بخشی از مقاله
چکیده - در این تحقیق روشی ساده و انعطاف پذیر بر مبناي تکنیک مدلهاي توزیع شده نقطهایی براي بیان تغییرات شکل و ظاهر ریه و قلب در تصاویر رادیوگرافی قفسه سینه ارایه شده است. در این راستا، محدوده مرزي این اعضا در تصاویر توسط مجموعهایی از نقاط راهنما مشخص شده و پراکندگی تغییرات از تفاوت نحوهي توزیع این نقاط راهنما بین میانگین اشکال و شکل هر عضو در هر تصویر تعیین شده است. روش پیشنهاد شده بهینه و داراي پیچیدگی محاسباتی خطی است. در بسیاري از الگوریتمهاي اتوماتیک قطعهبندي این روش میتواند جهت تعیین تخمیین اولیه براي شروع جستجو و تشخیص سرطان مورد استفاده قرار گیرد. کاهش قابل ملاحظه در حجم محاسبات و زمان اجراي الگوریتم قطعهبندي از مزایاي استفاده از این روش میباشد.
-1 مقدمه
اندام و اعضاي بدن در بین انسانهاي مختلف از نظر اندازه - Size - ، شکل - Shape - و ظاهر - Appearance - با یکدیگر تفاوت دارند. به همین علّت تشخیص، تحلیل و جداسازيِ اتوماتیک عضو خاصی مثل ریه یا قلب در تصاویر پزشکی توسط سیستمهاي تشخیص پزشکی مبتنی بر کامپیوتر - Computer- Aided Diagnosis - بسیار دشوار می- باشد. به منظور رفع این مشکل، تغییرات اندازه، شکل و ظاهر عضو مورد نظر توسط روشهاي مختلفی بیان میشود. بدین منظور تاکنون روشهاي گوناگونی ارایه شده است.
در مراجع [3-1] روشهایی کلی به منظور مدل کردن این تغییرات ارایه شده است که در کاربردهاي پزشکی نظیر این تحقیق قابل استفاده نمیباشند. همچنین در مراجع [7-4] روشهاي خاص منظوره مطرح شدهاند که با وجود کارایی بالا قابل تعمیم به کاربردهاي دیگر نبوده، زیرا در این روش- ها نیاز است تا قالبی - Template - جداگانه براي هر کاربرد خاص به صورت دستی توسط طراح تعریف شود. در این مقاله به منظور مدلسازي تغییرات شکل و ظاهر ریه و قلب از روشی با عنوان مدلهاي توزیع شده نقطهاي - Point Distribution Models - استفاده شده است.
این روش پیچیدگی محاسباتی خطی دارد و در کاربردهاي پزشکی عملکرد بسیار خوبی دارد. در این روش محدودهي مرزي - Boundary - عضو مورد نظر در هر تصویر از دیتاست توسط تعدادي نقاط راهنما - Landmark - بیان میگردد. در ادامه، مجموعه نقاط راهنما در تمام تصاویر با یکدیگر همتراز - Aligned - شده که هدف آن همتراز کردن نقاط مشابه تصاویر مختلف در یک مختصات واحد است .[8] در نهایت پارامترهاي مدل محاسبه میشوند که شامل میانگین محل قرارگیري - Mean Position - نقاط راهنما و بردارهایی میشوند که پراکندگی تغییرات را توصیف می- کنند. این مدل در بسیاري از روشهاي قطعهبندي مانند Active Shape Model به منظور جداسازي اعضاي بدن و در نهایت تشخیص سرطان کاربرد دارد .[11-9]
-2 دیتاست
به منظور اینکه روش ارایه شده به اندازه کافی انعطاف پذیر بوده و جنبههاي گوناگون تغییرات را بیان کند، باید از دیتاست مناسب و نسبتاً بزرگی استفاده شود. با توجه به اینکه هریک از تصاویر موجود در مجموعه داده در مشخصات مدل نهایی تأثیر گذار است، تصاویر موجود در دیتاست باید با دقّت ویژهایی انتخاب گردند. در این مقاله از دیتاست JSRT استفاده شده است که شامل 247 تصویر رادیوگرافی قفسه سینه است .[12]
این تصاویر از سیزده مؤسسه در ژاپن و یک مؤسسه در امریکا تهیه شدهاند. ابعاد تصاویر 2048 در 2048 میباشد. اندازه هر پیکسل 0.175 میلیمتر است و سطح خاکستري دوازده بیتی دارد. این تصاویر به دو بخش تصاویر نرمال و تصاویر غیرنرمال تقسیم شدهاند. 154 تصویر دقیقاً داراي یک غده - Nodule - و 93 تصویر هیچگونه غدهاي ندارند. شکل 1 یک نمونه از تصاویر موجود در دیتاست JSRT را نشان میدهد.
-3 نقاط راهنما
به منظور مدل کردن شکل یک عضو خاص مثلاً ریه، محدوده مرزي آن در هر تصویر با تعدادي نقاط راهنما بیان میشود. تعیین تعداد نقاط راهنما و مشخص کردن - Labelling - محل دقیق آنها بسیار مهم میباشد. تعداد نقاط راهنما باید به گونهایی انتخاب شود که سرتاسر شکل و جزئیات مورد نیاز پوشش داده شود. نقاط راهنما در هر تصویر باید با دقّت در محل مناسب قرار گیرند، همچنین باید ترتیب قرار دادن آنها در تمام تصاویر با یکدیگر مشابه باشد. این کار فرآیندي بسیار زمانبر و نیازمند نظارت متخصصین است.
در این مقاله براي تعیین محدوده مرزي ریه و قلب از دیتاست SCR استفاده شده است .[13] این دیتاست به دو بخش تصاویر نرمال و غیرنرمال دقیقاً معادل با تصاویر دیتاست JSRT تقسیم شدهاست. دیتاست SCR نواحی مرزي را براي این اعضا در تمام تصاویر دیتاست JSRT مشخص کرده است. این دیتاست توسط یک رادیولوژیست و یک متخصص کامپیوتري فراهم شده است. 50، 44، 26، 23 و 23 نقطهي راهنما به ترتیب براي ریه چپ و راست، قلب، ترقوه چپ و راست در نظر گرفته شده است. نواحی مرزي مربوط به ریه، قلب و ترقوه را در یک تصویر نمونه از دیتاست JSRT نشان میدهد.
اگرچه تعیین محل دقیق نقاط راهنما در این مجموعه داده به صورت دستی انجام شده استاما ساخت مدل نهایی و محاسبه میزان پراکندگی تغییرات، به صورت اتوماتیک انجام میگیرد. مدلی که در نهایت ساخته میشود تا تغییرات شکل موردنظر را توصیف کند، بر اساس تغییرات محل - Pose Variations - نقاط راهنما در کل دیتاست حاصل میشود. به عبارت دیگر هر نقطه راهنما در فضاي کل تصاویر دیتاست داراي یک توزیع معین میباشد. به دلیل اینکه مدل نهایی توسط همین نقاط راهنما بیان می- شود آن را مدل توزیع شدهي نقطهایی مینامند.
-4 مدلسازي تغییرات شکل ریه و قلب
-1-4 همترازسازي تصاویر
به منظور اینکه نقاط مشابه در تصاویر مختلف با هم قابل مقایسه باشند، باید این نقاط با در نظر گرفتن محور- هایی یکسان با یکدیگر همتراز گردند. در صورتیکه این تنظیمات انجام نشود، مقایسه دو تصویر مختلف با یکدیگر امکان پذیر نخواهد بود. این تنظیمات از طریقاعمال چرخش - Rotating - ، مقیاس - Scaling - و انتقال - Translating - روي تصاویر بدست میآید، و هدف آن این است که تا حد ممکن تصاویر را به هم شبیه سازد. از طرف دیگر، همترازسازي باعث میگردد که مجموع مربعات فاصله بین تقاط مشابه در تصاویر مختلف حداقل شود.
