DE102008036812B4 - Method and device for segmenting an object from an image data set - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Segmentierung eines Objekts aus einem Bilddatensatz. Bei dem Verfahren wird ein implizites ASM für die Segmentierung eingesetzt. Die Anpassung der aktiven Kontur (1) an die Bilddaten wird dabei über eine besondere Technik erreicht, bei der innerhalb eines schmalen Bereiches um die aktive Kontur (1) Wahrscheinlichkeiten berechnet werden, mit denen Rasterpunkte des Bilddatensatzes auf dem Rand des Objekts liegen. Auf Projektionsstrahlen (12, 13), die auf dem gleichen Rasterpunkt (16) der aktiven Kontur (1) enden, wird dann jeweils nur der Rasterpunkt mit der höchsten Wahrscheinlichkeit ausgewählt. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung wird eine robuste Segmentierung auch bei Objekten mit starken Krümmungen erreicht.The present invention relates to a method and a device for segmentation of an object from an image data set. The method uses an implicit ASM for segmentation. The adaptation of the active contour (1) to the image data is achieved by a special technique in which within a narrow range around the active contour (1) probabilities are calculated with which halftone dots of the image data set lie on the edge of the object. On projection beams (12, 13) which end on the same grid point (16) of the active contour (1), only the grid point with the highest probability is then selected in each case. With the proposed method and the associated device a robust segmentation is achieved even for objects with strong curvatures.
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 shape model of the object is created and then segmentation of the object by fitting a active contour to an object contour in the image data set, where the form model limits deformation of an active contour.
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, the size or the volume content of the object can be determined. These sizes are For example, in oncology important to tumor growth and thus the Therapy success monitor. A segmentation is also for the planning of 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 represents, for the numerous algorithms are known. When using algorithms, alone on the evaluation of intensity values or derived from them Characteristics of the image data, difficulties arise Image data with low contrast or missing edges. In addition, pathological Structures and strong noise, for example due to the reduced Radiation dose in computed tomography (CT), false edges and uneven feature statistics cause algorithms that affect edge detection or homogeneity criteria for regions 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.S. J. 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, in which initially a combination a threshold technique with morphological operations on different image resolutions is applied. The resulting initial contour is then on the Search for a smooth path in the gradient magnitudes of the image data refined.
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) for segmentation of the liver. About a so-called Canny edge detector An edge image is generated which is preprocessed to be erroneously excluded concave regions prior to the calculation of the gradient vector field eliminate.
Heimann et al., „A Statistical Deformable Model for the Segmentation of Liver CT Volumes”, 3D Segmentation in the Clinic – A Grand Challenge, MICCAI 2007 Workshop, 2007, 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., "A Statistical Deformable Model for the Segmentation of Liver CT Volumes ", 3D Segmentation in the Clinic - A Grand Challenge, MICCAI 2007 Workshop, 2007, describe a 3D segmentation the liver by fitting an Active Shape Model to the image data. This is done according to the known technique by 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 comes with a main component analysis (PCA: Principal Component Analysis) to training contours, consisting of sets of corresponding landmark points. New Consistent contours with the shape model are then given by a linear combination the middle contour and the largest eigenmodes expressed which are obtained by the PCA. To adapt the shape model to the image data are for each landmark intensity profiles towards the surface normal the currently active contour with different shifts certainly. A so-called neighbor Neighbor classifier is then used to the point along the Normal to obtain the most likely to Contour of the liver belongs. The current contour of the Active Shape Model will then move in the direction the most likely object contour points under consideration the limitations of the Active Shape Model deformed.
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 2007 Workshop, 2007, 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.One Another approach to 3D segmentation of the liver is in Kainmüller et al., "Shape Constrained Automatic Segmentation of the Liver based on a Heuristic Intensity Model ", 3D Segmentation in the Clinic - A Grand Challenge, MICCAI 2007 Workshop, 2007. This approach is also based on an active shape model of the liver. Instead of a neighbor Neighbor classifier, however, here is a heuristic intensity model used to adapt 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.
R. Goldenberg et al., „Fast Geodesic Active Contours”, IEEE Transactions an Image Processing, Oct. 2001, Vol. 10, No. 10. S. 1467–1475, beschreiben ein numerisches System zur Implementierung des geodätischen aktiven Kontur-Modells. Für die Segmentierung wird eine Level-Set-Methode eingesetzt, wobei die für die Segmentierung interessierende 0-Level-Set-Funktion als Distanzfunktion angesehen werden kann. Zur Verringerung des Rechenaufwandes wird lediglich ein schmales Band um die aktive Kontur betrachtet.R. Goldenberg et al., "Almost Geodesic Active Contours ", IEEE Transactions to Image Processing, Oct. 2001, Vol. 10, no. 10th Pp. 1467-1475, describe a numerical system for implementing the geodesic active contour model. For the segmentation is a level set method used where the for the Segmentation Interesting 0-level set function as a distance function can be viewed. To reduce the computational effort is just looking at a narrow band around the active contour.
Die
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 to provide a device for segmenting objects in image data sets, a robust segmentation even of objects with strong curvatures or small thickness allow.
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 The object is achieved with the method and the device according to claims 1 and 5 solved. advantageous Embodiments of the method and the device are the subject the dependent claims or can be taken from the following description.
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. An schließend 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 gemäß einem Band 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 form model is first in a known manner Training data created. Then the segmentation takes place by approach or adaptation of an active contour based on the Active Shape Model to a probable object contour in the image data set. Here can it's both a 2D and a 3D image dataset, where the shape model and the active contour then fit respectively 2D or 3D training data are created. The approach of the active contour takes place in the present process in several approximation steps. In this case, a range of equal distance is repeated according to a Band around the image data set superimposed active contour set. This results in an outer boundary - outside of the area enclosed by the active contour - and one inner limitation - 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 record signed distance values which is a measure of the Euclidean Display the distance between the respective grid point and the active contour. Get points within the range and outside the contour a positive distance value, points within the range and within 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 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 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 sufficient to approximate the contour of the Active Shape Model to the next already determined 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 apparatus in which this Method is implemented, thus becomes an implicit Active Shape Model (implicit ASM) used a robust segmentation allows. By abandoning a landmark-based model circumvented the difficulties associated with such models. However, the adaptation of an implicit ASM to the image data more complicated as there are no landmarks available in the direction the most likely boundary of the object can be moved. By the proposed approach based on the same area Distance and the carried out in it Provisions become the approach or adaptation with high reliability. The proposed procedure leads especially for objects with strong curvatures to better results as a landmark-based model because there are no grid points during the exam get lost. Furthermore you can without further action also very thin 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. 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 wobei ψ - durch Mittelung aller vorzeichenbehafteten Distanzfunktionen der Trainingsdatensätze bestimmt wird und ψi die Eigenmoden der PCA der Trainingsdatensätze sind.Preferably, the proposed method employs an implicit ASM as described by Rousson et al., "Implicit Active Shape Models for 3D Segmentation in MR Imaging", MICCAI 2004, 3216: 209-216, 2004, wherein the implied ASM is integrated into the so-called level set methodology. 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 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: 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:
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.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 the optimization of E with respect to φ results 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.Around the active contour to the grid points within the boundary with the highest In principle, the probability of moving probability can be the gradient of the probability map be calculated. As the catchment area of the gradient of a probability map is limited, an additional measure is preferably taken. This measure exists in the calculation of the gradient vector field (GVF) of the probability map. As a result, the gradient vectors, which are otherwise only close to Raster points with a probability greater than zero exist over the diffused throughout the same distance. In this way creates a much larger catchment area the gradient vectors 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 to Image Processing, 7 (3): 359-369, 1998. At this embodiment the GVF term becomes the partial differential equation for deformation introduced the active contour and competes with the term, the the restrictions represented on the basis of the shape model. For example, Paragios et al. Describe "Gradient Vector Flow Fast Geodesic Active Contours ", International Conference to Computer Vision 2001, 67-73, 2001, the introduction of a such GVF terms 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 for the execution of for the execution the process required steps, a training module to create the statistical shape model based on the training data sets as well a segmentation module that describes the process steps for customization the active contour to the object to be segmented according to the proposed Performs procedure. The segmented object can then be displayed on an image display device can be represented, which can 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 the associated device are suitable especially for Image data sets medical 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, but are not on the the latter devices limited.
Das vorgeschlagene Verfahren sowie die zughörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:The Proposed methods as well as the associated device are hereafter based on an embodiment briefly explained in connection with the drawings. in this connection demonstrate:
Das
vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend
am Beispiel der Segmentierung der Leber aus einem CT-Bilddatensatz
nochmals näher
erläutert.
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.at the proposed method, several image data sets of Liver provided by different patients as training records for the creation serve a statistical model of shape. A set of segmentation masks, obtained by manual segmentation of the liver in the training records represent the base of the statistical shape model. Mask points with a value not equal to 0 to the object, d. H. the liver. All other mask points with one Value equal to 0 represent the background. For the analysis of the possible Forms of the liver need first Variations between the individual segmentation masks eliminated which are characterized by similarity transformations caused, d. H. by translation, rotation and isotropic Scaling. Therefore, first one of the masks selected as a reference mask. For all other masks will be then determines appropriate transformations by which the degree of overlap between each mask pair is maximized. This can, for example, with the Technique by Tsai et al., "A Shape-Based Approach to the Medical Imagery Using Level Sets " IEEE Transactions on Medical Imaging, 22 (2): 137-154, 2003. Translation, Rotation and scaling are for each transformation is optimized with the technique of gradient descent. Because the procedure is a larger number requires iterations and is prone to local minima Translation, rotation and scaling normalized before the technique Gradient descent to refine the initially only coarse overlay is used.
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 into an implicit representation transformed. This is done by generating a sign-afflicted Distance function for any mask where each grid point is positive or negative Euclidean distance associated with the limitation of the form shown becomes. Grid points within the form receive a negative Sign, grid points outside the background form of the form is a positive 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 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 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: 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:
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 explained in more detail below with reference to the present example.
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.In an explicit ASM so-called Appearance Models are usually used to guide the deformation or development of the active contour. This includes determining intensity profiles at each landmark in a direction normal to the surface of the object during a training phase. Assuming a normal distribution, the appearance model is obtained by calculating the mean and covariance matrix of the profiles. This principle has also been extended to random distributions by determining both edge and non-edge profiles and using a neighbor neighbor classifier. During segmentation, each landmark point is then moved in its normal direction towards the most likely boundary point of the object. Compared with simple Chen edge detectors is achieved with this known approach based on an explicit ASM greater robustness of 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
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
Schließlich wird
für alle
Paare von internen und externen Projektionsstrahlen, die auf dem
gleichen Rasterpunkt
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: 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:
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 on the first and second terms may be found, for example, in the above-mentioned paper by Paragios et al. and to the third term of the above publication by Rousson et al. be removed.
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 reliable, where edge points in the known methods due to the coarse distances overlooked the landmarks can be. By shifting the landmarks in the normal direction can here in areas between the divergent displacement paths possibly important image information is not taken into account. Another one Problem occurs, for example, even if a boundary point with the highest probability lies behind another part of the surface.
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 becomes probabilities for the entire narrow band calculated so that no single edge point can be overlooked. Indeed have to false border points are removed in order to set the algorithm to prevent in local minima. This is suggested in the proposed Method achieved by all the probabilities determined here back be projected onto the current active contour and only the point with the highest Probability for every pair of projection beams for the adaptation of the active Contour taken into account becomes.
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