Космос под ногами: спецпроект Naked Science о космонавтике и «трудной» нефти
Читать
  • Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
29.09.2021
Сколтех
1 777

Новому подходу к сегментации 3D-изображений уже покорились медицинские снимки, на очереди — поршни

4.4

Ученые Сколтеха под руководством профессора Дмитрия Дылова и их коллеги из Первого Санкт-Петербургского государственного медицинского университета имени академика И. П. Павлова разработали принципиально новый подход к задаче сегментации трехмерных изображений — определения контуров составных частей сложной структуры. Коллектив продемонстрировал эффективность «сегментации отрицательного объема» на снимках челюстного сустава, но метод применим к самым разным объектам, в том числе в строительстве и дизайне механических деталей.

Рисунок 1. Расположение височно-нижнечелюстного сустава. Височная кость и нижняя челюсть очерчены синим и зеленым цветом, соответственно / ©Олег Рогов / Сколтех

Исследование опубликовано в Nature Scientific Reports. «Эта работа позволяет по-новому взглянуть на утомительную задачу сегментации трехмерных изображений, которая часто встречается в медицинской диагностике, машиностроении и других областях, — отмечает руководитель исследования Дмитрий Дылов. — Все началось с того, что мы подумали: а что если вместо того, чтобы определять точные контуры 3D-объекта, сегментировать объем полостей между его частями? Эти полости идеально дополняют искомый привычными методами объем, как замочная скважина — ключ. Для проверки подхода мы взяли самый сложный 3D-объект, какой смогли найти».

Височно-нижнечелюстной сустав, или ВНЧС, расположен с обеих сторон головы, спереди от ушей, где два вертикальных выступа нижней челюсти заходят в гнезда на височных костях черепа (рисунок 1). Между костями сустава находится мягкий хрящевой диск, который служит амортизатором. Поскольку ВНЧС — парный сустав, в котором к тому же сочетаются шарнироподобные и скользящие движения, он считается очень сложной системой, которую крайне трудно картировать в 3D.

Чтобы разобраться в снимках компьютерной томографии ВНЧС, опытные врачи тратят часы и задействуют специализированное программное обеспечение, в котором создают 3D-модель сустава. В ходе этой утомительной работы они вручную сегментируют изображения, определяя точные контуры каждой из двух костей. Как только получена правильно сегментированная 3D-модель сустава, стоматолог, лицевой хирург или другой врач могут предложить пациенту способы лечения заболеваний, связанных с ВНЧС. Таковые могут возникать в результате эрозии сустава, стискивания зубов, артрита, травмы или врожденной деформации челюсти.

Рисунок 2. Этапы ручного распознавания височно-нижнечелюстного сустава с использованием метода отрицательного объема, который также лежит в основе автоматизированной процедуры, предложенной авторами исследования. Распознавание вручную занимает около часа и требует отрисовки масок вокруг сложных структур нижней челюсти и височной кости в трех проекциях — сагиттальной, корональной и аксиальной — для каждого среза интересующего объема, пока полученная 3D-реконструкция не позволит вычесть «шар» отрицательного объема из введенной вручную сферы / ©Кристина Беликова и другие / Scientific Reports

Симптомы — боль в суставе и даже на расстоянии от него (в области шеи, ушей, лица), а также трудности при приеме пищи и говорении из-за снижения подвижности ВНЧС. Существует даже гипотеза, что состояние ВНЧС может влиять на походку и психологическое состояние человека. Хотя нарушения в этом суставе, как правило, поддаются лечению, они сложны в диагностике, во многом именно из-за сложности сегментации.

В качестве демонстрации возможностей сегментации отрицательного объема научная группа из Сколтеха, разработавшая этот подход, сумела полностью автоматизировать трудоемкую задачу сегментации компьютерных томограмм ВНЧС. Благодаря глубокому обучению, новой системе требуется всего несколько секунд для обработки изображений, на интерпретацию которых опытному врачу понадобилось бы не менее часа, прежде чем можно будет извлечь полезную пациенту информацию.

«Наши коллеги из Университета Павлова разработали протокол для сегментации изображений ВНЧС в 3D вручную. Раньше это делалось в 2D и занимало еще больше времени. Мы используем их протокол и внедряем новый подход, который применим к разметке и человеком (рисунок 2), и машиной. Акцент смещается с сегментирования костей, контуры которых трудно очертить, на сегментирование полостей между ними. Отсюда и название: сегментация отрицательного объема», — прокомментировал один из авторов исследования, Олег Рогов, научный сотрудник и главный разработчик Сколтеха.

Рисунок 3. Визуализированные области височной кости отмечены серым цветом, отрицательный объем височно-нижнечелюстного сустава – желтым (распознано вручную) и зеленым (сгенерировано алгоритмом). Виды: (а) аксиальный, снизу; (b) аксиальный, под наклоном; (c) сбоку; (d) сверху / ©Кристина Беликова и другие / Scientific Reports

Используя около пяти тысяч изображений, предоставленных коллегами из Университета Павлова (КТ 50 пациентов), исследователи Сколтеха обучили нейронную сеть 3D-сегментированию ВНЧС настолько хорошо, что теперь при использовании машины она выполняет работу не только значительно быстрее, но и качественнее, чем медики. Это делает ее отличным диагностическим инструментом, который экономит время и избавляет от необходимости вкладываться в обучение персонала и дорогостоящее программное обеспечение для 3D-визуализации.

Нейронная сеть определяет местоположение височной кости и нижней челюсти и приступает к реконструкции трехмерного объема между ними на основе КТ-срезов ВНЧС (рисунок 3). Для этого она постепенно увеличивает объем нижней челюсти, пока он не займет все свободное пространство в полости сустава. Согласно заявке на патент, поданной командой, новая модель применима для диагностики повреждений и дефектов в контексте, выходящем далеко за рамки исследования ВНЧС и вообще медицины. Новый метод будет работать как с другими суставами, например коленным, так и с искусственными структурами в машиностроении, например поршнями и цилиндрами в двигателе.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 11:09
Сергей Васильев

Венерины мухоловки регистрируют до пяти стимуляций чувствительных волосков, чтобы захлопнуть свою ловушку и начать переваривание. Но уникальный мутант Dyscalculia не может «считать» даже до двух. Ученые показали, что это связано с нарушением восприятия ионов кальция.

Вчера, 16:24
Анна Новиковская

Сегодня популяции многих видов пчел в упадке, и британские исследователи предложили еще один способ спасти этих насекомых: превратить часть кирпичей в стенах домов в «мини-ульи».

Позавчера, 17:19
Александр Березин

Игру 2013 года и выходящий с января 2023 года сериал по ней часто принимают за научную фантастику. То есть произведение, основанное на предположениях, не противоречащих науке. Однако вряд ли дело обстоит таким образом. Проблема в том, что создатели мира The Last of Us слишком некритично подошли как к научному фундаменту, на котором основан их мир постапокалипсиса, так и к тому, что думает наука о самой реальности «постапов». Naked Science пробует разобраться в деталях.

Вчера, 11:09
Сергей Васильев

Венерины мухоловки регистрируют до пяти стимуляций чувствительных волосков, чтобы захлопнуть свою ловушку и начать переваривание. Но уникальный мутант Dyscalculia не может «считать» даже до двух. Ученые показали, что это связано с нарушением восприятия ионов кальция.

Вчера, 16:24
Анна Новиковская

Сегодня популяции многих видов пчел в упадке, и британские исследователи предложили еще один способ спасти этих насекомых: превратить часть кирпичей в стенах домов в «мини-ульи».

Позавчера, 17:19
Александр Березин

Игру 2013 года и выходящий с января 2023 года сериал по ней часто принимают за научную фантастику. То есть произведение, основанное на предположениях, не противоречащих науке. Однако вряд ли дело обстоит таким образом. Проблема в том, что создатели мира The Last of Us слишком некритично подошли как к научному фундаменту, на котором основан их мир постапокалипсиса, так и к тому, что думает наука о самой реальности «постапов». Naked Science пробует разобраться в деталях.

10 января
Алиса Гаджиева

Исследователи, изучающие систему обороны Великой стены, обнаружили следы более 130 секретных сквозных проходов и полагают, что это только начало.

25 января
Василий Парфенов

Пока фанаты SpaceX увлеченно следят за достижениями компании, астрономы грустно наблюдают, как их работа становится сложнее с каждым запуском спутников Starlink. Прогресс не проходит без жертв. Поэтому различные научные ассоциации ищут способы снизить негативное влияние множества новых рукотворных объектов в околоземном пространстве на качество данных, получаемых телескопами. Некоторые решения со стороны выглядят экстремальными — например, теперь лазеры для корректировки адаптивной оптики можно не выключать, если в поле зрения есть спутник Starlink. А это десятки ватт излучения!

5 января
Александра Медведева

Биологи показали, что нейронные сети гиппокампа, ответственные за пространственное восприятие, изменяются не линейным образом, а в соответствии с гиперболической геометрией. То есть мозг представляет пространство в форме расширяющихся песочных часов. Результаты исследования могут иметь значение для лучшего понимания различных нейродегенеративных расстройств.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: