, из хранилища 160 данных, например, через вышеупомянутый обмен сообщениями 142. Кроме того, подсистема 140 обработки может извлекать медицинское изображение 042 через интерфейс 120 для изображений. Например, медицинское изображение 042 может быть извлечено из базы 040 данных. База 040 данных может быть составлена или может быть частью Системы (Picture Archiving and Communication System, PACS) передачи и архивирования снимков Госпитальной информационной системы (Hospital Information System, HIS), с которой система 100 может быть соединена или содержаться в ней. Получив медицинское изображение 042, т.е. в виде данных изображения, подсистема 140 обработки может наложить деформируемую модель на анатомическую структуру в медицинском изображении. Соответственно, осуществляется получение сегментации анатомической структуры, которая может использоваться для дополнительной обработки. Например, функциональная информация может быть вычислена и сохранена.
Следует отметить, что функционирование системы 100 и, в частности, функциональные средства генерирования деформируемой модели будут объяснены более подробно со ссылкой на Фиг. 4 и 5, которые, в качестве примера, задействуют левый желудочек сердца.
На Фиг. 2 показан способ 200 генерирования деформируемой модели для сегментации анатомической структуры в медицинском изображении. Способ 200 может соответствовать функционированию системы с Фиг. 1, тем самым ссылаясь на конфигурацию системы для генерирования деформируемой модели. Однако должно быть понятно, что способ 200 может также быть выполнен отдельно от упомянутой системы, например, с использованием другой системы или устройства.
Способ 200 содержит, на первом этапе, обозначенном как «ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПЕРВОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ СЕТКИ», обеспечение 210 первой поверхностной сетки для наложения на первый поверхностный слой стенки во время основанной на модели сегментации. Способ 200 дополнительно содержит, на втором этапе, обозначенном как «ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВТОРОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ СЕТКИ», обеспечение 220 второй поверхностной сетки для наложения на второй поверхностный слой стенки во время основанной на модели сегментации. Способ 200 дополнительно содержит, на третьем этапе, обозначенном как «ГЕНЕРИРОВАНИЕ СЕТКИ ПРОМЕЖУТОЧНОГО СЛОЯ», генерирование 230 сетки промежуточного слоя для наложения в промежутке между первым поверхностным слоем и вторым поверхностным слоем во время основанной на модели сегментации, причем упомянутое генерирование содержит согласование топологии сетки по меньшей мере части сетки промежуточного слоя с топологией сетки для имеющей анатомическое соответствие части сетки, выбранной из обеих поверхностных сеток, благодаря чему обеспечивают согласование топологий сеток. Способ 200 дополнительно содержит, на четвертом этапе, обозначенном как «ГЕНЕРИРОВАНИЕ ДАННЫХ МОДЕЛИ», генерирование 240 данных модели, задающих первую поверхностную сетку, вторую поверхностную сетку и сетку промежуточного слоя. Следует понимать, что первые три этапа могут быть выполнены в любом подходящем порядке, например последовательно, одновременно или в некотором сочетании последовательного и одновременного выполнения.
На Фиг. 3 показан машиночитаемый носитель 260, содержащий данные 262 модели, полученные в способе с Фиг. 2. Данные 262 модели могут содержаться постоянным образом на машиночитаемом носителе 260, например, в качестве последовательности машиночитаемых физических меток и/или элементов, имеющих различные электрические или оптические свойства.
Генерирование деформируемой модели может быть объяснено более подробно следующим образом. В данном случае деформируемая модель генерируется для сегментации левого желудочка человеческого сердца. Однако это не является ограничением по той причине, что такие типы деформируемых моделей могут быть сгенерированы аналогичным образом для других типов анатомических структур.
Сердце содержит стенку, то есть слоистую структуру, которую составляют три слоя ткани, называемые эндокардом, миокардом и эпикардом. Эндокард или внутренний слой является тонким слоем гладкой мышцы, который позволяет крови протекать без труда. Миокард или средний слой является мышечным слоем и самым толстым слоем стенки сердца. Эпикард является наружным слоем сердца. В случае левого желудочка миокард непосредственно состоит из трех слоев согласно продольному выстраиванию миокардиальных нитей: поверхностного (субэпидермального), среднего и глубокого (субэндокардиальный) слоя. Важно заметить, что эти слои представляют собой изменения в ориентации миокардиальных нитей трансмуральным образом. Поверхностный слой занимает приблизительно 25% толщины стенки, тогда как средний слой занимает приблизительно 53-59% толщины стенки желудочка, будучи самым толстым около основания и утончаясь к верхушке сердца. Глубокий слой является самым тонким слоем, занимающим менее 20% толщины стенки. Левое предсердие имеет подобную структуру с двумя различными слоями миокарда.
Для помощи врачам при различных типах сердечных вмешательств могут выполняться электромеханические моделирования. Как правило, для получения правильного электромеханического моделирования, необходимо правильное моделирование стенки сердца.
На Фиг. 4 показано и двумерное (2D) поперечное сечение трехмерной (3D) деформируемой модели 300, сгенерированной в соответствии с настоящим изобретением. Деформируемая модель 300 содержит внутреннюю поверхностную сетку 320 для наложения на внутренний поверхностный слой левого желудочка, т.е. эндокарду. Деформируемая модель 300 дополнительно содержит наружную поверхностную сетку 360 для наложения на наружный поверхностный слой левого желудочка, т.е. эпикарду. Кроме того, деформируемая модель 300 содержит сетку 340 промежуточного слоя для наложения в промежутке между первым поверхностным слоем и вторым поверхностным слоем во время основанной на модели сегментации. Соответственно, сетка 340 промежуточного слоя может быть сгенерирована для наложения на один из слоев миокарда. На Фиг. 4 дополнительно показаны узлы 322, 342, 362 соответствующих сеток 320, 340, 360, при этом узлы показаны взаимносоединенными, то есть через ребра, для формирования соответствующей сетки.
Хотя на Фиг. 4 это не показано, деформируемая модель 300, сгенерированная в соответствии с настоящим изобретением, может также содержать несколько сеток промежуточного слоя. Например, первая сетка промежуточного слоя может быть обеспечена для наложения на поверхностный слой миокарда, вторая сетка промежуточного слоя может быть обеспечена для наложения на средний слой миокарда, и третья сетка промежуточного слоя может быть обеспечена для наложения на глубокий слой миокарда.
Сетка 340 промежуточного слоя генерируется так, чтобы согласовать топологию сетки между имеющими анатомическое соответствие частями 400 сетки 340 промежуточного слоя и по меньшей мере одной из поверхностных сеток 320, 360. В примере с Фиг. 4 показано, что сетки 320, 360 поверхностных слоев и сетка 340 промежуточного слоя содержат согласованные топологии в том смысле, что все сетки 320, 340, 360 состоят из одного и того же количества узлов, имеют одни и те же взаимные соединения и подобные взаимные положения. В частности, топологии сеток могут быть согласованы по существу во всех непрерывных частях стенки. Альтернативно, топологии сеток могут быть согласованы только в некоторых имеющих анатомические соответствия частях 400 соответствующих сеток.
На Фиг. 5 показан частный принцип генерирования деформируемой модели 300. В данном случае сетка 340 промежуточного слоя сгенерирована посредством дублирования по меньшей мере части внутренней поверхностной сетки 320, т.е. эндокардиальной сетки. В частности, для получения сетки 340 промежуточного слоя для наложения на (слой миокарда) миокарду, одна из поверхностных сеток 320 из интересующей части сердца, например левого желудочка или левого предсердия, может быть продублирована и расширена так, чтобы было получено желаемое расстояние для новой сетки 340 промежуточного слоя до исходной поверхностной сетки 320. На границах сетки промежуточного слоя, например в плоскостях клапана, притока и оттока артерий и вен, узлы 322, 324 сетки поверхностной сетки 320 и новой сетки 340 промежуточного слоя могут быть увязаны так, чтобы была получена камера для миокарда. Увязывание сеток может включать в себя задание соответствий 380-384 между соответствующими узловыми парами, в качестве первого узла каждой узловой пары, исходного узла 322, 324 выбранной поверхностной сетки 320 и, в качестве второго узла каждой узловой пары, продублированного узла 342 новой сетки 340 промежуточного слоя. Например, соответствие может указывать на одно и то же положение или нулевое расстояние. Альтернативно, оба узла могут быть заменены одиночным (совместным) узлом для обеих сеток. На Фиг. 5 показаны узловые пары 420 посредством пунктирного эллипса, охватывающего исходный узел 322 и продублированный узел 324. Соответствие 380-384 может быть основано, или дополнительно задано, расстоянием между исходным узлом 322 и продублированным узлом 342 каждой узловой пары.
Для вычисления расстояния для новой сетки 340 промежуточного слоя до исходной поверхностной сетки 320, может использована интерполяция с помощью радиальных базисных функций (radial basis function, RBF), непосредственно известных из области математики. Радиальная базисная функция (RBF) ϕ (x) является вещественной функцией, значение которой зависит только от расстояния от некоторой центральной точки c так, что . Хорошо известные радиальные базисные функции (RBF) являются функциями Гаусса , многоквадратичной функцией, обратной квадратичной функцией, обратной многоквадратичной функцией, полигармонической сплайн-функцией и тонкой пластинчатой сплайн-функцией.
b
b
b,i
Для интерполяции с помощью радиальных базисных функций (RBF) может быть задан набор из N базовых узлов x 322. Эти базовые узлы 322 указаны на Фиг. 5 закрашенными (черными) ромбами и могут быть выбранными узлами поверхностной сетки 320, для которых дано желаемое расстояние h 380 между поверхностной сеткой 320 и новым промежуточным слоем 340, например, полученное из анатомических ограничений, из требований к пространственному разрешению или произвольно выбранное пользователем. Интерполяционные узлы x 324 указаны на Фиг. 5 не закрашенными (белыми) ромбами 324. Для этих интерполяционных узлов 324 расстояние h(x) между поверхностной сеткой 320 и промежуточным слоем 340 может быть неизвестным заранее, и может возникнуть необходимость в его определении посредством RBF-интерполяции. Соответственно, h(x) может быть получено из наложения N взвешенных радиальных базисных функций (RBF) (в данном случае: функций Гаусса) с учетом расстояния от базовых узлов x до интерполяционных узлов x:
(1)
i
b,i
b,i
В Уравнении (1), w является весовым коэффициентом для каждой радиальной базисной функции (RBF), а d(x,x) 384 расстоянием между i-м базовым узлом 322 и интерполяционным узлом x 324. Следует заметить, что d(x,x) 384 может быть вычислено вдоль топологии сетки, а не в прямоугольной системе координат. С этой целью, например, может использоваться быстрый марш-алгоритм.
b,i
i
Для всех N базовых узлов x Уравнение (1) образует систему линейных уравнений: , в которой весовые коэффициенты w неизвестны. Для решения данной системы уравнений с целью предотвращения появления необратимой матрицы может использоваться регуляризация.
i
После вычисления весовых коэффициентов w; расстояние h(x) может быть определено для каждого интерполяционного узла 324 согласно Уравнению (1). Поверхностные узлы могут быть продублированы для получения продублированных узлов 342 и сдвинуты вдоль своих нормалей согласно интерполированному расстоянию h(x), образуя новую сетку 340 промежуточного слоя. После интерполяции новой сетки 340 промежуточного слоя могут быть выполнены другие этапы постобработки:
b
1) Избегание отрицательных значений для высоты h или для гарантирования минимальной высоты;
b
2) Гарантирование, что граничные узлы 326 на границах сетки поверхностной сетки 320 и новой сетки 340 промежуточного слоя увязаны друг с другом, как это указано на Фиг. 5 не закрашенными (белыми) звездочками. Следует отметить, что это может быть искусственным, а не анатомическим требованием. Для получения минимального отклонения от интерполированных значений по соседству с границами, данное требование может быть введено в качестве этапа постобработки вместо того, чтобы включать граничные узлы в качестве базовых узлов с высотой h=0 в RBF-интерполяцию; и
3) Сглаживание для стирания ошибок формы сетки 340 промежуточного слоя, вызванных интерполяцией, например, для устранения перекрываний или наложений сеток.
min
b
hp
hmin
Для выполнения этапов 1) и 2) может быть использована постобработка с так называемой многопеременной логистической активационной функцией (softmax-функцией). Softmax-функция, например softmax(hp, h) = log(e + e), обеспечивает непрерывный переход, в отличие от обычной функции максимума. Другая возможность выполнить этап 1) состоит в вычитании минимального расстояния из данного расстояния h базовых узлов перед RBF-интерполяцией и добавлении минимальной высоты к каждому интерполяционному узлу, а также ко всем базовым узлам снова после интерполяции. Возможность выполнить этап 3) может быть осуществлена через уточнение местоположений всех узлов посредством минимизации энергетической функции, бракующей нежелательные положения сетки. Энергетические условия могут учитывать, например, отклонение длин ребер между поверхностной сеткой 320 и новой сеткой 340 промежуточного слоя, пространственное отклонение узлов 342 промежуточного слоя от нормали узлов 322, 324 поверхностной сетки и рост ребер промежуточного слоя в целом. На необязательном этапе для полости между сеткой 340 промежуточного слоя и поверхностной сеткой 320 и/или между другими сетками промежуточного слоя может быть сформирована сетка для получения четырехгранной/объемной сетки. Подходящим инструментом формирования сеток является, например, тетхен (tetgen) (http://tetgen.berlios.de/). Вследствие идентичной топологии сетки всех сетчатых слоев также возможно формирование сетки вручную.
Для адаптации деформируемой модели к данным пациента (т.е. для наложения деформируемой модели на данные изображения медицинского изображения пациента), может быть использован один из двух следующих подходов:
1) во время адаптации модели, эндо- и эпикардиальные границы миокарда могут быть согласованы через внешнее энергетическое условие (которое как таковое известно из основанной на модели сегментации) под видимые границы сердца в изображении. Промежуточные слои (если не видны в изображениях) могут быть отрегулированы только через внутреннюю энергию; или
2) во время адаптации модели только эндокардиальная и/или эпикардиальная граница миокарда может быть адаптирована под изображение. Впоследствии, на этапе постобработки, оставшиеся промежуточные сетчатые слои создаются с использованием взаимной кодировки узлов промежуточного слоя по отношению к приспособленной поверхностной сетке.
Частным примером первого подхода может быть следующее: сгенерированная деформируемая модель может быть использована для создания иерархической модели для основанной на модели сегментации. В данном случае каждый уровень иерархической модели может состоять из деформируемой подмодели и файла параметров, который управляет ее адаптацией. На нижнем уровне иерархической модели может использоваться деформируемая подмодель, которая составлена только из тех сеток, которые соответствуют видимым анатомическим структурам в данных изображения. Сгенерированная деформируемая модель может быть разделена на такую подмодель посредством использования информации о метке (такой как «IntermediateLayer1» («ПромежуточныйСлой1»), «IntermediateLayer2» («ПромежуточныйСлой2»), «LAEpicardium», («ЭпикардЛП»), «LAEndocardium» («ЭндокардЛП»), …), которая может быть назначена каждому треугольнику сетки. Например, могут быть выбраны поверхностные сетки, соответствующие «LAEpicardium», («ЭпикардуЛП») и «LAEndocardium» («ЭндокардЛП»). Для управления адаптацией может использоваться файл параметров, содержащий характерные параметры и значения для сегментация сердца, с использованием внутреннего энергетического условия и внешнего энергетического условия в аффинной и поддающейся преобразованию адаптации. В следующем верхнем уровне деформируемая подмодель может быть заменена на (полную) сгенерированную деформируемую модель. Вследствие связывания сеток, например, через списки соответствия узлов, все предварительно адаптированные сетки могут сохранить форму, происходящую из сегментации изображения, и могут быть отмечены в качестве неизменяемых на данном уровне иерархической модели. Все другие (промежуточные) сетчатые слои могут затем быть интерполированы с использованием только внутреннего энергетического условия, т.е. весовой множитель для внешнего энергетического условия может быть нулевым в файле параметров.
Частным примером второго подхода может быть следующее: деформируемая модель может быть использована на этапе постобработки. В данном случае, как и в частном примере первого подхода, может быть сгенерирована деформируемая подмодель, которая состоит только из тех сеток, которые соответствуют видимым анатомическим структурам в данных изображения. Затем, может быть выполнена основанная на модели сегментация с обычными значениями параметров для сегментации сердца. На этапе постобработки другие (промежуточные) сетчатые слои могут быть наложены посредством использования взаимной кодировки этих сетчатых слоев на адаптированную(ые) поверхностную(ые) сетку(ки). Взаимная кодировка может использовать локальные координаты, т.е. относительно адаптированной(ых) поверхностной(ых) сетки(ок) вместо глобальных координат. Подробное описание механизма кодирования может быть найдено в документе «От изображения до персонализированного сердечного моделирования: кодирование анатомических структур в строение основанной на модели сегментации» под авторством Х. Никиша и др., STACOM, 2012 («From Image to Personalized Cardiac Simulation: Encoding Anatomical Structures into a Model-Based Segmentation Framework" by H. Nickisch et al., STACOM, 2012).
Следует отметить, что, в целом, сетка промежуточного слоя также может накладываться на основе оптимизации, содержащей внешнее энергетическое условие, заданное как функция от данных изображения медицинского изображения. Это выполняется, в частности, если соответствующий промежуточный анатомический слой отчетливо видим в данных изображения.
Следует отметить, что на Фиг. 4 топологии сеток между внутренней поверхностной сеткой 320 и наружной поверхностной сеткой 360 также имеют согласованные топологии сеток. Это может быть получено посредством первоначального обеспечения одной из поверхностных сеток, например наружной поверхностной сетки 360, и генерирования внутренней поверхностной сетки 320 тем же самым или схожим образом, что и сетки 340 промежуточного слоя. Например, все слои вовнутрь от наружной поверхностной сетки 360 могут быть сгенерированы последовательно. Это обеспечивает дополнительную регулярность для деформируемой модели.
Следует понимать, что настоящее изобретение также применимо к компьютерным программам, в частности к компьютерным программам на или в носителе, выполненным с возможностью реализации на практике настоящего изобретения. Программа может быть выполнена в виде исходного кода, объектного кода, промежуточного источника кода и объектного кода, такого как в частично скомпилированном виде, или в любом другом виде, подходящем для использования при реализации способа согласно настоящему изобретению. Также следует понимать, что такая программа может иметь много различных архитектурных форм. Например, программный код, реализующий функциональность способа или системы согласно настоящему изобретению, может быть подразделен на одну или более подпрограмм. Специалисту в данной области техники должны быть очевидны многие различные варианты распределения функциональности среди этих подпрограмм. Подпрограммы могут быть сохранены совместно в одном исполняемом файле для формирования автономной программы. Такой исполняемый файл может содержать машиноисполняемые команды, например, команды процессора и/или команды интерпретатора (например, команды Java-интерпретатора). Альтернативно одна или более или все подпрограммы могут быть сохранены по меньшей мере в одном внешнем библиотечном файле и связаны с главной программой либо статически, либо динамически, например, во время прогона. Главная программа содержит по меньшей мере один вызов по меньшей мере одной из упомянутых подпрограмм. Подпрограммы могут также содержать вызовы функции друг к другу. Вариант осуществления, относящийся к компьютерному программному продукту, содержит машиноисполняемые команды, соответствующие каждой стадии обработки по меньшей мере одного из упомянутых способов, изложенных в данном документе. Эти команды могут быть подразделены на подпрограммы и/или сохранены в одном или более файлах, которые могут быть связаны статически или динамически. Другой вариант осуществления, относящийся к компьютерному программному продукту, содержит машиноисполняемые команды, соответствующие каждому средству по меньшей мере одной из упомянутых систем и/или продуктов, изложенных в данном документе. Эти команды могут быть подразделены на подпрограммы и/или сохранены в одном или более файлах, которые могут быть связаны статически или динамически.
Носитель компьютерной программы может быть любым объектом или устройством, выполненным с возможностью переноса программы. Например, носитель может включать в себя хранилище данных, такое как ROM, например CD-ROM или полупроводниковое ROM, или магнитный носитель записей, например жесткий диск. Кроме того, носитель может быть передающимся носителем, таким как электрический или оптический сигнал, который может переноситься через электрический или оптический кабель, или посредством радиосвязи или другого средства. Когда программа воплощена в таком сигнале, то такой кабель или другое устройство или средство могут составлять упомянутый носитель. Альтернативно, носитель может быть интегральной схемой, в которую введена программа, причем интегральная схема выполнена с возможностью выполнения или используется при выполнении соответствующего способа.
Следует отметить, что вышеупомянутые варианты осуществления изображают, а не ограничивают настоящее изобретение, и что специалисты в уровне техники смогут воплотить много альтернативных вариантов осуществления без отступления от объема прилагаемой формулы изобретения. В пунктах формулы изобретения любые ссылочные обозначения, помещенные между круглыми скобками, не должны рассматриваться в качестве ограничивающих такой пункт формулы изобретения. Использование глагола «содержит» и его спряжений не исключает присутствия элементов или этапов, отличающихся от тех, что изложены в пункте формулы изобретения. Упоминание элементов в единственном числе не исключает присутствия множества таких элементов. Настоящее изобретение может быть реализовано посредством аппаратного обеспечения, содержащего несколько отдельных элементов, и посредством соответственно запрограммированного компьютера. В относящемся к устройству пункте формулы изобретения, в котором перечислено несколько средств, некоторые из этих средств могут быть воплощены посредством одного и того же элемента аппаратного обеспечения. Простой факт того, что конкретные меры упомянуты во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что сочетание этих мер не может использоваться для извлечения преимуществ.