يستغرق التقسيم اليدوي للرئتين حوالي 10 دقائق ويتطلب بعض المهارات للحصول على نفس النتيجة عالية الجودة كما هو الحال مع التقسيم التلقائي. تجزئة السيارات تستغرق حوالي 15 ثانية.

افترضت أنه بدون شبكة عصبية ، سيكون من الممكن الحصول على دقة لا تزيد عن 70٪. لقد اقترحت أيضًا أن العمليات المورفولوجية تعد صورة لخوارزميات أكثر تعقيدًا. ولكن نتيجة لمعالجة ما لا يقل عن 40 عينة تصويرية موجودة ، اختارت الخوارزمية الرئتين دون أخطاء ، وبعد الاختبار في الحالات الخمس الأولى ، لم تخضع الخوارزمية لتغييرات مهمة ومن التطبيق الأول عملت بشكل صحيح على الدراسات الـ 35 المتبقية دون تغيير الإعدادات.

تحتوي الشبكات العصبية أيضًا على ناقص - لتدريباتها ، تحتاج إلى مئات من عينات التدريب على الرئتين ، والتي يجب أن يتم تسميتها يدويًا.

محتوى

• هيكل الجهاز التنفسي
• مقياس هونسفيلد
• التشكل الرياضي
• لي خوارزمية وضغط RLE
• تحويل حجم عتبة الأساس
• قص الهواء الخارجي
• تسليط الضوء على الحد الأقصى للكائن في وحدة التخزين
• إغلاق الأوعية الدموية داخل الرئتين
• خوارزمية تجزئة الجهاز التنفسي
• تنفيذ الخوارزمية في MATLAB
• استنتاج

هيكل الجهاز التنفسي

يشمل الجهاز التنفسي الشعب الهوائية والرئتين. تخصيص الجهاز التنفسي العلوي والسفلي. نقطة الفصل بين الجهاز التنفسي العلوي والسفلي هي نقطة التقاطع بين قنوات الغذاء والقنوات التنفسية. كل شيء أعلى الحنجرة هو الجزء العلوي ، والباقي أقل.

نعدد أعضاء الجهاز التنفسي:
تجويف الأنف : - الأنف والجيوب الأنفية الفكية ، إلخ.
البلعوم هي القناة التي يسافر من خلالها الطعام والجو.
الحنجرة - مسؤولة عن تكوين الصوت. تقع على مستوى فقارة عنق الرحم C4-C6.
القصبة الهوائية - أنبوب يربط الحنجرة والشعب الهوائية.
القصبات الهوائية هي القنوات التنفسية ، ومعظمها يقع داخل الرئتين.
الرئتين هي الجهاز التنفسي الرئيسي.

مقياس هونسفيلد

جودفري هونسفيلد هو مهندس كهرباء بريطاني قام ، إلى جانب المنظر الأمريكي آلان كورماك ، بتطوير التصوير المقطعي المحوسب ، وحصل على جائزة نوبل في عام 1979.

Hounsfield Scale - مقياس كثافة الأشعة السينية الذي يتم قياسه بوحدات Hounsfield ، والتي يرمز إليها بواسطة HU.

يتم حساب كثافة الأشعة السينية على أساس معامل التوهين للمادة ، أي درجة انخفاض قوة الإشعاع عند المرور عبر هذه المادة.

يتم حساب كثافة الأشعة السينية بالصيغة:

$$عرض $$ $$ {μ_ {X} -μ_ {water} \ over μ_ {water} -μ_ {air}} \ times 1000 $$ عرض $$

حيث $$$μ_X، μ_ {water}، μ_ {air}$ - معاملات التوهين الخطي للمواد المقاسة والماء والهواء.

كثافة الأشعة السينية سلبية لأن كثافة الأشعة السينية الصفرية تتوافق مع الماء. هذا يعني أن جميع المواد التي تمر من خلالها موجات الأشعة السينية مع انخفاض أقل في قوة الإشعاع من خلال المياه (على سبيل المثال ، أنسجة الرئة ، والهواء) سيكون لها كثافة الأشعة السينية السلبية.

فيما يلي كثافة تقريبية للأشعة السينية للأنسجة المختلفة:

• الهواء: -1000 HU.
• الجهاز التنفسي: -950 إلى -300 HU.
• الدم (بدون تباين الأوعية الدموية): 0 إلى 100 HU.
• العظام: 100 إلى 1000 HU.

روابط ويكيبيديا: مقياس هونسفيلد ، غودفري هونسفيلد ، معامل التوهين .

التشكل الرياضي

تحتل العمليات المورفولوجية المكان الرئيسي بين الخوارزميات المحددة في هذه المقالة.

في مجال رؤية الكمبيوتر ، تستدعي العمليات المورفولوجية مجموعة من الخوارزميات لتحويل شكل الأشياء. في معظم الأحيان ، يتم تطبيق العمليات المورفولوجية على الصور ثنائية المحور ، حيث تتطابق وحدات فوكسل الكائنات مع الوحدات وتفرغ الأصفار.

تشمل العمليات المورفولوجية الرئيسية ما يلي:

التوسع المورفولوجي (الامتداد ، التمدد) - إضافة فوكسلات جديدة إلى جميع وحدات فوكسل الحافة. أي ، على طول كل وحدات فوكسل الحدود ، يتم إنشاء ممر بنواة ذات شكل معين (كرة ، مكعب ، صليب ، إلخ). غالبًا ما تستخدم هذه العملية لتوصيل العديد من الكائنات المجاورة بكائن واحد.

التآكل المورفولوجي (التآكل ، التآكل) - تدمير جميع الأوكسلات المستلقية على حدود الأشياء. هذه العملية هي عكس التوسع. هذه العملية مفيدة لإزالة الضوضاء في شكل العديد من الكائنات الصغيرة مترابطة. ومع ذلك ، يجب استخدام طريقة إزالة الضوضاء هذه فقط إذا كان للجسم المقسم سمكًا أكبر بكثير من نصف قطر التعرية.

إغلاق المورفولوجية هو توسع تليها تآكل. يتم استخدامه لإغلاق الفتحات داخل الكائنات والجمع بين الكائنات المجاورة.

الفتح المورفولوجي (الفتح) تآكل يليه توسع. يتم استخدامه لإزالة كائنات الضوضاء الصغيرة وتقسيم الكائنات إلى عدة كائنات.

لي خوارزمية وضغط RLE

لعزل الكائنات في وحدة تخزين voxel bin Binated ، يتم استخدام خوارزمية Lee. تم اختراع هذه الخوارزمية في الأصل لإيجاد أقصر الطرق. لكننا نستخدمها لتحديد ونقل الكائنات من مجموعة ثلاثية الأبعاد من voxels إلى أخرى. جوهرها هو حركة موازية في جميع الاتجاهات الممكنة من نقطة البداية. للحالة ثلاثية الأبعاد ، من الممكن وجود 26 أو 6 اتجاهات للحركة من فوكسل معين (إذا لم يكن فوكسل موجودًا على حافة الصورة).

لتحسين السرعة ، استخدمنا خوارزمية ترميز طول التشغيل. يكمن جوهرها في حقيقة أنه يتم استبدال تسلسل العناصر والأصفار برقم يساوي عدد العناصر في التسلسل. على سبيل المثال ، يمكن استبدال السلسلة "00110111" كـ: "2 ؛ 2 ؛ 1 ؛ 3". هذا يقلل من عدد من الوصول إلى الذاكرة.

روابط ويكيبيديا: خوارزمية لي ، خوارزمية RLE .

تحويل حجم عتبة الأساس

باستخدام التصوير المقطعي ، تم الحصول على بيانات عن كثافة الأشعة السينية في كل نقطة في الفضاء. تحتوي فوكسلات الهواء على كثافة للأشعة السينية تتراوح من -1100 إلى -900 HU ، وأجهزة التنفس من voxels من -900 إلى -300 HU. لذلك ، يمكننا إزالة جميع وحدات البوكسيل الزائدة التي تزيد كثافة الأشعة السينية عن -300 HU. نتيجة لذلك ، نحصل على حجم فوكسل مشع يحتوي على أعضاء الجهاز التنفسي والهواء فقط.

قص الهواء الخارجي

لعزل الهواء الداخلي للجسم ، سنقوم بإزالة جميع الكائنات المجاورة لزوايا مشهد فوكسل. وبالتالي نتخلص من الهواء الخارجي.

ومع ذلك ، لن يتم إزالة الهواء الموجود داخل طاولة التصوير المقطعي ، في جميع الحالات ، لأنه قد لا يكون له اتصال بزوايا المشهد.

لذلك ، سوف نقوم بفحص الزوايا ليس فقط ، ولكن أيضًا جميع الأكسيل الموجودة على أي من حدود الطائرة للمشهد. لكن كنتيجة ، لسبب ما ، غادرت الرئتان نفسها أيضًا. اتضح أن القصبة الهوائية لديها أيضا اتصال مع المستوى العلوي للمشهد.

من الضروري استبعاد المستوى العلوي من منطقة المسح. هناك أيضًا دراسات لم يتم فيها التقاط الرئتين تمامًا وترتبط المستوى السفلي بالرئتين. لذلك ، إذا رغبت في ذلك ، يمكن أيضًا استبعاد الطائرة السفلية.

لكن هذه الطريقة تعمل فقط على دراسات الثدي. في حالة التقاط الحجم الكامل للجسم ، ستظهر الصورة بين الهواء الداخلي والخارجي من خلال تجويف الأنف. لذلك ، من الضروري تطبيق التآكل المورفولوجي لفصل الهواء الداخلي والخارجي.

بعد تطبيق التآكل ، يمكننا العودة إلى الطريقة التي تم الحصول عليها مسبقًا لتجزئة الهواء الخارجي بناءً على القرب من الطائرات الجانبية للمشهد.

من خلال عزل الهواء الخارجي ، يمكن للمرء أن يخرجه على الفور من الحجم الكلي للهواء والرئتين ويحصل على الهواء الداخلي للجسم والرئتين. ولكن هناك مشكلة واحدة. بعد التآكل ، فقدت بعض المعلومات عن الهواء الخارجي. لاستعادته ، نطبق توسع الهواء الخارجي.

بعد ذلك ، نقوم بطرح الهواء الخارجي من جميع أعضاء الهواء والجهاز التنفسي والحصول على الهواء الداخلي والجهاز التنفسي.

تسليط الضوء على الحد الأقصى للكائن في وحدة التخزين

بعد ذلك ، نختار أعضاء الجهاز التنفسي كأكبر كائن في الحجم. أعضاء الجهاز التنفسي هي كائن منفصل. لا يوجد أي اتصال بين الرئتين والهواء داخل الجهاز الهضمي.

تجدر الإشارة إلى أن الاختيار الصحيح لعتبة كثافة الأشعة السينية في الخطوة الأولى من تحول العتبة أمر مهم. خلاف ذلك ، في بعض الحالات ، قد لا يكون هناك اتصال بين الرئتين نتيجة لانخفاض دقة. على سبيل المثال ، إذا اعتبرت أن فوكسلات الجهاز التنفسي تبلغ كثافة الأشعة السينية فيها -500 HU أو أقل ، في الحالة أدناه ، فإن تخصيص أعضاء الجهاز التنفسي ككائن أكبر في الحجم سيؤدي إلى حدوث خطأ ، نظرًا لعدم وجود صلة بين الرئتين. لذلك ، يجب زيادة العتبة إلى -300 HU.

إغلاق الأوعية الدموية داخل الرئتين

لالتقاط الأوعية داخل الرئتين ، نستخدم الإغلاق المورفولوجي ، أي التوسيع الذي يليه التآكل بنفس نصف القطر. كثافة الأشعة السينية للأوعية حوالي -100..100 HU.

الأوعية الدموية الكبيرة لم تغلق. لكن هذا ليس ضروريا. كان الغرض من هذه العملية هو تدمير العديد من الثقوب الصغيرة داخل الرئتين لتسهيل تجزئة الرئة.

خوارزمية تجزئة الجهاز التنفسي

نتيجة لذلك ، نحصل على خوارزمية تجزئة الجهاز التنفسي التالية:

1. تحويل عتبة حجم الأساس بواسطة عتبة <-300 HU.
2. التآكل المورفولوجي بنصف قطر 3 مم لفصل الهواء الخارجي والداخلي.
3. تخصيص الهواء الخارجي على أساس القرب من الطائرات الجانبية الحدودية لمشهد فوكسل.
4. التوسع المورفولوجي للهواء الخارجي لاستعادة المعلومات المفقودة نتيجة للتآكل.
5. طرح الهواء الخارجي من جميع أعضاء الهواء والجهاز التنفسي للحصول على الهواء الداخلي والجهاز التنفسي.
6. تسليط الضوء على الحد الأقصى للكائن في وحدة التخزين.
7. إغلاق المورفولوجية للأوعية الدموية داخل الرئتين.

تنفيذ الخوارزمية في MATLAB

طريقة GetRespiratoryOrgans

%      (    ) %      . % V =         . % cr =    . % ci =      (, 3  %      3   . function RO = getRespiratoryOrgans(V,cr,ci) %     %   < -300 HU. AL=~imbinarize(V,-300); %    3   %     . SE=strel('sphere',3); EAL=imerode(AL,SE); %       %      . EA=getExternalAir(EAL); %      %      . DEA=EA; for i=1:4 DEA=imdilate(DEA,SE); DEA=DEA&AL; end %         %        . IAL=AL-DEA; %     . RO=getMaxObject(IAL); %     . RO=closeVoxelVolume(RO,3,2); 

طريقة GetExternalAir

 %  ,       % (  ,     %    ). % EAL =      . function EA = getExternalAir(EAL) %  bwlabeln  :   %    ,  –    .. V=bwlabeln(EAL); %    ,    %     . R=regionprops3(V,'BoundingBox','VoxelList'); n=height(R); %  3-D      . s=size(EAL); EA=zeros(s,'logical'); %        %    ,   . for i=1:n %   x  y,    %  . x0=R(i,1).BoundingBox(1); y0=R(i,1).BoundingBox(2); x1=x0+R(i,1).BoundingBox(4); y1=y0+R(i,1).BoundingBox(5); %        %  ,       %   EA. if (x0 < 1 || x1 > s(1)-1 || y0 < 1 || y1 > s(2)-1) %        %  : [[x1 y1 z1][x2 y2 z3] … [xn yn zn]]. mat=cell2mat(R(i,2).VoxelList); ms=size(mat); %  ,    . for j=1:ms(1) x=mat(j,2); y=mat(j,1); z=mat(j,3); EA(x,y,z)=1; end end end 

طريقة GetMaxObject

 %        "V". % O =    . % m =    . function [O,m] = getMaxObject(V) %  . V=bwlabeln(V); %        %  . R=regionprops3(V,'Volume','VoxelList'); %      . v=R(:,1).Volume; [m,i]=max(v); %  3-D      % . s=size(V); O=zeros(s,'logical'); %       . mat=cell2mat(R(i,2).VoxelList); ms=size(mat); for j=1:ms(1) x=mat(j,2); y=mat(j,1); z=mat(j,3); O(x,y,z)=1; end 

شفرة المصدر يمكن تحميلها هنا .

استنتاج

المقالات التالية مخططة:

1. تجزئة القصبة الهوائية والقصبات الهوائية ؛
2. تجزئة الرئتين.
3. تجزئة فصوص الرئتين.

الخوارزميات مثل:

1. تحويل المسافة
2. أقرب جار تحويل (أقرب جار تحويل ، المعروف أيضا باسم تحويل الميزة) ؛
3. حساب القيم الذاتية لمصفوفة هسه لتجزئة الكائنات ثلاثية الأبعاد المسطحة ؛
4. تجزئة تجزئة مستجمعات المياه.