• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
29.09.2021
Сколтех
1 639

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
Предстоящие мероприятия
Позавчера, 19:13
Василий Парфенов

Космическую компанию Илона Маска в шутку иногда называют пиротехнической — так часто ее изделия взрываются во время испытаний. Пара свежих инцидентов на тестовом полигоне в городе Макгрегор лишь подтверждают эту славу. Не успели фанаты космонавтики наладить онлайн-трансляцию из этой локации, как запечатлели сразу два взрыва подряд с промежутком всего в десятки часов.

Позавчера, 10:12
Сергей Васильев

Всемирная сеть детекторов космических частиц позволит синхронизировать часы с огромной точностью, а в перспективе может стать альтернативной системой глобальной навигации.

Позавчера, 11:09
Мария Азарова

В Национальном управлении по аэронавтике и исследованию космического пространства Соединенных Штатов считают, что антироссийские санкции не отразились на работе МКС, однако создали трудности для американцев, работающих в России.

Позавчера, 19:13
Василий Парфенов

Космическую компанию Илона Маска в шутку иногда называют пиротехнической — так часто ее изделия взрываются во время испытаний. Пара свежих инцидентов на тестовом полигоне в городе Макгрегор лишь подтверждают эту славу. Не успели фанаты космонавтики наладить онлайн-трансляцию из этой локации, как запечатлели сразу два взрыва подряд с промежутком всего в десятки часов.

12 мая
Мария Азарова

Авторы нового исследования проверяли, насколько выполнение второстепенного задания влияет на аргументы, которые выдвигали люди, говорящие правду или неправду.

13 мая
Алиса Гаджиева

Один из самых археологически изученных ландшафтов в мире до сих преподносит сюрпризы.

21 апреля
Александр Березин

Местные чиновники пытаются переложить ответственность за случившееся на резкое уменьшение турпотока из-за коронавируса, но цифры показывают, что ключевая проблема совсем в другом. В 2019 году на выборах в этой стране победил президент — сторонник модных зеленых идей. Вскоре там запретили продажу минеральных удобрений и двинулись к «устойчивому сельскому хозяйству». Как именно популярные «органические» идеи повлияли на еще не так давно быстро растущую местную экономику? И почему уроки шри-ланкийской трагедии могут пригодиться даже Западу и России?

26 апреля
Василий Парфенов

Крупнейшие патентные ведомства мира десятилетиями или веками принципиально игнорируют любые конструкции, нарушающие начала термодинамики. С точки зрения здравого смысла это хорошо, но конспирологи и гении-самоучки считают иначе. По их мнению, такая политика стала результатом заговора (подставьте сюда любое вымышленное или не очень секретное общество либо лобби). Что ж, похоже, Роспатент встал на их сторону.

27 апреля
Александра Медведева

С помощью GPS-трекинга ученые проследили за перемещениями целой популяции домашних кошек в небольшом норвежском городке. Оказалось, питомцы редко уходят от дома далее 50 метров и почти не совершают длительных прогулок.

[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: