[发明专利]利用全卷积网络的自动分割

说明书

用于解剖结构(例如，心脏)的自动分割的系统和方法。卷积神经网络(CNN)可用于自主分割由图像数据(例如3D MRI数据)表示的解剖结构的部分。CNN使用两条路径，即收缩路径和扩张路径。在至少一些实施方式中，扩张路径包括比收缩路径更少的卷积操作。该系统和方法还自主计算图像强度阈值，该阈值将血液与心内膜轮廓内部的乳头肌和小梁肌区分开，并自主应用图像强度阈值来限定描述乳头肌和小梁肌的边界的轮廓或掩模。该系统和方法还使用训练的CNN模型计算描绘心内膜和心外膜的轮廓或掩模，并使用计算出的轮廓或掩模在解剖学上定位心肌的病症或功能特征。

技术领域

本公开总体涉及解剖结构的自动分割。

背景技术

磁共振成像(MRI)通常被用于心脏成像以评估患有已知或疑似心脏疾病的患者。具体地，心脏MRI可以通过其精确地捕捉高分辨率的心脏电影图像的能力来量化与心力衰竭和相似病症相关的指标。这些高分辨率图像能够手动或者借助于半自动或全自动软件来测量心脏的相关解剖区域 (例如心室和肌肉)的体积。

心脏MRI电影序列由一个或更多个空间切片组成，其中每个空间切片包含贯穿整个心动周期的多个时间点(例如，20个时间点)。通常，以下视图的一些子集被捕获为单独的系列：短轴(SAX)视图，其由沿着左心室的长轴的一系列切片组成。每个切片位于左心室的短轴的平面内，其与心室的长轴正交；2室(2CH)视图，其是显示左心室和左心房或右心室和右心房的长轴(LAX)视图；3室(3CH)视图，其是显示左心室、左心房和主动脉，或右心室、右心房和主动脉的LAX视图；和4室(4CH)视图，其是显示左心室、左心房、右心室和右心房的LAX视图。

根据采集的类型，可以直接在扫描仪中捕获这些视图(例如，稳态自由进动(SSFP)MRI)，或者可以通过以不同方向排列的体积的多平面重建 (MPR)来构建这些视图(例如，轴面、矢状面或冠状面，例如4D Flow MRI)。 SAX视图具有多个空间切片，通常覆盖心脏的整个体积，但2CH、3CH和 4CH视图通常仅有单一空间切片。所有系列都是电影，并具有涵盖完整心动周期的多个时间点。

几个重要的心脏功能的测量依赖于心室体积的精确测量。例如，射血分数(EF)表示每次心跳中左心室(LV)所泵出的血液分数。异常低的EF 读数通常与心力衰竭有关。EF的测量取决于LV最大收缩时的心脏收缩末期和LV最大舒张时的心脏舒张末期二者的心室血池体积。

为了测量LV的体积，在SAX视图中心室通常被分割。复查病例的放射科医师首先会通过手动循环单个切片的时间点并分别确定心室最大收缩或舒张的时间点来确定心脏收缩末期(ES)和心脏舒张末期(ED)时间点。确定这两个时间点后，放射科医师将在心室为可见的SAX系列的所有切片上画出围绕LV的轮廓。

一旦构建了轮廓，可以通过对轮廓内的像素进行求和，并乘以x和y 方向上的面内像素间距(例如，以毫米每像素计)来计算每个切片中的心室面积。然后可以通过对每个空间切片中的面积进行求和，并乘以切片之间的距离(例如，以毫米(mm)计)来确定总心室体积。得到以立方毫米为单位的体积。还可以使用积分切片面积的其他方法以确定总体积，例如辛普森法则的变型，其不使用直线段逼近离散积分，而是使用二次分段。通常在ES和ED处计算体积，并且可以由体积确定射血分数和类似度量。

为了测量LV血池体积，放射科医师通常在两个时间点(ES和ED)的每个时间点处在约10个空间切片上沿LV心内膜(心肌的内壁)构建轮廓，总共约20个轮廓。虽然存在一些半自动的轮廓布置工具(例如，使用活动轮廓或“蛇形”算法)，但这些仍然通常需要轮廓的一些手动调整，特别是对于具有噪声或伪影的图像。构建这些轮廓的整个过程可能需要10分钟或更长时间，主要涉及手动调整。示例性LV心内膜轮廓如图1中图像100a至 100k所示，其示出了整个SAX堆上的单个时间点处的轮廓。从100a到100k，切片从左心室的心尖到左心室的基部。