DE102010028382A1 - Method for processing tomographic image data from X-ray computed tomography investigation of liver for recognition of liver tumor, involves performing iterative classification, and calculating image mask from last probability image - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Computersystem zur Bearbeitung tomographischer Bilddaten aus einer Röntgen-CT-Untersuchung eines Untersuchungsobjektes durch Berechnung von Merkmalsvektoren für die Bildpixel, welche Eigenschaften der Bildpixel und/oder deren Umgebung enthalten, Klassifikation der Bildpixel auf der Basis der berechneten Merkmalsvektoren durch Wahrscheinlichkeitsbetrachtungen und Bestimmung einer Kandidatenbildmaske, die jedes Bildpixel eindeutig einer bestimmten Klasse zuordnet.The invention relates to a method and a computer system for processing tomographic image data from an X-ray CT examination of an examination subject by calculating feature vectors for the image pixels containing properties of the image pixels and / or their surroundings, classifying the image pixels on the basis of the calculated feature vectors Probability considerations and determination of a candidate image mask that uniquely associates each image pixel with a particular class.
Ähnliche Verfahren sind im Rahmen der Bildbearbeitung allgemein bekannt. Beispielhaft wird auf die deutsche Offenlegungsschrift
Solche Verfahren können einerseits im Bereich der Materialprüfung und Gepäckkontrolle eingesetzt werden. Durch entsprechende Parametrisierung von Programmen in einem Computersystem kann dieses Computersystem in Verbindung mit Bilddaten aus einer Untersuchung eines Patienten mit einem CT-System genutzt werden. Insbesondere werden solche Systeme zur Diagnose und Verlaufskontrolle von Lebertumoren, sowie zur Planung entsprechender Interventionen eingesetzt. Da sich Lebertumore in ihrer Dichte meist kaum vom umgebenden Lebergewebe unterscheiden, wird dem Patienten vor der Aufnahme meist intravenös ein Röntgenkontrastmittel verabreicht. Anschließend werden mehrere CT-Volumina aufgenommen, die verschiedene Phasen der Kontrastmittelanreicherung in der Leber zeigen. Tumore und andere Läsionen zeigen ein spezifisches und vom Parenchym unterschiedliches Anreicherungsverhalten, so dass sie in diesen Aufnahmen leichter entdeckt und klassifiziert werden können. Für Diagnose, Interventionsplanung und Verlaufskontrolle ist eine genaue Segmentierung der fraglichen Läsionen, also eine punktweise Unterteilung des Bildes in Läsionen und Hintergrund, unerlässlich. Da sich die Leber in den beschriebenen Aufnahmen über mehrere hundert Schichten erstrecken kann, ist eine manuelle Segmentierung aus Zeitgründen nicht praktikabel, daher wird hierfür ein Computersystem benötigt, welches dieses Verfahren automatisch ausgeführt.Such methods can be used on the one hand in the field of material testing and baggage control. By appropriate parameterization of programs in a computer system, this computer system can be used in conjunction with image data from an examination of a patient with a CT system. In particular, such systems are used for the diagnosis and follow-up of liver tumors, as well as for the planning of appropriate interventions. Since liver tumors usually differ in their density hardly from the surrounding liver tissue, the patient is usually intravenously administered an X-ray contrast medium prior to recording. Subsequently, several CT volumes are recorded, showing different phases of contrast enhancement in the liver. Tumors and other lesions show a specific and different from the parenchyma enrichment behavior, so that they can be easily detected and classified in these recordings. For diagnosis, intervention planning and follow-up a precise segmentation of the lesions in question, ie a point-by-point subdivision of the image into lesions and background, is essential. Since the liver in the shots described can extend over several hundred layers, manual segmentation is not practicable due to time constraints, therefore, a computer system is required for this, which performs this procedure automatically.
Da sich in Aufnahmen der venösen Phase, wenn sich also das Kontrastmittel hauptsächlich im lebervenösen System befindet, die meisten Läsionen hypodens präsentieren, basieren bisherige Verfahren oft auf adaptiven Schwellwertverfahren. Andere Ansätze wenden Clustering-Verfahren wie ”k-means” auf zuvor gefilterte Bilder an, um Läsionen und Hintergrund zu trennen. Beide Ansätze setzen allerdings einen guten Kontrast zwischen Läsion und umgebendem Gewebe voraus, der selbst in Kontrastmittelaufnahmen nicht immer gegeben ist. Die tatsächliche Kontrastierung hängt stark vom Timing bei der Aufnahme und der individuellen Durchblutung der Leber ab.Since in pictures of the venous phase, ie when the contrast medium is mainly in the liver venous system, most of the lesions present hypodense, previous methods are often based on adaptive threshold methods. Other approaches apply clustering techniques such as "k-means" to previously filtered images to separate lesions and background. However, both approaches require a good contrast between the lesion and the surrounding tissue, which is not always the case even in contrast medium exposures. The actual contrast depends heavily on the timing of the recording and the individual perfusion of the liver.
Der Ansatz, der dem erfindungsgemäßen Verfahren am nächsten kommt, benutzt das maschinelle Lernverfahren AdaBoost zur Klassifikation von Punkten in der Leber als zu einer Läsion oder zum Hintergrund gehörend. Hierbei werden zwei Klassifikatoren trainiert, ein Klassifikator zur Erkennung großer, der andere zur Erkennung kleiner Läsionen. Zur Verarbeitung eines neuen Bildes werden beide angewendet und ihre Ergebnisse fusioniert. Diesbezüglich wird auf die Veröffentlichung
Ein weiterer Schwachpunkt bisheriger Verfahren ist die mangelnde Berücksichtigung unterschiedlicher Kontrastierung der Daten. Teils wird eine Histogramm-Equalisierung durchgeführt, die aber nur visuell einen verbesserten Kontrast bringt, während gleichzeitig die Form der Intensitätsverteilung zerstört wird. Teils werden Bilder auch normiert, indem von allen Intensitäten ihr Mittelwert abgezogen und durch ihre Standardabweichung geteilt wird. Da aber insbesondere bei hypodensen Läsionen die Intensität des Parenchyms deutlich stärker durch das Kontrastmittel beeinflusst wird als die der Läsion, wird durch die Normierung der Grauwertbereich der Läsion unter Umständen weiter als erwünscht verschoben.Another weakness of previous methods is the lack of consideration of different contrasting of the data. In part, a histogram equalization is performed, but only visually provides improved contrast while at the same time destroying the intensity distribution shape. In part, images are also normalized by subtracting their mean from all intensities and dividing them by their standard deviation. However, since the intensity of the parenchyma is significantly more influenced by the contrast agent than that of the lesion, in particular in hypodense lesions, normalization may shift the gray scale range of the lesion further than desired.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Bearbeitung tomographischer Bilddaten aus einer Röntgen-CT-Untersuchung eines Untersuchungsobjektes und Erkennung vorgegebener klassifizierter Objekte zu finden. Außerdem soll ein, dieses Verfahren ausführendes Computersystem, insbesondere zur Anwendung für den diagnostischen Bereich, vorgeschlagen werden.It is therefore an object of the invention to find an improved method for processing tomographic image data from an X-ray CT examination of an examination subject and recognition of predetermined classified objects. Furthermore it is intended to propose a computer system implementing this method, in particular for use in the diagnostic field.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.This object is solved by the features of the independent claims. Advantageous developments of the invention are the subject of the subordinate claims.
Die Erfinder haben erkannt, dass es bei einer automatischen, wahrscheinlichkeitsbasierten Klassifikation von tomographischen Bilddaten aus einer Röntgen-CT-Untersuchung eines Untersuchungsobjektes besonders günstig ist, wenn zusätzlich zur wahrscheinlichkeitsbasierten Klassifikation der Bildpixel durch deren Merkmalseigenschaften und Ausgabe einer Wahrscheinlichkeitsbildmaske, eine iterative Klassifikation stattfindet, bei der Merkmalsvektoren mit Eigenschaften auf der Basis der jeweils zuletzt ermittelten Wahrscheinlichkeitsbildmaske zur Klassifikation verwendet werden und damit iterativ neue Wahrscheinlichkeitsbildmasken berechnet und die zuletzt berechnete Wahrscheinlichkeitsbildmaske wiederum zur Berechnung einer Kandidatenbildmaske, welche jedes Bildpixel einer bestimmten Klasse zuordnet, genutzt wird.The inventors have recognized that in an automatic, probability-based classification of tomographic image data from an X-ray CT examination of an examination object, it is particularly favorable if, in addition to the probability-based classification, the image pixel takes an iterative classification due to its feature properties and output of a probability image mask the feature vectors with properties on the basis of the respectively last determined probability image mask are used for the classification and thus iteratively calculates new probability image masks and the last calculated probability image mask is again used to calculate a candidate image mask which assigns each image pixel to a particular class.
Demgemäß schlagen die Erfinder ein Verfahren zur Bearbeitung tomographischer Bilddaten aus einer Röntgen-CT-Untersuchung eines Untersuchungsobjektes vor, aufweisend die Verfahrensschritte:
- – Laden eines ersten Bilddatensatzes, bestehend aus einer Vielzahl von Bildpixel mit ersten Bildwerten,
- – Normierung der ersten Bildwerte auf einen vorgegebenen Standard,
- – Berechnung eines Merkmalsvektors für jedes Bildpixel mit Bildmerkmalen auf der Basis der Eigenschaften der Bildpixel und/oder deren Umgebung,
- – erste Klassifikation der Bildpixel in Form eines Wahrscheinlichkeitsbildes auf der Basis der Merkmalsvektoren mit Berechnung der Wahrscheinlichkeit der Zugehörigkeit des jeweiligen Bildpixels zu einer Klasse von Bildpixel aus mindestens zwei unterschiedlichen Klassen durch ein zuvor trainiertes und auf Wahrscheinlichkeitswerten basierendes Klassifikationsverfahrens mit den gleichen Merkmalsvektoren und Erstellung eines Wahrscheinlichkeitsbildes aus den bildpixelbezogenen Wahrscheinlichkeitswerten,
- – iterative Klassifikation durch:
- – Ergänzung der Merkmalsvektoren jedes Bildpixels mit Wahrscheinlichkeitsmerkmalen auf der Basis der Wahrscheinlichkeitswerte der Bildpixel und/oder deren Umgebung mit dem zuletzt ermittelten Wahrscheinlichkeitsbild,
- – Durchführung mindestens einer weiteren Klassifikation durch Bewertung der ergänzten Merkmalsvektoren und
- – Ausgabe eines neuen Wahrscheinlichkeitsbildes mit Wahrscheinlichkeitswerten für die Zugehörigkeit der Bildpixel zu mindestens einer Klasse,
- – Abbruch der iterativen Klassifikation nach einem vorgegebenen Abbruchkriterium und Ausgabe des letzten Wahrscheinlichkeitsbildes als Ergebnis, und
- – Berechnung einer Kandidatenbildmaske aus dem letzten Wahrscheinlichkeitsbild, wobei jedes Bildpixel eindeutig einer bestimmten Klasse zugeordnet wird.
- Loading a first image data set consisting of a plurality of image pixels with first image values,
- - normalization of the first image values to a predetermined standard,
- Calculation of a feature vector for each image pixel with image features on the basis of the properties of the image pixels and / or their surroundings,
- - First classification of the image pixels in the form of a probability image on the basis of the feature vectors with calculation of the probability of belonging the respective image pixel to a class of image pixels from at least two different classes by a previously trained and based on probability values classification method with the same feature vectors and creating a probability image from the image pixel-related probability values,
- - iterative classification by:
- Supplementing the feature vectors of each image pixel with probability features on the basis of the probability values of the image pixels and / or their surroundings with the last-determined probability image,
- Carrying out at least one further classification by evaluating the supplemented feature vectors and
- Outputting a new probability image with probability values for the association of the image pixels with at least one class,
- Abort the iterative classification according to a predetermined abort criterion and output the last probability image as a result, and
- Calculation of a candidate image mask from the last probability image, wherein each image pixel is uniquely assigned to a particular class.
Zur Vermeidung unnötiger Rechenvorgänge kann es vorteilhaft sein, wenn vor der Normierung der Bildwerte eine Vorsegmentierung eines Bildbereiches aufgrund einer vorgegebenen Eigenschaft ausgeführt wird und das weitere Verfahren ausschließlich auf diesem vorsegmentierten Bildbereich stattfindet.To avoid unnecessary arithmetic operations, it may be advantageous if, prior to the normalization of the image values, a pre-segmentation of an image area is carried out on the basis of a predetermined property and the further method takes place exclusively on this pre-segmented image area.
Besonders günstig ist es, wenn die Normierung der Bildwerte durch Transformation der Bildwerte derart stattfindet, dass danach das Histogramm der transformierten Bildwerte einem vorgegebenen Standardhistogramm entspricht, also eine Normierung durch Histogrammanpassung vorgenommen wird.It is particularly favorable if the normalization of the image values takes place by transformation of the image values in such a way that the histogram of the transformed image values subsequently corresponds to a predetermined standard histogram, that is to say standardization is performed by histogram adaptation.
Auch ist es günstig, wenn zur Vergleichmäßigung der Wahrscheinlichkeitsbildmaske nach der iterativen Klassifikation mindestens ein Filter auf die ermittelte Wahrscheinlichkeitsbildmaske angewendet wird. Hierbei können sowohl ein-, zwei- oder dreidimensionale Filter als auch lineare oder nicht-lineare Filter eingesetzt werden. Entsprechend können solche Filter alternativ oder ergänzend auch zur Vergleichmäßigung auf die Kandidatenmaske angewendet werden.It is also advantageous if at least one filter is applied to the determined probability image mask to even out the probability image mask after the iterative classification. In this case, one-, two- or three-dimensional filters as well as linear or non-linear filters can be used. Accordingly, such filters can alternatively or additionally also be used for equalization on the candidate mask.
Bezüglich der verwendeten Eigenschaften der im ersten Ansatz verwendeten Merkmalsvektoren schlagen die Erfinder vor, dass diese mindestens eine Eigenschaft der nachfolgenden Liste beschreiben sollen:
- – Grauwert des betrachteten Bildpixels,
- – minimaler Grauwert der Bildpixel einer vorgegebenen zwei- oder dreidimensionalen Umgebung,
- – maximaler Grauwert der Bildpixel einer vorgegebenen zwei- oder dreidimensionalen Umgebung,
- – mittlerer Grauwert der Bildpixel einer vorgegebenen zwei- oder dreidimensionalen Umgebung,
- – Median der Grauwerte der Bildpixel einer vorgegebenen zwei- oder dreidimensionalen Umgebung,
- – Kontrast der Grauwerte der Bildpixel einer vorgegebenen zwei- oder dreidimensionalen Umgebung,
- – Spannweite der Grauwerte der Bildpixel einer vorgegebenen zwei- oder dreidimensionalen Umgebung,
- – Varianz der Grauwerte der Bildpixel einer vorgegebenen zwei- oder dreidimensionalen Umgebung,
- – Schiefe der Grauwerte der Bildpixel einer vorgegebenen zwei- oder dreidimensionalen Umgebung,
- – Gradienten der Grauwerte der Bildpixel einer vorgegebenen zwei- oder dreidimensionalen Umgebung in verschiedene Richtungen,
- – Laplace-Operator der Grauwerte der Bildpixel einer vorgegebenen zweidimensionalen Umgebung,
- – Differenz aus dem Mittelwert einer zwei- oder dreidimensionalen Umgebung des betrachteten Bildpixels und dem Mittelwert aller Punkte des vorgegebenen Bereiches, und
- – 3D-Haar-Merkmale der Grauwerte der Bildpixel einer vorgegebenen zwei- oder dreidimensionalen Umgebung. Der Begriff Grauwert steht hier selbstverständlich im Sinne eine gemessenen Intensitätswertes beziehungsweise eines sonstigen Bildwertes der tomographischen Bilddaten.
- Gray value of the considered image pixel,
- Minimum gray value of the image pixels of a given two- or three-dimensional environment,
- Maximum gray value of the image pixels of a given two- or three-dimensional environment,
- Mean gray value of the image pixels of a given two- or three-dimensional environment,
- Median of the gray values of the image pixels of a given two- or three-dimensional environment,
- Contrast of the gray values of the image pixels of a given two- or three-dimensional environment,
- Span of the gray values of the image pixels of a given two- or three-dimensional environment,
- Variance of the gray values of the image pixels of a given two- or three-dimensional environment,
- Skewness of the gray values of the image pixels of a given two- or three-dimensional environment,
- Gradients of the gray values of the image pixels of a given two- or three-dimensional environment in different directions,
- Laplace operator of the gray values of the image pixels of a given two-dimensional environment,
- Difference between the mean value of a two-dimensional or three-dimensional environment of the observed image pixel and the average of all points of the given region, and
- 3D hair features of the gray levels of the image pixels of a given two- or three-dimensional environment. Of course, the term gray value here means a measured intensity value or another image value of the tomographic image data.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die ergänzten Merkmalsvektoren zusätzlich oder auch ausschließlich mindestens eine aus dem Wahrscheinlichkeitsbild ermittelte Eigenschaft der nachfolgenden Liste beschreiben:
- – Wahrscheinlichkeitswert des betrachteten Bildpixels,
- – mittlerer Wahrscheinlichkeitswert der Bildpixel einer vorgegebenen zwei- oder dreidimensionalen Umgebung einschließlich dem betrachteten Bildpixel,
- – mittlerer Wahrscheinlichkeitswert der Bildpixel einer vorgegebenen zwei- oder dreidimensionalen Umgebung ausschließlich dem betrachteten Bildpixel,
- – Median der Wahrscheinlichkeitswerte der Bildpixel einer vorgegebenen zwei- oder dreidimensionalen Umgebung, und
- – Gauss-gewichtete Summe der Wahrscheinlichkeitswerte der Bildpixel einer vorgegebenen zwei- oder dreidimensionalen Umgebung.
- Probability value of the considered image pixel,
- Mean probability value of the image pixels of a given two- or three-dimensional environment including the considered image pixel,
- Mean probability value of the image pixels of a given two- or three-dimensional environment excluding the observed image pixel,
- Median of the probability values of the image pixels of a given two- or three-dimensional environment, and
- Gauss-weighted sum of the probability values of the image pixels of a given two- or three-dimensional environment.
Als Klassifikationsverfahren kann im Rahmen der Erfindung beispielsweise ein PBT-Verfahren (PBT = Probabilistic Boosting Tree), ein AdaBoost-Verfahren, oder ein Support Vektor Machine-Verfahren genutzt werden.As a classification method can be used in the context of the invention, for example, a PBT process (PBT = Probabilistic Boosting Tree), an AdaBoost method, or a support vector machine method.
Außerdem kann zur Berechnung der Kandidatenbildmaske ein Grenzwert oder Wertebereich für die Wahrscheinlichkeit jedes Bildpixels in der Wahrscheinlichkeitsbildmaske gesetzt werden, wonach die Klassenzuordnung erfolgt. Besonders günstig kann es hierbei sein, wenn dem Benutzer des erfindungsgemäßen Verfahrens die Möglichkeit geboten wird, diesen Grenzwert beziehungsweise diesen Wertebereich, vorzugsweise unter gleichzeitiger Beobachtung der sich daraus ergebenden Kandidatenbildmaske oder deren Überlagerung mit dem ersten Bilddatensatz, individuell einzustellen.In addition, to calculate the candidate image mask, a threshold or value range for the probability of each image pixel in the probability image mask may be set, followed by class assignment. In this case, it may be particularly favorable if the user of the method according to the invention is offered the option of individually setting this limit value or this value range, preferably with simultaneous observation of the resulting candidate image mask or its superposition with the first image data record.
Weiterhin kann der erste Bilddatensatz in Verbindung mit der Kandidatenbildmaske, insbesondere in Form einer farblichen Überlagerung, auf einem Bildschirm ausgegeben werden.Furthermore, the first image data set in conjunction with the candidate image mask, in particular in the form of a color overlay, can be output on a screen.
Als erster Bilddatensatz kann ein zweidimensionales Schnittbild, eine dreidimensionale Folge solcher Schnittbilder oder ein originär dreidimensionaler Bilddatensatz verwendet werden.As the first image data set, a two-dimensional sectional image, a three-dimensional sequence of such sectional images or an original three-dimensional image data set can be used.
Wie bereits erwähnt eignet sich das Verfahren insbesondere auch zur Materialuntersuchung, insbesondere im Rahmen einer Qualitätskontrolle oder einer Gepäckkontrolle.As already mentioned, the method is particularly suitable for material examination, in particular in the context of quality control or baggage inspection.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren wird im Rahmen der Erfindung auch ein Computersystem mit einem Speicher zur Aufnahmen von Computerprogrammen, insbesondere in Verbindung mit einem CT-System, vorgeschlagen, welches im Speicher des Computersystems Computerprogramme aufweist, welches im Betrieb das erfindungsgemäße Verfahren durchführt.In addition to the method described above, the invention also proposes a computer system with a memory for recording computer programs, in particular in conjunction with a CT system, which has computer programs in the memory of the computer system which execute the method according to the invention during operation.
Hierbei kann auch als Untersuchungsobjekt ein Patient vorgesehen werden, wobei bei einer Einschränkung der Untersuchung auf einen vorgegebenen Bereich, dieser Bereich ein Organ, insbesondere die Leber, sein kann. Insbesondere wir hierbei vorgeschlagen, dass hierbei die Klassen gesundes Organgewebe einerseits und Tumor andererseits sind.In this case, a patient can also be provided as the examination object, whereby, if the examination is limited to a predetermined area, this area can be an organ, in particular the liver. In particular, we proposed here that the classes are healthy organ tissue on the one hand and tumor on the other hand.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendete: B: CT-Bild; C1:CT-System; C2: erste Röntgenröhre; C3: erster Detektor; C4: optionale Röntgenröhre; C5: optionaler Detektor; C6: Gantrygehäuse; C7: Patient; C8: Untersuchungsliege; C9: Systemachse; C10: Computersystem; C11: Kontrastmittelapplikator; C12: EKG-Leitung; PBT1-PBT3: Probalistic Boosting Tree; Prg1–Prgn: Computerprogramme; S1: Vorverarbeitung; S1.1: Segmentierung; S1.2: Standardisierung; S2: Bildpixelweise Klassifikation; S2.1: Erzeugung der Bildmerkmale; S2.2: erste Klassifikation; S3: Iteration; S3.1: Erzeugung der Wahrscheinlichkeitsmerkmale; S3.2: iterative Klassifikation; S4: Nachbearbeitung; S4.1: Filterung; S4.2: Kandidatengenerierung; S5: Ausgabe; W1–W3: Wahrscheinlichkeitsbilder.In the following the invention with reference to a preferred embodiment with reference to the figures will be described in more detail, with only the necessary features for understanding the invention features are shown. The following reference numerals are used: B: CT image; C1: CT system; C2: first X-ray tube; C3: first detector; C4: optional X-ray tube; C5: optional detector; C6: gantry housing; C7: patient; C8: examination couch; C9: system axis; C10: computer system; C11: contrast agent applicator; C12: ECG lead; PBT1-PBT3: Probalistic Boosting Tree; Prg 1 prg n : computer programs; S1: preprocessing; S1.1: segmentation; S1.2: standardization; S2: image pixelwise classification; S2.1: generation of image features; S2.2: first classification; S3: iteration; S3.1: generation of the probability features; S3.2: iterative classification; S4: post-processing; S4.1: filtering; S4.2: candidate generation; S5: output; W1-W3: Probability Pictures.
Es zeigen im Einzelnen: They show in detail:
Die nachfolgende Beschreibung der Erfindung bezieht sich ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf die Erkennung eines Lebertumors in einer Leber eines Patienten. Hierbei stehen das normale Lebergewebe für eine beliebige erste Materialklasse und das Tumorgewebe für eine beliebige zweite Materialklasse.The following description of the invention relates, without limitation to the general public, to the recognition of a liver tumor in a liver of a patient. Here, the normal liver tissue for any first class of material and the tumor tissue for any second class of material.
Hierbei ist es besonders günstig, wenn die Detektion und die Segmentierung der Leberläsionen gleichzeitig durchgeführt werden, indem mit Hilfe eines Klassifikators für jeden Punkt in der Leber entschieden wird, ob er zu einer Läsion oder zum Parenchym gehört. Die Eingabe in das Klassifikationssystem bildet ein CT-Bild der Leber mit venöser Kontrastmittelanreicherung. Im Einzelnen unterteilt sich das in der
Die einzelnen Schritte eines solchen Verfahrens verlaufen dabei wie folgt:The individual steps of such a process are as follows:
– Segmentierung der Leber- Segmentation of the liver
Die Leber wird mit einem an sich bekannten Verfahren segmentiert. Beispielsweise kann ein automatisches Segmentierungsverfahren verwendet werden, wie es in der Druckschrift
– Standardisierung der Bildwerte- Standardization of image values
Die Intensitäten der Punkte in der Leberdarstellung können nun mit dem Verfahren gemäß der Druckschrift
– Merkmalsberechnung- Feature calculation
Für jeden Bildpunkt in der Leberdarstellung wird eine Reihe von Merkmalen berechnet. Diese bilden für jeden Bildpunkt einen Merkmalsvektor – manchmal auch als Eingabemuster oder Beispiel bezeichnet –, der dann für die Klassifikation verwendet wird. Das Spektrum möglicher Merkmale ist sehr breit. Bewährt haben sich in diesem Kontext neben dem Intensitäts- oder Grauwert des Bildpunktes selbst Merkmale aus Grauwertstatistiken, wie minimaler und maximaler Grauwert, Mittelwert, Median, Kontrast, Spannweite, Varianz, Schiefe, berechnet jeweils in 2D- und 3D-Umgebungen verschiedener Größen um den Punkt, weiterhin Gradientenmerkmale in 2D und 3D, sowie 3D-Haar-Merkmale unterschiedlicher Skalierungen.For each pixel in the liver representation a number of features are calculated. These form for each pixel a feature vector - sometimes referred to as an input pattern or example - which is then used for the classification. The spectrum of possible features is very broad. In this context, in addition to the intensity or gray value of the pixel itself, features from gray value statistics such as minimum and maximum gray value, mean, median, contrast, span, variance, skewness, respectively calculated in 2D and 3D environments of various sizes around the Point, continue gradient features in 2D and 3D, as well as 3D hair features of different scales.
– Iterative Klassifikation- Iterative classification
Für den Klassifikationsschritt kommt beispielsweise der Probabilistic Boosting Tree (PBT), wie er in der Veröffentlichung
Wird der fertig trainierte PBT auf einen neuen Datensatz angewendet, berechnet er für jeden Merkmalsvektor und damit für jeden Punkt die Wahrscheinlichkeit des Vorhandenseins einer Läsion, in Form eines Wahrscheinlichkeitsbildes.If the finished trained PBT is applied to a new data set, it calculates the probability of the presence of a lesion, in the form of a probability image, for each feature vector and therefore for each point.
Wird jeder Bildpunkt für sich klassifiziert, werden damit implizit benachbarte Bildpunkte als unabhängig angenommen. Für zusammenhängende Objekte, die sich über mehrere Bildpunkte erstrecken, ist diese Annahme jedoch falsch, weshalb das hier beschriebene System nicht nur einen PBT verwendet, sondern eine Kaskade von iterativ ausgeführten PBTs. Dabei wird der erste PBT mit den oben beschriebenen Bildmerkmalen trainiert. Anschließend wird mit ihm die Läsionswahrscheinlichkeit für jeden Bildpunkt berechnet. Das so entstehende Wahrscheinlichkeitsbild wird dann zur Berechnung weiterer Merkmale benutzt, die an die bisherigen Merkmalsvektoren angehängt werden. Als weitere Merkmale können beispielsweise verwendet werden: der Wahrscheinlichkeitswert des Bildpunktes selbst, der Mittelwert, ein 2D-Median, ein 3D-Median, der Mittelwert ohne den Punkt selbst und/oder die Gauss-gewichtete Summe der Umgebung in 2D und 3D. Mit diesen erweiterten Merkmalsvektoren wird darauf der nächste PBT trainiert und der gesamte Vorgang analog in ein- oder mehrfachen Iterationen ausgeführt.If each pixel is classified for itself, then adjacent pixels are implicitly assumed to be independent. However, for contiguous objects spanning multiple pixels, this assumption is incorrect, so the system described here uses not only a PBT but a cascade of iteratively executed PBTs. In this case, the first PBT is trained with the image features described above. Subsequently, the lesion probability for each pixel is calculated with it. The resulting probability image is then used to calculate further features that are appended to the previous feature vectors. Other features that can be used are, for example: the probability value of the pixel itself, the mean value, a 2D median, a 3D median, the mean value without the point itself and / or the Gauss weighted sum of the environment in 2D and 3D. With these extended feature vectors, the next PBT is trained on it and the entire process is carried out analogously in one or multiple iterations.
Die Anwendung dieses Systems auf CT-Bilddaten erfolgt genauso und ist in der
– Nachbearbeitung- Post processing
Um aus dem Wahrscheinlichkeitsbild aus dem Klassifikationsschritt Kandidatenmasken für Läsionen zu generieren, genügt es im Prinzip, einen Schwellwert für die Wahrscheinlichkeit festzulegen, über dem die Bildpunkte als Läsion angesehen werden. Mit diesem Schwellwert kann die Sensitivität des Verfahrens gegen seine Spezifität abgewägt werden. Um ein glattes Ergebnis zu erzielen, wird das Bild vorher jedoch mit einem Medianfilter bearbeitet, der einzelne Punkte mit stark abweichenden Wahrscheinlichkeitswerten entfernt und anschließend eine morphologische opening-Operation ausgeführt, um weitere kleine falsch positive Detektionen zu entfernen.In principle, in order to generate candidate masks for lesions from the classification step from the classification step, it is sufficient to define a threshold value for the probability over which the pixels are regarded as a lesion. With this threshold, the sensitivity of the method against its specificity can be weighed. However, in order to get a smooth result, the image is previously processed with a median filter that removes discrete points with very different probability values and then performs a morphological opening operation to remove further small false positive detections.
Die Verwendung eines Probabilistic Boosting Trees zur Klassifikation der Bildpunkte bringt mehrere Vorteile. Durch seine hierarchische Struktur funktioniert er nach dem divide&conquer-Prinzip. Auf diese Weise kann er wesentlich komplexere Probleme und größere intra-Klassen-Varianzen erfassen als andere Klassifikatoren. Eine Verwendung mehrerer Klassifikatoren zur Reduktion der Varianz in den Daten wird damit überflüssig beziehungsweise findet implizit im Training des Baums statt. Gegenüber dem reinen AdaBoost-Verfahren hat er den Vorteil, dass er bei gleicher Leistung wesentlich schneller sein kann, da zur Klassifikation eines Bildpunktes unter Umständen nicht der gesamte Baum durchlaufen werden muss.Using a Probabilistic Boosting Tree to classify the pixels has several advantages. Due to its hierarchical structure, it works according to the divide & conquer principle. In this way he can detect much more complex problems and larger intra-class variances than other classifiers. The use of several classifiers to reduce the variance in the data is thus superfluous or takes place implicitly in the training of the tree. Compared to the pure AdaBoost method, it has the advantage that it can be much faster with the same performance, since the classification of a pixel under certain circumstances may not have to go through the entire tree.
Durch die Hintereinanderausführung mehrerer PBTs in einer Kaskade wird das Klassifikationsergebnis zum Einen glatter, zum Anderen robuster. Die von einem PBT berechnete Läsionswahrscheinlichkeit eines Punktes beeinflusst so die Entscheidung des nächsten PBT für die benachbarten Punkte. Starke Schwankungen der Wahrscheinlichkeiten auf engem Raum werden damit vermieden. Visuell ist dies in der
Die Standardisierung der Bildwerte, also der gemessenen Intensitäten, gleicht Unterschiede der Intensitätsverteilung zwischen Bildern aus, indem die Verteilung an eine Referenzverteilung angepasst wird. Da im Gegensatz zu starren Verfahren, wie z. B. Intensitätsabsenkung des gesamten Bildes um einen festen Wert, oder einer bloßen Normierung mit Mittelwert und Standardabweichung unterschiedliche Grauwertbereiche separat behandelt werden, kann gewährleistet werden, dass unterschiedliche Gewebearten getrennt angeglichen werden. Ist beispielsweise in einem Bild das Parenchym heller als im Referenzdatensatz, die gesuchte Läsion aber nicht, würde ein starres Verfahren die Intensität der Läsion trotzdem verändern. Im hier beschriebenen Verfahren wird im Idealfall die Intensität der Läsion losgelöst behandelt und daher nicht verändert. So wird eine sehr gute Vergleichbarkeit der Datensätze erreicht.The standardization of the image values, ie the measured intensities, compensates for differences in the intensity distribution between images by adapting the distribution to a reference distribution. As opposed to rigid methods, such. B. intensity reduction of the entire image by a fixed value, or a mere normalization with average and standard deviation different gray scale ranges are treated separately, it can be ensured that different tissue types are adjusted separately. For example, if the parenchyma is brighter in an image than in the reference dataset, the lesion you are looking for is not, a rigid procedure would still change the intensity of the lesion. In the method described here, ideally, the intensity of the lesion is treated detached and therefore not changed. This achieves a very good comparability of the data records.
Die
Während der Messung kann dem Patienten C7 mit Hilfe eines Kontrastmittelapplikators C11 ein Kontrastmittelbolus injiziert werden, so dass Blutgefäße besser erkennbar werden oder eine Perfusionsmessung durchgeführt werden kann. Bei Cardioaufnahmen kann zusätzlich, mit Hilfe einer EKG-Leitung C12, die Herztätigkeit gemessen werden und eine EKG-gegatete Abtastung durchgeführt werden.During the measurement, the patient C7 can be injected with a contrast agent bolus with the aid of a contrast agent applicator C11, so that blood vessels can be better recognized or a perfusion measurement can be carried out. For cardio recordings, the heart activity can also be measured using an ECG C12 cable and an ECG gated scan can be performed.
Die Steuerung des CT-Systems erfolgt mit Hilfe eines Computersystems C10, in der sich Computerprogramme Prg1 bis Prgn befinden, die auch das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren durchführen können. Zusätzlich kann über dieses. Computersystem C10 auch die Ausgabe von Bilddaten erfolgen.The control of the CT system is carried out with the aid of a computer system C10, in which there are computer programs Prg 1 to Prg n , which can also carry out the method according to the invention described above. Additionally, about this. Computer system C10 also made the output of image data.
Alternativ kann das Computersystem C10 jedoch auch separat eingesetzt werden, wobei es lediglich Detektordaten oder Bilddaten einer CT-Untersuchung erhält und diese aufbereitet und im Rahmen der oben beschriebenen Erfindung bearbeitet.Alternatively, however, the computer system C10 may also be used separately, receiving and processing only detector data or image data of a CT examination, and processing them within the scope of the invention described above.
Insgesamt wird also durch das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise ein entsprechendes Bildbearbeitungssystem eine sehr robuste Segmentierung und Klassifizierung von Materialklassen, insbesondere von Leberläsionen trotz variierender Kontrastierung sowie Variation der Tumore in Bezug auf Form, Größe und Textur, erreicht.Overall, therefore, a very robust segmentation and classification of material classes, in particular of liver lesions despite varying contrasting and variation of the tumors in terms of shape, size and texture is achieved by the method according to the invention or a corresponding image processing system.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.It is understood that the abovementioned features of the invention can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the invention.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| R016 | Response to examination communication | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
| R006 | Appeal filed | ||
| R008 | Case pending at federal patent court | ||
| R003 | Refusal decision now final | ||
| R011 | All appeals rejected, refused or otherwise settled |