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DE102008036812A1 - Method for segmenting object from image data set, involves providing implicit form model for segmenting object from training data records - Google Patents

Method for segmenting object from image data set, involves providing implicit form model for segmenting object from training data records Download PDF

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DE102008036812A1
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Abstract

The method involves providing an implicit form model for a segmenting object from training data records. The object is segmented by gradual approach of an active contour on base of the form model to the object contour in an image data set. An area of same distance is observed around the active contour superimposing the image data set for repeating the approach. Each screen dot of the image data set is assigned in the area of a signed distance value. The distance value represents a measurement for a distance of the screen dot to the active contour. An independent claim is included for a device for segmenting an object from an image data set for the execution of the method.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Segmentierung eines Objekts aus einem Bilddatensatz, bei denen aus Trainingsdaten zunächst ein implizites statistisches Formmodell des Objekts erstellt wird und die Segmentierung des Objekts anschließend durch Anpassung einer aktiven Kontur an eine Objektkontur im Bilddatensatz erfolgt, wobei das Formmodell die Deformation der aktiven Kontur beschränkt.The The present invention relates to a method and a device for segmentation of an object from an image data set in which From training data, first an implicit statistical Form model of the object is created and the segmentation of the object then by adapting an active contour to a Object contour is done in the image data set, wherein the shape model the Deformation of the active contour is limited.

Im Bereich der medizinischen Bildgebung stellt die Segmentierung anatomischer Strukturen wie bspw. der Leber aus Bilddatensätzen eine fundamentale Aufgabe dar. Auf Grundlage des Segmentierungsergebnisses kann die Größe oder der Volumeninhalt des Objekts bestimmt werden. Diese Größen sind bspw. in der Onkologie wichtig, um das Tumorwachstum und damit den Therapieerfolg zu überwachen. Eine Segmentierung ist auch für die Planung eines Eingriffs sehr wichtig, bspw. für eine geplante Organtransplantation.in the The field of medical imaging represents the segmentation anatomical Structures such as the liver from image data sets a fundamental task. Based on the segmentation result can be the size or volume content of the object be determined. These sizes are, for example, in oncology important to monitor tumor growth and thus therapeutic success. Segmentation is also for planning an intervention very important, for example, for a planned organ transplant.

Die Segmentierung komplexer Strukturen, in der vorliegenden Patentanmeldung ebenfalls als Objekte bezeichnet, stellt eine anspruchsvolle Aufgabe dar, für die zahlreiche Algorithmen bekannt sind. Beim Einsatz von Algorithmen, die alleine auf der Auswertung von Intensitätswerten oder davon abgeleiteten Merkmalen der Bilddaten beruhen, ergeben sich Schwierigkeiten bei Bilddaten mit geringem Kontrast oder fehlenden Kanten. Zusätzlich können pathologische Strukturen und starkes Rauschen, bspw. aufgrund der reduzierten Strahlungsdosis in der Computertomographie (CT), falsche Kanten und eine ungleichmäßige Merkmalsstatistik verursachen und damit Algorithmen beeinträchtigen, die auf Kantendetektion bzw. Homogenitätskriterien für Regionen basieren.The Segmentation of complex structures, in the present patent application also referred to as objects, represents a challenging task for which numerous algorithms are known. At the Use of algorithms that rely solely on the evaluation of intensity values or derived features of the image data Difficulty with image data with low contrast or missing Edge. In addition, pathological structures and strong noise, for example due to the reduced radiation dose in computed tomography (CT), false edges and uneven Cause feature statistics and thus affect algorithms, the on edge detection or homogeneity criteria for Regions are based.

S. J. Lim et al., ”Segmentation of the Liver Using the Deformable Contour Method an CT Images”, PCM 2005, LNCS, 3767: 570–581, 2005 , beschreiben eine 2D-Segmentierung der Leber, bei der zunächst eine Kombination einer Schwellwerttechnik mit morphologischen Operationen auf unterschiedlichen Bildauflösungen angewendet wird. Die damit erhaltene Anfangskontur wird dann über die Suche nach einem glatten Pfad in den Gradientenmagnituden der Bilddaten verfeinert. SJ Lim et al., "Segmentation of the Liver Using the Deformable Contour Method to CT Images", PCM 2005, LNCS, 3767: 570-581, 2005 , describe a 2D segmentation of the liver which first applies a combination of thresholding with morphological operations on different image resolutions. The initial contour thus obtained is then refined by searching for a smooth path in the gradient magnitudes of the image data.

Liu et al., „Liver Segmentation for CT Images Using GVF Snake”, Medical Physics, 32(12): 3699–3706, 2005 , nutzen eine aktive Kontur auf Basis eines Gradientenvektorfeldes (GVF) zur Segmentierung der Leber. Über einen sog. Canny-Kantendetektor wird ein Kanten-Bild erzeugt, das vorverarbeitet wird, um irrtümlich ausgeschlossene konkave Gebiete vor der Berechnung des Gradientenvektorfeldes zu eliminieren. Liu et al., "Liver Segmentation for CT Images Using GVF Snake," Medical Physics, 32 (12): 3699-3706, 2005 , use an active contour based on a gradient vector field (GVF) to segment the liver. A so-called Canny edge detector is used to generate an edge image which is preprocessed to eliminate erroneously excluded concave areas prior to the calculation of the gradient vector field.

Heimann et al., „Shape Constrained Automatic Segmentation of the Liver based an a Heuristic Intensity Model”, 3D Segmentation in the Clinic – A Grand Challenge, MICCAI 2006 Workshop, 2006 , beschreiben eine 3D-Segmentierung der Leber durch Anpassen eines Active Shape Model an die Bilddaten. Dies erfolgt gemäß der bekannten Technik von Cootes et al., ”Active Shape Models – Their Training and Application”, Computer Vision and Image Understanding, 61(1): 38–59, 1995 . Das explizite Active Shape Model wird über eine Hauptkomponentenanalyse (PCA: Principal Component Analysis) an Trainingskonturen erstellt, die aus Mengen korrespondierender Landmarken-Punkte bestehen. Neue mit dem Formmodell konsistente Konturen werden dann durch eine Linearkombination der mittleren Kontur und der größten Eigenmoden ausgedrückt, die durch die PCA erhalten werden. Zur Anpassung des Formmodells an die Bilddaten werden für jede Landmarke Intensitätsprofile in Richtung der Oberflächennormale der momentan aktiven Kontur mit unterschiedlichen Verschiebungen bestimmt. Ein so genannter Nächster Nachbar Klassifikator wird dann genutzt, um den Punkt entlang der Normale zu erhalten, der mit der höchsten Wahrscheinlichkeit zur Kontur der Leber gehört. Die momentane Kontur des Active Shape Model wird dann in Richtung der wahrscheinlichsten Objektkonturpunkte unter Berücksichtigung der Limitierungen des Active Shape Model deformiert. Heimann et al., "Shape Constrained Automatic Segmentation of the Liver Based Heuristic Intensity Model", 3D Segmentation in the Clinic - A Grand Challenge, MICCAI 2006 Workshop, 2006 describe a 3D segmentation of the liver by fitting an Active Shape Model to the image data. This is done according to the known art of Cootes et al., "Active Shape Models - Their Training and Application", Computer Vision and Image Understanding, 61 (1): 38-59, 1995 , The explicit Active Shape Model is created using principal component analysis (PCA) of training contours consisting of sets of corresponding landmark points. New contours consistent with the shape model are then expressed by a linear combination of the mean contour and the largest eigenmodes obtained by the PCA. To adapt the shape model to the image data, intensity profiles in the direction of the surface normal of the currently active contour with different shifts are determined for each landmark. A so-called nearest neighbor classifier is then used to obtain the point along the normal that is most likely to belong to the contour of the liver. The current contour of the Active Shape Model is then deformed in the direction of the most likely object contour points, taking into account the limitations of the Active Shape Model.

Ein weiterer Ansatz zur 3D-Segmentierung der Leber wird in Kainmüller et al., „Shape Constrained Automatic Segmentation of the Liver based an a Heuristic Intensity Model”, 3D Segmentation in the Clinic – A Grand Challenge, MICCAI 2006 Workshop, 2006 , beschrieben. Dieser Ansatz basiert ebenfalls auf einem Active Shape Model der Leber. Anstelle eines Nächsten Nachbar Klassifikators wird hier jedoch ein heuristisches Intensitätsmodell zur Anpassung der Kontur an die Bilddaten eingesetzt.Another approach to 3D liver segmentation is in Kainmüller et al., "Shape Constrained Automatic Segmentation of the Liver Based Heuristic Intensity Model", 3D Segmentation in the Clinic - A Grand Challenge, MICCAI 2006 Workshop, 2006 , described. This approach is also based on an active shape model of the liver. Instead of a nearest neighbor classifier, however, a heuristic intensity model is used here for adapting the contour to the image data.

Die meisten 2D-Segmentierungstechniken für die Segmentierung der Leber basieren heutzutage auf dem sog. Aktive Konturen Ansatz („Snakes”). Hierbei werden häufig heuristische Ansätze einbezogen, um die Bildung von unzulässigen Konturen zu verhindern, bspw. um konkave Bereiche zu entfernen. Das begrenzt jedoch die Anwendbarkeit dieser Techniken. Die meisten bekannten 3D-Techniken zur Segmentierung der Leber nutzen heutzutage ein Active Shape Model. Hierbei handelt es sich um sog. explizite Active Shape Models, bei denen die Repräsentation der Konturen durch Landmarken-Punkte erfolgt. Eine derartige Repräsentation kann normalerweise nur mit einer starren Topologie umgehen, so dass bspw. ein Aufspalten oder Zusammenführen von Objektbereichen nicht möglich ist. Ebenfalls bekannte Freiform-Deformationen, die oft in die Modelle einbezogen werden, um durch die Formmodelle auferlegte Begrenzungen zu lockern, erfordern eine spezielle Vorgehensweise, um Selbstüberschneidungen zu vermeiden. Die Nutzung von expliziten Active Shape Models bereitet vor allem bei Objekten Probleme, die starke Krümmungen aufweisen. In diesem Fall können aufgrund des oftmals nur groben Abstandes der Landmarken-Punkte sowie bei starker Krümmung der Kontur wertvolle Bildinformationen leicht übersehen werden.Most 2D segmentation techniques for segmentation of the liver today are based on the so-called Active Contours Approach ("Snakes"). Here, heuristic approaches are often included to prevent the formation of impermissible contours, for example, to remove concave areas. However, this limits the applicability of these techniques. Most known 3D liver segmentation techniques today use an Active Shape Model. These are so-called explicit Active Shape Models, where the contours are represented by landmarks. Such a representation can normally only deal with a rigid topology, so that, for example, a splitting or merging of object areas is not possible. Also known free-form deformations, which are often included in the models to loosen constraints imposed by the shape models, require a special approach to avoid self-intersections. The use of explicit Active Shape Models causes problems, especially with objects, that have large curvatures. In this case, valuable image information can easily be overlooked due to the often coarse distance of the landmarks points as well as strong curvature of the contour.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Segmentierung von Objekten in Bilddatensätzen anzugeben, die eine robuste Segmentierung auch von Objekten mit starken Krümmungen oder geringer Dicke ermöglichen.The The object of the present invention is a method and a device for segmenting objects in image data sets specify a robust segmentation of objects too allow strong bends or small thickness.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung entnehmen.The Task is with the method and the device according to the Claims 1 and 5 solved. advantageous Embodiments of the method and the device are the subject the dependent claims or can be see the description below.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Segmentierung eines Objekts aus einem Bilddatensatz wird kein explizites sondern ein implizites Active Shape Model eingesetzt. Das dem impliziten Active Shape Model eigene statistische Formmodell wird in bekannter Weise zunächst aus Trainingsdaten erstellt. Anschließend erfolgt die Segmentierung durch Annäherung bzw. Anpassung einer aktiven Kontur auf Basis des Active Shape Model an eine wahrscheinliche Objektkontur im Bilddatensatz. Hierbei kann es sich sowohl um einen 2D- als auch um einen 3D-Bilddatensatz handeln, wobei das Formmodell und die aktive Kontur dann jeweils passend aus 2D- oder 3D-Trainingsdaten erstellt werden. Die Annäherung der aktiven Kontur erfolgt beim vorliegenden Verfahren in mehreren Annäherungsschritten. Dabei wird wiederholt ein Bereich gleichen Abstands um die dem Bilddatensatz überlagerte aktive Kontur festgelegt. Dadurch ergeben sich eine äußere Begrenzung – außerhalb des von der aktiven Kontur umschlossenen Gebiets – und eine innere Begrenzung – innerhalb des von der aktiven Kontur umschlossenen Gebiets. Innerhalb des festgelegten Bereichs gleichen Abstands um die aktive Kontur werden den einzelnen Rasterpunkten des Bilddatensatzes vorzeichenbehaftete Distanzwerte zugeordnet, die ein Maß für den euklidischen Abstand des jeweiligen Rasterpunktes zur aktiven Kontur darstellen. Punkte innerhalb des Bereiches und außerhalb der Kontur erhalten einen positiven Distanzwert, Punkte innerhalb des Bereiches und innerhalb der Kontur erhalten einen negativen Distanzwert.at the proposed method for segmentation of an object an image dataset is not an explicit but an implicit one Active Shape Model used. The implicit Active Shape Model own statistical model of shape is first in a known manner created from training data. Subsequently, the segmentation takes place by approximation or adaptation of an active contour Base the Active Shape Model on a probable object outline in the image data set. This can be both a 2D as well to act a 3D image data set, wherein the shape model and the Active contour then respectively suitable from 2D or 3D training data to be created. The approach of the active contour takes place in the present process in several approximation steps. In this case, an area of equal distance is repeatedly superimposed on that of the image data record active contour set. This results in an outer Limitation - outside of the active contour enclosed area - and an inner boundary - within of the area enclosed by the active contour. Within the defined area of equal distance around the active contour the individual grid points of the image data set signed Distance values assigned, which is a measure of the Euclidean Display the distance between the respective grid point and the active contour. Points within the range and outside the contour get a positive distance value, points within the range and inside the contour get a negative distance value.

Unter den Rasterpunkten werden hierbei die einzelnen Bildpunkte des Bilddatensatzes verstanden. Darüber hinaus wird für jeden Rasterpunkt im Bereich eine Wahrscheinlichkeit bestimmt, mit welcher der Punkt auf der Kontur des gesuchten Objekts liegt. Dies kann z. B. mit dem oben erwähnten nächsten Nachbar Klassifikator erfolgen. Dabei wird für jeden Rasterpunkt ein Intensitätsprofil aus dem Bilddatensatz abgetastet, wobei die Richtung des Profils durch den Gradientenvektor der vorzeichenbehafteten Distanzfunktion gegeben ist. Anschaulich entspricht dieser Gradientenvektor für Punkte auf der Kontur des Active Shape Model der Normalen an die Kontur. Anhand des Intensitätsprofils wird jedem Rasterpunkt im Bereich eine Wahrscheinlichkeit zugewiesen. Von der äußeren Begrenzung des Bereichs, der inneren Begrenzung des Bereichs und von lokalen Minima der Distanzwerte innerhalb des Bereichs werden Projektionsstrahlen in Richtung der Kontur des Active Shape Model betrachtet, die senkrecht auf der aktiven Kontur enden. Unter allen Rasterpunkten, die auf einem Projektionsstrahl liegen, wird derjenige Rasterpunkt bestimmt, der auf diesem Projektionsstrahl mit der höchsten Wahrscheinlichkeit zur Begrenzung des zu segmentierenden Objekts gehört. Für jedes Paar von Projektionsstrahlen, die auf dem gleichen Rasterpunkt der aktiven Kontur enden, werden die beiden auf diese Weise bestimmten Rasterpunkte in ihrer Wahrscheinlichkeit verglichen und der Rasterpunkt mit der höchsten Wahrscheinlichkeit ausgewählt. Dies erfolgt für alle betrachteten Projektionsstrahlen. Die Projektionsstrahlen sind hierbei so gewählt, dass sie alle Rasterpunkte des Bilddatensatzes innerhalb des Bereichs gleichen Abstandes um die aktive Kontur beinhalten. Die auf diese Weise ausgewählten Rasterpunkte ergeben eine wahrscheinliche Objektkontur, an die dann die Kontur des Active Shape Model unter Berücksichtigung der Beschränkungen des zugrunde liegenden Formmodells angenähert wird. Diese Vorgehensweise wird im nächsten Annäherungsschritt jeweils wiederholt, bis eine ausreichende Annäherung oder Anpassung der aktiven Kontur an das zu segmentierende Objekt erreicht ist, d. h. bis der Unterschied zwischen der aktiven Kontur und der bei dem entsprechenden Annäherungsschritt ermittelten Objektkontur einen vorgebbaren Schwellwert unterschreitet. In diesem Fall gibt die aktive Kontur dann die Grenzen des Objekts unter Berücksichtigung des Active Shape Models wieder, so dass damit das Objekt segmentiert ist. Die Berechnung der vorzeichenbehafteten Distanzen, der Wahrscheinlichkeiten und der Projektionspfade muss nicht in jedem Annäherungsschritt neu erfolgen, sondern nur, wenn die Kontur des Active Shape Model den Bereich, in welchem die Distanzen etc. das letzte Mal berechnet wurden, verlässt. Ist dies nicht der Fall, reicht es einfach aus, die Kontur des Active Shape Model an die jeweils nächsten bereits bestimmten Punkte mit der höchsten Wahrscheinlichkeit anzunähern.In this case, the individual pixels of the image data set are understood by the grid points. In addition, for each grid point in the area, a probability is determined with which the point lies on the contour of the searched object. This can be z. B. done with the above-mentioned next neighbor classifier. In this case, an intensity profile is sampled from the image data set for each raster point, the direction of the profile being given by the gradient vector of the signed distance function. Illustratively, this gradient vector corresponds to points on the contour of the Active Shape Model of the normal to the contour. Based on the intensity profile, each grid point in the area is assigned a probability. From the outer boundary of the area, the inner boundary of the area and local minima of the distance values within the area, projection beams are considered in the direction of the contour of the Active Shape Model that end up perpendicular to the active contour. Among all raster points lying on a projection beam, the raster point which belongs on this projection beam with the highest probability of limiting the object to be segmented is determined. For each pair of projection beams that end up on the same grid point of the active contour, the two grid points determined in this way are compared in their probability and the grid point with the highest probability is selected. This is done for all considered projection beams. The projection beams are chosen so that they include all halftone dots of the image data set within the same distance around the active contour. The grid points selected in this way give a probable object contour to which the contour of the Active Shape Model approximates the constraints of the underlying shape model. This procedure is repeated in each case in the next approximation step until a sufficient approximation or adaptation of the active contour to the object to be segmented is achieved, ie until the difference between the active contour and the object contour determined in the corresponding approximation step falls below a predefinable threshold value. In this case, the active contour then reflects the boundaries of the object, taking into account the Active Shape Model, so that the object is segmented. The computation of the signed distances, the probabilities and the projection paths does not have to be done in every approximation step, but only if the contour of the Active Shape Model leaves the area in which the distances etc. were calculated last time. If this is not the case, it is simply enough to see the contour of the Ac tive Shape Model to the next most certain points with the highest probability.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung, in die dieses Verfahren implementiert ist, wird somit ein implizites Active Shape Model (implizites ASM) eingesetzt, das eine robuste Segmentierung ermöglicht. Durch Verzicht auf ein auf Landmarken basierendes Modell werden die mit derartigen Modellen verbundenen Schwierigkeiten umgangen. Allerdings ist die Anpassung eines impliziten ASM an die Bilddaten komplizierter, da keine Landmarken-Punkte verfügbar sind, die in Richtung der wahrscheinlichsten Begrenzung des Objektes bewegt werden können. Durch die vorgeschlagene Vorgehensweise auf Basis des Bereichs gleichen Abstandes und der darin durchgeführten Bestimmungen wird die Annäherung bzw. Anpassung jedoch mit hoher Zuverlässigkeit ermöglicht. Das vorgeschlagene Verfahren führt vor allem bei Objekten mit starken Krümmungen zu besseren Ergebnissen als ein auf Landmarken basierendes Modell, da keine Rasterpunkte bei der Prüfung verloren gehen. Weiterhin können ohne weitere Maßnahmen auch sehr dünne Strukturen oder Objekte ohne die Gefahr von Selbstüberschneidungen segmentiert werden.at the proposed method and the associated device, in which this method is implemented becomes thus an implicit Active Shape Model (implicit ASM) used, which is a robust Segmentation allows. By waiving one on landmarks based model will be those associated with such models Circumvented difficulties. However, the adaptation of an implicit ASM to the image data more complicated, since no landmark points available which are in the direction of the most likely boundary of the object can be moved. Through the proposed approach based on the range of equal distance and the one performed therein Provisions will be the approximation or adaptation, however with high reliability. The proposed Procedure mainly leads to objects with strong curvatures to better results than a landmark-based model, because no halftone dots are lost during the test. Farther can also be very thin without further action Structures or objects without the risk of self-duplication be segmented.

Vorzugsweise wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren ein implizites ASM eingesetzt, wie es von Rousson et al., „Implicit Active Shape Models for 3D Segmentation in MR Imaging”, MICCAI 2004, 3216: 209–216, 2004 , beschrieben wird, wobei das implizite ASM in die sog. Levelset-Methodik eingebunden wird.Preferably, in the proposed method, an implicit ASM is used, as described by Rousson et al., "Implicit Active Shape Models for 3D Segmentation in MR Imaging", MICCAI 2004, 3216: 209-216, 2004 , wherein the implicit ASM is incorporated into the so-called level set methodology.

Zur Anpassung eines derartigen impliziten ASM wird die aktive Kontur als Nullniveaumenge einer Levelset-Funktion ϕ definiert, die sich einerseits gemäß dem Bildinhalt entwickelt und andererseits durch eine weitere Levelset-Funktion ψ, welche aus dem statistischen Formmodell erzeugt wird, in den annehmbaren Formen beschränkt ist. Diese Levelset-Funktion ψ setzt sich aus der mittleren Levelset-Funktion ψ – sowie einer gewichteten Summe der N größten Eigenmoden ψi zusammen, also

Figure 00070001
wobei ψ – durch Mittelung aller vorzeichenbehafteten Distanzfunktionen der Trainingsdatensätze bestimmt wird und ψi die Eigenmoden der PCA der Trainingsdatensätze sind.To adapt such an implicit ASM, the active contour is defined as a zero level set of a level set function φ that evolves on the one hand according to the image content and on the other hand is limited in acceptable forms by another level set function ψ generated from the statistical shape model , This level set function ψ is composed of the middle level set function ψ - and a weighted sum of the N largest eigenmodes ψ i , ie
Figure 00070001
where ψ - is determined by averaging all signed distance functions of the training data sets and ψ i are the eigenmodes of the PCA of the training data sets.

Die Anpassung der aktiven Kontur unter Berücksichtigung des ASM wird durch das folgende Energiefunktional bestimmt, das die quadratische Differenz zwischen beiden Levelset-Funktionen angibt:

Figure 00070002
A ist dabei eine affine Transformation, welche die in ψ als Nullniveaumenge eingebettete Kontur des Formmodells an die in ϕ als Nullniveaumenge eingebettete aktive Kontur, welche am Bildinhalt ausgerichtet ist, anpasst. Die Komponenten des Vektors λ sind die Gewichte der Eigenmoden. Da nur die Anpassung der beiden Konturen, d. h. der Nullniveaumengen von ϕ und ψ, interessiert, wird die Dirac'sche Deltafunktion δ in die obige Energiefunktion eingeführt. Der Integrationsraum wird als Ω ⊂ R2 (bzw. Ω ⊂ R3 für den dreidimensionalen Fall) bezeichnet.The adaptation of the active contour taking into account the ASM is determined by the following energy functional indicating the quadratic difference between both level set functions:
Figure 00070002
A is an affine transformation which adapts the contour of the shape model embedded in ψ as a zero-level set to the active contour embedded in φ as the zero-level set, which is aligned on the image content. The components of the vector λ are the weights of the eigenmodes. Since only the adaptation of the two contours, ie the zero level quantities of φ and ψ, is of interest, the Dirac delta function δ is introduced into the above energy function. The integration space is referred to as Ω ⊂ R 2 (or Ω ⊂ R 3 for the three-dimensional case).

Diese Gleichung wird im Hinblick auf ϕ sowie A und λ iterativ minimiert. Für die einzelnen Gewichte λi sowie für die Komponenten der Transformation A, welche Rotationswinkel um die Koordinatenachsen sowie Skalierung und Translationen sind, wird dazu jeweils die Ableitung von E nach dem jeweiligen Gewicht λi bzw. nach der jeweiligen Komponente von A berechnet und damit ein Gradientenabstieg durchgeführt. Eine Vorschrift zur Optimierung von E im Hinblick auf ϕ ergibt sich entsprechend der Variationsrechnung aus der Euler Lagrange Gleichung zu obiger Gleichung (1). Das Resultat ist eine Einschränkung der partiellen Differentialgleichung, welche die Deformation von ϕ und damit die Deformation der aktiven Kontur steuert. Weitere Einzelheiten zu einer derartigen Vorgehensweise finden sich in der bereits genannten Veröffentlichung von Rousson et al.. Damit erfolgt die Anpassung der aktiven Kontur, d. h. der Levelset-Funktion ϕ, auf Basis sowohl des statistischen Formmodells als auch der Bildinformation. Während die Anpassung auf Basis des Formmodells grundsätzlich bekannt ist, besteht die Besonderheit des vorliegenden Verfahrens in der vorgeschlagenen Vorgehensweise zur Anpassung an die Bildinformation bzw. Bilddaten. Die Bestimmung der Rasterpunkte auf den jeweiligen Projektionsstrahlen, die mit der höchsten Wahrscheinlichkeit zur Objektbegrenzung zählen, kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, vorzugsweise auf Basis eines sog. Appearance Model, wie bspw. des nächsten Nachbar Klassifikators.This equation is iteratively minimized with respect to φ as well as A and λ. For the individual weights λ i as well as for the components of the transformation A, which are rotation angles about the coordinate axes as well as scaling and translations, the derivative of E for the respective weight λ i or for the respective component of A is calculated and therefore included Gradient descent performed. A rule for optimizing E with respect to φ is given according to the variational calculation from the Euler Lagrange equation to the above equation (1). The result is a restriction of the partial differential equation which controls the deformation of φ and thus the deformation of the active contour. Further details of such an approach can be found in the already mentioned publication by Rousson et al. Thus, the adaptation of the active contour, ie the level set function φ, based on both the statistical shape model and the image information. While the adaptation based on the shape model is basically known, the peculiarity of the present method lies in the proposed procedure for adaptation to the image information or image data. The determination of the halftone dots on the respective projection beams, which count with the highest probability of object limitation, can be carried out in different ways, preferably on the basis of a so-called appearance model, such as, for example, the nearest neighbor classifier.

Um die aktive Kontur zu den Rasterpunkten innerhalb der Begrenzung mit den höchsten Wahrscheinlichkeiten zu bewegen, kann grundsätzlich der Gradient der Wahrscheinlichkeitskarte berechnet werden. Da das Einzugsgebiet des Gradienten einer Wahrscheinlichkeitskarte begrenzt ist, wird vorzugsweise eine zusätzliche Maßnahme ergriffen. Diese Maßnahme besteht in der Berechnung des Gradientenvektorfeldes (GVF) der Wahrscheinlichkeitskarte. Dadurch werden die Gradientenvektoren, welche sonst nur nahe von Rasterpunkten mit einer Wahrscheinlichkeit größer Null existieren, über den gesamten Bereich gleichen Abstands diffundiert. Auf diese Weise entsteht ein wesentlich größerer Einzugsbereich der Gradientenvektoren, um die aktive Kontur zu führen. Die Berechnung eines derartigen Gradientenvektorfeldes ist bspw. aus Xu et al., „Snakes, Shapes and Gradient Vector Flow”, IEEE Transactions an Image Processing, 7(3): 359–369, 1998 bekannt. Bei dieser Ausführungsform wird der GVF-Term in die partielle Differentialgleichung zur Deformation der aktiven Kontur eingebracht und konkurriert mit dem Term, der die Beschränkungen auf Basis des Formmodells repräsentiert. So beschreiben bspw. Paragios et al., „Gradient Vector Flow Fast Geodesic Active Contours”, International Conference an Computer Vision 2001, 67–73, 2001 , die Einführung eines derartigen GVF-Terms in die Gleichung für die Entwicklung der aktiven Kontur.To get the active contour to the grid points within the boundary with the highest probability In principle, the gradient of the probability map can be calculated. Since the catchment area of the gradient of a probability map is limited, an additional measure is preferably taken. This measure consists in the calculation of the gradient vector field (GVF) of the probability map. As a result, the gradient vectors, which otherwise only exist close to halftone dots with a probability greater than zero, are diffused over the entire range of equal spacing. In this way, a much larger catchment area of the gradient vectors is created to guide the active contour. The calculation of such a gradient vector field is, for example, off Xu et al., "Snakes, Shapes and Gradient Vector Flow", IEEE Transactions on Image Processing, 7 (3): 359-369, 1998 known. In this embodiment, the GVF term is introduced into the partial differential equation for deformation of the active contour and competes with the term representing the constraints based on the shape model. To describe eg. Paragios et al., Gradient Vector Flow Fast Geodesic Active Contours, International Conference on Computer Vision 2001, 67-73, 2001 , the introduction of such a GVF term in the equation for the development of the active contour.

Die vorgeschlagene Vorrichtung umfasst zumindest eine Speichereinheit für die Trainingsdaten und den Bilddatensatz, eine Recheneinheit zur Ausführung der für die Durchführung des Verfahrens erforderlichen Prozessschritte, ein Trainingsmodul zur Erstellung des statistischen Formmodells auf Basis der Trainingsdatensätze sowie ein Segmentierungsmodul, das die Verfahrensschritte zur Anpassung der aktiven Kontur an das zu segmentierende Objekt gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren durchführt. Das segmentierte Objekt kann dann an einer Bildanzeigeeinrichtung dargestellt werden, die mit der Vorrichtung verbunden sein kann.The proposed device comprises at least one storage unit for the training data and the image data set, a computing unit to carry out the execution the process required steps, a training module for creating the statistical shape model based on the training data sets and a segmentation module that describes the process steps for customization the active contour to the object to be segmented according to the proposed method. The segmented Object can then be displayed on an image display device, which may be connected to the device.

Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung eignen sich vor allem für Bilddatensätze der medizinischen Bildgebung, bspw. zur Segmentierung der Leber aus tomographischen Bilddatensätzen. Derartige Bilddatensätze können von unterschiedlichen Bildaufzeichnungsgeräten stammen, bspw. von einem Computertomographen oder einem Magnetresonanztomographen, sind jedoch nicht auf die letztgenannten Geräte beschränkt.The proposed methods and associated apparatus are especially suitable for medical image data sets Imaging, for example, for segmentation of the liver from tomographic Image data sets. Such image data sets can come from different imaging devices, for example from a computer tomograph or a magnetic resonance tomograph, however, are not limited to the latter devices.

Das vorgeschlagene Verfahren sowie die zughörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:The proposed method and the associated device be in the following with reference to an embodiment in Connection with the drawings briefly explained again. Hereby show:

1 eine schematische Darstellung der prinzipiellen Vorgehensweise bei dem vorgeschlagenen Verfahren; 1 a schematic representation of the basic procedure in the proposed method;

2 eine schematische Darstellung der Festlegung des Bereiches gleichen Abstands um die aktive Kontur; 2 a schematic representation of the definition of the area of equal distance around the active contour;

3 eine schematische Darstellung zur Ermittlung der Wahrscheinlichkeiten unter Nutzung von Projektionsstrahlen und 3 a schematic representation for determining the probabilities using projection beams and

4 eine schematische Darstellung der vorgeschlagenen Vorrichtung. 4 a schematic representation of the proposed device.

Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend am Beispiel der Segmentierung der Leber aus einem CT-Bilddatensatz nochmals näher erläutert. 1 zeigt hierzu den Ablauf in stark schematisierter Darstellung. Die Ausführungen beziehen sich hierbei auf einen 2D-Bilddatensatz, so dass die aktive Kontur eine geschlossene Linie und der Bereich gleichen Abstands ein Band darstellt, auf dessen zentraler Achse diese geschlossene Linie verläuft. Es ist jedoch offensichtlich, dass sich das vorgeschlagene Verfahren ohne weiteres auch auf drei Dimensionen erweitern lässt, um eine Segmentierung in einem 3D-Bilddatensatz durchzuführen.The proposed method and the associated device are explained in more detail below using the example of the segmentation of the liver from a CT image data set. 1 shows the process in a highly schematic representation. The explanations here refer to a 2D image data set, so that the active contour represents a closed line and the area of equal spacing represents a band on the central axis of which this closed line runs. However, it is obvious that the proposed method can easily be extended to three dimensions to perform segmentation in a 3D image data set.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden mehrere Bilddatensätze der Leber von unterschiedlichen Patienten zur Verfügung gestellt, die als Trainingsdatensätze für die Erstellung eines statistischen Formmodells dienen. Ein Satz an Segmentierungsmasken, die durch manuelle Segmentierung der Leber in den Trainingsdatensätzen erhalten werden, stellt die Basis des statistischen Formmodells dar. Maskenpunkte mit einem Wert ungleich 0 gehören zu dem Objekt, d. h. der Leber. Alle anderen Maskenpunkte mit einem Wert gleich 0 stellen den Hintergrund dar. Für die Analyse der möglichen Formen der Leber müssen zunächst Variationen zwischen den einzelnen Segmentierungsmasken eliminiert werden, die durch Ähnlichkeitstransformationen verursacht werden, d. h. durch Translation, Rotation und isotrope Skalierung. Daher wird zunächst eine der Masken als Referenzmaske gewählt. Für alle anderen Masken werden dann entsprechende Transformationen ermittelt, durch die der Überlappungsgrad zwischen jedem Maskenpaar maximiert wird. Dies kann bspw. mit der Technik von Tsai et al., „A Shape-Based Approach to the Segmentation of Medical Imagery Using Level Sets”, IEEE Transactions an Medical Imaging, 22(2): 137–154, 2003 erfolgen. Translation, Rotation und Skalierung werden für jede Transformation mit der Technik des Gradientenabstiegs optimiert. Da das Verfahren eine größere Anzahl von Iterationen erfordert und anfällig für lokale Minima ist, werden Translation, Rotation und Skalierung normalisiert, bevor die Technik des Gradientenabstiegs zur Verfeinerung der zunächst nur groben Überlagerung eingesetzt wird.In the proposed method several image data sets of the liver are provided by different patients, which serve as training data sets for the creation of a statistical shape model. A set of segmentation masks obtained by manual segmentation of the liver in the training data sets represents the basis of the statistical shape model. Mask points of non-zero value belong to the object, ie the liver. All other mask points with a value equal to 0 provide the background. For the analysis of possible forms of the liver, it is first necessary to eliminate variations between the individual segmentation masks caused by similarity transformations, ie, translation, rotation, and isotropic scaling. Therefore, one of the masks is first selected as the reference mask. For all other masks, appropriate transformations are then determined that maximize the degree of overlap between each pair of masks. This can be done, for example, with the technique of Tsai et al., "A Shape-Based Approach to the Segmentation of Medical Imagery Using Level Sets ", IEEE Transactions on Medical Imaging, 22 (2): 137-154, 2003. Translation, rotation and scaling are optimized for each gradient descent technique. Since the method requires a greater number of iterations and is susceptible to local minima, translation, rotation, and scaling are normalized before the gradient descent technique is used to refine the initially coarse overlay.

Im Anschluss an diese gegenseitige Ausrichtung und geeignete Skalierung der einzelnen Segmentierungsmasken werden die durch diese Masken repräsentierten Formen in eine implizite Repräsentation umgewandelt. Dies erfolgt durch Erzeugung einer Vorzeichen-behafteten Abstandsfunktion für jede Maske, bei der jedem Rasterpunkt sein positiver oder negativer euklidischer Abstand zur Begrenzung der dargestellten Form zugeordnet wird. Rasterpunkte innerhalb der Form erhalten dabei ein negatives Vorzeichen, Rasterpunkte außerhalb der Form, die damit zum Hintergrund zählen, ein positives Vorzeichen.in the Following this mutual alignment and appropriate scaling The individual segmentation masks become the ones through these masks represented forms in an implicit representation transformed. This is done by generating a sign-afflicted Distance function for each mask, at each grid point its positive or negative Euclidean distance to the limit assigned to the illustrated form. Grid points within the Form receive a negative sign, grid points outside of the form that counts as a background, a positive one Sign.

Anschließend wird eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) mit den dadurch erhaltenen Abstandskarten (Abstands-Map) durchgeführt, um die verbleibenden Variationen zu analysieren, die auf unterschiedliche Formen der Leber zurückzuführen sind. Neue Formen werden implizit als Nullniveaumenge der Levelset-Funktion

Figure 00110001
ausgedrückt, wobei λ dem Vektor der Modengewichte λi der Eigenmoden, ψ – dem Mittelwert über alle Abstandsfunktionen und ψi den N signifikanten Eigenmoden entsprechen, die aus der PCA erhalten werden.Subsequently, a principal component analysis (PCA) is performed with the distance maps (distance map) obtained thereby to analyze the remaining variations due to different forms of the liver. New forms are implicitly called the zero level set of the level set function
Figure 00110001
where λ corresponds to the vector of the mode weights λ i of the eigenmodes, ψ - the mean over all distance functions, and ψ i to the N significant eigenmodes obtained from the PCA.

Für den Einsatz dieses aus Trainingsdaten erstellten Modells zur Bildsegmentierung wird eine weitere Levelset-Funktion ϕ eingeführt, die sich als aktive Kontur entsprechend dem Bildinhalt entwickelt und in ihrer Entwicklung durch die Levelset-Funktion ψ des Formmodells eingeschränkt ist. Die Beschränkung der Anpassung der aktiven Kontur durch das Formmodell kann durch das bereits weiter oben erläuterte Energiefunktional beschrieben werden, die die quadratische Differenz zwischen beiden Levelset-Funktionen angibt:

Figure 00120001
For the use of this image training model created from training data, a further level set function φ is introduced, which develops as an active contour according to the image content and whose development is limited by the level set function ψ of the shape model. The restriction of the adaptation of the active contour by the shape model can be described by the energy functional already explained above, which indicates the quadratic difference between the two level set functions:
Figure 00120001

Diese Gleichung wird in iterativer Weise minimiert, bis sich eine statische Lösung ergibt, d. h. die Werte der Modengewichte λi sowie die Werte der Transformationsparameter in A (Rotationswinkel, Skalierungsfaktor, Translationswerte) und insbesondere die Aktive Kontur Levelset-Funktion ϕ ändern sich nicht mehr. Die aktive Kontur entspricht dann dem segmentierten Objekt, das bspw. an einem Monitor dargestellt werden kann.This equation is minimized in an iterative manner until a static solution results, ie the values of the mode weights λ i and the values of the transformation parameters in A (rotation angle, scaling factor, translation values) and in particular the active contour level set function φ no longer change. The active contour then corresponds to the segmented object, which, for example, can be displayed on a monitor.

Die Besonderheit des vorgeschlagenen Verfahrens besteht in der Kombination eines impliziten ASM mit einer besonderen Vorgehensweise bei der Anpassung der aktiven Kontur an die Bildinformation. Diese Anpassung wird im Folgenden nochmals anhand des vorliegenden Beispiels näher erläutert.The Special feature of the proposed method is the combination an implicit ASM with a special approach to the Adaptation of the active contour to the image information. This adaptation will be described in more detail below with reference to the present example explained.

Bei einem expliziten ASM werden in der Regel sog. Appearance Models eingesetzt, um die Deformation oder Entwicklung der aktiven Kontur zu führen. Dies schließt die Bestimmung von Intensitätsprofilen an jeder Landmarke in einer Richtung normal zur Oberfläche des Objekts während einer Trainingsphase ein. Bei Annahme einer Normalverteilung wird das Appearance Model dadurch erhalten, dass die Mittelwert- und die Kovarianzmatrix der Profile berechnet wird. Dieses Prinzip wurde auch auf zufällige Verteilungen erweitert, indem sowohl Rand- als auch nicht auf dem Rand liegende Profile bestimmt und ein Nächster Nachbar Klassifikator eingesetzt wurden. Während der Segmentierung wird dann jeder Landmarken-Punkt in seiner Normalrichtung in Richtung des wahrscheinlichsten Begrenzungspunktes des Objekts bewegt. Verglichen mit einfachen Randdetektoren wird mit dieser bekannten Vorgehensweise auf Basis eines expliziten ASM eine größere Robustheit der Segmentierung erreicht.at An explicit ASM is usually called Appearance Models used to the deformation or development of the active contour respectively. This includes the determination of intensity profiles at each landmark in a direction normal to the surface of the object during a training phase. Upon acceptance a normal distribution will give the Appearance Model that calculates the mean and covariance matrix of the profiles becomes. This principle was also based on random distributions extended by using both edge and non-edge Profiles determined and a neighbor neighbor classifier were used. During segmentation then becomes each landmark point in its normal direction in the direction of most likely boundary point of the object moves. Compared Using simple edge detectors is done with this known approach based on an explicit ASM a greater robustness reached the segmentation.

Im Gegensatz zu dieser bekannten Technik setzt das vorliegende Verfahren und die zughörige Vorrichtung ein implizites ASM ein, in das ein Bildterm auf Basis eines Appearance Models integriert wird. Die Vorgehensweise der Anpassung der aktiven Kontur an die Bilddaten wird anhand der schematischen Darstellungen der 2 und 3 näher erläutert.In contrast to this known technique, the present method and apparatus employ an implicit ASM into which an image term based on an appearance model is integrated. The procedure for adapting the active contour to the image data is described in the schematic diagrams of FIG 2 and 3 explained in more detail.

2 zeigt hierbei die aktive Kontur 1, die durch die Nullniveaumenge von Φ repräsentiert wird. Die Bilddaten selbst, denen diese Kontur überlagert wird, sind in dieser und der nächsten Figur nicht zu erkennen. Die aktive Kontur 1 ist Bestandteil des ASM und stellt in ihrer Anfangsform bspw. den Mittelwert über die aus den Trainingsdaten gewonnenen Formen der Leber dar. Für die Anpassung an die Bilddaten wird beim vorgeschlagenen Verfahren zunächst ein schmales Band gleichen Abstands um die aktive Kontur 1 gelegt. Die Breite des Bandes kann hierbei bspw. 5–30 mm betragen. Dieses Band wird in der Figur durch die äußere Begrenzung 3 und die innere Begrenzung 2 in gestrichelten Linien dargestellt. Der Abstand der äußeren Begrenzung 3 zur aktiven Kontur 1 und der inneren Begrenzung 2 zur aktiven Kontur 1 entspricht dem Abstand r, der mit dem Bezugszeichen 4 in der Figur gekennzeichnet ist. Jedem Rasterpunkt des Bilddatensatzes, der innerhalb dieses Bandes liegt, wird ein positiver oder negativer Abstandswert, abhängig von der Lage und dem Abstand zur aktiven Kontur 1, zugeordnet. So erhält bspw. Punkt 5 einen positiven Abstandswert 7 und Punkt 6 einen negativen Abstandswert 8. Die dabei erhaltene Abstandskarte kann bspw. über den sog. Fast Marching Algorithmus erstellt werden. Für alle Rasterpunkte innerhalb des schmalen Bandes, d. h. bspw. für die Punkte 5, 6 und 9, werden Intensitätsprofile an ihrer entsprechenden Position innerhalb des Bildes bestimmt, wobei die Intensitätsprofile in Normalenrichtung ermittelt werden, die durch ∇Φ gegeben ist. Diese Normalenrichtung wird in der 2 beispielhaft am Punkt 9 durch den Vektor 10 angedeutet. Über ein geeignetes Appearance Model wird für jeden Rasterpunkt die Wahrscheinlichkeit dafür berechnet, dass er zur Begrenzung bzw. Oberfläche des zu segmentierenden Objektes zählt. Als Appearance Model kann bspw. ein sog. k Nächster Nachbar (k-NN) Klassifikator eingesetzt werden. Anstelle eines k-NN Klassifikators können selbstverständlich auch andere Techniken, wie z. B. Mittelwertvektor & Kovarianzmatrix, verwendet werden, die ebenfalls eine kontinuierliche Wahrscheinlichkeit liefern. 2 shows the active contour 1 , which is represented by the zero level amount of Φ. The image data itself, to which this contour is superimposed, can not be seen in this and the next figure. The active contour 1 is part of the ASM and represents in its initial form, for example, the average over the For adaptation to the image data, in the proposed method initially a narrow band of equal distance around the active contour 1 placed. The width of the tape may be, for example, 5-30 mm. This band is in the figure by the outer boundary 3 and the inner boundary 2 shown in dashed lines. The distance of the outer boundary 3 to the active contour 1 and the inner boundary 2 to the active contour 1 corresponds to the distance r, denoted by the reference numeral 4 is marked in the figure. Each halftone dot of the image data set that lies within this band becomes a positive or negative distance value, depending on the position and the distance to the active contour 1 , assigned. Thus, for example, receives point 5 a positive distance value 7 and point 6 a negative distance value 8th , The distance map obtained in this way can be created, for example, via the so-called fast marching algorithm. For all grid points within the narrow band, ie, for example, for the points 5 . 6 and 9 , intensity profiles are determined at their corresponding position within the image, whereby the intensity profiles are determined in the normal direction, which is given by ∇Φ. This normal direction is used in the 2 exemplary at the point 9 through the vector 10 indicated. A suitable appearance model calculates the probability for each grid point that it belongs to the boundary or surface of the object to be segmented. As an Appearance Model, for example, a so-called k Nearest Neighbor (k-NN) classifier can be used. Instead of a k-NN classifier, of course, other techniques, such. Mean vector & covariance matrix, which also provide a continuous probability.

Anschließend wird jeweils entlang von Projektionsstrahlen der Rasterpunkt mit der höchsten Wahrscheinlichkeit auf dem jeweiligen Projektionsstrahl bestimmt. Die Projektionsstrahlen beginnen auf den Rändern des schmalen Bandes (Begrenzungslinien 2, 3) und an lokalen Extrema der zugrunde liegenden Abstandskarte, die durch die gepunktete Linie lokaler Minima 11 in der 3 angedeutet sind. Die Projektionsstrahlen enden senkrecht auf der aktiven Kontur 1. Für jeden Projektionsstrahl, der innerhalb (Projektionsstrahl 12) oder außerhalb (Projektionsstrahl 13) der durch die aktive Kontur 1 eingeschlossenen Gebiete liegt, wird ein Gradienten-Anstieg oder -abstieg auf der die Levelset-Funktion Φ repräsentierenden, Vorzeichen-behafteten Abstandskarte durchgeführt, bis die aktive Kontur 1 erreicht ist. Nur der Rasterpunkt mit der höchsten Wahrscheinlichkeit wird entlang jedes Projektionspfades bestimmt. Dies betrifft bspw. bei Projektionspfad 12 den Punkt 14 und bei Projektionspfad 13 den Punkt 15. Alle anderen Rasterpunkte werden nicht mehr berücksichtigt.Subsequently, the raster point with the highest probability on the respective projection beam is determined in each case along projection beams. The projection beams start on the edges of the narrow band (boundary lines 2 . 3 ) and at local extrema of the underlying distance map passing through the dotted line of local minima 11 in the 3 are indicated. The projection beams end vertically on the active contour 1 , For every projection beam that is inside (projection beam 12 ) or outside (projection beam 13 ) through the active contour 1 enclosed areas, a gradient slope or descent is performed on the signed set distance map representing the level set function Φ until the active contour 1 is reached. Only the halftone dot with the highest probability is determined along each projection path. This applies, for example, in the case of the projection path 12 the point 14 and at the projection path 13 the point 15 , All other grid points are no longer considered.

Schließlich wird für alle Paare von internen und externen Projektionsstrahlen, die auf dem gleichen Rasterpunkt 16 auf der aktiven Kontur 1 enden, nur derjenige der beiden vorher bestimmten Rasterpunkte ausgewählt, der von beiden die höhere Wahrscheinlichkeit aufweist, zur Objektbegrenzung zu gehören. Als Ergebnis dieses Algorithmus wird eine Karte (Map) erhalten, die lediglich die Rasterpunkte mit der höchsten Wahrscheinlichkeit enthält. Wird davon ausgegangen, dass echte Randpunkte des Objekts durch das Appearance Model höhere Wahrscheinlichkeiten erhalten haben als Rasterpunkte, die nicht zum Rand des Objekts zählen, so wird durch die vorgeschlagene Vorgehensweise eine Eliminierung falscher Randpunkte erreicht. Damit wird verhindert, dass sich der Anpassungsalgorithmus an der falschen Position in einem lokalen Minimum festsetzt.Finally, for all pairs of internal and external projection beams that are on the same grid point 16 on the active contour 1 only the one of the two previously determined grid points is selected, which has the higher probability of belonging to the object boundary. As a result of this algorithm, a map is obtained which contains only the highest probability halftone dots. Assuming that the Appearance Model's real boundary points have higher probabilities than non-boundary raster points, the proposed approach eliminates false boundary points. This will prevent the fitting algorithm from getting stuck in the wrong position in a local minimum.

Da der Einfangbereich der oben beschriebenen Wahrscheinlichkeitskarte begrenzt ist, kann die Führung der aktiven Kontur in Richtung der Randpunkte alleine auf Basis des Gradienten unter Umständen nicht ausreichen. Daher wird im vorliegenden Beispiel das Gradientenvektorfeld (GVF) der Wahrscheinlichkeitskarte berechnet, um die Gradientenvektoren über das gesamte schmale Band zu verteilen. Dies vergrößert den Einfangbereich deutlich. Der GVF-Term wird in die Entwicklung der aktiven Kontur einbezogen, wie dies bspw. aus der bereits genannten Veröffentlichung von Paragios et al. bekannt ist. Der GVF-Term konkurriert mit dem vorher beschriebenen Begrenzungsterm auf Basis des Formmodells, der sich aus dem weiter oben angeführten Energiefunktional (Gleichung (1)) ableitet. Die Entwicklungsgleichung für die Levelset-Funktion Φ der aktiven Kontur kann dann folgendermaßen dargestellt werden:

Figure 00150001
Since the trapping range of the probability map described above is limited, the guidance of the active contour toward the edge points alone based on the gradient may not be sufficient. Therefore, in the present example, the gradient vector field (GVF) of the probability map is calculated to distribute the gradient vectors over the entire narrow band. This significantly increases the capture area. The GVF term is included in the development of the active contour, as described, for example, in the already mentioned publication by Paragios et al. is known. The GVF term competes with the limiting term previously described on the basis of the shape model derived from the above-mentioned energy functional (equation (1)). The development equation for the level set function Φ of the active contour can then be represented as follows:
Figure 00150001

Wobei Φt die Zeitableitung der Levelset-Funktion, g eine Stoppfunktion, „div” den Divergenzoperator und ν das GVF-Feld darstellen. Der erste Term auf der rechten Seite dieser Gleichung (2), der durch α gewichtet ist, trägt zu Glättung der Kontur unter Berücksichtigung des Bildinhalts mittels der Stoppfunktion g bei. Der zweite Term, der durch β gewichtet ist, führt den GVF ein, um die Kontur zu den Randpunkten zu treiben. Schließlich stellt der dritte Term, durch γ gewichtet, die durch das ASM auferlegten Beschränkungen dar. Er er gibt sich gemäß der Variationsrechnung über Φ aus der Euler-Lagrange Gleichung des obigen Energiefunktionals (Gleichung (1)). Weitere Details zu dem ersten und zweiten Term können bspw. der oben genannten Veröffentlichung von Paragios et al. und zum dritten Term der oben genannten Veröffentlichung von Rousson et al. entnommen werden.Where Φ t represents the time derivative of the level set function, g a stop function, "div" the divergence operator, and ν the GVF field. The first term on the right side of this equation (2), which is weighted by α, contributes to smoothing the contour taking into account the image content by means of the stop function g. The second term, weighted by β, introduces the GVF to drive the contour to the edge points. Finally, the third term, weighted by γ, represents the constraints imposed by the ASM. It yields according to the variational calculation on Φ from the Euler-Lagrange equation of the above energy function (Equation (1)). Further details of the first and second terms may be, for example, the above Publication of Paragios et al. and to the third term of the above publication by Rousson et al. be removed.

4 zeigt schließlich ein Beispiel für die Vorrichtung zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens in stark schematisierter Darstellung. Die Vorrichtung kann bspw. durch eine Rechenstation mit einer Recheneinheit 17 und einem Datenspeicher 18 gebildet sein, der die entsprechenden Trainingsdatensätze, den Bilddatensatz sowie alle während der Durchführung des Verfahrens anfallenden Daten aufnimmt. Ein Modul 19 erstellt aus den Trainingsdatensätzen das statistische Formmodell auf Basis der bekannten Verfahrensschritte. Ein Segmentierungsmodul 20 führt schließlich die besonderen Verfahrensschritte des vorgeschlagenen Verfahrens aus, insbesondere die Anpassung der aktiven Kontur an die Bilddaten unter Berücksichtigung des ASM. Das segmentierte Objekt kann schließlich an einem mit der Vorrichtung verbundenen Monitor 21 einem Benutzer dargestellt werden. Die Segmentierung kann nach Erstellung des ASM ohne jeglichen Benutzereingriff vollautomatisch erfolgen. 4 Finally, shows an example of the apparatus for performing the proposed method in a highly schematic representation. The device can, for example, by a computing station with a computing unit 17 and a data store 18 be formed, which receives the corresponding training records, the image data set as well as all accumulated during the implementation of the method data. A module 19 creates from the training data sets the statistical shape model based on the known process steps. A segmentation module 20 Finally, performs the special process steps of the proposed method, in particular the adaptation of the active contour to the image data, taking into account the ASM. The segmented object may eventually be attached to a monitor connected to the device 21 presented to a user. The segmentation can be done fully automatically after creation of the ASM without any user intervention.

Das vorgeschlagene Verfahren arbeitet verglichen mit den Algorithmen, die auf Landmarken basieren, vor allem in Objektbereichen mit starker Krümmung zuverlässiger, bei denen Randpunkte bei den bekannten Verfahren aufgrund der groben Abstände der Landmarken übersehen werden können. Durch die Verschiebung der Landmarken in Normalenrichtung kann hier in Bereichen zwischen den auseinander laufenden Verschiebungspfaden möglicherweise wichtige Bildinformation nicht berücksichtigt werden. Ein weiteres Problem tritt bspw. auch dann auf, wenn ein Randpunkt mit der höchsten Wahrscheinlichkeit hinter einem anderen Teil der Oberfläche liegt.The proposed method works compared to the algorithms, based on landmarks, especially in object areas with strong Curvature more reliable, where edge points at the known method due to the coarse distances of the Landmarks can be overlooked. By the Shifting the landmarks in normal direction can be done here in areas between the divergent shift paths, possibly important image information is not taken into account. One Another problem occurs, for example, even if a boundary point with the highest probability behind another part the surface lies.

Diese Probleme werden mit dem vorliegenden Algorithmus vermieden. Bei diesem Algorithmus werden Wahrscheinlichkeiten für das gesamte schmale Band berechnet, so dass kein einziger Randpunkt übersehen werden kann. Allerdings müssen falsche Randpunkte entfernt werden, um ein festsetzen des Algorithmus in lokalen Minima zu verhindern. Dies wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren dadurch erreicht, dass alle hierbei bestimmten Wahrscheinlichkeiten zurück auf die momentane aktive Kontur projiziert werden und nur der Punkt mit der höchsten Wahrscheinlichkeit für jedes Paar von Projektionsstrahlen für die Anpassung der aktiven Kontur berücksichtigt wird.These Problems are avoided with the present algorithm. at this algorithm will be probabilities for the entire narrow band calculated so that no single edge point is overlooked can be. However, wrong edge points must be removed to prevent the algorithm from being set in local minima. This is achieved in the proposed method in that all this particular probabilities back to the instantaneous active contour can be projected and only the point with the highest probability for each pair of projection beams for the adaptation of the active contour is taken into account.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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Claims (5)

Verfahren zur Segmentierung eines Objekts aus einem Bilddatensatz, bei dem – ein implizites Formmodell für das zu segmentierende Objekt aus Trainingsdatensätzen erstellt und – das Objekt durch schrittweise Annäherung einer aktiven Kontur (1) auf Basis des Formmodells an eine wahrscheinliche Objektkontur im Bilddatensatz segmentiert wird, wobei für die Annäherung wiederholt – Bereiche gleichen Abstands um die dem Bilddatensatz überlagerte aktive Kontur (1) betrachtet werden, – jedem Rasterpunkt (14, 15) des Bilddatensatzes innerhalb des Bereiches ein vorzeichenbehafteter Distanzwert zugeordnet wird, der ein Maß für einen Abstand des Rasterpunktes (14, 15) zu der aktiven Kontur (1) darstellt, – Projektionsstrahlen (12, 13) festgelegt werden, die jeweils von einer inneren Begrenzung (2) des Bereiches, von einer äußeren Begrenzung (3) des Bereiches sowie von lokalen Extrema (11) der Distanzwerte zwischen den Begrenzungen (2, 3) und der aktiven Kontur (1) ausgehen und senkrecht auf der aktiven Kontur (1) enden, wobei die Projektionsstrahlen (12, 13) so gewählt werden, dass alle Rasterpunkte (14, 15) innerhalb des Bereiches von den Projektionsstrahlen (12, 13) erfasst werden, – für jeden der Projektionsstrahlen (12, 13) jeweils aus den Bilddaten ein lokaler Intensitätsverlauf an jedem auf dem Projektionsstrahl (12, 13) liegenden Rasterpunkt (14, 15) des Bilddatensatzes bestimmt und ein Rasterpunkt ermittelt wird, der aufgrund des lokalen Intensitätsverlaufs mit höchster Wahrscheinlichkeit eine Begrenzung des Objekts darstellt, – für jedes Paar von Projektionsstrahlen (12, 13) die auf dem gleichen Rasterpunkt (16) der aktiven Kontur (1) enden, die vorher ermittelten Rasterpunkte hinsichtlich ihrer Wahrscheinlichkeit, eine Begrenzung des Objekts darzustellen, verglichen werden und der Rasterpunkt mit der höchsten Wahrscheinlichkeit ausgewählt wird, und – die aktive Kontur (1) unter Berücksichtigung von Vorgaben des Formmodells an den Verlauf der ausgewählten Rasterpunkte angenähert wird.Method for segmenting an object from an image data set, in which - an implicit shape model for the object to be segmented is created from training data records and - the object is created by stepwise approximation of an active contour ( 1 ) is segmented on the basis of the shape model to a probable object contour in the image data record, wherein repeated areas for the approach - areas of equal distance around the active data set superimposed on the image data set ( 1 ), - each grid point ( 14 . 15 ) of the image dataset within the range is assigned a signed distance value which is a measure of a distance of the raster point ( 14 . 15 ) to the active contour ( 1 ), - projection beams ( 12 . 13 ), each of which is defined by an inner boundary ( 2 ) of the area, from an outer boundary ( 3 ) of the area as well as of local extremes ( 11 ) of the distance values between the boundaries ( 2 . 3 ) and the active contour ( 1 ) and perpendicular to the active contour ( 1 ), the projection beams ( 12 . 13 ) are chosen so that all grid points ( 14 . 15 ) within the range of the projection beams ( 12 . 13 ), - for each of the projection beams ( 12 . 13 ) each of the image data a local intensity profile at each on the projection beam ( 12 . 13 ) grid point ( 14 . 15 ) of the image data set is determined and a raster point is determined which, due to the local intensity curve, is most likely a boundary of the object, - for each pair of projection beams ( 12 . 13 ) on the same grid point ( 16 ) of the active contour ( 1 ) are compared, the previously determined halftone dots are compared with respect to their probability of representing a boundary of the object, and the halftone dot with the highest probability is selected, and - the active contour ( 1 ) is approximated to the course of the selected halftone dots, taking into account specifications of the shape model. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Annäherung der aktiven Kontur (1) an den Verlauf der ausgewählten Rasterpunkte unter Minimierung der Gleichung
Figure 00190001
erfolgt, wobei ϕ die aktive Kontur (1) und ψ zulässige Formen des Formmodells repräsentieren, λ dem Vektor der Modengewichte der Eigenvektoren des Formmodells und δ der Dirac'schen Deltafunktion entsprechen und A eine affine Transformation darstellt, die ψ an ϕ anpasst.
Method according to Claim 1, in which the approximation of the active contour ( 1 ) to the course of the selected halftone dots while minimizing the equation
Figure 00190001
where φ is the active contour ( 1 ) and ψ represent permissible shapes of the shape model, λ correspond to the vector of the mode weights of the eigenvectors of the shape model and δ of the Dirac delta function, and A represents an affine transformation that adapts ψ to φ.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem die Ermittlung des Rasterpunktes (14, 15) auf jedem Projektionsstrahl (12, 13), der aufgrund des lokalen Intensitätsverlaufs mit höchster Wahrscheinlichkeit eine Begrenzung des Objekts darstellt, auf Basis eines Appearance Model erfolgt.Method according to one of Claims 1 to 2, in which the determination of the halftone dot ( 14 . 15 ) on each projection beam ( 12 . 13 ), which is most likely a boundary of the object due to the local intensity curve, based on an Appearance Model. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem für alle Rasterpunkte (14, 15) innerhalb des Bereichs auf Basis der für die Rasterpunkte bestimmtem lokalen Intensitätsverläufe Wahrscheinlichkeiten ermittelt werden, mit denen sie eine Begrenzung des Objekts darstellen, und aus den Wahrscheinlichkeiten und einer durch die Lage der Rasterpunkte gegebenen räumlichen Verteilung dieser Wahrscheinlichkeiten ein Gradientenvektorfeld berechnet wird, wobei die Annäherung der aktiven Kontur (1) durch folgende Entwicklungsgleichung erfolgt:
Figure 00190002
in der Φt eine Zeitableitung der die aktive Kontur (1) repräsentierenden Levelset-Funktion, g eine Stoppfunktion, „div” den Divergenzoperator, ν das Gradientenvektorfeld und α, β und γ Wichtungsfaktoren darstellen.
Method according to one of Claims 1 to 3, in which, for all halftone dots ( 14 . 15 ) Within the range, on the basis of the local intensity curves determined for the halftone dots, probabilities are determined with which they represent a boundary of the object, and a gradient vector field is calculated from the probabilities and a spatial distribution of these probabilities given by the position of the halftone dots, the approximation the active contour ( 1 ) by the following development equation:
Figure 00190002
in the Φ t is a time derivative of the active contour ( 1 g) is a stop function, "div" is the divergence operator, ν is the gradient vector field and α, β and γ are weighting factors.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die zumindest eine Recheneinheit (17), einen Datenspeicher (18), ein Formmodell-Modul (19) und ein Segmentierungsmodul (20) aufweist, wobei das Formmodell-Modul (19) so ausgebildet ist, dass es die Erstellung eines impliziten statistischen Formmodells eines zu segmentierenden Objekts aus Trainingsdatensätzen ermöglicht, und wobei das Segmentierungsmodul (20) so ausgebildet ist, dass es die Verfahrensschritte des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 durchführt.Device for carrying out the method according to one of Claims 1 to 4, which has at least one computing unit ( 17 ), a data store ( 18 ), a shape model module ( 19 ) and a segmentation module ( 20 ), wherein the mold model module ( 19 ) is adapted to enable the creation of an implicit statistical shape model of an object to be segmented from training data sets, and wherein the segmentation module ( 20 ) is designed so that it according to the method steps of the method one or more of claims 1 to 5 performs.
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