断層撮影データのセグメンテーション

なぜそれが必要ですか

トモグラフィー検査は何のために行われますか？ ほとんどの場合、医学的診断のため、時には科学的目的のために。 医療診断の目的は、病状を特定すること、または病状に関する追加情報を取得すること、または病状がないことを確認することです。 これはどのように達成されますか？ ほとんどの場合、断層撮影装置によって生成されたセクションの連続的な手動分析による。 多くの場合、これで十分です。 しかし、場合によっては、平坦な部分の分析だけに基づいて十分な情報を取得できないか、画像が不完全です。たとえば、血管の病理を検索したり、一部の骨折を分析したりする場合です。 また、さまざまな臓器の相対的な位置に関する情報が必要になる場合があります。これは、今後の手術を計画するときに特に当てはまります。 ほとんどの場合、平坦なセクションのみに基づいてこのような情報を取得することは困難です。 その後、断層データの3次元再構築が助けになります。





三次元再構成の例



しかし、3次元再構成には固有の問題があります：多くの場合、関心のある臓器とその周囲の組織は類似の密度を持ちます（CTの場合はX線、MRIの場合は強度-トモグラフィーの種類によって用語は異なる場合がありますが、「密度」という用語はどこでも使用しますが、 MRI研究は完全に正しいとは限りません）。 これらの場合、臓器は周囲の組織に隠れているか、2つの近接した臓器の分離が非常に困難です。





周囲の組織に隠された臓器、およびそれらは文脈にもあります



そのような場合、セグメンテーションなどの操作が必要になります：境界内の対象臓器の選択、その後の視覚化、分析（たとえば、物体の体積、表面積、密度分布統計の測定）、または何らかの形式（多くの場合、形式ポリゴンモデル）。





セグメンテーション前と後の心臓



ポリゴンモデルの形式でエクスポートすると、別の可能性が広がります。エクスポートされた臓器を3D印刷して、さらに分析したり、手術をモデリングしたり、人工装具を印刷したりすることもできます。



研究が医学的診断の目的ではなく科学的目的で実施される場合、臓器のセグメント化されたモデルは、この臓器で発生するプロセスのさまざまな計算とモデリングに使用できます。 そのような計算が臨床目的のためにすでに必要である方法があります：診断と術前計画のため。

どうやって

基本的なセグメンテーションツール

目的の臓器をセグメント化する最も直感的な方法の1つは、不要なものをすべてカットするアプローチです。 このため、Inobitek DICOM Viewerには2つの対話型ツールがあります。



ポリゴンによる切断。 このツールは、3次元再構成にのみ適用できます。 2つのオプションがあります。選択した領域に落ちたものをすべて削除するか、逆に、選択した領域の周りのすべてを削除します。





ポリゴンカッターの使用



ボールまたはシリンダーの形の消しゴムで目に見える組織を取り除きます。 このツールの利点は、その局所性です。多角形の切断が常に穴を「貫通」させ、場合によっては希望の布に触れないようにそのような角度を選択できない場合、ボールまたはシリンダーで削除する場合、削除するサイズのみを常に選択できます必要なもの。 さらに、このツールはMPR再構成の2次元セクションで使用できます。これにより、周囲の組織に隠れているアクセスできない場所にすぐにアクセスでき、目的の臓器の手動カットオフセグメンテーションを実行できます。 このツールには別の機能があります。代替モードでは、他のツールで以前に削除した組織を復元できます。





消しゴムの取り外し



別の直感的なアプローチは、この接続領域を除いて、ある種の接続領域（たとえば、他のボーンと視覚的に接触していない別個のボーン）を削除することです。 Inobitek DICOM Viewerでは、これらのオプションは両方とも対応するツールで実装されています（ツールは3次元再構成にのみ適用可能です）。 さらに、追加のパラメーターがあります。 まず、オブジェクトを接続する構造の最小厚さを設定できます。 オブジェクトの2つの部分が、指定された値より小さい厚さの構造によって接続されている場合、これらの2つの部分は接続されているとは見なされません。 第二に、なぜなら 多くの場合、可視性のしきい値によるボクセルの削除（および表示されるボクセルはこのしきい値によって分類されます）は、編集結果のあまり自然な視覚化につながりません。セグメンテーション後の残りのボクセルの1つまたは複数のレイヤーを増やす必要があります-2番目のパラメーターでは、そのようなレイヤーの数を設定できます さらに、最初のパラメーターを使用すると、オブジェクトの鋭い突起もカットされますが、これは多くの場合望ましくないため、2番目のパラメーターを大きくするとこの問題を解決できます。





接続されたエリアを削除する



残りのツールがどのように機能するかを理解するために、いくつかの技術的な詳細が必要でした。

ここで重要な点が生じます：ボクセルの出現。 このツールと他のツールの動作を適切に理解するには、この点を明確にする必要があります。 ボクセルイメージングは​​どのように行われますか？ オリジナルでは、すべてのボクセルに密度値が格納されていますが、表示のために、各ボクセルに色値と透明度を割り当てる必要があります（この場合、これはRGBA値です）。 いわゆる伝達関数Tがこれを担当します。

$$

$$Crgba = T（I）、$$

ここで、Iは密度値、Crgbaはこの密度に対応するRGBA値です。 実際には保存された密度値は整数であるため、関数T（I）はテーブルに設定でき、この場合はカラールックアップテーブル（CLUT）と呼ばれます。 伝達関数は任意で、伝達関数の各タイプには個別のカラーテーブルがあります。 選択したカラーテーブルに応じて、3次元の再構成は異なるように見えます：ファブリックの1つのタイプに対応する1つの範囲の密度は非表示にでき、他の範囲の密度は表示され、選択した色でペイントされます。 したがって、さまざまなカラーテーブルを使用して、さまざまな臓器や組織、または同じ臓器をさまざまな方法で視覚化できます。 さらに、現在の密度ウィンドウの値に応じてカラーテーブルをパラメーター化できます。このウィンドウの幅とレベルを変更することにより、目的の臓器と組織の可視性をインタラクティブに選択できるため、これは便利です。





異なるカラーテーブルを使用して視覚化された同じボリューム



これはすべてセグメンテーションにとって何を意味しますか？ 前のツールの例からわかるように、現在の視覚化に基づいて、構造の境界が決定されます。 ボリュームの2つの領域が同じカラーテーブルを使用して視覚化中に接続されている場合（たとえば、骨が腱と筋肉で接続されている場合）、カラーテーブルを変更するときにそれらが接続されないことがあります（骨のみが視覚化される場合）。 したがって、カラーテーブルと現在の密度ウィンドウ（上記のようにカラーテーブルはそれに依存する場合があるため）は、現在のセグメンテーションを決定するパラメーターです。





選択したカラーテーブルに応じた接続および切断オブジェクト



現在のセグメンテーションを決定する別のパラメーターは、可視性マスクです。 これは何ですか 上記では、余分な組織を除去するツールについて説明しました。 しかし、この削除はどのように行われますか？ 可視性マスクを使用して実行されます。 このマスクでは、各ボクセルは1ビットに対応します。したがって、値0-ボクセルは削除され、1-ボクセルは削除されません。 したがって、余分な組織を除去するツールは、適用されるボクセルのマスクをゼロに設定するだけです。 可視性マスクを使用すると、視覚化のために選択されたカラーテーブルに関係なく、臓器や組織を非表示にすることが可能になります。



したがって、現在のセグメンテーションは、カラーテーブル、密度ウィンドウ、および可視性マスクの3つのパラメーターによって決定されます。 これらのパラメータのいずれかを変更すると、セグメンテーションが変更される場合があります。

ここでは、この場合、「現在のセグメンテーション」という用語を意味していると言えます。つまり、現在のセグメンテーションプロセスの結果です。 この結果もビットマスクの形式で表示されます-可視性マスクと同じです。 この場合にのみ、ボクセルマスクの単一の値はセグメント化されたオブジェクトに属することを意味し、それに応じてゼロ値は反対の意味を持ちます-ボクセルはセグメント化されたオブジェクトに属しません。 ボクセル可視性マスクの値がゼロの場合、セグメンテーションマスクでも常に値がゼロになることは明らかです。 ただし、可視性マスクに単一の値を持つセグメンテーションマスクでボクセルが持つ値は、カラーテーブルによって異なります。 これは、ボクセルに対応する密度のカラーテーブルから取得された透明度値に基づいて決定されます。透明度値が特定のしきい値より大きい場合、ボクセルはセグメンテーションに属します。 しきい値は設定で設定でき、通常1〜10％です（100％は完全に不透明なボクセル、0％は完全に透明です）。 しきい値を使用する必要があるのは、視覚化中に、特定の値より小さい透明度値を持つボクセルが実際には見えないためです。その結果、セグメンテーションの結果はユーザーが画面で見るものと一致しない場合があります。

セグメント化された構造

さて、セグメンテーションプロセスの基本概念で、それが次第に明確になればいいのにと思うとき、疑問が生じます。必要な器官または病理学をセグメンテーションした後に何をすべきか？ おそらく、それを分析するために、周囲の組織や臓器がこれを妨害しなくなったためです。 しかし、複数のオブジェクトをセグメント化し、それらを一緒に視覚化する場合はどうでしょうか？ または、表示を妨げているものをセグメント化し、非表示にする方が簡単な場合はどうすればよいですか？ これらおよび他の質問に対する答えは、セグメント化された構造です。



セグメント構造は、個別に編集および視覚化できる保存されたセグメンテーション結果です。 いくつかの臓器を一緒に視覚化する必要がある場合は、それぞれを順番にセグメント化し、セグメント化された構造として保存する必要があります。 オブジェクトを削除する必要がある場合は、それをセグメント化し、セグメント化された構造として保存してから、このセグメント化された構造をボリュームの残りから差し引く必要があります。



これはどのように実装されますか？ Inobitek DICOM Viewerには、セグメント化された構造のリストを含むパネルを開く特別なボタンがあります。 プログラムには、セグメント化された構造のパネルが存在する2つのウィンドウがあります。3次元再構成ウィンドウとMPR表示ウィンドウです。 これらのウィンドウでセグメント化された構造を操作するロジックは多少異なります。





MPR上のセグメント化された構造のパネル





3Dでセグメント化された構造のパネル



セグメント構造のリストには、削除できない行が常にあります：ベースボリューム。 3次元再構成ウィンドウでは、ベースボリュームを編集して、余分な組織を除去できます。 MPR表示ウィンドウでは、ベースボリュームは編集できません。残りのセグメント化された構造のみを編集できます。



3次元再構成ウィンドウでの新しいセグメント構造の作成は、ベースボリュームセグメンテーションの現在のバージョンをコピーすることで行われます。現在の可視性マスク、カラーテーブル、密度ウィンドウの境界がコピーされます。 MPR表示ウィンドウでは、常に空の可視性マスクを使用して新しいセグメント構造が作成され、新しいテーブルを作成するときに表示されるダイアログでカラーテーブルと密度ウィンドウが設定されます。 このダイアログでは、カラーテーブルと密度ウィンドウを暗黙的に設定できます。たとえば、密度のしきい値の値を設定し、どのボクセルを表示するかを指定することで、このしきい値を下回るまたは上回る値を設定できます。 または、ボクセルが表示される密度範囲の境界を示します。 カラーテーブルと密度ウィンドウの値を直接設定することもできます。 新しいセグメント化された構造は常にMPR表示ウィンドウで作成されるため、常に空です。ここでのセグメンテーションの主な方法は、3次元再構成ウィンドウとは対照的に、新しいボクセルを追加することです。 また、MPR表示ウィンドウでセグメント化された構造を編集する場合、ボクセルのマスクは常に表示され、現在のカラーテーブルと密度ウィンドウを使用すると表示されます（上記の可視性マスクと混同しないでください）、たとえば、構造の作成時に密度のしきい値と値の範囲を指定した場合このしきい値を超える密度、このしきい値を超えるすべてのボクセルはマスクで強調表示されます。 このマスクの透明度は、完全に透明にするなど、調整できます。





MPRのマスク



セグメント化された各構造は、いつでも非表示または表示できます。 また、セグメント化された各構造について、そのボリュームが表示されます。したがって、セグメンテーションにより、臓器と形成のボリュームを測定することができます。 ベースボリュームを除くすべてのセグメント化された構造について、統計が計算されます：構造内の最小および最大密度値、およびこの値の平均値と標準偏差。 ベースボリュームを除く、セグメント化された構造の色を指定できます-この場合、使用されているカラーテーブルで、すべての色の値は指定されたものに変更されます（透明度に依存せず、色に依存しないため、透明度は変更されません。 ） 多くの場合、いくつかのセグメント化された構造には共通のカラーテーブルがあり、色を設定すると、各セグメント化された構造に異なるカラーテーブルを割り当てることなくそれらを区別するのに役立ちます。





セグメント化されたカラー構造

多角形モデル

セグメント化された構造に基づいて、ポリゴンモデル（グリッド）-ポリゴン要素（三角形）によるセグメント化された構造の表面の区分的近似を構築できます。 これは、セグメンテーションの重要な結果の1つです。3次元モデルで動作するほとんどすべてのソフトウェアは、3次元モデルとしてポリゴンメッシュを意味するためです。 このようなソフトウェアには、視覚化、編集、数値モデリング、3D印刷が含まれます。 つまり、セグメンテーション結果をポリゴンモデルの形式でエクスポートすると、ほとんどのサードパーティプログラムでこれらの結果を操作できます。



グリッドを構築するために、「マーチングキューブ」アルゴリズムが使用されます。これは、このタスクにシンプルかつ最も効果的です。 ボクセルモデルは立方体ボクセルで構成されているため、その表面を近似すると、この「キュービシティ」は保持され、グリッドは「階段状」に見えます。 これを取り除くために、グリッドを滑らかにすることができます。 平滑化は、グリッドの各頂点の座標がすべての隣接する頂点の平均座標に置き換えられるという事実から成るラプラス法によって実行されます。 この手順は数回繰り返すことができます-新しいパスを作成するたびにグリッドが滑らかになります。 パスの数は、グリッド設定で設定できます。 しかし、各パッセージはグリッドを変更し、実際のサーフェス境界からわずかに逸脱することを覚えておく必要があります。パスが多いほど、偏差が大きくなります。 さらに、場合によっては、平滑化の結果として、グリッド要素の相互交差（実際には、表面とそれ自体の交差）またはゼロ面積の三角形の出現が可能です。 一部のタスクでは、これは受け入れられない場合があるため、多数のスムージングパスを注意して設定する必要があります。





非整列および平滑化メッシュ



また、ポリゴンサーフェスを構築するためのパラメーターでは、グリッドを形成する三角形の最大数を指定できます。 これは、たとえば視覚化を高速化するために必要になる場合があります。 このパラメーターが設定されている場合（ゼロ以外、ゼロは三角形の最大数が無制限であることを意味します）、「マーチングキューブ」アルゴリズムでグリッドを構築した後の三角形の数が指定された値を超える場合、三角形を連続して結合する手順が実行されて合計数が減少します必要な値。 ただし、場合によっては、必要な三角形の数が十分に少ない場合、特定の瞬間に、グリッドトポロジを変更せずに三角形を結合することはできません。 この場合、結果として得られる三角形の数は、グリッドトポロジを変更せずに達成できる最小値に等しくなります。



多角形モデルは、エクスポートできるだけでなく、セグメント構造としてインポートすることもできます。 この場合、特別なタイプのセグメント化された構造が作成されます-インポートされたメッシュのみが含まれ、セグメンテーションマスクは定義されていません。 多角形モデルのインポートは、手術の計画に役立ちます。手術器具、機器、人工装具、インプラントのモデルをインポートすると、解剖学とともにそれらを視覚化し、手術のプロセスまたは結果を事前に評価できます。 インポートされたモデルの場合、解剖学的構造の3次元再構成とともに、適切な場所に正しい向きに配置できる手動位置決めツールが利用できます。 さらに、メッシュのみを含むセグメント化された構造をボクセル化できます。 つまり、グリッドサーフェスで囲まれたボリューム内にあるボクセルのみを含む可視性マスクが作成されます。 この手法は、セグメンテーションの結果を保存および復元するために使用できます：セグメント化された構造の場合、グリッドが作成され、その後エクスポートされ、同じスタディの後続のオープン時に、グリッドがインポートおよびボクセル化され、その結果、セグメント化された構造が復元されます

セグメント化された構造のバイナリ操作

上記のように、最初に必要なものを直接セグメント化するのではなく、いくつかの二次オブジェクトをセグメント化する方が簡単な場合があります：たとえば、削除する必要がある余分なもの、または構造全体の個々の部分、そして実行これにはいくつかの追加の操作があります。削除する必要があるものを差し引くか、パーツを全体に結合します。 このような操作はバイナリと呼ばれます。 Inobitek DICOM Viewerは、セグメント化された構造に対して3種類のバイナリ演算を実装しています。

• 引き算
• 統一
• 交差点

これらの操作のいずれにおいても、2つのセグメント化された構造が関与します（そのうちの1つがベースボリュームである可能性があります）。 これら2つのセグメント化された構造の1つがターゲットです。操作の結果がその中に配置されます。 ターゲットは常に現在アクティブなセグメント化された構造です。 2番目の構造はオプションです。 操作中に、ターゲット構造の可視性マスクは変更されますが、構造のセグメンテーションマスクは、可視性マスクではなく、操作自体に関与します。 つまり、現在のカラーテーブルを考慮して操作が実行されます。



減算すると、追加の構造セグメンテーションマスクのすべてのボクセルがターゲット構造の可視性マスクから減算されます。 つまり、これはすべて、追加構造のすべての可視ボクセルがターゲット構造で不可視になるように見えます。





血液で満たされた心臓、心臓で満たされた血液、減算により得られた心筋



結合すると、追加の構造セグメンテーションマスクのすべてのボクセルがターゲット構造の可視性マスクに追加されます。 つまり、追加構造のすべての可視ボクセルはターゲット構造の可視性マスクに含まれますが、ここでは、ターゲット構造で必ずしも可視になるとは限らないことを覚えておく必要があります。これはすでにそのカラーテーブルに依存しています。





肺組織、肺血管、協会



交差点では、ボクセルのみがターゲット構造の可視性のマスクに残り、ターゲットと追加構造のセグメンテーションマスクに同時に存在します。 つまり、ターゲットと追加の構造で同時に表示されていたターゲット構造のボクセルのみが表示されたままになります。





血管、肝臓、それらの交差点-肝臓の血管



追加としてポリゴンモデルのみを含むセグメント化された構造を使用して、バイナリ操作も可能です。 この場合、多角形モデルの中間ボクセル化が実行され、その結果、バイナリ演算が実行されます。

その他のセグメンテーションツール

上記のツールを使用しても、ほとんどすべてのセグメンテーションを実行できますが、場合によっては不合理に面倒で時間がかかりすぎることがあります。 Inobitek DICOM Viewerは現在、多くの場合、セグメンテーションプロセスを簡素化する追加のツールを実装しています。

形態学的操作

形態学的操作は一般的な画像処理ツールです。 ボクセルボリュームは、2次元画像のピクセルごとの表現を3次元に一般化したものです。したがって、2次元画像に適用できる多くの操作は、ボクセルボリュームにも適用できます。 これは形態素操作にも適用されます。 Inobitek DICOM Viewerは、増加（成長）および侵食（減少）の操作を実装し、指定された数のボクセルによる現在のセグメンテーションの増減を可能にします。 ユーザーの利便性のため、ビルドアップ/リダクションの量は、ボクセルではなくミリメートルで指定されます。 クローズとオープンの個別の操作は実装されていませんが、定義により、成長と縮小の操作を目的の順序で一貫して適用することで実行できます。 さらに、現在のセグメンテーションのボイドを埋める操作が実装されています。 あらゆるサイズのボイドを埋めることが保証されているという点で、閉鎖操作とは異なり、閉鎖中の蓄積/収縮の量に匹敵するだけではありません。 さらに、この操作は、ボイドに属するボクセル以外の他のボクセルには影響しません。



すべてのモルフォロジー操作は可視性マスクに適用されるため、適用後、現在のカラーテーブルによって非表示のボクセルが変更された場合、変更が表示されない可能性があることに注意する必要があります。 そのような場合、通常、色操作/密度ウィンドウの変更と組み合わせて形態学的操作を使用する必要があります。





形態学的操作のリスト



形態学的操作に加えて、リストには別のツールがあります：目に見えないボリュームの削除。



可視性マスクを現在のセグメンテーションマスクに等しく設定します。つまり、セグメンテーションマスクによって非表示ではなかったが、現在のカラーテーブルのために非表示であったボクセルは、可視性マスクから削除され、永続的に非表示になります。つまり、変更によって表示できなくなります。カラーテーブル。このようなツールの必要性は、次の例で説明できます。CTスタディで骨をセグメント化する必要があるとします。骨は他の組織よりも高密度ですが、この密度の分布は不均一です。密度は骨の中心で高く、外側の境界の方向で減少します。密度ウィンドウを変更するか、カラーテーブルを選択して、視覚化の密度しきい値を骨の外側の境界の密度と等しく設定した場合、十分に高くない可能性があります。特にコントラストのある研究の場合-骨に加えて、他のいくつかの組織、特にコントラストのある組織が視覚化されます。したがって、骨構造に属するボクセルのみの視覚化を保証するには、内部骨の密度に応じてより高いしきい値を設定する必要があります。ただし、この場合、骨は部分的にのみ可視化されます-外部層はありません。外層を追加するには、ビルド操作を適用する必要がありますが、これまでのところ、カラーチャートまたは密度ウィンドウのみを変更しましたが、可視性マスクはすべてのボリュームに一致し、建物は機能しません。したがって、非表示のボリュームを構築する前に削除する必要があります。その後、構築は、目に見える骨の内側のレイヤーに適用され、外側のレイヤーが追加されます。その後、カラーテーブルを変更して外側の層が再び見えるように-これにより、骨構造のセグメント化のプロセスが完了します。

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これまでのインタラクティブなセグメンテーションツールの説明は、ボリュームの3次元表現に大きく関連しています。ただし、前述のように、MPRスライスを使用したセグメンテーションも可能です。さらに、多くの場合、結果をすばやく取得できるため、望ましい方法です。



MPRスライスに応じたセグメンテーションの主な方法は次のとおりです。指定されたマスク内のセグメント化された構造のボリュームを増やす。マスクはカラーテーブルによって定義され、ほとんどの場合、このカラーテーブルは最も単純な形式です。指定されたしきい値を上回るまたは下回るボクセル、または指定された範囲の境界内にボクセルを表示します。しきい値または境界は、セグメント化されたオブジェクトの密度値の境界に対応するように選択されます。セグメンテーションのプロセスでは、しきい値または境界の値をインタラクティブに変更できます。





高密度、低密度、間隔



のマスク MPRの音量を上げるための基本的なツールは上記のツールです：これはブラシです（現在Inobitek DICOM Viewerは特定のサイズの球体と円柱の形でブラシオプションを実装しています）が、3Dで編集する場合、このツール主にブラシではなく、消しゴムとして使用されます。 MPRでブラシを使用してマスクを復元すると、理論的にはあらゆる構造をできるだけ正確にセグメント化できますが、複雑な形状のオブジェクトの場合、これは非常に時間のかかるプロセスです。同じツールを3DだけでなくMPRの消しゴムとして使用して、セグメント化された余分なボリュームを削除することができます。さらに、このツールをブラシモードで使用すると、削除したボクセルを3Dで復元できます。





ブラシ編集ツールの使用



しかし、3Dにはこのツールには別のモードがあります-マスクリカバリです。彼の作品の論理は、MPRで使用されているものに近い：ツールは、マスクで強調表示されているボクセルのみを復元します。しかし、3Dにはマスク自体の概念がないため、現在のセグメント化された構造と一致しない他のセグメント化された構造（ベースボリュームを指定する可能性を含む）は、その品質で示される必要があります。編集パネルには、マスクとして機能する構造を選択するための特別なボタンがあります。





マスクリカバリモードでの3D編集ツールの



使用MPRでセグメント化するときに使用できる別のツールは、マスクで区切られた接続領域を追加することです。ある程度、これは接続エリアをセグメント化できる3Dツールに類似しています。この場合のみ、接続エリアを除くすべてを削除する代わりに、この接続エリアは現在のセグメント化された構造に追加されます。マスクである構造を指定すると、このツールは3Dでも使用できます。これは、いくつかの無関係な領域で構成される構造をセグメント化する便利な方法です。これらの各領域にツールを連続して適用することにより、それらをすべて1つのセグメント構造に追加できます。





MPR上の孤立した領域のセグメンテーション

地域成長ツール

上記のツールは、それぞれの長所と短所で、互いに反対の意味にあります。ブラシを使用すると、オブジェクトをセグメント化できますが、多くの場合、多くの時間がかかり、接続された領域の追加はシングルクリックで行われますが、領域が他の領域とほとんど接触していない場合またはエリア、それらはすべて一緒にセグメント化されます。したがって、これらの欠点のないツールが必要になります。これは、任意の形状の領域を十分に迅速にセグメント化できます。



このようなツールは、リージョン構築ツールです。彼の作品の論理は次のとおりです。セグメント化する必要がある領域内で特定の開始点を選択し、その後、いくつかの原則に従ってセグメント化された領域をこの点から構築します。成長はユーザーの制御下で行われ、適切なタイミングで停止することができます-現在のセグメンテーションがセメント化されるオブジェクトに最も適している場合。目的のセグメンテーション結果に従って表されるツールの有効性は、選択された構築原理に依存します。



最も単純な原則は、指定されたマスク内のすべての方向に均一に構築することです。しかし、この単純さのために、この原則にはツールの最も顕著な主な問題、すなわち漏れがあります。リークは、必要な領域外のセグメンテーションと呼ばれます。たとえば、2つの臓器が1つまたは複数の細いジャンパーで接続されている場合、1つの臓器がセグメント化されると、これらのジャンパーを介して別の臓器への漏れが発生し、その結果、1つの臓器を別の臓器から分離することが困難になります。





肝臓のセグメンテーション中に周囲の組織や臓器に漏れが発生する



ため、実際には、より複雑なロジックで構築するという原則が使用されます。

Inobitek DICOM Viewerは、リージョンを構築するための2つの原則を実装しています。

いわゆるDistance変換（残念ながら、この変換の名前のロシア語版はわかりませんが、直接翻訳は用語の意味を歪め

ます）に基づいて、レベルサーフェスを使用します。



ボリュームの距離変換（DT）は次のように定義されます：2値化ボリューム（2値化-各ボクセルは2つの値1-可視または0-不可視）を各ボクセルで持つため、この変換は最も近い可視ボクセルまでの距離に等しい値を与えます。距離の測定方法は異なる場合があります。たとえば、計算が簡単なため、各方向の距離の合計に等しい、いわゆるマンハッタン距離がよく使用されます。このケースでは、古典的なユークリッド距離が使用されるため、変換全体はユークリッド距離変換（EDT）と呼ばれます。この原理を使用してセグメント化する場合、ボリュームはマスクに基づいて二値化されます-マスク反転が実際に使用されます：マスクに入るボクセルは0、残りは1です。したがって、EDTは、マスク内の境界線までの距離を示します。成長率はEDT値に比例します（ただし、特定のしきい値から開始するだけで、依存関係は指数関数的です）。その結果、薄い構造の成長は、ボリュームの大きい領域よりも遅くなりますが、領域の境界に近づくと遅くなります。これは望ましくない効果です。 EDTアプローチは漏れ率を減らすことができますが、完全になくすことはできません。このアプローチの主な利点は、許容可能な漏れ制御を備えた高速です。ただし、領域の境界に近づくと速度が低下するため、望ましくありません。 EDTアプローチは漏れ率を減らすことができますが、完全になくすことはできません。このアプローチの主な利点は、許容可能な漏れ制御を備えた高速です。ただし、領域の境界に近づくと速度が低下するため、望ましくありません。 EDTアプローチは漏れ率を減らすことができますが、完全になくすことはできません。このアプローチの主な利点は、許容可能な漏れ制御を備えた高速です。





EDT



成長領域の前面の曲率を制御することにより、リークに対処する方がはるかに優れています。地域の成長率の方法を指定する一般的なアプローチは、内部と外部の2種類の力の組み合わせを使用することです。内部力は、選択された点での領域の境界の曲率によって決定されます-曲率が大きいほど、この力の大きさも大きくなり、力自体も曲率ベクトルとして方向付けられます、つまり、領域の境界を滑らかにする傾向があります。外力は画像の特性によって決まります。私たちの場合、選択された密度範囲に基づいて外力が使用されます。特定のポイントの密度値が選択された範囲内にある場合、力は領域の拡大を目的としています-範囲境界の密度では値はゼロで、密度値が境界の外側にある場合は中心に向かって増加します範囲次に、力は領域を狭めることを目的とし、その大きさは範囲の境界から密度が遠くなるほど大きくなります。したがって、外力は、特定の密度範囲で領域内の領域の境界を保持する傾向があり、内部力は、領域の境界を大きく曲げることができません-特に、薄い構造を介した漏れを防ぎます。



このアプローチの実装は、水平面の方法に基づいています。これは、特殊な形式の微分方程式の数値解に基づいています。方程式の解は、ボリュームの各ポイントで定義された関数であり、同時に時間に依存します。前部境界の動きは、この関数がゼロ値を取る表面によって決まります。これは4次元空間の超曲面ですが、どの瞬間にも3次元空間の表面であるセクションがあります。これは水平な表面であり、メソッドの名前です。



レベルサーフェスに基づく領域構築ツールを使用して取得したセグメンテーションは、最も直感的に見えます。体積のあるオブジェクトには適していますが、中小血管のセグメンテーションにはあまり適していません。表面の曲率が大きすぎます。



このモードでは、ツールはマスクを使用して密度範囲を設定せず、代わりに、現在の密度ウィンドウとセグメンテーションの開始点に基づいて範囲が自動的に計算されます。また、このツールを使用すると、セグメンテーションプロセスに影響するサーフェスの曲率パラメーターをインタラクティブに構成できます。ツールがオンのとき、半径が曲率のしきい値半径にほぼ対応する円が表示されます。言い換えると、この円のサイズは、セグメント化が進むことができる構造の最小サイズにほぼ対応します。リークが発生した場合、円の半径を大きくする必要があります。逆に、希望するサイズの構造がセグメント化されていない場合、円の半径を小さくする必要があります。



このツールの利点は「インテリジェンス」です。その作業の結果は最も直感的であり、多くの場合、最小限の労力で複雑な形状の構造をセグメント化できます。このツールの短所は計算の複雑さが高いことですが、GPUを使用すると実装が非常に効果的に加速されるため、強力なビデオカードを使用するとツールの対話性が大幅に向上します。





平面法に基づく領域拡張

複数の断層撮影シリーズを使用したセグメンテーション

多くの場合、セグメンテーションが必要です。これには、異なる断層撮影シリーズのデータ​​が必要です。そのようなタスクの古典的な例は、導入直前に得られたコントラストのないCTシリーズを使用して、コントラストのあるCTシリーズの骨構造を除去することです。タスクの関連性は、CTの造影剤のX線密度が骨構造のX線密度に匹敵するという事実によって説明されます。したがって、骨と直接接触している造影血管をそこから分離することはできません。この例は説明のために提供されているため、これら2つのシリーズの受信間の患者の移動に関連する問題は考慮しません。この場合、タスクは、コントラストのない一連の骨構造のセグメンテーションと、コントラストのあるシリーズから得られたセグメンテーションのさらなる減算に削減されます。





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別の例は、動脈と静脈を別々のセグメンテーションで一緒に視覚化することです。この場合、造影剤の導入後すぐに、それは動脈を通って広がり、この時点で最初のシリーズが得られます-動脈が造影剤で強調される動脈相。しばらくすると、コントラストが部分的に動脈から洗い流され、組織を通過して静脈に入ります-この時点で2番目のシリーズが取得されます-静脈相では、静脈がコントラストで強調表示されます。したがって、最初のシリーズを使用して、動脈のセグメンテーションを実行し、2番目のシリーズを使用して、静脈を使用すると便利です。さらに、静脈シリーズでコントラストが動脈から完全に洗い流されていない場合は、最初のシリーズから動脈のセグメンテーションを差し引くことでコントラストを削除できます。このように静脈と動脈を同時に視覚化するには、2つのシリーズ（動脈相と静脈相）のデータを使用する必要があります。また、コントラストを導入する前にスキャンする場合、骨の除去も実行できます。この場合、3つのシリーズ全体がすでにジョイントセグメンテーションに参加しています。









Inobitek DICOM Viewerでいくつかのシリーズを共同で視覚化するために、特別なモードがあります-シリーズを組み合わせるモードです。特別なウィンドウでシリーズを組み合わせます。結合後、追加の仮想シリーズがスタディシリーズのリストに表示され、目的の表示モード（利用可能なすべての表示モードがサポートされます：2D、MPR、3D、仮想内視鏡検査）で開き、選択したシリーズを一緒に視覚化できます。このようなシリーズを表示すると、追加のパネル（レイヤーパネル）が表示されます。各レイヤーは、結合されたシリーズの1つです。レイヤーパネルで対応するアイテムを選択することにより、現在のレイヤーを変更できます。各シリーズにはセグメント化された構造の独自のリストがあるため、現在のレイヤーを変更すると、現在の構造のリストも変更されます。すべてのセグメンテーション操作は、現在選択されているレイヤーの現在選択されているセグメント構造に適用されます。例外は、3Dのメインボリュームが選択されている場合です。この場合、ポリゴンの切り取り操作とブラシ操作はすべてのレイヤーにすぐに適用されます-選択した領域のすべてが削除されると予想するのが論理的であるため、この動作はより直感的です。



異なる層のセグメント化された構造間では、バイナリ演算が可能です。それらを使用するだけで、1つのレイヤーでセグメント化されたボーンを2番目のレイヤーのデータから差し引くことができます。異なるレイヤーの構造間で視覚的にバイナリ操作を行うユーザーが、1つのレイヤーの構造間で同じバイナリ操作と変わらない場合、技術的な実装の観点からは、これははるかに複雑な操作です。異なるレイヤーのボクセルの体積は、ボクセルのサイズだけでなく、寸法と向きの両方で一致しない場合があります。つまり、あるレイヤーのボクセルが別のレイヤーのボクセルと幾何学的に一致しない、複数のボクセルが一度にオーバーラップする、またはモデルの外にあることさえあります。したがって、レイヤー間でバイナリ演算を実行するには、最初に、追加構造のセグメンテーションマスクのターゲットレイヤーへの中間補間が実行され、その結果、バイナリ演算が実行されます。

おわりに

この記事で説明するツールとアプローチは普遍的であり、あらゆるオブジェクト、臓器、エンティティをセグメント化するために使用できます。ストリーミング診断またはその他の場合、タスクは、1つのタイプの研究のデータに基づいて同じ臓器を何回も連続してセグメント化することです。この場合、ユニバーサルツールの使用は最速かつ最も便利なセグメンテーションではない場合があり、そのようなタスクでは専用ツールを使用する方が簡単です。特殊なツールは、単に普遍的なアプローチを適用するためのテンプレートの実装である場合もあれば、特定のケース用に特別に開発されたアルゴリズムや方法を使用する場合もあります。現在、同様のツールを開発しており、その機能と実装時の動作原理についてさらに話し合う予定です。