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JP6070377B2 - Boundary identification device, boundary identification method, program, and recording medium - Google Patents

Boundary identification device, boundary identification method, program, and recording medium Download PDF

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JP6070377B2 JP2013081628A JP2013081628A JP6070377B2 JP 6070377 B2 JP6070377 B2 JP 6070377B2 JP 2013081628 A JP2013081628 A JP 2013081628A JP 2013081628 A JP2013081628 A JP 2013081628A JP 6070377 B2 JP6070377 B2 JP 6070377B2
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Description

本発明は、画像の位置空間に含まれる領域の境界を特定する境界特定装置及び境界特定方法に関する。また、そのような境界特定装置としてコンピュータを動作させるためのプログラム、及び、そのようなプログラムが記録されているコンピュータ読み取り可能な記録媒体に関する。なお、画像の位置空間に含まれる領域の特定は、画像領域分割と呼ばれることもある。   The present invention relates to a boundary specifying device and a boundary specifying method for specifying a boundary of a region included in a position space of an image. The present invention also relates to a program for operating a computer as such a boundary identification device, and a computer-readable recording medium in which such a program is recorded. The specification of the area included in the position space of the image is sometimes called image area division.

CT(Computed Tomography)、MRI(Magnetic Resonance Imaging)、共焦点レーザ顕微鏡などで撮影された3次元画像から様々な情報(形状、体積、トポロジー等)を取り出すためには、臓器や骨格などの観察対象物に対応する領域を画像から抽出する必要がある。このため、これらの領域の境界を特定する様々な特定手法が開発されている。例えば、非特許文献1〜2に記載の陰関数曲面再構成法(Implicit surface reconstruction)は、その一例である。   To extract various information (shape, volume, topology, etc.) from 3D images taken with CT (Computed Tomography), MRI (Magnetic Resonance Imaging), confocal laser microscope, etc. It is necessary to extract a region corresponding to an object from an image. For this reason, various identification methods for identifying the boundary between these regions have been developed. For example, Implicit surface reconstruction described in Non-Patent Documents 1 and 2 is an example.

陰関数曲面再構成法においては、ユーザにより指定された点pを通り、ユーザにより指定されたベクトルnを法線ベクトルとする境界を、f(p)=0、f(p+εn)=e、及び、f(p−εn)=−eを満たすスカラー場fのゼロレベルセットとして特定する。   In the implicit surface reconstruction method, f (p) = 0, f (p + εn) = e, and a boundary passing through a point p designated by the user and having a vector n designated by the user as a normal vector, , F (p−εn) = − e is specified as a zero level set of the scalar field f.

G. Turk, et.al, "Modeling with implicit surfaces that interpolate", ACM TOG 21, 4(2002), 855-873.G. Turk, et.al, "Modeling with implicit surfaces that interpolate", ACM TOG 21, 4 (2002), 855-873. F. Heckel, et.al, "Interactive 3D medial image segmentation with energy-minimizing implicit function", VCBM 35, 2(2011), 275-287F. Heckel, et.al, "Interactive 3D medial image segmentation with energy-minimizing implicit function", VCBM 35, 2 (2011), 275-287

しかしながら、従来の陰関数曲面再構成法には、対象領域(観察対象物に対応する領域)の境界を正確に表現するゼロレベルセットを導出することが困難であるという問題があった。   However, the conventional implicit function curved surface reconstruction method has a problem that it is difficult to derive a zero level set that accurately represents the boundary of a target region (a region corresponding to an observation target).

例えば、対象領域の境界は、画像のエッジ(画像の勾配強度が大きい部分)に沿って存在するが、従来の陰関数曲面再構成法により特定される境界は、ユーザにより指定された点pから離れたところで画像のエッジに沿わない。何故なら、従来の陰関数曲面再構成法では、スカラー場fが画素値を参照することなく生成されているからである。   For example, the boundary of the target area exists along the edge of the image (the portion where the gradient strength of the image is large), but the boundary specified by the conventional implicit function curved surface reconstruction method starts from the point p specified by the user. It does not follow the edge of the image at a distance. This is because in the conventional implicit function surface reconstruction method, the scalar field f is generated without referring to the pixel value.

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、領域の境界を従来の陰関数曲面再構成法よりも正確に表現するゼロレベルセットを導出可能な境界特定装置及び境界特定方法を実現することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a boundary specifying device and boundary that can derive a zero level set that accurately represents the boundary of a region as compared with the conventional implicit surface reconstruction method. It is to realize a specific method.

上記課題を解決するために、本発明に係る境界特定装置は、s次元(sは予め定められた2以上の整数)空間Rの各点xに対応するr次元画素値I(x)により構成される画像Iに関して、該s次元空間Rに含まれる領域Dの境界δDを、該境界δD上の点として指定されたN個の点pと、各点pにおける該境界δDの法線ベクトルとして指定されたN個のs次元ベクトルnとに基づいて特定する境界特定装置において、画像Iに対応する画像多様体M={(x,wcI(x))∈Rs+r|x∈R}(wcは0より大きい任意の実数)を生成する画像多様体生成部と、各点pに対応する画像多様体M上の制約点p’=(p,wcI(p))∈Rs+rを導出する制約点導出部と、各s次元ベクトルnに対応するs+r次元ベクトルである制約ベクトルn’=J(p)n/|J(p)n|(J(p)は点pにおける写像r:x→r(x)=(x,wcI(x))のヤコビ行列)を導出する制約ベクトル導出部と、結合空間Rs+r上のスカラー場fであって、各制約点p’について、第1の制約条件f(p’)=0、及び、第2の制約条件∇f(p’)=wbn’+(1−wb)(n,0)(wbは0以上1以下の任意の実数)を満たす滑らかなスカラー場fを生成するスカラー場生成部と、スカラー場fのゼロレベルセットZ={x∈R|f(r(x))=0}を導出するゼロレベルセット導出部と、を備えていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the boundary specifying device according to the present invention uses an r-dimensional pixel value I (x) corresponding to each point x in the s-dimensional (s is an integer of 2 or more) space R s. With respect to the constructed image I, the boundary δD of the region D included in the s-dimensional space R s is defined as N points p i designated as points on the boundary δD, and the boundary δD at each point p i . In a boundary identification device that identifies based on N s-dimensional vectors n i designated as normal vectors, an image manifold M = {(x, wcI (x)) ∈R s + r | x ΕR s } (where wc is an arbitrary real number greater than 0) and a constraint point p ′ i = (p i , wcI (p) on the image manifold M corresponding to each point p i i)) and the constraint point derivation unit that derives a ∈R s + r, corresponding to the s-dimensional vector n i The constraint vector n ′ i = J (p i ) n i / | J (p i ) n i | (J (p i ) is the mapping r at the point p i : x → r (x) = A constraint vector deriving unit for deriving (a Jacobian matrix of x, wcI (x))) and a scalar field f on the coupling space R s + r , and for each constraint point p ′ i , the first constraint condition f (p ' i ) = 0 and the second constraint condition ∇f (p ′ i ) = wbn ′ i + (1−wb) (n i , 0) (wb is an arbitrary real number between 0 and 1) A scalar field generator for generating a smooth scalar field f, and a zero level set derivation unit for deriving a zero level set Z = {x∈R s | f (r (x)) = 0} of the scalar field f. It is characterized by having.

また、上記課題を解決するために、本発明に係る境界特定方法は、s次元(sは予め定められた2以上の整数)空間Rの各点xに対応するr次元画素値I(x)により構成される画像Iに関して、該s次元空間Rに含まれる領域Dの境界δDを、該境界δD上の点として指定されたN個の点pと、各点pにおける該境界δDの法線ベクトルとして指定されたN個のs次元ベクトルnとに基づいて特定する境界特定方法において、画像Iに対応する画像多様体M={(x,wcI(x))∈Rs+r|x∈R}(wcは0より大きい任意の実数)を生成する画像多様体生成ステップと、各点pに対応する画像多様体M上の制約点p’=(p,wcI(p))∈Rs+rを導出する制約点導出ステップと、各s次元ベクトルnに対応するs+r次元ベクトルである制約ベクトルn’=J(p)n/|J(p)n|(J(p)は点pにおける写像r:x→r(x)=(x,wcI(x))のヤコビ行列)を導出する制約ベクトル導出ステップと、結合空間Rs+r上のスカラー場fであって、各制約点p’について、第1の制約条件f(p’)=0、及び、第2の制約条件∇f(p’)=wbn’+(1−wb)(n,0)(wbは0以上1以下の任意の実数)を満たす滑らかなスカラー場fを生成するスカラー場生成ステップと、スカラー場fのゼロレベルセットZ={x∈R|f(r(x))=0}を導出するゼロレベルセット導出ステップと、を含んでいる、ことを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the boundary specifying method according to the present invention uses an r-dimensional pixel value I (x corresponding to each point x in the s-dimensional (s is an integer of 2 or more) space R s. ), The boundary δD of the region D included in the s-dimensional space R s is defined as N points p i designated as points on the boundary δD, and the boundary at each point p i In the boundary specifying method specified based on N s-dimensional vectors n i designated as normal vectors of δD, the image manifold M = {(x, wcI (x)) εR s + r corresponding to the image I An image manifold generation step for generating | x∈R s } (wc is an arbitrary real number greater than 0), and a constraint point p ′ i = (p i , wcI) on the image manifold M corresponding to each point p i (p i)) and the constraint point derivation step of deriving a ∈R s + r, each s-dimensional Vector n i to the corresponding s + r-dimensional vector a is the constraint vector n 'i = J (p i ) n i / | J (p i) n i | (J (p i) mapping at the point p i is r: x → a constraint vector deriving step for deriving r (x) = (Jacobi matrix of x, wcI (x))) and a scalar field f on the coupling space R s + r , for each constraint point p ′ i , the first The constraint condition f (p ′ i ) = 0 and the second constraint condition ∇f (p ′ i ) = wbn ′ i + (1−wb) (n i , 0) (wb is 0 or more and 1 or less) A scalar field generation step for generating a smooth scalar field f satisfying the real number), and a zero level set for deriving a zero level set Z = {x∈R s | f (r (x)) = 0} of the scalar field f A derivation step.

上記のように導出されたゼロレベルセットZは、指定されたN個の点{p,p,…,p}を通り、各点pにおける法線ベクトルが指定されたベクトルnに一致するs−1次元多様体となる。しかも、上記のように導出されたゼロレベルセットZは、画像Iのエッジ(画像Iの勾配強度|∇I(x)|が大きい部分)が存在する領域においてエッジに沿い、明確なエッジが存在しない領域(画像Iの勾配強度|∇I(x)|が全体的に小さい領域)において滑らかになる。したがって、上記の構成によれば、対象領域(領域D)の境界を従来よりも正確に表現する滑らかなゼロレベルセットZを導出することができる。 The zero level set Z derived as described above passes through the designated N points {p 1 , p 2 ,..., P N }, and a vector n i in which the normal vector at each point p i is designated. Is an s-1 dimensional manifold that matches Moreover, the zero level set Z derived as described above has a clear edge along the edge in the region where the edge of the image I (the portion where the gradient intensity | ∇I (x) | of the image I is large) exists. Smoothing is performed in a region where the gradient intensity | ∇I (x) | of the image I is generally small. Therefore, according to said structure, the smooth zero level set Z which expresses the boundary of an object area | region (area | region D) more correctly than before can be derived | led-out.

本発明に係る境界特定装置において、上記スカラー場生成部は、後述する式(2)により定義されるスカラー場fを生成する、ことが好ましい。   In the boundary identification device according to the present invention, it is preferable that the scalar field generation unit generates a scalar field f defined by equation (2) described later.

上記の構成によれば、後述する連立方程式(5)を解くことによって、スカラー場fを容易に生成することができる。   According to said structure, the scalar field f can be easily produced | generated by solving simultaneous equations (5) mentioned later.

本発明に係る境界特定装置において、上記画像多様体生成部は、ユーザにより指定されたパラメータwcの値を用いて、画像多様体Mを生成する、ことが好ましい。   In the boundary identification device according to the present invention, it is preferable that the image manifold generation unit generates the image manifold M using the value of the parameter wc designated by the user.

上記の構成によれば、導出されるゼロレベルセットが画像に影響される程度を、ユーザが自由にコントロールすることが可能になる。   According to the above configuration, the user can freely control the degree to which the derived zero level set is influenced by the image.

本発明に係る境界特定装置において、上記スカラー場生成部は、ユーザにより指定されたパラメータwbの値を用いて、スカラー場fを生成する、ことが好ましい。   In the boundary identification device according to the present invention, it is preferable that the scalar field generation unit generates the scalar field f using the value of the parameter wb specified by the user.

上記の構成によれば、余計な連結成分を含まないゼロレベルセットを導出することを優先するか、ゼロレベルセットが画像のエッジに追従することを優先するかを、ユーザが自由にコントロールすることが可能になる。   According to the above configuration, the user can freely control whether to give priority to deriving a zero level set that does not include extra connected components or to give priority to following the edge of the image. Is possible.

本発明に係る境界特定装置において、上記画像データは、生体を撮像して得られたCT(Computed Tomography)画像又はMRI(Magnetic Resonance Imaging)画像であり、上記領域Dは、上記CT画像又は上記MRI画像において上記生体の部位に対応する領域である、ことが好ましい。   In the boundary identification device according to the present invention, the image data is a CT (Computed Tomography) image or an MRI (Magnetic Resonance Imaging) image obtained by imaging a living body, and the region D is the CT image or the MRI. It is preferable that the region corresponds to the part of the living body in the image.

上記の構成によれば、領域Dが肛門括約筋のような複雑な形状を有する部位に対応する場合であっても、その境界δDを正確に特定することができる。   According to said structure, even if it is a case where the area | region D respond | corresponds to the site | parts which have a complicated shape like an anal sphincter, the boundary (delta) D can be pinpointed correctly.

なお、コンピュータを上記境界特定装置として動作させるためのプログラムや、そのようなプログラムが記録されているコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に含まれる。   Note that a program for causing a computer to operate as the boundary specifying device and a computer-readable recording medium in which such a program is recorded are also included in the scope of the present invention.

本発明によれば、画像Iの位置空間Rに含まれる領域Dの境界を、従来よりも正確に表現するゼロレベルセットZを導出することができる。 According to the present invention, it is possible to derive a zero level set Z that expresses the boundary of the region D included in the position space R s of the image I more accurately than before.

本発明の一実施形態に係る境界特定装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the boundary identification apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 図1に示す境界特定装置の動作を説明するための図である。(a)は、与えられた画像Iを示す平面図である。(b)は、境界特定装置により生成された画像多様体Mを示す斜視図である。(c)は、境界特定装置により生成されたスカラー場fの画像多様体M上での値を示す斜視図である。(d)は、ゼロレベル曲面Z’を画像多様体Mと共に示す斜視図である。(e)境界特定装置により特定された境界δDを画像Iと共に示す平面図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of the boundary identification apparatus shown in FIG. (A) is a top view which shows the provided image I. FIG. (B) is a perspective view showing an image manifold M generated by the boundary identification device. (C) is a perspective view showing the value on the image manifold M of the scalar field f generated by the boundary specifying device. (D) is a perspective view showing the zero-level curved surface Z ′ together with the image manifold M. FIG. (E) It is a top view which shows boundary (delta) D identified by the boundary identification apparatus with the image I. FIG. (a)〜(d)は、それぞれ、ゼロレベル曲面Z’を画像多様体Mと共に示した模式断面図(上段)、ゼロレベル曲線Zを画像Iと共に示した平面図(中段)、及び、ゼロレベル曲面Z’を画像多様体Mと共に示した斜視図を含む。(a)は、パラメータwbの値を0.0に設定したもの、(b)は、パラメータwbの値を0.1に設定したもの、(c)は、パラメータwbの値を0.5に設定したもの、(d)は、パラメータwbの値を1.0に設定したものである。(A) to (d) are a schematic sectional view (upper stage) showing the zero-level curved surface Z ′ together with the image manifold M, a plan view (middle stage) showing the zero-level curve Z together with the image I, and zero. The perspective view which showed level curved surface Z 'with the image manifold M is included. (A) shows the parameter wb value set to 0.0, (b) shows the parameter wb value set to 0.1, and (c) shows the parameter wb value set to 0.5. In the set item (d), the value of the parameter wb is set to 1.0. 図1に示す曲線特定装置として機能するコンピュータのブロック図である。FIG. 2 is a block diagram of a computer that functions as the curve specifying device shown in FIG. 1. 図1に示す境界特定装置から出力された出力画像を示す図である。It is a figure which shows the output image output from the boundary identification apparatus shown in FIG.

本発明の一実施形態に係る境界特定装置について、図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。   A boundary identification device according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

なお、本実施形態に係る境界特定装置は、離散s次元(sは予め定められた2以上の整数)空間Rの各点xに対応する画素値I(x)により構成される画像Iを処理する装置である。ここで、画素値I(x)は、離散r次元(rは予め定められた1以上の整数)空間Rの元である(例えば、画像Iがモノクロ画像である場合にはr=1となり、画像IがRGBカラー画像である場合にはr=3となる)。 Note that the boundary identification device according to the present embodiment displays an image I composed of pixel values I (x) corresponding to each point x in the discrete s-dimensional (s is a predetermined integer of 2 or more) space R s. It is a device for processing. Here, the pixel value I (x) is an element of a discrete r-dimensional (r is a predetermined integer of 1 or more) space R r (for example, when the image I is a monochrome image, r = 1). When the image I is an RGB color image, r = 3).

以下の説明においては、画像Iを離散s次元空間Rから離散r次元空間Rへの写像I:x→I(x)と同一視する。また、以下の説明においては、写像Iの始域Rを画像Iの「位置空間」(spatial domain)と呼び、写像Iの終域Rを画像Iの「値空間」(range domain)と呼ぶ。 In the following description, the image I is identified with the mapping I: x → I (x) from the discrete s-dimensional space R s to the discrete r-dimensional space R r . Further, in the following description, the start region R s of the map I is referred to as a “positional space” of the image I, and the end region R r of the map I is referred to as a “value space” (range domain) of the image I. Call.

〔境界特定装置の構成〕
本実施形態に係る境界特定装置1に構成について、図1を参照して説明する。図1は、境界特定装置1の構成を示すブロック図である。
[Configuration of boundary identification device]
A configuration of the boundary identification device 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the boundary identification device 1.

境界特定装置1は、ユーザにより指定されたN個の点{p,p,…,p}と、ユーザにより指定されたN個のs次元ベクトル{n,n,…,n}とに基づいて、画像Iの位置空間Rに含まれる領域Dの境界δDを特定する装置である。画像Iとしては、生体(例えば人体)を撮影して得られた2次元又は3次元MRI(Magnetic Resonance Imaging)画像が想定され、領域Dとしては、該生体に含まれる部位(特に臓器、腫瘍、組織、骨格などの塊状部位)が挙げられる。 The boundary specifying device 1 includes N points {p 1 , p 2 ,..., P N } designated by the user and N s-dimensional vectors {n 1 , n 2 ,. N } and the boundary δD of the region D included in the position space R s of the image I based on N }. As the image I, a two-dimensional or three-dimensional MRI (Magnetic Resonance Imaging) image obtained by imaging a living body (for example, a human body) is assumed, and a region D (particularly an organ, tumor, A lump part such as a tissue or a skeleton).

境界特定装置1により特定される境界δDは、下記の条件(A)及び(B)を満たすs−1次元多様体(s=2の場合は曲線、s=3の場合は曲面)である。   The boundary δD specified by the boundary specifying device 1 is an s−1-dimensional manifold (curved when s = 2, curved surface when s = 3) that satisfies the following conditions (A) and (B).

(A)境界δDは、ユーザにより指定されたN個の点{p,p,…,p}を通る。 (A) The boundary δD passes through N points {p 1 , p 2 ,..., P N } specified by the user.

(B)各点pにおける境界δDの法線ベクトルは、ユーザにより指定されたベクトルnに一致する。 (B) The normal vector of the boundary δD at each point p i matches the vector n i specified by the user.

また、境界特定装置1により特定される境界δDは、更に、以下の性質(C)及び(D)を有する。   The boundary δD specified by the boundary specifying device 1 further has the following properties (C) and (D).

(C)画像Iのエッジ(画像Iの勾配強度|∇I(x)|が大きい部分)が存在する領域において、境界δDはエッジに沿う。   (C) In the region where the edge of the image I (the portion where the gradient intensity | ∇I (x) | of the image I is large) exists, the boundary δD is along the edge.

(D)明確なエッジが存在しない領域(画像Iの勾配強度|∇I(x)|が全体的に小さく、ぼやけた領域)において、境界δDは滑らかである。   (D) In a region where there is no clear edge (a region where the gradient intensity | ∇I (x) | of the image I is generally small and blurred), the boundary δD is smooth.

このような境界δDを特定するために、境界特定装置1は、画像Iに対応する画像多様体Mを利用する。ここで、画像Iに対応する画像多様体Mとは、位置空間Rから直積空間R×Rへの写像r:x→r(x)=(x,wcI(x))の値域{r(x)∈R×R|x∈R}として定義されるs次元多様体のことを指す。以下の説明においては、写像rの終域、すなわち、直積空間R×Rのことを、「結合空間」(bilateral domain又はjoint spatial range domain)と呼ぶ。 In order to specify such a boundary δD, the boundary specifying device 1 uses an image manifold M corresponding to the image I. Here, the image manifold M corresponding to the image I, mapping r from the spatial domain R s to the direct product space R s × R r: x → range of r (x) = (x, wcI (x)) { It refers to an s-dimensional manifold defined as r (x) εR s × R r | xεR s }. In the following description, the final region of the mapping r, that is, the direct product space R s × R r is referred to as a “joint space” (bilateral domain or joint spatial range domain).

境界特定装置1は、図1に示すように、画像多様体生成部11、制約点導出部12、制約ベクトル導出部13、スカラー場生成部14、及びゼロレベルセット導出部15により構成することができる。境界特定装置1が備えている各ブロックの機能を説明すれば、以下のとおりである。   As shown in FIG. 1, the boundary specifying device 1 can be configured by an image manifold generating unit 11, a constraint point deriving unit 12, a constraint vector deriving unit 13, a scalar field generating unit 14, and a zero level set deriving unit 15. it can. The function of each block provided in the boundary specifying device 1 will be described as follows.

画像多様体生成部11は、与えられた画像Iと、ユーザにより指定されたスカラー値wcとから、画像Iに対応する画像多様体Mを生成するための構成である。例えば、画像Iがr次元配列I(x)を要素とするs次元配列として与えられている場合、画像多様体生成部11は、画像多様体Mを表現する配列、すなわち、s+r次元配列r(x)=(x、wc・I(x))を要素とするs次元配列を生成する。   The image manifold generation unit 11 is configured to generate an image manifold M corresponding to the image I from the given image I and the scalar value wc specified by the user. For example, when the image I is given as an s-dimensional array having an r-dimensional array I (x) as an element, the image manifold generation unit 11 stores an array representing the image manifold M, that is, an s + r-dimensional array r ( An s-dimensional array having x) = (x, wc · I (x)) as an element is generated.

制約点導出部12は、1≦i≦Nの各整数iについて、ユーザにより指定された点p∈Rに対応する画像多様体M上の点p’=r(p)を導出するための構成である。例えば、画像多様体Mがs+r次元配列r(x)を要素とするs次元配列として与えられている場合、制約点導出部12は、当該s次元配列の要素r(p)を取得することによって、画像多様体M上の点p’を得る。制約点導出部12により導出された画像多様体M上の点p’のことを、以下、「制約点p’」と記載する。 The constraint point deriving unit 12 derives a point p ′ i = r (p i ) on the image manifold M corresponding to the point p i ∈R s specified by the user for each integer i of 1 ≦ i ≦ N. It is the structure for doing. For example, when the image manifold M is given as an s-dimensional array having the s + r-dimensional array r (x) as an element, the constraint point deriving unit 12 acquires the element r (p i ) of the s-dimensional array. To obtain a point p ′ i on the image manifold M. Hereinafter, the point p ′ i on the image manifold M derived by the constraint point deriving unit 12 will be referred to as “constraint point p ′ i ”.

なお、ここでは、ユーザにより指定された点pが画素位置(離散s次元空間である位置空間Rの要素)に配置された点であることを仮定した制約点導出部12の処理を例示したが、これに限定されない。例えば、ユーザにより指定された点pが画素位置以外に配置された点である場合、制約点導出部12は、写像I(x)を線形補間することによって得られた写像I’(x)(連続s次元空間R上の関数)を用いて、画像多様体M上の点p’=r(p)を導出してもよい。 Here, the processing of the constraint point deriving unit 12 assuming that the point p i specified by the user is a point arranged at a pixel position (an element of the position space R s which is a discrete s-dimensional space) is illustrated. However, it is not limited to this. For example, when the point p i designated by the user is a point arranged at a position other than the pixel position, the constraint point deriving unit 12 performs mapping I ′ (x) obtained by linear interpolation of the mapping I (x). The point p ′ i = r (p i ) on the image manifold M may be derived using (a function on the continuous s-dimensional space R s ).

制約ベクトル導出部13は、1≦i≦Nの各整数iについて、ユーザにより指定されたs次元ベクトルnに対応するs+r次元ベクトルn’=J(p)n/|J(p)n|を導出するための構成である。ここで、J(p)は、点pにおける写像rのヤコビ行列である。写像rは、s次元空間Rからs+r次元空間Rs+rへの写像なので、点pにおける写像rのヤコビ行列J(p)は、s+r行s列の行列となる。また、s+r次元ベクトルn’は、点p’における画像多様体Mの接空間Tp’Mに含まれ、かつ、位置空間Rへの射影がs次元ベクトルnと平行なs+r次元ベクトルとなる。制約ベクトル導出部13により導出されたs+r次元ベクトルn’のことを、以下、「制約ベクトルn’」と記載する。 The constraint vector deriving unit 13 s + r-dimensional vector n ′ i = J (p i ) n i / | J (p) corresponding to the s-dimensional vector n i specified by the user for each integer i of 1 ≦ i ≦ N. i ) A configuration for deriving n i |. Here, J (p i) is the Jacobian matrix of the mapping r at the point p i. Since the mapping r is a mapping from the s-dimensional space R s to the s + r-dimensional space R s + r , the Jacobian matrix J (p i ) of the mapping r at the point p i is a matrix of s + r rows and s columns. The s + r-dimensional vector n ′ i is included in the tangent space Tp ′ i M of the image manifold M at the point p ′ i and the projection onto the position space R s is parallel to the s-dimensional vector n i. It becomes a vector. The s + r-dimensional vector n ′ i derived by the constraint vector deriving unit 13 is hereinafter referred to as “constraint vector n ′ i ”.

ここで、ヤコビ行列J(p)は、下記の式(1)により定義される。下記の式(1)において、Eは、s行s列の単位行列を表し、I(x)は、r次元ベクトルI(x)の第j要素(1≦j≦r)を表し、xは、s次元ベクトルxの第k要素(1≦k≦s)を表す。 Here, the Jacobian matrix J (p i ) is defined by the following equation (1). In the following equation (1), E represents a unit matrix of s rows and s columns, I j (x) represents the j-th element (1 ≦ j ≦ r) of the r-dimensional vector I (x), and x k represents the k-th element (1 ≦ k ≦ s) of the s-dimensional vector x.

制約ベクトルn’の導出は、例えば、(1)画像多様体Mから点pにおける写像rのヤコビ行列J(p)を算出する工程と、(2)ヤコビ行列J(p)とs次元ベクトルnとの行列積J(p)nを算出する工程と、(3)行列積J(p)nのノルム|J(p)n|を算出する工程と、(4)行列積J(p)nの各要素をノルム|J(p)n|で除算する工程とにより実現することができる。ここで、ヤコビ行列J(p)の要素∂I(p)/∂xは、位置空間R上の関数I(x)に対して公知のソーベルフィルタを適用することにより導出することができる。その他の工程は、何れも周知のアルゴリズムにより実現することができるので、ここではその説明を割愛する。 The constraint vector n ′ i is derived, for example, by (1) calculating the Jacobian matrix J (p i ) of the mapping r at the point p i from the image manifold M, and (2) the Jacobian matrix J (p i ) calculating a matrix product J (p i) n i of the s-dimensional vector n i, (3) matrix product J (p i) norm of n i | calculating a | J (p i) n i , (4) dividing each element of the matrix product J (p i ) n i by the norm | J (p i ) n i |. Here, the element ∂I j (p i ) / ∂x k of the Jacobian matrix J (p i ) is obtained by applying a known Sobel filter to the function I j (x) on the position space R s. Can be derived. Since the other steps can be realized by a known algorithm, the description thereof is omitted here.

スカラー場生成部14は、下記の制約条件(A’)及び(B’)を満たす結合空間Rs+r上のスカラー場fを生成するための構成である。なお、下記の制約条件(B’)における(n,0)は、第1成分から第s成分までがs次元ベクトルnの対応する成分と一致し、第s+1成分から第s+r成分までが0となるs+r次元ベクトルを意味する。また、下記の制約条件(B’)におけるwbは、ユーザにより指定された0以上1以下のスカラー値である。 The scalar field generation unit 14 is configured to generate a scalar field f on the coupling space R s + r that satisfies the following constraints (A ′) and (B ′). Incidentally, in the constraint condition (B ') (n i, 0) is below the first component to the s-th component match the corresponding component of the s-dimensional vector n i, from the s + 1 component to the s + r component It means an s + r-dimensional vector that becomes zero. Also, wb in the following constraint condition (B ′) is a scalar value of 0 or more and 1 or less specified by the user.

(A’)1≦i≦Nの各整数iについて、f(p’)=0となる。 (A ′) For each integer i where 1 ≦ i ≦ N, f (p ′ i ) = 0.

(B’)1≦i≦Nの各整数iについて、∇f(p’)=wbn’+(1−wb)(n,0)となる。 (B ′) For each integer i where 1 ≦ i ≦ N, ∇f (p ′ i ) = wbn ′ i + (1−wb) (n i , 0).

本実施形態においては、スカラー場fが下記の式(2)により定義されるB−HRBF(Bilateral Hermite Radial Basis Function)であると仮定する。下記の式(2)において、φは、φ(t)=t^3により定義されるカーネルであり、Pは、P(x’)=a・x’+bにより定義される多項式である。また、α∈R及びβ∈Rs+rは、下記の式(3)(4)を満たす未定係数である。 In the present embodiment, it is assumed that the scalar field f is B-HRBF (Bilateral Hermite Radial Basis Function) defined by the following equation (2). In the following equation (2), φ is a kernel defined by φ (t) = t ^ 3, and P is a polynomial defined by P (x ′) = a · x ′ + b. Α i εR and β i εR s + r are undetermined coefficients satisfying the following equations (3) and (4).

スカラー場生成部14が結合空間Rs+r上のスカラー場fを生成するとは、上記の制約条件(A’)及び(B’)を満たすα∈R、β∈Rs+r、a∈Rs+r、及びb∈Rを算出することに他ならない。 Scalar field generating unit 14 generates a scalar field f of the binding space R s + r satisfies the constraints (A ') and (B') α i ∈R, β i ∈R s + r, a∈R s + r , And bεR.

上記の制約条件(A’)及び(B’)を満たすα∈R、β∈Rs+r、a∈Rs+r、及びb∈Rは、下記の連立方程式(5)を解くことによって得ることができる。 Additional constraints (A ') and (B') that satisfies α i ∈R, β i ∈R s + r, a∈R s + r, and b∈R may be obtained by solving the following simultaneous equations (5) Can do.

ここで、ブロックKijは、下記の式(6)により定義される行列であり、ブロックSは、下記の式(7)により定義される行列である。また、ベクトルs、w、及びcは、それぞれ、下記の式(8)により定義されるベクトルである。 Here, the block K ij is a matrix defined by the following equation (6), and the block S j is a matrix defined by the following equation (7). The vectors s, w i , and c i are vectors defined by the following equation (8).

スカラー場生成部14は、連立方程式(5)を解くことによって、上記の制約条件(A’)及び(B’)を満たすα∈R、β∈Rs+r、a∈Rs+r、及びb∈Rを算出する。連立方程式(5)は、公知のアルゴリズムにより解くことが可能なので、ここではその説明を割愛する。 Scalar field generating unit 14, by solving the simultaneous equations (5), satisfy the above constraint condition (A ') and (B') α i ∈R, β i ∈R s + r, a∈R s + r, and b ΕR is calculated. Since simultaneous equations (5) can be solved by a known algorithm, the description thereof is omitted here.

ゼロレベルセット導出部15は、画像多様体M上のスカラー場fのゼロレベルセットZ={x∈R|f(r(x))=0}を導出するための構成である。ゼロレベルセットZの導出は、例えば、(1)位置空間Rの全ての点xについてf(r(x))の値を算出する工程と、(2)f(r(x))=0となるxの集合を構成する工程とによって実現することができる。 The zero level set deriving unit 15 is a configuration for deriving a zero level set Z = {xεR s | f (r (x)) = 0} of the scalar field f on the image manifold M. The derivation of the zero level set Z is, for example, (1) calculating the value of f (r (x)) for all the points x in the position space R s , and (2) f (r (x)) = 0. And the process of constructing a set of x.

ただし、このような方法でゼロレベルセットZを導出した場合、以下のような問題が生じる。すなわち、このような方法で導出されたゼロレベルセットZは、与えられたN個の点{p,p,…,p}を通る連結成分の他に、これらの点の何れをも通らない連結成分を含み得る。また、このような方法でゼロレベルセットZを導出するためには、画像Iの解像度のs乗に比例して増大する計算時間を要する。このような問題を回避するためには、公知のsurface trackingアルゴリズム(surface tracking marching cubesアルゴリズムと呼ばれることもある)を用いてゼロレベルセットZを導出すればよい。surface trackingアルゴリズムを用いて、与えられたN個の点{p,p,…,p}を含む連結成分のみにより構成されるゼロレベルセットZを導出すればよい。なお、surface trackingアルゴリズムについては、例えば、”F. Shekhar, et.al, Octree-Based Decimation of Marching Cubes Surfaces, In Proc. of IEEE Vis. (1996), 335-342”を参照されたい。 However, when the zero level set Z is derived by such a method, the following problems occur. That is, the zero level set Z derived by such a method includes any of these points in addition to the connected component passing through the given N points {p 1 , p 2 ,..., P N }. It may contain connected components that do not pass. In order to derive the zero level set Z by such a method, a calculation time that increases in proportion to the s-th power of the resolution of the image I is required. In order to avoid such a problem, the zero level set Z may be derived using a known surface tracking algorithm (sometimes called a surface tracking marching cubes algorithm). A surface level algorithm may be used to derive a zero level set Z composed only of connected components including given N points {p 1 , p 2 ,..., p N }. For the surface tracking algorithm, see, for example, “F. Shekhar, et.al, Octree-Based Decimation of Marching Cubes Surfaces, In Proc. Of IEEE Vis. (1996), 335-342”.

境界特定装置1は、ゼロレベルセット導出部15にて導出されたゼロレベルセットZを、境界δDとして外部に出力する。例えば、画像I上に境界δDを書き加えた画像をディスプレイに出力する。   The boundary specifying device 1 outputs the zero level set Z derived by the zero level set deriving unit 15 to the outside as the boundary δD. For example, an image in which the boundary δD is added on the image I is output to the display.

なお、ここでは、N個の点{p,p,…,p}及びN個のs次元ベクトル{n,n,…,n}をユーザに直接的に指定させる構成について説明したが、これに限定されるものではない。N個の点{p,p,…,p}及びN個のs次元ベクトル{n,n,…,n}をユーザに間接的に指定させる構成、例えば、位置空間Rにおける領域Dの輪郭線(s=2の場合)、又は、位置空間Rの2次元断面における領域Dの輪郭線(s≧3の場合)をユーザに指定させる構成を採用してもよい。この場合、境界特定装置1は、指定輪郭線(ユーザにより指定された輪郭線)上のN個の点を選択し、選択したN個の点を{p,p,…,p}とする。また、境界特定装置1は、各点pにおいて指定輪郭線に直交するベクトルを算出し、算出したベクトルをnとする。このような構成を採用することによって、ユーザに求められる操作がより容易になる。なお、領域Dの輪郭線をユーザに指定させる方法については、本願出願人が先に出願した特許出願(特願2010-149497)の公開公報(特開2012−010893)等を参照されたい。 Here, a configuration in which the user directly specifies N points {p 1 , p 2 ,..., P N } and N s-dimensional vectors {n 1 , n 2 ,. Although described, the present invention is not limited to this. N points {p 1 , p 2 ,..., P N } and N s-dimensional vectors {n 1 , n 2 ,..., N N } are indirectly specified by the user, for example, position space R outline of the region D in s (the case of s = 2), or, it may be adopted to designate the contour lines of the region D in the two-dimensional cross-section of the spatial domain R s (for s ≧ 3) to the user . In this case, the boundary identification device 1 selects N points on the designated contour line (contour line designated by the user), and selects the selected N points {p 1 , p 2 ,..., P N }. And The boundary identification device 1 calculates a vector orthogonal to the specified contour at each point p i, the calculated vector and n i. By adopting such a configuration, the operation required by the user becomes easier. For the method of allowing the user to specify the contour line of the region D, refer to the published publication (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-010893) of the patent application (Japanese Patent Application No. 2010-149497) filed earlier by the applicant of the present application.

〔境界特定装置の動作例〕
境界特定装置1の動作例について、図2を参照して説明する。なお、以下に説明する動作例は、s=2かつr=1の場合の動作例である。
[Operation example of boundary identification device]
An example of the operation of the boundary identification device 1 will be described with reference to FIG. The operation example described below is an operation example when s = 2 and r = 1.

図2(a)は、与えられた画像Iを示す平面図である。ユーザは、このような画像Iにおいて、注目する領域Dの境界δD上の点pを指定する。また、ユーザは、このような画像Iにおいて、点pにおける境界δDの法線ベクトルnを指定する。 FIG. 2A is a plan view showing a given image I. FIG. In such an image I, the user designates a point p i on the boundary δD of the region of interest D. The user, in such an image I, to specify the normal vector n i boundary δD at the point p i.

境界特定装置1は、与えられた画像Iから画像多様体Mを生成する。図2(b)は、境界特定装置1により生成された画像多様体Mを示す斜視図である。   The boundary identification device 1 generates an image manifold M from the given image I. FIG. 2B is a perspective view showing the image manifold M generated by the boundary specifying device 1.

次に、境界特定装置1は、ユーザにより指定された点pに対応する制約点p’を導出する。また、境界特定装置1は、ユーザにより指定されたベクトルnに対応する制約ベクトルn’を導出する。図2(b)には、境界特定装置1により導出された制約点p’及び制約ベクトルn’が示されている。 Next, the boundary identification device 1 derives a constraint point p ′ i corresponding to the point p i specified by the user. Further, the boundary identification device 1 derives a constraint vector n ′ i corresponding to the vector n i specified by the user. FIG. 2B shows the constraint point p ′ i and the constraint vector n ′ i derived by the boundary identification device 1.

次に、境界特定装置1は、上記の制約条件(A’)及び(B’)を満たすスカラー場fを生成する。図2(c)は、境界特定装置1により生成されたスカラー場fの画像多様体M上での値を示す斜視図である。   Next, the boundary identification device 1 generates a scalar field f that satisfies the above-described constraints (A ′) and (B ′). FIG. 2C is a perspective view showing values on the image manifold M of the scalar field f generated by the boundary specifying device 1.

次に、境界特定装置1は、スカラー場fのゼロレベル曲線Z={x∈R|f(r(x))=0}を導出する。境界特定装置1により導出されるゼロレベル曲線Zは、ゼロレベル曲面Z’={x’∈R×R|f(x’)=0}と画像多様体Mとの交線Z’∩Mに一致する。図2(d)は、ゼロレベル曲面Z’を画像多様体Mと共に示す斜視図である。画像Iのエッジが存在する領域においてゼロレベル曲線Zがエッジに沿うこと、及び、画像Iのエッジが存在しない領域においてゼロレベル曲線Zが滑らかになることが、図2(d)から見て取れる。 Next, the boundary identification device 1 derives a zero level curve Z = {xεR s | f (r (x)) = 0} of the scalar field f. The zero level curve Z derived by the boundary specifying device 1 is an intersection line Z′∩ between the zero level curved surface Z ′ = {x′∈R s × R r | f (x ′) = 0} and the image manifold M. Matches M. FIG. 2D is a perspective view showing the zero-level curved surface Z ′ together with the image manifold M. It can be seen from FIG. 2D that the zero level curve Z follows the edge in the region where the edge of the image I exists, and that the zero level curve Z becomes smooth in the region where the edge of the image I does not exist.

図2(e)は、スカラー場fのゼロレベル曲線Z、すなわち、境界特定装置1により特定された境界δDを画像Iと共に示す平面図である。境界特定装置1により特定された境界δDがユーザにより指定されたN個の点{p,p,…,p}を通ること、及び、各点pにおける境界δDの法線ベクトルがユーザにより指定されたベクトルnに一致することが、図2(e)から見て取れる。 FIG. 2E is a plan view showing the zero level curve Z of the scalar field f, that is, the boundary δD specified by the boundary specifying device 1 together with the image I. The boundary δD specified by the boundary specifying device 1 passes through N points {p 1 , p 2 ,..., P N } specified by the user, and the normal vector of the boundary δD at each point p i is that match the specified vector n i by the user, seen from Fig. 2 (e).

なお、図2(e)に示すように、ゼロレベル曲線Zには、与えられたN個の点{p,p,…,p}を通る連結成分の他に、これらの点の何れをも通らない連結成分が含まれる。ただし、ゼロレベル曲線Zの導出にsurface trackingアルゴリズムを用いれば、後者の連結成分が境界δDとして特定されるこを回避することができる。 As shown in FIG. 2 (e), the zero level curve Z includes, in addition to the connected components passing through the given N points {p 1 , p 2 ,..., P N }, Connected components that do not pass through either are included. However, if the surface tracking algorithm is used to derive the zero level curve Z, it is possible to avoid the latter connected component being specified as the boundary δD.

〔制約条件(B’)に含まれるパラメータwb〕
境界特定装置1においては、スカラー場fに課す制約条件(B’)として、∇f(p’)=n’ではなく、∇f(p’)=wbn’+(1−wb)(n,0)を採用している。以下、制約条件(B’)におけるパラメータwbの意義について、図3を参照して説明する。
[Parameter wb included in constraint (B ′)]
In the boundary identification device 1, the constraint condition (B ′) imposed on the scalar field f is not ∇f (p ′ i ) = n ′ i but ∇f (p ′ i ) = wbn ′ i + (1−wb ) (N i , 0). Hereinafter, the significance of the parameter wb in the constraint condition (B ′) will be described with reference to FIG.

図3(a)〜図3(d)は、それぞれ、ゼロレベル曲面Z’={x’∈R×R|f(x’)=0}を画像多様体Mと共に示した模式断面図(上段)、ゼロレベル曲線Z={x∈R|f(r(x))=0}を画像Iと共に示した平面図(中段)、及び、ゼロレベル曲面Z’={x’∈R×R|f(x’)=0}を画像多様体Mと共に示した斜視図である。図3(a)は、パラメータwbの値を0.0に設定したもの、図3(b)は、パラメータwbの値を0.1に設定したもの、図3(c)は、パラメータwbの値を0.5に設定したもの、図3(d)は、パラメータwbの値を1.0に設定したものである。 3A to 3D are schematic cross-sectional views showing the zero-level curved surface Z ′ = {x′∈R s × R r | f (x ′) = 0} together with the image manifold M, respectively. (Upper stage), a plan view (middle stage) showing a zero level curve Z = {xεR s | f (r (x)) = 0} together with an image I, and a zero level curved surface Z ′ = {x′εR 5 is a perspective view showing s × R r | f (x ′) = 0} together with an image manifold M. FIG. 3A shows the parameter wb set to 0.0, FIG. 3B shows the parameter wb set to 0.1, and FIG. 3C shows the parameter wb. FIG. 3D shows the parameter wb set to 1.0, with the value set to 0.5.

wb=1とした場合、図3(d)に示すように、∇f(p’)が位置空間Rと略直交する。その結果、ゼロレベル曲面Z’は、位置空間Rと略平行な曲面(I軸正方向に開いた腕状の曲面)となる。このため、ゼロレベル曲面Z’は、画像多様体Mの傾斜部分(画像Iの勾配強度|∇I(x)|が一定以上の部分)と交わり易くなる。すなわち、ゼロレベル曲線Zは、画像Iのエッジに追従し易くなる。ただし、位置空間Rと略平行なゼロレベル曲面Z’は、領域Dに対応する画像多様体Mの峰のみならず、その近傍にある画像多様体Mの他の峰と交わり易い。このため、ゼロレベル曲線Zは、余計な連結成分(領域Dを取り囲む連結成分以外の連結成分)を含み易くなる。 When wb = 1, ∇f (p ′ i ) is substantially orthogonal to the position space R s as shown in FIG. As a result, the zero-level curved surface Z ′ becomes a curved surface (an arm-shaped curved surface opened in the positive direction of the I axis) substantially parallel to the position space R s . For this reason, the zero-level curved surface Z ′ easily intersects with the inclined portion of the image manifold M (the portion where the gradient intensity | ∇I (x) | That is, the zero level curve Z can easily follow the edge of the image I. However, the zero-level curved surface Z ′ substantially parallel to the position space R s easily intersects with not only the peak of the image manifold M corresponding to the region D but also the other peaks of the image manifold M in the vicinity thereof. For this reason, the zero level curve Z is likely to include an extra connected component (a connected component other than the connected components surrounding the region D).

一方、wb=0とした場合、図3(a)に示すように、∇f(p’)が位置空間Rと平行になる。その結果、ゼロレベル曲面Z’は、位置空間Rと略直交する曲面(領域Dに対応する画像多様体Mの峰を取り囲む筒状の曲面)となる。この場合、ゼロレベル曲線Zの形状は、画像多様体Mの影響を受け難くなる(ゼロレベル曲面Z’をI軸正方向側から見た形状が、略そのままゼロレベル曲線Zの形状となる)。したがって、ゼロレベル曲線Zは、画像Iのエッジに完全には追従せずに、滑らかな曲線を描くようになる。ただし、位置空間Rと略直交するゼロレベル曲面Z’は、領域Dに対応する峰の近傍にある画像多様体Mの他の峰と交わり難い。このため、ゼロレベル曲線Zは、余計な連結成分(領域Dを取り囲む連結成分以外の連結成分)を含み難くなる。 On the other hand, when wb = 0, as shown in FIG. 3A, に な る f (p ′ i ) is parallel to the position space R s . As a result, the zero-level curved surface Z ′ becomes a curved surface (cylindrical curved surface surrounding the peak of the image manifold M corresponding to the region D) substantially orthogonal to the position space R s . In this case, the shape of the zero level curve Z is hardly affected by the image manifold M (the shape of the zero level curved surface Z ′ viewed from the positive direction of the I axis is substantially the shape of the zero level curve Z). . Therefore, the zero level curve Z does not completely follow the edge of the image I, but draws a smooth curve. However, the zero-level curved surface Z ′ substantially orthogonal to the position space R s is unlikely to intersect with other peaks of the image manifold M in the vicinity of the peak corresponding to the region D. For this reason, the zero level curve Z is difficult to include an extra connected component (a connected component other than the connected components surrounding the region D).

このように、パラメータwbの値が0に近づくほど、ゼロレベル曲線Zが余計な連結成分を含み難くなる反面、ゼロレベル曲線Zのエッジ追従性が低下する。一方、パラメータwbの値が1に近づくほど、ゼロレベル曲線Zのエッジ追従性が向上する反面、ゼロレベル曲線Zが余計な連結成分を含み易くなる。そこで、境界特定装置1においては、パラメータwbの値をユーザにより指定させる構成を採用している。   Thus, as the value of the parameter wb approaches 0, the zero level curve Z is less likely to include an extra connected component, but the edge followability of the zero level curve Z is reduced. On the other hand, as the value of the parameter wb approaches 1, the edge followability of the zero level curve Z is improved, but the zero level curve Z is likely to include an extra connected component. Therefore, the boundary specifying device 1 employs a configuration in which the value of the parameter wb is designated by the user.

ゼロレベル曲線Zが余計な連結成分を含んでいる場合、ユーザは、パラメータwbの値をより小さな値に設定し直すことができる。また、ゼロレベル曲線Zがエッジに追従しない場合、ユーザは、パラメータwbの値をより大きな値に設定し直すことができる。ゼロレベル曲線Zを再計算しながら、このような設定作業を何度か繰り返すことによって、余計な連結成分を含まず、かつ、エッジに追従するゼロレベル曲線Zを得ることができる。図3に示した例では、パラメータwbの値を0.1に設定することによって、余計な連結成分を含まず、かつ、エッジに追従するゼロレベル曲線Zを得ることができる(図3(b)参照)。   When the zero level curve Z includes an extra connected component, the user can reset the value of the parameter wb to a smaller value. When the zero level curve Z does not follow the edge, the user can reset the value of the parameter wb to a larger value. By repeating such a setting operation several times while recalculating the zero level curve Z, it is possible to obtain a zero level curve Z that does not include an extra connected component and follows the edge. In the example shown in FIG. 3, by setting the value of the parameter wb to 0.1, a zero level curve Z that does not include an extra connected component and follows the edge can be obtained (FIG. 3B). )reference).

〔境界特定装置の構成例〕
境界特定装置1は、コンピュータ(電子計算機)を用いて構成することができる。図4は、境界特定装置1として利用可能なコンピュータ100の構成を例示したブロック図である。
[Configuration example of boundary identification device]
The boundary identification device 1 can be configured using a computer (electronic computer). FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration of a computer 100 that can be used as the boundary identification device 1.

コンピュータ100は、図4に示したように、バス110を介して互いに接続された演算装置120と、主記憶装置130と、補助記憶装置140と、入出力インタフェース150とを備えている。演算装置120として利用可能なデバイスとしては、CPU(Central Processing Unit)を挙げることができる。また、主記憶装置130として利用可能なデバイスとしては、例えば、半導体RAM(random access memory)を挙げることができる。また、補助記憶装置140として利用可能なデバイスとしては、例えば、ハードディスクドライブを挙げることができる。   As illustrated in FIG. 4, the computer 100 includes an arithmetic device 120, a main storage device 130, an auxiliary storage device 140, and an input / output interface 150 that are connected to each other via a bus 110. An example of a device that can be used as the arithmetic device 120 is a CPU (Central Processing Unit). Further, as a device that can be used as the main storage device 130, for example, a semiconductor RAM (random access memory) can be cited. An example of a device that can be used as the auxiliary storage device 140 is a hard disk drive.

入出力インタフェース150には、図4に示したように、入力装置200及び出力装置300が接続される。点p及びベクトルnを指定する操作を行なうためのポインティングデバイスは、この入出力インタフェース150に接続される入力装置200の一例である。また、境界δDを画像Iと共にディスプレイは、この入出力インタフェース150に接続される出力装置300の一例である。 As shown in FIG. 4, the input device 200 and the output device 300 are connected to the input / output interface 150. A pointing device for performing an operation to specify the points p i and vector n i is an example of an input device 200 connected to the input-output interface 150. Further, the display of the boundary δD together with the image I is an example of the output device 300 connected to the input / output interface 150.

補助記憶装置140には、コンピュータ100を境界特定装置1として動作させるための各種プログラムが格納されている。具体的には、画像多様体生成プログラム、制約点導出プログラム、制約ベクトル導出プログラム、スカラー場生成プログラム、及びゼロレベルセット導出プログラムが格納されている。   The auxiliary storage device 140 stores various programs for operating the computer 100 as the boundary specifying device 1. Specifically, an image manifold generation program, a constraint point derivation program, a constraint vector derivation program, a scalar field generation program, and a zero level set derivation program are stored.

演算装置120は、補助記憶装置140に格納された上記各プログラムを主記憶装置130上に展開し、主記憶装置130上に展開された上記各プログラムに含まれる命令を実行することによって、コンピュータ100を、図1に示す画像多様体生成部11、制約点導出部12、制約ベクトル導出部13、スカラー場生成部14、及びゼロレベルセット導出部15として機能させる。   The arithmetic device 120 expands the respective programs stored in the auxiliary storage device 140 on the main storage device 130 and executes instructions included in the respective programs expanded on the main storage device 130, thereby executing the computer 100. Are operated as the image manifold generating unit 11, the constraint point deriving unit 12, the constraint vector deriving unit 13, the scalar field generating unit 14, and the zero level set deriving unit 15 shown in FIG.

主記憶装置130は、画像I(を表現する配列)、画像多様体M(を表現する配列)、スカラー場fを規定する未定乗数等(α∈R、β∈Rs+r、a∈Rs+r、及びb∈R)の値、連立方程式(5)の左辺に現れるB−HRBF行列(を表現する配列)、ゼロレベルセットZ(を表現する配列)を格納する記憶部20(図1参照)として機能する。 The main storage device 130 includes an image I (an array representing), an image manifold M (an array representing), an undetermined multiplier defining a scalar field f (α i εR, β i εR s + r , aεR). The storage unit 20 (see FIG. 1) for storing the values of s + r and bεR), the B-HRBF matrix (an array that represents) appearing on the left side of the simultaneous equations (5), and the zero level set Z (an array that represents) ).

なお、ここでは、内部記録媒体である補助記憶装置140に記録されているプログラムを用いてコンピュータ100を境界特定装置1として機能させる構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、外部記録媒体に記録されているプログラムを用いてコンピュータ100を境界特定装置1として機能させる構成を採用してもよい。外部記録媒体は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体であれば何でもよく、例えば、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フロッピー(登録商標)ディスク/ハードディスク等の磁気ディスクやCD−ROM/MO/MD/DVD/CD−R等の光ディスクなどを含むディスク系、ICカード(メモリカードを含む)/光カード等のカード系、あるいはマスクROM/EPROM/EEPROM(登録商標)/フラッシュROM等の半導体メモリ系などにより実現することができる。   Here, the configuration in which the computer 100 functions as the boundary specifying device 1 using the program recorded in the auxiliary storage device 140 that is an internal recording medium has been described, but the present invention is not limited to this. . That is, a configuration in which the computer 100 functions as the boundary specifying device 1 using a program recorded on an external recording medium may be employed. The external recording medium may be any computer-readable recording medium, such as a tape system such as a magnetic tape or a cassette tape, a magnetic disk such as a floppy (registered trademark) disk / hard disk, or a CD-ROM / MO / MD / Disk systems including optical disks such as DVD / CD-R, card systems such as IC cards (including memory cards) / optical cards, or semiconductor memory systems such as mask ROM / EPROM / EEPROM (registered trademark) / flash ROM Can be realized.

また、コンピュータ100を通信ネットワークと接続可能に構成し、上述した各プログラムコードを通信ネットワークを介してコンピュータ100に供給するようにしてもよい。この通信ネットワークとしては、とくに限定されず、例えば、インターネット、イントラネット、エキストラネット、LAN、ISDN、VAN、CATV通信網、仮想専用網(virtual private network)、電話回線網、移動体通信網、衛星通信網等が利用可能である。また、通信ネットワークを構成する伝送媒体としては、とくに限定されず、例えば、IEEE1394、USB、電力線搬送、ケーブルTV回線、電話線、ADSL回線等の有線でも、IrDAやリモコンのような赤外線、Bluetooth(登録商標)、802.11無線、HDR、携帯電話網、衛星回線、地上波デジタル網等の無線でも利用可能である。   Further, the computer 100 may be configured to be connectable to a communication network, and each program code described above may be supplied to the computer 100 via the communication network. The communication network is not particularly limited. For example, the Internet, intranet, extranet, LAN, ISDN, VAN, CATV communication network, virtual private network, telephone line network, mobile communication network, satellite communication. A net or the like is available. Further, the transmission medium constituting the communication network is not particularly limited. For example, even in the case of wired such as IEEE 1394, USB, power line carrier, cable TV line, telephone line, ADSL line, etc., infrared rays such as IrDA and remote control, Bluetooth ( (Registered trademark), 802.11 wireless, HDR, mobile phone network, satellite line, terrestrial digital network, and the like can also be used.

〔境界特定装置の出力例〕
最後に、境界特定装置1の出力例について、図5を参照して説明する。図5は、境界特定装置1から出力される出力画像を示す図である。
[Example of boundary identification device output]
Finally, an output example of the boundary identification device 1 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram illustrating an output image output from the boundary identification device 1.

図5に示す出力画像には、境界特定装置1により特定された、肛門括約筋に対応する領域D1の境界と、腫瘍に対応する領域D2の境界とが示されている。なお、図5に示す出力画像を得るために、境界特定装置1に入力された画像は、人体を撮像することにより得られたMRI画像である。   In the output image shown in FIG. 5, the boundary of the region D1 corresponding to the anal sphincter and the boundary of the region D2 corresponding to the tumor specified by the boundary specifying device 1 are shown. In addition, in order to obtain the output image shown in FIG. 5, the image input to the boundary identification device 1 is an MRI image obtained by imaging a human body.

肛門括約筋に対応する領域D1の境界を特定するために、ユーザが指定した輪郭線γ1は、14本である。また、腫瘍に対応する領域D2の境界を特定するために、ユーザが指定した輪郭線γ2は、4本である。このように、境界特定装置1を用いれば、僅かな本数の輪郭線を指定するだけで、複雑な形状を有する部位の形状を極めて正確に再現することができる。   In order to specify the boundary of the region D1 corresponding to the anal sphincter, the contour line γ1 designated by the user is 14 lines. Further, in order to specify the boundary of the region D2 corresponding to the tumor, there are four contour lines γ2 designated by the user. Thus, if the boundary specifying device 1 is used, the shape of a part having a complicated shape can be reproduced very accurately by only specifying a small number of contour lines.

〔付記事項〕
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
[Additional Notes]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims. That is, embodiments obtained by combining technical means appropriately modified within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention.

例えば、本明細書においては、医療用MRI画像への適用を想定した実施形態を開示したが、本発明の適用範囲は医療用MRI画像に限定されない。すなわち、本発明は、医療用画像にも適用することができるし、産業用画像にも適用することができる。また、本発明は、MRI画像にも適用することができるし、CT画像にも適用することができるし、共焦点レーザ顕微鏡画像にも適用することができるし、内部構造顕微鏡画像にも適用することができる。   For example, in this specification, although the embodiment which assumed application to a medical MRI image was disclosed, the application range of this invention is not limited to a medical MRI image. That is, the present invention can be applied to medical images and can also be applied to industrial images. The present invention can also be applied to MRI images, CT images, confocal laser microscope images, and internal structure microscope images. be able to.

例えば、生体(例えば、人体)を撮像することにより得られたCT画像又はMRI画像において、その生体の部位(例えば、臓器や腫瘍などの塊状部位)に対応する領域の境界を特定する処理は、本発明の適用に適した処理である。また、細胞を撮像することにより得られた共焦点レーザ顕微鏡画像又は内部構造顕微鏡画像において、その細胞の部位(例えば、核やミトコンドリアなどの細胞小器官)に対応する領域の境界を特定する処理も、本発明の適用に適した処理である。更に、構造物(産業用部品など)を撮像することにより得られたCT画像において、その構造物内に埋設された部品、或いは、その構造物内に形成された気泡などに対応する領域の境界を特定する処理も、本発明の適用範囲に含まれる。   For example, in a CT image or MRI image obtained by imaging a living body (for example, a human body), a process of specifying a boundary of a region corresponding to a part of the living body (for example, a massive part such as an organ or a tumor) This process is suitable for application of the present invention. In addition, in a confocal laser microscope image or internal structure microscope image obtained by imaging a cell, a process of specifying a boundary of a region corresponding to the cell site (for example, a cell organelle such as a nucleus or mitochondria) is also performed. This is a process suitable for application of the present invention. Furthermore, in a CT image obtained by imaging a structure (such as an industrial part), the boundary of a region corresponding to a part embedded in the structure or a bubble formed in the structure The process of specifying is also included in the scope of the present invention.

医療用又は産業用画像の領域分割に好適に利用することができる。   It can be suitably used for area division of medical or industrial images.

1 境界特定装置
11 画像多様体生成部
12 制約点導出部
13 制約ベクトル導出部
14 スカラー場生成部
15 ゼロレベルセット導出部
100 コンピュータ
140 補助記憶装置(記録媒体)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Boundary identification apparatus 11 Image manifold generation part 12 Constraint point derivation part 13 Constraint vector derivation part 14 Scalar field generation part 15 Zero level set derivation part 100 Computer 140 Auxiliary storage device (recording medium)

Claims (8)

s次元(sは予め定められた2以上の整数)空間Rの各点xに対応するr次元画素値I(x)により構成される画像Iに関して、該s次元空間Rに含まれる領域Dの境界δDを、該境界δD上の点として指定されたN個の点pと、各点pにおける該境界δDの法線ベクトルとして指定されたN個のs次元ベクトルnとに基づいて特定する境界特定装置において、
画像Iに対応する画像多様体M={(x,wcI(x))∈Rs+r|x∈R}(wcは0より大きい任意の実数)を生成する画像多様体生成部と、
各点pに対応する画像多様体M上の制約点p’=(p,wcI(p))∈Rs+rを導出する制約点導出部と、
各s次元ベクトルnに対応するs+r次元ベクトルである制約ベクトルn’=J(p)n/|J(p)n(J(p)は点pにおける写像r:x→r(x)=(x,wcI(x))のヤコビ行列)を導出する制約ベクトル導出部と、
結合空間Rs+r上のスカラー場fであって、各制約点p’について、第1の制約条件f(p’)=0、及び、第2の制約条件∇f(p’)=wbn’+(1−wb)(n,0)(wbは0以上1以下の任意の実数)を満たす滑らかなスカラー場fを生成するスカラー場生成部と、
スカラー場fのゼロレベルセットZ={x∈R|f(r(x))=0}を導出するゼロレベルセット導出部と、を備えている、
ことを特徴とする境界特定装置。
An area included in the s-dimensional space R s with respect to the image I composed of the r-dimensional pixel values I (x) corresponding to the respective points x in the s-dimensional (s is a predetermined integer of 2 or more) space R s boundaries [delta] D of D, a n points p i designated as a point on the boundary [delta] D, the n number of s-dimensional vector n i designated as the normal vector of the boundary [delta] D at each point p i In the boundary identification device that identifies based on:
An image manifold generation unit for generating an image manifold M = {(x, wcI (x)) εR s + r | xεR s } corresponding to the image I (wc is an arbitrary real number greater than 0);
A constraint point deriving unit for deriving a constraint point p ′ i = (p i , wcI (p i )) ∈R s + r on the image manifold M corresponding to each point p i ;
Constraint vector n ′ i = J (p i ) n i / | J (p i ) n i (J (p i ) is a mapping r at point p i, which is an s + r-dimensional vector corresponding to each s-dimensional vector n i : a constraint vector deriving unit for deriving x → r (x) = (Jacobi matrix of x, wcI (x));
A scalar field f on the coupling space R s + r , and for each constraint point p ′ i , the first constraint condition f (p ′ i ) = 0 and the second constraint condition ∇f (p ′ i ) = a scalar field generation unit that generates a smooth scalar field f satisfying wbn ′ i + (1−wb) (n i , 0) (wb is an arbitrary real number between 0 and 1);
A zero level set derivation unit for deriving a zero level set Z = {x∈R s | f (r (x)) = 0} of the scalar field f.
A boundary identification device characterized by that.
上記スカラー場生成部は、下記の式により定義されるスカラー場fを生成する、
ことを特徴とする請求項1に記載の境界特定装置。
The scalar field generation unit generates a scalar field f defined by the following equation:
The boundary identification device according to claim 1.
上記画像多様体生成部は、ユーザにより指定されたパラメータwcの値を用いて、画像多様体Mを生成する、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の境界特定装置。
The image manifold generation unit generates the image manifold M using the value of the parameter wc designated by the user.
The boundary identification device according to claim 1 or 2, characterized in that.
上記スカラー場生成部は、ユーザにより指定されたパラメータwbの値を用いて、スカラー場fを生成する、
ことを特徴とする請求項1〜3までの何れか1項に記載の境界特定装置。
The scalar field generation unit generates a scalar field f using the value of the parameter wb specified by the user.
The boundary specifying device according to any one of claims 1 to 3, wherein
上記画像Iは、生体を撮像して得られたCT(Computed Tomography)画像又はMRI(Magnetic Resonance Imaging)画像であり、
上記領域Dは、上記CT画像又はMRI画像において上記生体の部位に対応する領域である、
ことを特徴とする請求項1〜4までの何れか1項に記載の境界特定装置。
The image I is a CT (Computed Tomography) image or MRI (Magnetic Resonance Imaging) image obtained by imaging a living body,
The region D is a region corresponding to the part of the living body in the CT image or MRI image.
The boundary identification device according to any one of claims 1 to 4, wherein
s次元(sは予め定められた2以上の整数)空間Rの各点xに対応するr次元画素値I(x)により構成される画像Iに関して、該s次元空間Rに含まれる領域Dの境界δDを、該境界δD上の点として指定されたN個の点pと、各点pにおける該境界δDの法線ベクトルとして指定されたN個のs次元ベクトルnとに基づいて特定する境界特定方法において、
画像Iに対応する画像多様体M={(x,wcI(x))∈Rs+r|x∈R}(wcは0より大きい任意の実数)を生成する画像多様体生成ステップと、
各点pに対応する画像多様体M上の制約点p’=(p,wcI(p))∈Rs+rを導出する制約点導出ステップと、
各s次元ベクトルnに対応するs+r次元ベクトルである制約ベクトルn’=J(p)n/|J(p)n|(J(p)は点pにおける写像r:x→r(x)=(x,wcI(x))のヤコビ行列)を導出する制約ベクトル導出ステップと、
結合空間Rs+r上のスカラー場fであって、各制約点p’について、第1の制約条件f(p’)=0、及び、第2の制約条件∇f(p’)=wbn’+(1−wb)(n,0)(wbは0以上1以下の任意の実数)を満たす滑らかなスカラー場fを生成するスカラー場生成ステップと、
スカラー場fのゼロレベルセットZ={x∈R|f(r(x))=0}を導出するゼロレベルセット導出ステップと、を含んでいる、
ことを特徴とする境界特定方法。
An area included in the s-dimensional space R s with respect to the image I composed of the r-dimensional pixel values I (x) corresponding to the respective points x in the s-dimensional (s is a predetermined integer of 2 or more) space R s boundaries [delta] D of D, a n points p i designated as a point on the boundary [delta] D, the n number of s-dimensional vector n i designated as the normal vector of the boundary [delta] D at each point p i In the boundary identification method to identify based on:
An image manifold generation step for generating an image manifold M = {(x, wcI (x)) εR s + r | xεR s } corresponding to the image I (wc is an arbitrary real number greater than 0);
A constraint point deriving step for deriving a constraint point p ′ i = (p i , wcI (p i )) ∈R s + r on the image manifold M corresponding to each point p i ;
Constraint vector n ′ i = J (p i ) n i / | J (p i ) n i | (J (p i ) is a mapping r at point p i, which is an s + r-dimensional vector corresponding to each s-dimensional vector n i. A constraint vector deriving step for deriving x: r (x) = (Jacobi matrix of x, wcI (x))),
A scalar field f on the coupling space R s + r , and for each constraint point p ′ i , the first constraint condition f (p ′ i ) = 0 and the second constraint condition ∇f (p ′ i ) = a scalar field generation step for generating a smooth scalar field f satisfying wbn ′ i + (1−wb) (n i , 0) (wb is an arbitrary real number not less than 0 and not more than 1);
Deriving a zero level set Z = {xεR s | f (r (x)) = 0} of the scalar field f.
A boundary identification method characterized by that.
コンピュータを請求項1〜5までの何れか1項に記載の境界特定装置として動作させるためのプログラムであって、上記コンピュータを上記境界特定装置の各部として機能させるプログラム。   A program for operating a computer as the boundary specifying device according to any one of claims 1 to 5, wherein the computer functions as each part of the boundary specifying device. 請求項7に記載のプログラムが記録されているコンピュータ読み取り可能な記録媒体。   A computer-readable recording medium on which the program according to claim 7 is recorded.
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