Konferencja TEWI - Wydział Informatyki

Środowisko badawcze metod segmentacji bazujących
na modelach odkształcalnych
w obrazowaniu biomedycznym
Daniel Reska
Krzysztof Jurczuk
Cezary Bołdak
Marek Krętowski
Wydział Informatyki,Politechnika Białostocka
17.11.2011
Konferencja TEWI Białystok 2011
1
Założenia aplikacji
●
●
●
Środowiska do badania modeli odkształcalnych
●
stosowanych do segmentacji obrazów biomedycznych
●
usprawnieniu procesu badań naukowych
Eliminacja konieczność implementacji własnej platformy
badawczej
●
„lekki klient” - dostęp przez przeglądarkę internetową
●
złożone obliczenia wykonywane na serwerze
Docelowa integracja z Platformą TEWI
●
uwierzytelnianie/autoryzacja użytkowników
●
profile użytkownika (modele, parametry)
●
repozytorium obrazów
17.11.2011
Konferencja TEWI Białystok 2011
2
Funkcjonalność systemu
●
Segmentacja oparta o (klasyczne) modele krzywych i
powierzchni odkształcalnych, korzystające z wbudowanych form
energii i ograniczeń
●
Definiowanie własnych form energii i modeli
●
Generowanie obrazów biomedycznych (Wirtualny skaner MRI)
●
System profili użytkowników (prywatne dane)
●
Repozytorium obrazów biomedycznych 2D i 3D (DICOM)
●
●
Narzędzia do wizualizacji i analizy danych oraz wyników
segmentacji
Walidacja wyników przez porównanie z pozycjami/wymiarami
rzeczywistych obiektów
17.11.2011
Konferencja TEWI Białystok 2011
3
Aktywny kontur (wąż)
●
●
●
●
Parametryczna krzywa: v(s)=(x(s), y(s)),
odkształcająca się pod wpływem przyłożonych sił
Siły zewnętrzne: przyciąganie pożądanych
elementów obrazu
Siły wewnętrzne: spójność i gładkość krzywej
Dopasowanie do segmentowanego obszaru
poprzez minimalizację całkowitej energii węża:
1
E snake =
∫E
int
(v( s )) + Eimage (v( s )) + E con (v( s ))ds
0
M. Kass, A.Witkin, D. Terzopoulos: Snakes: Active contour models, International Journal of
Computer Vision, 1(4):321–331, 1988
17.11.2011
Konferencja TEWI Białystok 2011
4
Aktywny kontur (wąż)
●
najczęściej postać dyskretna
●
odporność na nieciągłość krawędzi i „drobne” zakłócenia
●
wrażliwość na parametryzację
●
konieczność bliskiej inicjalizacji (liczne modyfikacje)
●
sterowanie ewolucją „on-line”
17.11.2011
Konferencja TEWI Białystok 2011
5
Moduł modelowania obrazowania
rezonansem magnetycznym (MRI)
17.11.2011
Konferencja TEWI Białystok 2011
6
Modelowanie MRI
●
pobudzenie oraz relaksacja atomów wodoru, równanie Bloch'a
●
akwizycja sygnału: prawo indukcji elektromagnetycznej Faraday'a
●
rekonstrukcja obrazu: filtry oraz transformata Fourier'a
17.11.2011
Konferencja TEWI Białystok 2011
7
Moduły systemu
Problemator
Skaner MRI
Segmentator
Ring
17.11.2011
Konferencja TEWI Białystok 2011
8
Problemator
Problemator
Skaner MRI
●
Segmentator
Ring
●
●
Definiowanie i generowani wirtualnej
sceny 3D podlegającej obrazowaniu
Rozbudowany edytor: definiowanie
miękkich tkanek i ich cech
rzeczywistych, tekstury, elementów
zakłócających (śrubki, płytki, itp. )
Zapis analitycznej postaci sceny w
przenośnym formacie
17.11.2011
Konferencja TEWI Białystok 2011
9
Wirtualny skaner MRI
Problemator
Skaner MRI
●
Segmentator
Ring
●
●
Pobiera dane wejściowe dostarczane
przez Problemator w postaci map
wokseli z przypisanymi właściwościami
Przeprowadza symulację obrazowania
techniką rezonansu magnetycznego
Wyjście w postaci map w przestrzeni
Fourier’a (macierze „k-space”) oraz
obrazów właściwych
17.11.2011
Konferencja TEWI Białystok 2011
10
Segmentator
Problemator
Skaner MRI
●
Segmentator
Ring
●
●
Przyjmuje obrazy wygenerowane przez
Snaker MRI
Udostępnia segmentację opartą o
wbudowane (klasyczne) modele
krzywych i powierzchni odkształcalnych
oraz podstawowych form energii
Umożliwia definiowanie własnych form
energii i modeli (język skryptowy oraz
system pluginów)
17.11.2011
Konferencja TEWI Białystok 2011
11
Ring
Problemator
Skaner MRI
Segmentator
Ring
●
●
●
●
Pobiera dane z pozostałych modułów
Oferuje wizualizację danych ze
wszystkich etapów analizy
Przeprowadza eksperymentalne
porównanie różnych metod segmentacji,
oferując wskaźniki ich dokładności
Analiza jakości segmentacji względem
znanego wzorca oraz porównanie metod
między sobą
17.11.2011
Konferencja TEWI Białystok 2011
12
Komunikacja klient-serwer
17.11.2011
Konferencja TEWI Białystok 2011
13
Architektura i technologia
●
Rozdzielenie warstwy obliczeniowej i prezentacji
●
Aplikacja sieciowa w modelu klient-serwer
●
●
●
●
Klient: bogata aplikacja internetowa – RIA
(JavaFX/Swing) uruchamiana w przeglądarce
internetowej
Serwer: usługi sieciowe oparte o Axis2/Java
Uwierzytelnianie i przechowanie danych użytkowników:
usługa katalogowa LDAP
Możliwość integracji w innymi systemami (np.
Windchill)
17.11.2011
Konferencja TEWI Białystok 2011
14
Schemat komunikacji między
komponentami systemu
17.11.2011
Konferencja TEWI Białystok 2011
15
Aktualny stan rozwoju
●
Wdrożony model klient-serwer
●
Moduł Segmentator:
●
modularny dwuwymiarowy kontur parametryczny
●
podstawowe modele, energie i ograniczenia
●
adaptacyjny model węża (t-snake)
●
definiowanie własnych form energii (BeanShell)
●
Podstawowe profile użytkowników (LDAP)
●
Prototyp repozytorium danych
17.11.2011
Konferencja TEWI Białystok 2011
16
Kierunki dalszego rozwoju
●
●
●
●
Stworzenie modularnej implementacji
trójwymiarowej deformowanej powierzchni
Rozbudowa edytora energii – własne
API/metajęzyk
Moduły skanera MRI, generatora scen 3D oraz
walidacji segmentacji
Integracja z systemem Windchill
17.11.2011
Konferencja TEWI Białystok 2011
17
Pokaz działania aplikacji
17.11.2011
Konferencja TEWI Białystok 2011
18
Literatura
[1] P. Moore, D. Molloy: A Survey of Computer-Based Deformable Models, International Machine
Vision and Image Processing Conference, pp. 55-66, International Machine Vision and Image
Processing Conference (IMVIP 2007), 2007
[2] M. Kass, A.Witkin, D. Terzopoulos: Snakes: Active contour models, International Journal of
Computer Vision, 1(4):321–331, 1988
[3] T. McInerney, D. Terzopoulos: Topology adaptive deformable surfaces for medical image volume
segmentation, IEEE Trans. on Medical Imaging, 18(10):840–850, 1999
[4] I. Cohen, L.D. Cohen: Finite-element method for active contour models and balloons for 2D and
3D images, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 15:1131 – 1147, 1993
[5] Chenyang Xu, Jerry L. Prince: Snakes, shapes, and gradient vector flow. IEEE Transactions on
Image Processing, 7(3):359–369, 1998
[6] T. McInerney, D. Terzopoulos: T-snakes: Topology adaptive snakes, Medical Image Analysis,
4(2), 2000
[7] Oracle Corporation: JavaFX | Rich Internet Applications Development, http://javafx.com/, (odczyt
z dn. 16.06.2011 r.)
[8] InteractiveMesh e.K.: Java 3D meets JavaFX,
http://www.interactivemesh.org/testspace/j3dmeetsjfx.html, (odczyt z dn. 16.06.2011 r.)
[9] The Apache Software Foundation: Apache Axis2/Java - Next Generation Web Services,
http://axis.apache.org/axis2/java/core/, (odczyt z dn. 16.06.2011 r.)
[10] The Apache Software Foundation: ApacheDS v1.5 - An extensible, embeddable LDAP and
Kerberos server entirely in Java, http://directory.apache.org/apacheds/1.5/, (odczyt z dn. 16.06.2011
r.)
17.11.2011
Konferencja TEWI Białystok 2011
19
Dziękuję za uwagę
17.11.2011
Konferencja TEWI Białystok 2011
20