Определение объемных характеристик динамических медицинских объектов

Задача восстановления 3D-характеристик движущихся объектов на медицинских изображениях разрешима средствами, используемыми при восстановлении стереопары. Однако существуют некоторые ограничения для изменения формы и траектории движения объекта. В данной работе исследуются решения для точек постоянны...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
Hauptverfasser:	Недзьведь, О.В., Абламейко, С.В., Белоцерковский, А.М.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України 2010
Schriftenreihe:	Штучний інтелект
Schlagworte:	Интеллектуальные интерфейсы и распознавание образов. Системы цифровой обработки изображений
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/58405
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Определение объемных характеристик динамических медицинских объектов / О.В. Недзьведь, С.В. Абламейко, А.М. Белоцерковский // Штучний інтелект. — 2010. — № 4. — С. 262-270. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-58405
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-584052014-03-24T03:01:37Z Определение объемных характеристик динамических медицинских объектов Недзьведь, О.В. Абламейко, С.В. Белоцерковский, А.М. Интеллектуальные интерфейсы и распознавание образов. Системы цифровой обработки изображений Задача восстановления 3D-характеристик движущихся объектов на медицинских изображениях разрешима средствами, используемыми при восстановлении стереопары. Однако существуют некоторые ограничения для изменения формы и траектории движения объекта. В данной работе исследуются решения для точек постоянных в объекте, по которым выполняется восстановление объема объекта. Завдання відновлення 3D-характеристик рухомих об’єктів на медичних зображеннях вирішуване засобами, використовуваними при відновленні стереопари. Проте існують деякі обмеження для зміни форми і траєкторії руху об’єкта. У даній роботі досліджуються рішення для точок постійних в об’єкті, за якими виконується відновлення об’єму об’єкта. A new techniques is presented in order to reconstruct 3D-object surface from several closed, in general, nonplanar curves, including contours that were outlined manually. 2D distance map was used to reconstruct object of a different shapes. Branching problem is also discussed. 2010 Article Определение объемных характеристик динамических медицинских объектов / О.В. Недзьведь, С.В. Абламейко, А.М. Белоцерковский // Штучний інтелект. — 2010. — № 4. — С. 262-270. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1561-5359 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/58405 004.93'1 004.932 ru Штучний інтелект Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Интеллектуальные интерфейсы и распознавание образов. Системы цифровой обработки изображений Интеллектуальные интерфейсы и распознавание образов. Системы цифровой обработки изображений
spellingShingle	Интеллектуальные интерфейсы и распознавание образов. Системы цифровой обработки изображений Интеллектуальные интерфейсы и распознавание образов. Системы цифровой обработки изображений Недзьведь, О.В. Абламейко, С.В. Белоцерковский, А.М. Определение объемных характеристик динамических медицинских объектов Штучний інтелект
description	Задача восстановления 3D-характеристик движущихся объектов на медицинских изображениях разрешима средствами, используемыми при восстановлении стереопары. Однако существуют некоторые ограничения для изменения формы и траектории движения объекта. В данной работе исследуются решения для точек постоянных в объекте, по которым выполняется восстановление объема объекта.
format	Article
author	Недзьведь, О.В. Абламейко, С.В. Белоцерковский, А.М.
author_facet	Недзьведь, О.В. Абламейко, С.В. Белоцерковский, А.М.
author_sort	Недзьведь, О.В.
title	Определение объемных характеристик динамических медицинских объектов
title_short	Определение объемных характеристик динамических медицинских объектов
title_full	Определение объемных характеристик динамических медицинских объектов
title_fullStr	Определение объемных характеристик динамических медицинских объектов
title_full_unstemmed	Определение объемных характеристик динамических медицинских объектов
title_sort	определение объемных характеристик динамических медицинских объектов
publisher	Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Интеллектуальные интерфейсы и распознавание образов. Системы цифровой обработки изображений
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/58405
citation_txt	Определение объемных характеристик динамических медицинских объектов / О.В. Недзьведь, С.В. Абламейко, А.М. Белоцерковский // Штучний інтелект. — 2010. — № 4. — С. 262-270. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Штучний інтелект
work_keys_str_mv	AT nedzʹvedʹov opredelenieobʺemnyhharakteristikdinamičeskihmedicinskihobʺektov AT ablamejkosv opredelenieobʺemnyhharakteristikdinamičeskihmedicinskihobʺektov AT belocerkovskijam opredelenieobʺemnyhharakteristikdinamičeskihmedicinskihobʺektov
first_indexed	2025-07-05T09:35:37Z
last_indexed	2025-07-05T09:35:37Z
_version_	1836799112830255104
fulltext	«Искусственный интеллект» 4’2010 262 4Н УДК 004.93'1;004.932 О.В. Недзьведь1,2, С.В. Абламейко1,3, А.М. Белоцерковский1 1Объединенный институт проблем информатики НАН РБ, г. Минск abelotser@newman.basnet.by 2Белорусский государственный медицинский университет, г. Минск Olga_Nedzved@tut.by 3Белорусский государственный университет, г. Минск abl@bsu.by Определение объемных характеристик динамических медицинских объектов Задача восстановления 3D-характеристик движущихся объектов на медицинских изображениях разрешима средствами, используемыми при восстановлении стереопары. Однако существуют некоторые ограничения для изменения формы и траектории движения объекта. В данной работе исследуются решения для точек постоянных в объекте, по которым выполняется восстановление объема объекта. Введение Современное развитие медицинских приложений часто опирается на анализ и обработку изображений. Существует целый ряд приложений по анализу трехмерных изображений и структур. Однако большинство оборудования для ввода медицинских изображений основано на одном видеодатчике, т.е. исходным для анализа является одно изображение. В случае движения объекта можно использовать его смещение как дополнительное изображение при построении стереопары. В основе любой системы стереореконструкции лежит некоторый метод установле- ния соответствия между точками или фрагментами двух изображений стереопары, отвечающих одним и тем же элементам сцены. В результате сравнения соответствую- щих (сопряженных) пар мы получаем так называемое поле диспаратности – смещений точек на изображениях, связанных с рельефом сцены. Поле диспаратности с учетом геометрии съемки используется для восстановления трехмерной сцены. Под геометрией съемки понимают расположение и ориентацию камер, используемых для получения стереопары. Также при восстановлении используются параметры поля зрения, усло- вия съемки и характеристики регистрирующей аппаратуры [1]. Задача трехмерной реконструкции медицинского движущегося объекта имеет ряд особенностей, требующих специфических методов решения. Это связано в первую очередь с диффузным, слабоконтрастным характером границ, а также со сложным выделением самого объекта. Кроме того, такого типа сцена динамична и не позволяет выполнить требуемую синхронную стереосъемку. Таким образом, задачи стереомони- торинга медицинских объектов нуждаются в разработке новых средств 3D-рекон- струкции и формулировке требований к системам стереосъемки на базе оценки их потенциальных возможностей. Данная статья посвящена анализу качества стерео- реконструкции медицинских динамических объектов при различных параметрах геометрии наблюдения. Определение объемных характеристик динамических медицинских объектов «Штучний інтелект» 4’2010 263 4Н Основные понятия стереореконструкции Стереопа́ра [2] – пара плоских изображений одного и того же объекта, имеющая различия между изображениями, призванные создать эффект объёма. Эффект возникает в силу того, что расположенные на разном удалении от наблюдателя части сюжета при просмотре с разных точек имеют различное угловое смещение (параллакс). Объекты с нулевым параллаксом наблюдаются с углом конвергенции φ0 и воспринимаются расположенными на удалении носителя изображения. Объекты с отрицательным параллаксом наблюдаются с углом конвергенции φ1 и кажутся выступающими вперед; объекты с положительным параллаксом наблюдаются с углом конвергенции φ2 и как находящиеся за плоскостью изображения. Природа этого явления заключается в способности системы «глаза-мозг» обраба- тывать зрительную информацию в некотором диапазоне ∆φ (∆φ = φ1 – φ2) угла конвергенции и объединять изображения в единый объемный образ. Максимальный диапазон ∆φ составляет несколько градусов. Если параллакс изображений на стерео- фотографии превышает способности мозга по слиянию изображений, то комфортность просмотра нарушается, наблюдается двоение изображений. Поэтому при выполнении стереофотосъемки важно правильно выбирать величину стереобазиса [3]. Стереобазис – расстояния между точками съемки левого и правого кадра. Эта величина зависит от расстояния до фотографируемого объекта и может быть примерно вычислена по формуле: B = 0,03*D, где B – базис стереосъемки, D – расстояние до ближайшего объекта фотографируемой сцены. Коэффициент 0,03 обусловлен углом схождения зрительных осей (примерно 1-2), который обеспечивает оптимальные условия для наблюдения стереоэффекта [3]. Существуют два основных метода получения стереопары – параллельный и направ- ленный методы фотосъемки. При параллельном способе направление оптической оси объектива не меняется, однако полученным при этом фотографиям требуется допол- нительная обработка, называемая компенсационным сдвигом. Рисунок 1 – Схема работы стереопары Компенсационным сдвигом называется относительное смещение изображений стереопары с целью достижения нулевого параллакса на одном из объектов съемки. При этом стереопарой является только та часть изображения, которая находится в зоне пересечения двух исходных изображений. Параллельный метод благодаря своей простоте является наиболее часто используемым. При получении стереопар Недзьведь О.В., Абламейко С.В., Белоцерковский А.М. «Искусственный интеллект» 4’2010 264 4Н таким способом далеко расположенные объекты не смещаются и на обоих кадрах находятся на одном и том же месте. Смещаются только объекты, расположенные на переднем плане, поэтому параллакс наблюдается только для переднего плана. Второй способ получения стереоизображения – направленный – требует поворот камеры, однако полученные изображения обычно не требуют дополнительной обра- ботки. Данный способ практически не реализуем для систем с одним датчиком видеозахвата. Стереопара является исчерпывающим условием метрической реконструкции самых непредвиденных сложных объектов. Для этого необходимо знать фокусные расстояния, базу съемки и обеспечить параллельность осей, совпадение плоскостей кадров и синхронность работы затворов системы видеозахвата. Положение объектов на изображении 3D-информация определяется на основе данных движения объекта. Обычно движение отображается с помощью последовательности изображений, захваченных через определенное время (рис. 2). Чаще всего оптическая ось системы, в которой полу- чается изображение, сдвинута, в результате получается сложная оптическая система. Первое изображение Анализируемый объект Центр оптической оси Второе изображение Анализируемый объект Центр оптической оси Рисунок 2 – Схема работы стереопары Данная стереопара является не совсем обычной. В нашем случае камера одна, а изображений два. В результате получается обратная стереопара (рис. 3). A BC D Рисунок 3 – Оптическая схема для движущегося объекта: A – камера, B – начальное положение объекта, C – конечное положение объекта, D – оптическая ось системы Определение объемных характеристик динамических медицинских объектов «Штучний інтелект» 4’2010 265 4Н В результате задача определения расстояния сводится к задаче для стереопары посредством определения оптической оси, обмена изображений стереопары местами и некоторых небольших дополнений. Определение параметров оптической системы Параметры оптической системы определяются согласно правилам обратной стереопары (рис. 3). И самой сложной проблемой является определение положения главной оптической оси. Для решения этой проблемы разработан специализированный алгоритм на основе анизотропии изображения. Для каждой локальной области рассчитываются характеристики анизотропии градиента яркости, которые отражают общее направление в изображении, сформиро- ванное мини-тенями, присутствующими на изображении (рис. 4). В результате строится карта для всего изображения с модулем значений коэф- фициента анизотропии. В точке прохождения оптической оси значение минимально. Рисунок 4 – Заданная локальная область, график анизотропии для нее. Карта значений анизотропии для всего изображения Однако далеко не всегда данный метод позволяет определить точное положение оси. В случае сложных объектов, имеющих собственную оптическую анизотропию, данный способ не работает. Для решения этой проблемы необходимо выделить объекты и определить положение тени для них. Для каждого объекта определяется направление малой оси анизотропии. Точка прохождения оптической оси через изображение определяется пересечением малых осей анизотропии (рис. 5). Рисунок 5 – Совмещенное изображение стерепары и пересечение направления малых осей анизотропии для каждого динамического объекта Недзьведь О.В., Абламейко С.В., Белоцерковский А.М. «Искусственный интеллект» 4’2010 266 4Н Определение динамических объектов и их положения Существует множество алгоритмов выделения динамических объектов на изоб- ражениях, но большинство из них основано на определении фона и его разности с текущим изображением. Самым простым способом определения фона является построение гистограммы для каждого пикселя изображения (рис. 6). Представим последовательность изображений в виде куба. Можно построить гистограмму по линии, пересекающей все изображения последовательности с заданными вертикальными и горизонтальными координатами. На этой гистограмме определяется медиана – наиболее часто встречаемое значение, которое присваивается соответству- ющему пикселю фона (рис. 7). В результате формируется изображение фона. Данное изображение практически имеет небольшую погрешность, которая формируется при наложении шумов камеры на динамические изменения в изображении. Данные шумы имеют небольшую вели- чину и убираются медианной фильтрацией с растром в пять пикселей. Профиль линии пикселя Рисунок 6 – Поиск значения пикселя фона Рисунок 7 – Синтезированное изображение фона При наличии изображения фона положение динамических объектов легко определить, рассчитав модуль разницы между изображениями (рис. 8). Определение объемных характеристик динамических медицинских объектов «Штучний інтелект» 4’2010 267 4Н Рисунок 8 – Исходное изображение и модуль его разницы с фоном Для определения положения объекта необходимо провести бинаризацию полу- ченной разницы. Бинаризация проводится методом пороговой сегментации Отсу [4]. Цель этого метода состоит в том, чтобы выбрать порог, который минимизирует отношение объединенной дисперсии к дисперсии между классами, определяемыми разбиением гистограммы на пороги. В результате получается изображение с большим набором разнотипных объектов. Поэтому для их классификации проводится определе- ние геометрических свойств, объекты, не попадающие в определенный интервал гео- метрических характеристик, удаляются (рис. 9). Дефекты формы объектов корректи- руются посредством морфологических операций и заливания. Рисунок 9 – Бинарная обработка образа динамического объекта: а) пороговая сегментация, б) удаление объектов по геометрическим характеристикам, в) морфологическая обработка образа объекта По бинарному образу объекта определяется центр масс, минимальные и макси- мальные координаты, координаты контура объекта и площадь. Данные характерис- тики участвуют в определении параметров системы стереопары, по которой прово- дится объемная реконструкция объекта. Коррекция результатов реконструкции по стереопаре Небольшие тени и углы в стереопаре на цитологических препаратах приводят к тому, что реконструкция выполняется не совсем качественно. Особые оптические свойства мембран обусловлены их главными особенностями: дисперсностью и гетерогенностью. На оптические свойства таких систем в значитель- ной степени влияют размер и форма. Прохождение света через мембрану сопровожда- ется такими явлениями, как поглощение, отражение, преломление и рассеяние света. Преобладание какого-либо из этих явлений определяется соотношением между раз- Недзьведь О.В., Абламейко С.В., Белоцерковский А.М. «Искусственный интеллект» 4’2010 268 4Н мером мембраны в дисперсной фазе и длиной волны падающего света. В мембранах размеры ее частиц сравнимы с длиной волны видимого света, что предопределяет рассеяние света за счёт дифракции световых волн. Светорассеяние в мембранах проявляется в виде опалесценции – матового свечения (обычно голубоватых оттенков), которое хорошо заметно на тёмном фоне при боковом освещении. Причиной опалесценции является рассеяние света на частицах, составляющих мембрану, за счёт дифракции. Процесс дифракционного светорассеяния на частицах мембраны, размер которых значительно меньше длины волны, описывается уравнением Рэлея, связывающим интенсивность рассеянного единицей объёма света I с числом частиц в единице объёма ν, объёмом частицы V, длиной волны λ и амплитудой А падающего излучения и показателями преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды n1 и n2 соответственно: 2 22 2 2 1 2 4 2 2 1 2 24 n nV AI n n νπ λ  − =  +  Из уравнения видно, что, чем меньше длина волны падающего излучения, тем больше будет рассеяние, а также следует отметить зависимость интенсивности освещения от размера частиц, составляющих мембрану. Отсюда следует, что отно- шение интенсивностей пропорционально отношению диаметров в кубе. Следовательно, для коррекции вертикального размера образа клетки необходимо умножить его на корень кубический из отношения интенсивностей: 3 ,old b I H h I = где H – новая высота для пикселя, hold – высота, рассчитанная на основе характеристик стереопары, I – значение яркости пикселя, Ib – значение яркости пикселя на изобра- жении фона. Общее описание алгоритма В целом для определения объемных свойств динамических объектов на меди- цинских изображениях необходимо решить следующие задачи: 1) определение оптических параметров системы; 2) выделение динамических объектов; 3) вычисление положения и геометрических характеристик объектов; 4) определение постоянных частей динамических объектов; 5) вычисление параметров стереопары; 6) определение объемных характеристик и 3D-реконструкция объекта. В результате алгоритм можно представить в виде схемы (рис. 10). Разумеется, эти задачи могут быть дополнены калибровкой изображения и предобработкой. Однако калибровка выполняется предварительно при настройке оп- тической системы, а предобработка является сугубо частной задачей и сильно зави- сит от параметров исходного изображения. Поэтому эти задачи не вошли в указан- ную схему. Определение объемных характеристик динамических медицинских объектов «Штучний інтелект» 4’2010 269 4Н Заключение Разработанный алгоритм позволяет получить объемный образ динамических меди- цинских изображений на основе принципа работы стереопары. Дополнение методики стереопары дополнительными алгоритмами сегментации динамических объектов, опре- деления оптической оси и коррекции высот позволяет использовать этот алгоритм для работы с такими сложными объектами, как динамические объекты в цитологии (рис. 11). Использование комбинаций этих принципов позволило быстро и эффективно опреде- лить реальные значения расстояний контура клеток и сохранить значения всех исход- ных расстояний. Поэтому данный алгоритм наиболее эффективен для использования его в задачах, связанных с анализом микроскопических объектов. Рисунок 10 – Результат трехмерной реконструкции с помощью 20 промежуточных слоев Получение изображений стереопары Определение фона Выделение динамических объектов Вычисление характеристик Вычисление оптической оси Коррекция оптической оси Определение характеристик системы стереопары 3D-реконструкция Коррекция высот Вычисление объема Недзьведь О.В., Абламейко С.В., Белоцерковский А.М. «Искусственный интеллект» 4’2010 270 4Н Рисунок 11 – Изображение стереопары и восстановленные 3D-объекты Полученные результаты будут способствовать развитию аналитического програм- много обеспечения цитологических методов для правильного расчета данных по динамике регрессии эволюции клеточных образований. Работа направлена на улучшение информационного содержания данных динамических объемных объектов в медицине и биологии и позволяет получить новые характеристики для их более точного описания. Работы выполнялись в рамках проекта ISTC B-1489. Литература 1. Treece G. Volume Measurement and Surface Visualization in Sequential Freehand 3D Ultrasound / G. Treece // PhD thesis Univer. of Cambridge, Department of Engineering. – 2000. – 183 p. 2. Стереопара [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http://ru.wikipedia.org/wiki/Стереопара 3. Поляков А.Ю. Третье измерение фотографии [Электронный ресурс] / А.Ю. Поляков. – Режим доступа : http://3dmasterkit.ru/articles/article_1/ 4. A survey of thresholding techniques / [P.K. Sahoo, S. Soltani, A.K.C. Wong, Y.C. Chen] // Computer Vision, Graphics and Image Processing. – 1988. – № 41. – Р. 233-260. 5. Nedzved A. Extraction of nerve cells in images with herpetic infections / A. Nedzved, S. Ablameyko, E. Ocze- retko // Annales Academiae Medicae Bialostocensis. – 2005. – № 50. – Р. 284-288. 6. Svensson S. / G. Sanniti di Baja // Image and Vision Computing. – 2002. – Vol. 20 (8). – Р. 529-540. О.В. Недзьведь, С.В. Абламейко, А.М. Бєлоцерковський Визначення об’ємних характеристик динамічних медичних об’єктів Завдання відновлення 3D-характеристик рухомих об’єктів на медичних зображеннях вирішуване засобами, використовуваними при відновленні стереопари. Проте існують деякі обмеження для зміни форми і траєкторії руху об’єкта. У даній роботі досліджуються рішення для точок постійних в об’єкті, за якими виконується відновлення об’єму об’єкта. O.Nedzvedz, S. Ablameyko, A. Belotserkovsky Detection Volume Characteristics of Dynamic Objects in Medicine A new techniques is presented in order to reconstruct 3D-object surface from several closed, in general, non- planar curves, including contours that were outlined manually. 2D distance map was used to reconstruct object of a different shapes. Branching problem is also discussed. Статья поступила в редакцию 26.06.2010.

Определение объемных характеристик динамических медицинских объектов

Institution

Ähnliche Einträge