يستغرق تقسيم الرئة اليدوي حوالي 10 دقائق ويتطلب مهارة معينة للحصول على نفس النتيجة عالية الجودة مثل التجزئة التلقائية. تجزئة التلقائي يستغرق حوالي 15 ثانية.

افترضت أنه بدون شبكة عصبية سيكون من الممكن الحصول على دقة لا تزيد عن 70٪. وافترضت أيضًا أن العمليات المورفولوجية ليست سوى إعداد صورة لخوارزميات أكثر تعقيدًا. ولكن نتيجة لمعالجة هذه ، على الرغم من قلة 40 عينة من بيانات التصوير المقطعي المتاحة ، قسمت الخوارزمية الرئتين دون أخطاء. علاوة على ذلك ، بعد الاختبار في الحالات الخمس الأولى ، لم تتغير الخوارزمية بشكل كبير وعملت بشكل صحيح على الدراسات الـ 35 الأخرى دون تغيير الإعدادات.

كما أن الشبكات العصبية لها عيب - لتدريبها ، نحتاج إلى مئات عينات التدريب من الرئتين ، والتي يجب ترميزها يدويًا.

محتوى

هيكل الجهاز التنفسي

يشمل الجهاز التنفسي الشعب الهوائية والرئتين. تنقسم الشعب الهوائية إلى مجرى الهواء العلوي والسفلي. نقطة الفصل بين الجهاز التنفسي العلوي والسفلي هي نقطة تقاطع المريء والممرات الهوائية. جميع الأعضاء الموجودة أعلى الحنجرة هي القناة العليا والحنجرة والأعضاء أدناه هي السبيل السفلي.

قائمة أعضاء الجهاز التنفسي:

تجويف الأنف هو تجويف مليء بالهواء بين الأنف والبلعوم.
البلعوم هي قناة ينتقل عبرها الطعام والجو.
القصبة الهوائية عبارة عن أنبوب متصل بالحنجرة والشعب الهوائية.
الحنجرة هي المسؤولة عن تشكيل الصوت. إنه على مستوى الفقرات العنقية C4-C6.
القصبات الهوائية هي القنوات التنفسية ، ويقع الجزء الرئيسي منها داخل الرئتين.
الرئتين هي الجهاز التنفسي الرئيسي.

مقياس هاونسفيلد

كان جودفري هونسفيلد مهندسًا كهربائيًا إنجليزيًا ، إلى جانب المنظر الأمريكي آلان كورماك ، طور التصوير المقطعي المحوسب ، والذي شارك فيه بجائزة نوبل في عام 1979.

مقياس Hounsfield - هو مقياس كمي لوصف كثافة الشعاع ، التي تقاس بوحدات Hounsfield ، والمشار إليها باسم HU.

يتم احتساب كثافة الإشعاع على أساس معامل التوهين الإشعاعي. يميز معامل التوهين مدى سهولة اختراق كمية المواد عن طريق الإشعاع.

يتم احتساب كثافة الإشعاع بواسطة المعادلة:

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

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

يمكن أن تكون كثافة الإشعاع سالبة لأن كثافة الإشعاع الصفرية تقابل الماء. هذا يعني أن جميع المواد ذات معامل التوهين الأقل من معامل التوهين المائي (على سبيل المثال ، أنسجة الرئة ، الهواء) سيكون لها كثافة إشعاعية سلبية.

وترد أدناه الإشعاعات التقريبية لمختلف الأنسجة:

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

روابط إلى ويكيبيديا: نطاق هونسفيلد ، جودفري هونسفيلد ، معامل التوهين .

التشكل الرياضي

العمليات المورفولوجية هي الأدوات الرئيسية التي استخدمت في الخوارزمية.
في مجال رؤية الكمبيوتر ، تسمى العمليات المورفولوجية مجموعة من الخوارزميات لتحويل شكل الأشياء. في معظم الأحيان ، يتم تطبيق العمليات المورفولوجية على الصور ثنائية المحور حيث تتوافق الوحدات مع وحدات الكائن ، والأصفار فارغة.
تشمل العمليات المورفولوجية الرئيسية ما يلي:

التمدد المورفولوجي هو إضافة فوكسلات جديدة إلى كل فوكسلات حافة الكائنات. بمعنى آخر ، تقوم الخوارزمية بمسح جميع وحدات البكسل المطابقة لحافة الكائن وتوسيعها باستخدام نواة بنموذج معين (كرة ، مكعب ، تقاطع ، إلخ). للنواة نصف قطرها الخاص (للكرة) ، أو عرض الجانب (للمكعب). غالبًا ما تستخدم هذه العملية لدمج كائنات قريبة متعددة في كائن واحد.

التآكل المورفولوجي هو قطع جميع الأكسدة الموجودة على الحدود (الحدود) للأشياء. هذه العملية هي عكس التمدد. هذه العملية مفيدة لإزالة الضوضاء التي لها شكل العديد من الكائنات الصغيرة المترابطة. ومع ذلك ، يجب استخدام طريقة إزالة الضوضاء هذه فقط إذا كان للجسم المعني سمكًا أكبر بكثير من نصف قطر التعرية. خلاف ذلك ، سيتم فقدان المعلومات المفيدة.

إغلاق المورفولوجية هو تمدد تليها تآكل. يتم استخدامه لإغلاق الثقوب داخل الكائنات ودمج الكائنات القريبة.

الانفتاح المورفولوجي هو تآكل يليه تمدد. يتم استخدامه لإزالة كائنات الضوضاء الصغيرة وفصل الكائنات إلى عدة كائنات.

لي الخوارزمية وضغط RLE

لتحديد كائنات في حجم voxel bin Binated ، يتم استخدام خوارزمية Lie. في الأصل تم اختراع هذه الخوارزمية لإيجاد أقصر الطرق للخروج من المتاهة. نستخدمها لتحديد الكائن ونقله من مجموعة ثلاثية الأبعاد من voxels إلى أخرى. تتمثل الفكرة الأساسية للخوارزمية في حركة موازية في جميع الاتجاهات الممكنة من نقطة البداية. للحالة ثلاثية الأبعاد ، من الممكن التحرك في 26 أو 6 اتجاهات من فوكسل واحد.

لتحسين الأداء ، تم تطبيق خوارزمية ترميز طول التشغيل. تتمثل الفكرة الرئيسية للخوارزمية في استبدال تسلسل العناصر والأصفار برقم يساوي عدد العناصر في التسلسل. على سبيل المثال ، يمكن استبدال السلسلة "00110111" بما يلي: "2؛ 2. 1؛ 3 ". هذا يقلل من عدد من الوصول إلى الذاكرة.

روابط ويكيبيديا: خوارزمية لي ، خوارزمية RLE .

تحويل عتبة مستوى الصوت

باستخدام التصوير المقطعي ، تم الحصول على بيانات حول كثافة شعاعية عند كل نقطة من المساحة الممسوحة ضوئيًا. تحتوي فوكسلات الهواء على كثافة إشعاعية في النطاق من -1100 إلى -900 HU ، والأجهزة التنفسية لها فوكسلات إشعاعية من -900 إلى -300 HU. لذلك ، يمكننا إزالة جميع voxels غير الضرورية مع كثافة شعاعية أكبر من -300 HU. نتيجة لذلك ، نحصل على حجم فوكسل مشع يحتوي فقط على أعضاء الجهاز التنفسي والهواء.

إزالة الهواء الخارجي

لتقسيم الهواء الداخلي للجسم ، نقوم بحذف جميع الكائنات المجاورة لزوايا وحدة التخزين ثلاثية الأبعاد. وبالتالي ، نزيل الهواء الخارجي.

ومع ذلك ، لن يتم إزالة الهواء الموجود داخل جدول التصوير المقطعي في جميع الحالات ، لأنه قد لا يكون له اتصال بزوايا وحدة التخزين ثلاثية الأبعاد.

لذلك ، سوف نقوم بفحص الزوايا ليس فقط ، ولكن أيضًا كل الأكسيل الموجود على أي من حافة الحافة في f. ولكن ، كما نرى في الصورة أدناه ، تمت إزالة الرئتين أيضًا. اتضح أن القصبة الهوائية لديها أيضا اتصال مع المستوى العلوي من مستوى الصوت ثلاثي الأبعاد.

سيتعين علينا استبعاد المستوى العلوي من منطقة المسح. هناك أيضًا دراسات لم يتم فيها التقاط الرئتين بالكامل وتم توصيل المستوى السفلي بالرئتين.
لذلك إذا كنت ترغب في ذلك ، يمكنك استبعاد الطائرة السفلية أيضًا.

لكن هذه الطريقة تؤثر فقط على دراسات الصدر. في حالة التقاط الحجم الكامل للجسم ، سوف يظهر اتصال 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 لتقسيم الهواء الخارجي والتي تقوم على توصيل الهواء الخارجي بالطائرات الجانبية من وحدة التخزين ثلاثية الأبعاد.

بعد تجزئة الهواء الخارجي ، يمكننا طرح الهواء الخارجي على الفور من الحجم الكلي للهواء والرئتين وللحصول على الهواء الداخلي للجسم والرئتين. ولكن هناك مشكلة واحدة. بعد التآكل ، فقدت بعض المعلومات حول الهواء الخارجي. لاستعادته ، نطبق توسع الهواء الخارجي.

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

تجزئة الكائن الحد الأقصى لوحدة التخزين

بعد ذلك ، نقوم بتقسيم أعضاء الجهاز التنفسي كأقصى كائن في الحجم. لا توجد صلة بين أعضاء الجهاز التنفسي والهواء داخل الجهاز الهضمي.

تجدر الإشارة إلى أن الاختيار الصحيح لعتبة كثافة الشعاع في الخطوة الأولية هو أمر مهم. خلاف ذلك ، في بعض الحالات ، قد لا يكون هناك اتصال بين الرئتين نتيجة لضعف القرار. على سبيل المثال ، إذا افترضنا أن فوكسلات الجهاز التنفسي لها كثافة شعاعية من -500 HU وأقل ، ثم في الحالة أدناه ، فإن تجزئة أعضاء الجهاز التنفسي باعتبارها أكبر كائن في الحجم سيؤدي إلى حدوث خطأ ، لأنه لا يوجد اتصال بين الرئتين. لذلك ، يجب زيادة العتبة إلى -300 HU.

إغلاق الأوعية داخل الرئتين

لالتقاط الأوعية داخل الرئتين ، سوف نستخدم الإغلاق المورفولوجي ، أي التمدد يليه التآكل بنفس نصف القطر. وتبلغ الكثافة الإشعاعية للأوعية (بدون تباين) حوالي 0.100 HU.

في الصورة يمكننا أن نرى أن قنوات الدم الكبيرة ليست مغلقة. لكن هذا ليس ضروريا. كان الغرض من هذه العملية هو تدمير العديد من الثقوب الصغيرة داخل الرئتين لتبسيط عملية تجزئة الرئة في الخطوات التالية.

خوارزمية تجزئة الأعضاء التنفسية

نتيجة لذلك ، نحصل على خوارزمية تجزئة أعضاء الجهاز التنفسي التالية:

تحويل عتبة وحدة التخزين الأساسية مع عتبة "<-300 HU".
التآكل المورفولوجي مع دائرة نصف قطرها 3 مم لفصل الهواء الخارجي والداخلي.
تجزئة الهواء الخارجي بناءً على توصيلية الهواء الخارجي مع الطائرات الجانبية الحدودية لمستوى الصوت ثلاثي الأبعاد.
التمدد المورفولوجي للهواء الخارجي لاستعادة المعلومات المفقودة بعد التآكل.
طرح الهواء الخارجي من الهواء بالكامل والجهاز التنفسي للحصول على الهواء الداخلي والجهاز التنفسي.
تجزئة الكائن الحد الأقصى لوحدة التخزين.
إغلاق المورفولوجية للأوعية داخل الرئتين.

تنفيذ الخوارزمية في MATLAB

وظيفة "getRespiratoryOrgans"

% Returns the whole respiratory organs volume (lung and airway volume) % without separating of the left and right lung. % V = base volume with radiodensity data in Hounsfield units. % cr = radius of vessels morphological closing. % ci = iteration count of vessels morphological closing (fe 3-times % make dilation and after that 3-times make erosion. function RO = getRespiratoryOrgans(V,cr,ci) % Threshold transform of the base volume with the threshold level "<-300 HU". AL=~imbinarize(V,-300); % Morphological erosion with the 3 mm radius for the separation of external % and internal air. SE=strel('sphere',3); EAL=imerode(AL,SE); % Segmentation of external air based on external air connectivity with the % boundary side planes of the 3D volume. EA=getExternalAir(EAL); % Morphological dilation of the external air to restore the information lost % after the erosion. DEA=EA; for i=1:4 DEA=imdilate(DEA,SE); DEA=DEA&AL; end % Subtraction of the external air from the whole air and respiratory organs to % obtain the internal air and respiratory organs. IAL=AL-DEA; % Segmentation of the maximum volume object. RO=getMaxObject(IAL); Morphological closing of the vessels inside the lungs. RO=closeVoxelVolume(RO,3,2);

وظيفة "getExternalAir"

 % Returns the volume which is connected with the edge surfaces of % the voxel scene (except the top surface, because lungs can have % a connection with the top surface). % EAL = eroded lung-and-air binarized volume. function EA = getExternalAir(EAL) % The “bwlabeln” function segments objects: voxels of a one object % equates to 1, and of another one - to 2, etc. V=bwlabeln(EAL); % We request such characteristics of the objects as bounding box and % list of all object voxels. R=regionprops3(V,'BoundingBox','VoxelList'); n=height(R); % Create a 3D matrix for storing external air voxels. s=size(EAL); EA=zeros(s,'logical'); % Scan all the objects to find objects belonging to the external air. for i=1:n % Define the minimum and maximum x and y coordinates of the object. 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); % If the edge voxels of the object are in contact with the side planes of % the 3D volume, then copy all the voxels of this object into the matrix EA. if (x0 < 1 || x1 > s(1)-1 || y0 < 1 || y1 > s(2)-1) % Convert the object voxel coordinates data to the matrix type: % [[x1 y1 z1] [x2 y2 z3] ... [xn yn zn]]. mat=cell2mat(R(i,2).VoxelList); ms=size(mat); % Fill the matrix containing the voxels of the external air. 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

وظيفة "getMaxObject"

 % Returns the largest object in the voxel volume V. % O = the voxels of the largest object. % m = the volume of the largest object. function [O,m] = getMaxObject(V) % Segment the objects. V=bwlabeln(V); % Reqiest the information about the objects volume and objects voxel coordinates. R=regionprops3(V,'Volume','VoxelList'); % Determine the index of the maximum volume object. v=R(:,1).Volume; [m,i]=max(v); % Create the 3D matrix for storing the largest object voxels. s=size(V); O=zeros(s,'logical'); % Copy the largest object voxels to the new matrix. 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 من قبل المرجع .

استنتاج

المقالات التالية ستكون:

تجزئة القصبة الهوائية والقصبات الهوائية ؛
تجزئة الرئة
تجزئة فصوص الرئة.

سيتم النظر في الخوارزميات التالية:

تحويل المسافة
أقرب جار تحويل ، المعروف أيضا باسم تحويل الميزة ؛
حساب القيم الذاتية لمصفوفة هيس لتجزئة الكائنات ثلاثية الأبعاد المسطحة ؛
تجزئة مستجمعات المياه.

تجزئة الجهاز التنفسي التلقائي