Системы и способы определения характеристик центральной оси кости на основании трехмерного анатомического изображения

Группа изобретений относится к способам и системам анализа изображений, а именно к обнаружению и локализации центральной оси кости на основании изображения субъекта, полученного с помощью КТ. Способ автоматического определения трехмерной центральной оси представляющей интерес кости в трехмерном изображении содержит получение процессором вычислительного устройства трехмерного изображения одной или более костей, содержащего представляющую интерес кость млекопитающего, выделение процессором кости из одной или более костей на трехмерном изображении, создание процессором двоичной костной маски, создание процессором заполненной костной маски, создание процессором скелета и создание процессором обрезанного скелета для уменьшения скелета до участка, соответствующего трехмерной центральной оси кости. Способ автоматизированного заполнения границ на изображении представляющего интерес объекта содержит цифровое представление данных изображения из двоичной маски объекта в виде кубических моделей данных, определение процессором вычислительного устройства вершины кубической модели данных из кубических моделей данных, причем вершина имеет все ребра, соединенные с вершиной, связанной с истинными элементами объемного изображения, формирование процессором двухмерного изображения из трех граней, соединенных с идентифицированной вершиной кубической модели данных, заполнение процессором морфологических пробелов на сформированном таким образом двухмерном изображении для получения заполненной поверхности и отображение процессором заполненной поверхности обратно на трех гранях, соединенных с идентифицированной вершиной кубической модели данных. Система автоматической идентификации трехмерной центральной оси представляющей интерес кости на трехмерном изображении содержит процессор и память, содержащую инструкции, хранящиеся в ней, причем инструкции при выполнении их процессором предписывают процессору выполнять способ автоматического определения трехмерной центральной оси. Система для автоматизированного заполнения границ на изображении представляющего интерес объекта содержит процессор и память, содержащую инструкции, хранящиеся в ней, причем инструкции при выполнении их процессором предписывают процессору выполнять способ автоматизированного заполнения границ на изображении объекта. Использование группы изобретений позволяет повысить скорость, эффективность и автоматизацию измерений и анализа костей срез за срезом. 4 н. и 28 з.п. ф-лы, 15 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Данное изобретение в целом относится к способам и системам анализа изображений. Более конкретно, в некоторых вариантах реализации изобретения данное изобретение относится к обнаружению и локализации центральной оси кости на основании изображения субъекта (например, млекопитающего), например, полученного с помощью компьютерного томографа (КТ).

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Существует широкий спектр технологий, относящихся к получению изображений млекопитающих in vivo и ex vivo, например, технологии биолюминесценции, флуоресценции, рентгеновской компьютерной томографии и мультимодальной визуализации. Получение изображений in vivo мелких млекопитающих и получение изображений ex vivo образцов из организмов мелких млекопитающих осуществляется большим сообществом исследователей в различных областях, например, касающихся онкологии, инфекционных заболеваний и изыскания новых лекарственных средств.

[0003] Получение изображений методом микрокомпьютерной томографии (в дальнейшем именуемой «микроКТ») представляет собой рентгеновскую технологию, которая может отображать изображения тканей, органов и неорганических структур с чрезвычайно высоким разрешением. МикроКТ быстро развивается, требуя сканирования с низкой дозой облучения и протоколов быстрого получения изображений для облегчения мультимодальных вариантов применения и обеспечения продольных экспериментальных моделей. Аналогичным образом в настоящее время также используют системы нанокомпьютерной томографии (наноКТ), выполненные с возможностью получения изображений образцов ex vivo с высоким разрешением. Получение мультимодальных изображений включает в себя наслоение изображений, полученных по-разному, например, путем объединения данных по получению изображений путем флуоресцентной молекулярной томографии (ФMT), позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), магнитно-резонансной томографии (МРТ), компьютерной томографии (КТ) и/или однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ).

[0004] Обычные варианты применения анализа изображений и/или системы получения изображений как правило позволяют получать изображения, анализировать, обрабатывать, сегментировать, регистрировать и измерять биомедицинские изображения. Эти варианты применения и системы также предусматривают инструменты объемной визуализации (например, объемное наложение изображений, глубинное затенение, градиентное затенение, программа проекций максимальной интенсивности, суммарная проекция элемента объемного изображения, проекция сигнала); функции манипулирования (например, для того, чтобы определять области представляющих интерес структур, удалять нежелательные объекты, обрабатывать изображения и карты объектов); а также измерительные функции (например, расчет количества поверхностных элементов объемного изображения, количества наружных поверхностей, планарной площади области, оценочной площади поверхности области).

[0005] Получение изображений животных может занимать много времени, а быстрый анализ полученных изображений является залогом эффективности процесса. Трехмерное программное обеспечение для получения изображений, включая анализ изображений методом микроКТ, позволяет на основании изображений получать структурные, биологические и анатомические характеристики, такие как толщина, пористость, анизотропия и другие параметры представляющих интерес органов, такие как кости. Благодаря анатомическому контрасту и высокому пространственному разрешению, обеспечиваемому системами микроКТ, они широко используются для изучения формирования, структуры и заболеваний скелетных костей. Автоматизация таких анализов повышает производительность, точность и эффективность. В классических методах анализа костей исследователи должны были визуально и вручную количественно определять структурные характеристики костей с помощью распечатанных изображений, созданных посредством платформы микроКТ. Хотя некоторые системы анализа изображений были разработаны для компьютерного анализа костей, цифровые рабочие процессы, предлагаемые программным обеспечением для анализа костей, по-прежнему требуют значительного ручного ввода и взаимодействия со стороны пользователей и исследователей. Например, такая ручная обратная связь в настоящее время требуется для получения стереологических измерений кортикальных и трабекулярных костных участков, например, ручной выбор дискретных двумерных срезов трехмерного изображения кости, на основании которых определяют усредненные толщины или другие свойства.

[0006] Некоторые традиционные системы анализа изображений сосредоточены на определении основных осей костей для получения направления двумерных срезов кости. Но основные оси не дают детальную информацию о форме и направлении. Основные оси представляют собой основные и второстепенные направленные оси кости, как проиллюстрировано на фиг. 1, и определяются как собственные векторы момента тензора инерции объема кости. Как проиллюстрировано на фиг. 1, основные оси не дают подробную информацию о конфигурации, форме, локализованных тангенциальных направлениях и кривизне кости, причем все это влияет на точность автоматизированных стереологических исследований остеологической структуры и оценки заболеваний. Основные оси главным образом указывают на общее направление кости как твердого объекта без полного получения данных о ее форме и кривизне. Кроме того, основные оси не пригодны для определения характеристик частично круглых костей, например тазового пояса. Как таковые, они не пригодны для автоматизации двумерных измерений и анализа среза за срезом.

[0007] Существует потребность в автоматизированных, точных и усовершенствованных способах стереологического анализа и определения характеристик костей срез за срезом по изображениям, таким как изображения по методу микроКТ.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0008] Автоматизированное обнаружение центральных осей скелетных костей значительно повышает скорость, эффективность и автоматизацию измерений и анализа костей срез за срезом. Центральные оси длинных костей (например, костей конечностей, длина которых превышает ширину, например бедренных костей) могут эффективно указывать на пространственные особенности, направление, ориентацию и форму длинных костей. Расчет центральных осей имеет очень важное значение для выполнения автоматизированных и точных двухмерных планарных исследований срез за срезом, таких как стереологические исследования костей, например, бедренной кости и большой берцовой кости. Двухмерные плоскости, перпендикулярные центральным осям, представляют собой срезы, которые используются при двухмерном анализе костей или измерениях стереологии. Автоматизированное обнаружение центральной оси кости и двухмерные стереологические срезы позволяют полностью автоматизировать компьютерные стереологические измерения костей.

[0009] В данном документе представлены эффективные и надежные системы и способы расчета и получения трехмерных центральных осей скелетных костей животных-субъектов, например животных-субъектов, отсканированных с помощью платформ микроКТ in vivo, и образцов ex vivo животных-субъектов, отсканированных с помощью микроКТ или наноКТ, для получения как общих, так и локализованных тангенциальных направлений кости, а также ее конфигурации, формы, кривизны и ориентации. С помощью алгоритмов обнаружения и сегментации кости, кости животных-субъектов, отсканированные с помощью КТ, наноКТ или микроКТ, могут быть автоматически обнаружены, сегментированы и визуализированы. Трехмерные центральные оси, определяемые с использованием этих способов, предоставляют важную информацию о костях.

[0010] Обнаружение и локализация центральных осей повышает скорость и точность стереологических исследований, выполняемых визуально и вручную, и обходит ограничения основных осей и предоставляет, среди прочего, информацию о направлении, форме и кривизне кости. Обнаружение и локализация центральных осей выявляют множество особенностей, связанных с формой, направлением и кривизной кости, которые невозможно получить с помощью существующего способа использования основных осей. Это особенно полезно для анализа изогнутых или непрямых длинных костей и для двумерного анализа срез за срезом, например, двухмерных планарных стереологических исследований срез за срезом большой берцовой кости или тазового пояса. Центральная ось кости представляет срединную траекторию, которая описывает основную центральную линию, форму и ориентацию кости.

[0011] Автоматизированная процедура идентификации центральной оси кости не является простой задачей, так как процедура должна была бы точно идентифицировать центральную ось кости для широкого диапазона размеров и форм отображаемых костей (например, она должна бы учитывать различные виды костей, а также изменчивость одной и той же кости в случае нескольких субъектов) без взаимодействия или обучения пользователя, и она должна бы быть эффективной с точки зрения вычислений процедурой.

[0012] В данном документе в некоторых вариантах реализации изобретения представлены системы и способы автоматизированного вычисления центральной оси кости на основании трехмерного анатомического изображения. Сканируют область субъекта (например, млекопитающего), включая представляющую интерес кость (например, с помощью системы микроКТ) и получают трехмерное анатомическое изображение области субъекта. В некоторых вариантах реализации изобретения на первом этапе двоичная маска представляющей интерес кости заполняется с помощью морфологической обработки. В некоторых вариантах реализации изобретения бинарная маска кости заполняется посредством морфологической обработки для более точного отражения внутреннего состава кости (например, для точной моделировки различных трабекулярных и кортикальных компонентов кости). В некоторых вариантах реализации изобретения на втором этапе на заполненной кости выполняют скелетное представление (например, морфологическое скелетное представление) путем итеративного трехмерного утончения. В некоторых вариантах реализации изобретения на третьем этапе скелет обрезают (например, утончают) и сводят к единственному (например, основному и/или центральному) участку. В некоторых вариантах реализации изобретения изображение скелета обрезают до единственного участка и сглаживают, благодаря чему образуется кривая единственного участка, которая следует за срединной траекторией кости, эффективно идентифицируя и выделяя центральную ось кости.

[0013] В данном документе также описаны системы и способы эффективного заполнения морфологических, т.е. структурных, пробелов на шести внешних поверхностях трехмерного (в дальнейшем «трехмерного») двоичного изображения. Некоторые варианты реализации изобретения, описанные в данном документе, относятся к системам и способам заполнения двухмерных морфологических пробелов, которые проходят через три поверхности. В некоторых вариантах реализации изобретения эти морфологические пробелы на границе обусловлены полыми внутренними зонами костей, находящихся частично вне обзора.

[0014] Некоторые приведенные в качестве примера варианты реализации изобретения, описанные в данном документе, относятся к расчету и выделению центральных осей скелетных костей (например, длинных костей) для получения как общих, так и локализованных тангенциальных направлений костей. Расчет центральных осей также определяет, среди прочего, конфигурацию, форму и кривизну костей. То есть центральная ось представляет срединную траекторию, которая описывает, среди прочего, основную центральную линию, форму и ориентацию длинной кости.

[0015] В одном аспекте изобретение направлено на способ автоматической идентификации трехмерной центральной оси представляющей интерес кости на трехмерном изображении, причем способ включает: получение процессором вычислительного устройства трехмерного изображения одной или более костей, содержащего представляющую интерес кость (то есть по меньшей мере участок представляющей интерес кости) млекопитающего; выделение процессором представляющей интерес кости из одной или более костей на трехмерном изображении (например, извлечение выделенного изображения наружной поверхности кортикальной ткани представляющей интерес кости); создание процессором (например, после выделения представляющей интерес кости) двоичной костной маски представляющей интерес кости; создание процессором заполненной костной маски для представляющей интерес кости с использованием двоичной костной маски; создание процессором скелета представляющей интерес кости (например, путем выполнения итеративного трехмерного утончения заполненной костной маски); и создание процессором обрезанного скелета для уменьшения скелета до участка (например, единственного участка, центрального участка и/или основного участка), соответствующего трехмерной центральной оси представляющей интерес кости.

[0016] В некоторых вариантах реализации изобретения представляющая интерес кость представляет собой длинную кость млекопитающего (например, бедренную кость, большеберцовую кость, малоберцовую кость, плечевую кость, лучевую кость, локтевую кость, пястную кость, плюсневую кость, фалангу и ключицу). В некоторых вариантах реализации изобретения представляющая интерес кость представляет собой недлинную кость (например, короткую кость, плоскую кость, сесамовидную кость или смешанную кость) млекопитающего (например, тазовый пояс).

[0017] В некоторых вариантах реализации изобретения трехмерное изображение получают с помощью компьютерного томографа (например, микро-компьютерного или нано-компьютерного томографа). В определенных вариантах реализации изобретения трехмерное изображение получают in vivo. В некоторых вариантах реализации изобретения трехмерное изображение получают ex vivo. В некоторых вариантах реализации изобретения трехмерное изображение представляет собой компьютерное томографическое изображение наружной поверхности кортикальной ткани одной или более костей.

[0018] В некоторых вариантах реализации изобретения создание заполненной костной маски для представляющей интерес кости включает в себя выполнение процессором морфологической обработки участка трехмерного изображения, соответствующего представляющей интерес кости, причем указанная обработка включает в себя: выполнение трехмерного двоичного расширения двоичной костной маски представляющей интерес кости (например, сферическим структурирующим элементом) для образования расширенной костной маски; и выявление и заполнение границ и/или морфологических пробелов (например, зазоров и/или разрывов) расширенной костной маски, а также дальнейшую обработку результата (например, выполнение трехмерного двоичного морфологического сужения по результатам операций по заполнению границы и пробелов) для создания заполненной костной маски для представляющей интерес кости.

[0019] В некоторых вариантах реализации изобретения способ включает в себя заполнение границ представляющей интерес кости путем: представления данных изображения в цифровом виде из двоичной костной маски представляющей интерес кости в виде одной или более кубических моделей данных; идентификацию вершины кубической модели данных, причем вершина имеет все ребра, соединенные с вершиной, связанной с истинными (например, двоичными истинными) элементами объемного изображения; формирование двумерного изображения из трех граней, соединенных с идентифицированной вершиной (например, путем добавления не содержащей полюсов грани в качестве одного из квадрантов и диагонального соединения двоичных истинных элементов объемного изображения на границах не содержащего полюсов квадранта грани); заполнение морфологических пробелов на образованном таким образом двумерном изображении для получения заполненной поверхности; и отображение заполненной поверхности обратно на трех соответствующих гранях кубической модели данных.

[0020] В некоторых вариантах реализации изобретения создание трехмерного скелета представляющей интерес кости включает в себя выполнение процессором морфологической обработки заполненной костной маски, причем указанная обработка включает выполнение итеративного трехмерного утончения заполненной костной маски.

[0021] В некоторых вариантах реализации изобретения создание обрезанного трехмерного скелета включает в себя выполнение процессором морфологической обработки скелета для представляющей интерес кости, причем указанная обработка включает в себя: идентификацию дерева центральной линии с единственным участком или одноцикличного основного контура скелета в качестве основной траектории; обрезку скелета путем удаления мелких участков, не включенных в основную траекторию; и сглаживание обрезанного скелета (например, путем усреднения по точкам), благодаря чему создается обрезанный трехмерный скелет.

[0022] В некоторых вариантах реализации изобретения способ включает в себя определение характеристик представляющей интерес кости в соответствии с трехмерной центральной осью, соответствующей представляющей интерес кости (например, определение аномалии кости и/или идентификация кости как конкретной кости млекопитающего).

[0023] В некоторых вариантах реализации изобретения способ включает в себя отображение изображения с использованием по меньшей мере трехмерной центральной оси представляющей интерес кости.

[0024] В некоторых вариантах реализации изобретения способ включает в себя выполнение процессором стереологического измерения представляющей интерес кости с использованием идентифицированной трехмерной центральной оси представляющей интерес кости, причем указанное выполнение стереологического измерения включает в себя: создание множества графических двухмерных поперечных сечений (например, двухмерных срезов изображения) представляющей интерес кости в плоскостях, перпендикулярных идентифицированной трехмерной центральной оси в разных местах вдоль длины представляющей интерес кости; определение измерения кости для каждого из графических двухмерных поперечных сечений, как показано на графическом двумерном поперечном сечении (например, определение кортикальной толщины каждого из двухмерных срезов изображения); и получение данных стереологического измерения представляющей интерес кости с использованием измерений, определенных из множества графических двумерных поперечных сечений (например, получение данных средней кортикальной толщины представляющей интерес кости в качестве среднего значения данных измерений, определенных на основании двухмерных срезов изображения).

[0025] В некоторых вариантах реализации изобретения способ включает в себя определение процессором одного или более из i) - iii): i) наличия болезненного состояния, ii) риска болезненного состояния и/или iii) степень прогрессирования заболевания (например, определение стадии заболевания) с использованием идентифицированной трехмерной центральной оси представляющей интерес кости (например, на основании одного или более стереологических измерений представляющей интерес кости, определенных с использованием идентифицированной трехмерной центральной оси представляющей интерес кости).

[0026] В другом аспекте изобретение относится к способу автоматического заполнения границ изображения представляющего интерес объекта (например, кости), причем указанный способ включает: цифровое представление данных изображения на основании двоичной маски объекта (например, представляющей интерес кости) в виде одной или более кубических моделей данных; определение процессором вычислительного устройства вершины кубической модели данных из одной или более кубических моделей данных, причем вершина имеет все ребра, соединенные с вершиной, связанной с истинными (например, двоичными истинными) элементами объемного изображения; формирование процессором двухмерного изображения на основании трех граней, соединенных с идентифицированной вершиной (например, путем добавления не содержащей полюсов грани в качестве одного из квадрантов и диагонального соединения двоичных истинных элементов объемного изображения на границах квадранта с не содержащей полюсов гранью); заполнение процессором морфологических пробелов на сформированном таким образом двухмерном изображении для получения заполненной поверхности; и отображение процессором заполненной поверхности обратно на трех соответствующих гранях кубической модели данных.

[0027] В другом аспекте изобретение относится к системе автоматического определения трехмерной центральной оси представляющей интерес кости на трехмерном изображении, причем система содержит: процессор, а также память, содержащую инструкции, хранящиеся в ней, причем инструкции при выполнении их процессором предписывают процессору: получать трехмерное изображение одной или более костей, содержащее представляющую интерес кость (то есть по меньшей мере участок представляющей интерес кости) млекопитающего; выделять представляющую интерес кость из одной или более костей на трехмерном изображении (например, получение выделенного изображения наружной поверхности кортикальной ткани представляющей интерес кости); создавать (например, после выделения представляющей интерес кости) двоичную костную маску представляющей интерес кости; создавать заполненную костную маску для представляющей интерес кости с использованием двоичной костной маски; создавать скелет представляющей интерес кости (например, путем выполнения итеративного трехмерного утончения заполненной костной маски); и создание процессором обрезанного скелета для уменьшения скелета до участка (например, единственного участка, центрального участка и/или основного участка), соответствующего трехмерной центральной оси представляющей интерес кости.

[0028] В некоторых вариантах реализации изобретения представляющая интерес кость представляет собой длинную кость млекопитающего (например, бедренную кость, большеберцовую кость, малоберцовую кость, плечевую кость, лучевую кость, локтевую кость, пястную кость, плюсневую кость, фалангу и ключицу). В некоторых вариантах реализации изобретения представляющая интерес кость представляет собой недлинную кость (например, короткую кость, плоскую кость, сесамовидную кость или смешанную кость) млекопитающего (например, тазовый пояс). В некоторых вариантах реализации изобретения трехмерное изображение получают с помощью компьютерного томографа (например, микро-компьютерного или нано-компьютерного томографа).

[0029] В некоторых вариантах реализации изобретения трехмерное изображение получают in vivo. В некоторых вариантах реализации изобретения трехмерное изображение получают ex vivo. В некоторых вариантах реализации изобретения трехмерное изображение представляет собой компьютерное томографическое изображение наружной поверхности кортикальной ткани одной или более костей.

[0030] В некоторых вариантах реализации изобретения инструкции предписывают процессору создание заполненной костной маски для представляющей интерес кости путем выполнения морфологической обработки участка трехмерного изображения, соответствующего представляющей интерес кости, причем указанная обработка включает в себя: выполнение трехмерного двоичного расширения двоичной костной маски представляющей интерес кости (например, со сферическим структурирующим элементом) для образования расширенной костной маски; и идентификацию и заполнение границ и/или морфологических пробелов (например, зазоров и/или разрывов) расширенной костной маски, а также последующую обработку результата (например, выполнение трехмерного двоичного морфологического сужения по результатам операций по заполнению границы и пробелов) для создания заполненной костной маски для представляющей интерес кости.

[0031] В некоторых вариантах реализации изобретения инструкции предписывают процессору заполнение границ представляющей интерес кости, путем: представления в цифровом виде данных изображения на основании двоичной костной маски представляющей интерес кости в виде одной или более кубических моделей данных; идентификации вершины кубической модели данных, причем вершина имеет все ребра, соединенные с вершиной, связанной с истинными (например, двоичными истинными) элементами объемного изображения; формирования двухмерного изображения из трех граней, соединенных с идентифицированной вершиной (например, путем добавления не содержащей полюса грани в качестве одного из квадрантов и диагонального соединения двоичных истинных элементов объемного изображения на границах квадранта не содержащей полюса грани); заполнения морфологических пробелов на образованном таким образом двумерном изображении для получения заполненной поверхности; и отображения заполненной поверхности обратно на трех соответствующих гранях кубической модели данных.

[0032] В некоторых вариантах реализации изобретения инструкции предписывают процессору создание трехмерного скелета представляющей интерес кости путем выполнения морфологической обработки заполненной костной маски, причем обработка включает выполнение итеративного трехмерного утончения заполненной костной маски.

[0033] В некоторых вариантах реализации изобретения инструкции предписывают процессору создание обрезанного трехмерного скелета путем выполнения морфологической обработки скелета для представляющей интерес кости, причем указанная обработка включает в себя: идентификацию дерева центральной линии с одним участком или одноцикличного основного контура скелета в качестве основной траектории; обрезку скелета путем удаления мелких участков, не включенных в основную траекторию; и сглаживание обрезанного скелета (например, путем усреднения по точкам), благодаря чему создается обрезанный трехмерный скелет.

[0034] В некоторых вариантах реализации изобретения инструкции предписывают процессору определение характеристик представляющей интерес кости в соответствии с центральной осью, соответствующей представляющей интерес кости (например, идентификация аномалии кости и/или идентификация кости в качестве конкретной кости млекопитающего). В некоторых вариантах реализации изобретения инструкции предписывают процессору отображение изображения с использованием по меньшей мере трехмерной центральной оси представляющей интерес кости. В некоторых вариантах реализации изобретения инструкции предписывают процессору выполнение стереологического измерения представляющей интерес кости с использованием идентифицированной трехмерной центральной оси представляющей интерес кости, причем указанное выполнение стереологического измерения включает в себя: создание множества графических двумерных поперечных сечений (например, двухмерных срезов изображения) представляющей интерес кости в плоскостях, перпендикулярных идентифицированной трехмерной центральной оси в разных местах вдоль длины представляющей интерес кости; определение данных измерения кости для каждого из графических двумерных поперечных сечений, как показано на графическом двухмерном поперечном сечении (например, идентификация кортикальной толщины каждого из двухмерных срезов изображения); и получение данных стереологического измерения представляющей интерес кости с использованием измерений, определенных на основании множества графических двумерных поперечных сечений (например, получение средней кортикальной толщины представляющей интерес кости в качестве среднего значения измерений, определенных на основании двухмерных срезов изображения). В некоторых вариантах реализации изобретения инструкции предписывают процессору определение одного или более из i) - iii): i) наличия болезненного состояния, ii) риска болезненного состояния и/или iii) степени развития болезни (например, определение стадии болезни) с использованием идентифицированной трехмерной центральной оси представляющей интерес кости (например, на основании данных одного или более стереологических измерений представляющей интерес кости, определенных с использованием идентифицированной трехмерной центральной оси представляющей интерес кости).

[0035] В другом аспекте изобретение относится к системе автоматического заполнения границ изображения представляющего интерес объекта (например, кости), причем система содержит: процессор; а также память, содержащую инструкции, хранящиеся в ней, причем инструкции при выполнении их процессором предписывают процессору: представлять в цифровом виде данные изображения из двоичной маски объекта (например, представляющей интерес кости) в виде одной или более кубических моделей данных; идентифицировать вершину кубической модели данных из одной или более кубических моделей данных, причем вершина имеет все ребра, соединенные с вершиной, связанной с истинными (например, двоичными истинными) элементами объемного изображения; формировать двумерное изображение из трех граней, соединенных с идентифицированной вершиной (например, путем добавления не содержащей полюса грани в качестве одного из квадрантов и диагонального соединения двоичных истинных элементов объемного изображения на границах квадранта не содержащей полюса грани); заполнять морфологические пробелы на образованном таким образом двумерном изображении для получения заполненной поверхности; и отображать заполненную поверхность обратно на трех соответствующих гранях кубической модели данных.

[0036] Варианты реализации изобретения, описанные в отношении одного аспекта изобретения, могут быть применены к другому аспекту данного изобретения (например, предполагают, что характерные признаки вариантов реализации изобретения, описанных в отношении одного независимого пункта формулы изобретения, применимы к другим вариантам реализации других независимых пунктов формулы изобретения).

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0037] Вышеупомянутые и другие объекты, аспекты, характерные признаки и преимущества данного изобретения станут более очевидными и могут быть лучше поняты благодаря ссылке на последующее описание, рассматриваемое совместно с сопроводительными графическими материалами, в которых:

[0038] на фиг. 1 представлено изображение, иллюстрирующее основные оси большеберцовой кости мыши, отображенной томографом микроКТ;

[0039] на фиг. 2 представлено изображение, иллюстрирующее автоматизированную трехмерное скелетное представление эллиптической призмы с прикрепленными к ней коническими участками сверху и снизу;

[0040] на фиг. 3 представлено изображение, показывающее трехмерное представление костей задней конечности мыши, отображенной томографом микроКТ, разделенное на участки с использованием разделяющих фильтров, в соответствии с иллюстративным вариантом реализации изобретения согласно данному раскрытию;

[0041] на фиг. 4 представлена блок-схема последовательности операций, показывающая способ автоматизированного определения характеристик и расчета центральной оси кости в соответствии с иллюстративным вариантом реализации изобретения согласно данному раскрытию;

[0042] на фиг. 5 представлено изображение, иллюстрирующее центральную ось большеберцовой кости мыши, отображаемой томографом микроКТ, в соответствии с иллюстративным вариантом реализации изобретения согласно данному раскрытию;

[0043] на фиг. 6 представлена блок-схема последовательности операций, показывающая способ морфологического заполнения кости в соответствии с иллюстративным вариантом реализации изобретения согласно данному раскрытию;

[0044] на фиг. 7А-7Е представлены приведенные в качестве примера изображения, созданные после выполнения этапов способа морфологического заполнения кости по фиг. 6, в соответствии с иллюстративным вариантом реализации изобретения согласно данному раскрытию;

[0045] на фиг. 8 представлена блок-схема, показывающая способ заполнения границ на трехмерном двоичном изображении кости (кубическая модель данных) в соответствии с иллюстративным вариантом реализации изобретения согласно данному раскрытию;

[0046] на фиг. 9А-9F представлены приведенные в качестве примера изображения, созданные после выполнения этапов способа заполнения границ по фиг. 8, в соответствии с иллюстративным вариантом реализации изобретения согласно данному раскрытию;

[0047] на фиг. 10 представлено изображение, иллюстрирующее скелет большеберцовой кости мыши, отображаемый с помощью томографа микроКТ; изображение было рассчитано с использованием итеративного трехмерного утончения на заполненной кости, в соответствии с иллюстративным вариантом реализации изобретения согласно данному раскрытию;

[0048] на фиг. 11 представлена блок-схема, показывающая способ обрезки и сглаживания морфологического скелета кости, в соответствии с иллюстративным вариантом реализации изобретения согласно данному раскрытию;

[0049] на фиг. 12А-12Н представлены изображения, созданные после выполнения этапов способа обрезки и сглаживания по фиг. 11, примененных к трехмерному изображению большеберцовой кости мыши в соответствии с иллюстративным вариантом реализации изобретения согласно данному раскрытию;

[0050] на фиг. 13A-13D представлены приведенные в качестве примера изображения, иллюстрирующие результаты двухмерных стереологических операций срез за срезом, выполняемых автоматически на трехмерном изображении большеберцовой кости мыши после определения центральной оси, в соответствии с иллюстративным вариантом реализации изобретения согласно данному раскрытию;

[0051] на фиг. 14 представлена блок-схема приведенного в качестве примера вычислительного устройства и приведенного в качестве примера мобильного вычислительного устройства для использования в иллюстративных вариантах реализации изобретения согласно данному раскрытию;

[0052] на фиг. 15 представлена блок-схема приведенной в качестве примера вычислительной среды для использования в иллюстративных вариантах реализации изобретения согласно данному раскрытию.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0053] Предполагают, что системы, устройства, способы и процессы заявленного изобретения охватывают варианты и варианты адаптации, разработанные с использованием информации из вариантов реализации изобретения, описанных в данном документе. Адаптация и/или модификация систем, устройств, способов и процессов, описанных в данном документе, могут выполняться специалистами в данной области техники.

[0054] На протяжении всего описания в местах, в которых изделия, устройства и системы описываются как имеющие, включающие или содержащие конкретные компоненты, или в которых описываются процессы и способы, имеющие или включающие конкретные этапы, предполагают, что дополнительно существуют изделия, устройства и системы по данному изобретению, которые состоят, по существу, из или состоят из приведенных компонентов, и что существуют процессы и способы по данному изобретению, которые включают, по существу, или включают приведенные этапы обработки.

[0055] Следует понимать, что порядок этапов или порядок выполнения определенных действий несущественен, пока изобретение остается пригодным к эксплуатации. Более того, два или более этапов или действий могут выполняться одновременно.

[0056] Упоминание в данном документе любой публикации, например, в разделе «УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ», не является признанием того, что публикация служит в качестве предшествующего уровня техники в отношении любого из представленных в данном документе пунктов формулы изобретения. Раздел «УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ» представлен с целью ясности изложения и не предназначен для описания предшествующего уровня техники в отношении любого из пунктов формулы изобретения.

[0057] Используемый в данном документе термин «изображение», например трехмерное изображение млекопитающего, включает любое визуальное представление, такое как фотография, видеокадр, потоковое видео, а также любой электронный, цифровой или математический аналог фотографии, видеокадра или потокового видео. Любое устройство, описанное в данном документе, в некоторых вариантах реализации изобретения содержит дисплей для отображения изображения или любого другого результата, созданного процессором. Любой способ, описанный в данном документе, в некоторых вариантах реализации изобретения включает этап отображения изображения или любого другого результата, полученного посредством этого способа.

[0058] Используемый в данном документе термин «выделять» или «выделение» осей костей относится к обнаружению, разделению на участки, расчету, отображению и т.п. осей (например, центральных осей) костей.

[0059] Используемый в данном документе термин «3-мерный» или «трехмерный» со ссылкой на «изображение» означает передачу информации о трех измерениях. Трехмерное изображение может отображаться как набор данных в трех измерениях и/или может отображаться как набор двухмерных представлений или в виде трехмерного представления.

[0060] Используемый в данном документе термин «длинная кость» означает кость конечности (например, млекопитающего, например мыши, крысы и т. д.), длина которой больше ширины (например, бедренная кость). В некоторых вариантах реализации изобретения длинная кость - это кость ног (лап), рук, кистей, ног, пальцев, пальцев стоп или ключица. В некоторых вариантах реализация изобретения длинная кость выбирается из следующего: бедренной кости, большеберцовой кости, малоберцовых костей, плечевых костей, лучевых костей, локтевых костей, пястных костей, плюсневых костей, фаланг и ключиц (например, из ключичных костей). Определенные варианты реализации изобретения, описанные в данном документе, относятся либо к длинным костям, либо к недлинным костям, включая, например, короткие кости, плоские кости, сеcамовидные кости и смешанные кости. В некоторых вариантах реализации изобретения недлинные кости включают кости с частично круглыми формами, например, тазовый пояс.

[0061] Используемый в данном документе термин «маска» представляет собой графический шаблон, который идентифицирует двумерную или трехмерную область и используется для управления устранением или удержанием участков изображения или другого графического шаблона.

[0062] В данном документе описаны системы и способы автоматизированного обнаружения центральных осей костей на основании изображений in vivo или ex vivo (например, трехмерных изображений). В некоторых приведенных в качестве примера вариантах реализации изобретения трехмерное изображение представляет собой изображение in vivo субъекта-животного (например, млекопитающего, такого как мышь). В некоторых вариантах реализации изобретения трехмерное изображение представляет собой изображение ex vivo образца (например, образец кости) от субъекта-животного (например, млекопитающего, такого как мышь). В некоторых вариантах реализации изобретения изображения могут быть получены и/или обработаны медицинскими устройствами формирования изображений, такими как компьютерные томографы, томографы микроКТ и т. п. Следует понимать, что такое изображение, как трехмерное изображение, может представлять собой одиночное изображение или набор или ряд из нескольких изображений.

[0063] Центральные оси костей могут эффективно обладать характеристиками и данными о костях, включая, например, пространственные признаки, направление, ориентацию и форму кости. Используя алгоритмы обнаружения кости и разделения кости на участки, скелетные кости животных-объектов (например, сканируемые томографами КТ или микроКТ) обнаруживают, разделяют на участки и отображают, как проиллюстрировано на фиг. 3. При отображении совокупности костей оси костей эффективно представляют ориентацию костей относительно друг друга. Оси костей также пригодны для определения направлений костей (например, во время компьютерного анализа), поскольку оси дают количественную структурную информацию, такую ​​как пространственный угол ориентации кости. Важно отметить, что двухмерные плоскости, перпендикулярные центральным осям, используются для стереологического анализа костей срез за срезом. Если продвигаться вдоль центральной оси и получать двухмерные плоскости, перпендикулярные центральной оси, могут быть проведены двухмерные анализы срез за срезом, такие как стереология, как проиллюстрировано на фиг. 13 A-D, более подробно описанных ниже.

[0064] Некоторые приведенные в качестве примера варианты реализации изобретения, описанные в данном документе, относятся к расчету и выделению центральных осей скелетных костей для получения как общих, так и локализованных тангенциальных направлений костей. Расчет центральных осей также определяет, среди прочего, конфигурацию, форму и кривизну костей. То есть центральная ось представляет собой срединную траекторию, которая описывает, среди прочего, основную центральную линию, форму и ориентацию кости.

[0065] Описание и расчет центральных осей кости являются сложными, поскольку кости не являются однородными твердыми объектами с простыми правильными формами; они могут принимать произвольную форму и включать полые области и отверстия с различной плотностью и пористостью. К тому же, морфологические скелеты двоичных костных масок, которые уменьшают трехмерные области в линейные множества, не могут быть представлены осью с единственным участком, а скорее они могут содержать несколько участков, особенно на дистальных концах, смешиваясь с традиционным анализом. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения простое трехмерное представление скелета двоичной костной маски или даже заполненной костной маски оказывается недостаточным для выделения центральной оси. Как проиллюстрировано на фиг. 2, скелетное представление твердых объектов приводит к деревьям или графикам с множеством участков, которые не могут служить в качестве срединной или центральной оси. Периферийные участки скелетов отражают только определенные пространственные признаки областей твердого объекта. Трехмерное представление скелета приводит твердый объект к множеству кривых линий, только некоторые из которых содержат информацию, полезную для расчета центральной оси твердого объекта; таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения могут быть выполнены дополнительные этапы, как описано в данном документе, для точного, автоматизированного и воспроизводимого выделения центральной оси твердого объекта из его морфологического скелета.

[0066] В некоторых вариантах реализации изобретения центральные оси костей выделяют из морфологических скелетов. Скелеты обычно определяются для заполненных двумерных или трехмерных двоичных объектов. В некоторых вариантах реализации изобретения скелет может быть представлен и/или проиллюстрирован как скелетное дерево. В некоторых вариантах реализации изобретения в заполненных трехмерных объектах морфологический скелет выделяют путем выполнения итеративного утончения двоичной маски трехмерного объекта. Процесс выделения морфологического скелета называется скелетным представлением, или скелетонизацией. В некоторых вариантах реализации изобретения скелетное представление включает в себя выделение местоположения центра всех максимально вписанных сфер в трехмерном объекте. В соответствии с фиг. 2, показан результат прямого скелетного представления эллиптической призмы, к которой приложены конические сечения. Для трехмерных объектов, вытянутых в определенном направлении, скелет часто состоит из основного участка, который проходит через объект, и нескольких небольших участков, которые проходят от основного участка до границы объекта, подобно скелету, проиллюстрированному в фиг. 2.

[0067] Результаты прямого трехмерного скелетного представления костей часто не являются пригодными вариантами для расчета и выделения центральной оси по двум основным причинам. Во-первых, скелетная кость почти никогда не является однородно заполненным трехмерным объектом, а ее внутреннее отделение (например, трабекулы) представляет собой пористую структуру, распределенную по костному мозгу. Прямое трехмерное скелетное представление костной маски (без проведения операций заполнения) будет представлять срединное дерево, охватывающее кортикальную оболочку и трабекулярную сеть кости, а не морфологический скелет кости целиком, включая кортикальный и трабекулярный отделы, а также отдел костного мозга. Во-вторых, из-за периферийных участков (например, сегментов с многими участками, проходящих в конические участки 210, 212) скелет в своей исходной форме не является центральной осью с единственным участком, которая представляет собой ориентацию и форму трехмерного объекта. Периферийные участки трехмерного скелета дают только локализованную структурную информацию, особенно на дистальных концах, и не пригодны для управления и автоматизации измерений срез за срезом.

[0068] На фиг. 3 проиллюстрировано трехмерное изображение, содержащее множество костей млекопитающего, в соответствии с приведенным в качестве примера вариантом реализации изобретения. Более конкретно, на фиг. 3 проиллюстрированы кости задней конечности мыши (например, отображенные с помощью томографа микроКТ), которые разделены на участки бедренной кости, большеберцовой кости и надколенника с использованием разделительных фильтров.

[0069] На фиг. 3 кости 302, 304, 306, 308 были морфологически выделены и/или разделены друг от друга на участки. Другие кости также были выделены, включая отдельные позвонки 310. Могут быть использованы различные общие методы выделения и/или разделения на участки отдельных костей на трехмерном изображении, как проиллюстрировано на фиг. 3, например, системы и способы, описанные в заявке на патент США № 14/812483, поданной 29 июля 2015 года под названием «Systems and Methods for Automated Segmentation of Individual Skeletal Bones in 3D Anatomical Images», текст которой включен в данное описание посредством ссылки в полном объеме. В определенных вариантах реализации изобретения при выделении и/или разделении на участки используют линейную классификацию или регрессию, а отношение сигнал/шум (S/N), соответствующее одному или более характерным признакам, могут использовать для измерения качества классификации или регрессии. В некоторых вариантах реализации изобретения ограничения для классификации или регрессии выбирают эмпирически. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения ограничения для классификации или регрессии выбирают путем задействования одного и того же набора примеров несколько раз с различными ограничениями. Соответствующие ограничения могут быть выбраны так, чтобы найти баланс между точностью и расчетным временем в выбранном алгоритме выделения и/или распределения на участки.

[0070] На фиг. 4 проиллюстрирована блок-схема для выделения центральной оси кости из отделенной двоичной костной маски, в соответствии с приведенным в качестве примера вариантом реализации изобретения. Перед идентификацией (например, выделением) центральной оси кости получают трехмерное изображение (или серию трехмерных изображений) костей млекопитающего, например, от томографа КТ или микроКТ [402]. Кость (по которой должна рассчитываться ось) морфологически отделяют и/или распределяют на участки из множества костей [404], так что анализируют только представляющую интерес кость (например, длинную кость). Морфологическое отделение и/или распределение на участки описаны выше более подробно со ссылкой на фиг. 3.

[0071] После морфологического отделения трехмерное изображение кости(ей) преобразуют в двоичную костную маску [406]. В нескольких вариантах реализации изобретения трехмерная двоичная костная маска представляет собой трехмерный массив, содержащий элементы объемного изображения во включенном (например, двоичном истинном) или исключенном (например, двоичном ложном) состоянии. Элемент объемного изображения в двоичном истинном состоянии в маске соответствует области, содержащей костную ткань, на трехмерном изображении кости(ей). И наоборот, элемент объемного изображения в двоичном ложном состоянии в маске соответствует пустой или не костной ткани на трехмерном изображении. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения двоичная костная маска представляет собой по меньшей мере кортикальные и трабекулярные участки кости(ей). В других вариантах реализации изобретения двоичная костная маска первоначально заполнена (например, содержимое внутренней части, такой как костный мозг) двоичными истинными элементами объемного изображения (например, двоичная костная маска представляет собой плотный трехмерный объем кости, состоящей из кортикального и трабекулярного участков, а также участка костного мозга). Приведенный в качестве примера метод создания двоичной костной маски дополнительно подробно описан в заявке на патент США 14/162693, поданной 23 января 2014 года, которая включена в данное описание посредством ссылки в полном объеме.

[0072] В некоторых вариантах реализации изобретения двоичная маска кости заполняется морфологической обработкой [408], которая более подробно описана в блок-схеме последовательности операций, изображенной на фиг. 6. В некоторых вариантах реализации изобретения заполнение трехмерного объекта (например, двоичной костной маски) обычно относится к процессу идентификации внутренних элементов объемного изображения (например, внутреннего подобъема, ограниченного поверхностью) объекта и добавления всех из них в двоичную костную маску (например, путем изменения их состояний на двоичное истинное состояние). В некоторых вариантах реализации изобретения скелетное представление выполняют на заполненной кости путем итерационного трехмерного утончения [410], которое подробно описано ниже. В некоторых вариантах реализации изобретения скелет обрезают (например, небольшие участки удаляют) вплоть до единственного участка (например, туловища) и сглаживают [412], иллюстративный способ чего подробно описан в блок-схеме последовательности операций, изображенной на фиг. 11. В некоторых вариантах реализации изобретения эти три этапа (408, 410 и 412) дают кривую с единственным участком, которая следует за срединной траекторией кости, эффективно идентифицируя и отделяя центральную ось кости.

[0073] В соответствии с фиг. 5, показан результат способа идентификации центральной оси кости, описанного со ссылкой на фиг. 4. Центральная ось 502 кости получена после выполнения этапов, изображенных на фиг. 4, включая обрезку и сглаживание трехмерного морфологического скелета заполненной двоичной костной маски.

[0074] На фиг. 6 представлена блок-схема последовательности операций процесса заполнения двоичной костной маски (например, заполнения костей) с использованием морфологической обработки, в соответствии с приведенным в качестве примера вариантом реализации изобретения. Заполнение костей является этапом при выделении центральной оси кости, например, этапом 408 способа, изображенного на фиг. 4. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения заполнение костей выполняется путем добавления внутреннего отделения (например, костного мозга) кости в костную маску. Наличие трещин или вен в костной оболочке, которая соединяет внутреннюю часть или костный мозг кости с фоном костной маски, делает более сложным заполнение костей. Из-за вен и/или трещин в костной оболочке внутренний участок морфологически связан с фоном, и для точного и надежного обнаружения внутреннего участка кости необходимы дополнительные этапы. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения внутренний участок обнаруживается посредством выполнения двоичного вычитания (например, операции «AND NOT» (И-НЕТ)) между расширенными масками кости до и после морфологического заполнения. В некоторых вариантах реализации изобретения расширение относится к расширению изображения пропорционально или непропорционально, вдоль любой оси или направления. В некоторых вариантах реализации изобретения расширение представляет собой трехмерное сферическое расширение, выполненное с использованием сферического структурирующего элемента размером от 3-5. Могут использоваться различные способы расширения. Дальнейшее описание расширения и связанных с ним операций приведено в международной заявке PCT/IB2011/002757, поданной 12 сентября 2011 года, опубликованной в качестве публикации международной патентной заявки № WO/2013/038225, которая включена в данное описание посредством ссылки в полном объеме. В некоторых вариантах реализации изобретения внутренний участок кости получают путем расширения результата этого вычитания. В некоторых вариантах реализации изобретения заполнение границы в процессе заполнения кости выполняется путем применения двухмерного заполнения к плоскостям границы кубической модели данных, содержащей набор костных изображений, как подробно описано в блок-схеме последовательности операций по фиг. 8.

[0075] Тем не менее, со ссылкой на фиг. 6, двоичную костную маску создают [602] (например, получают) на основании медицинского изображения, такого как томографический снимок КТ или микроКТ одной или более костей млекопитающего. В некоторых вариантах реализации изобретения различные кости, показанные на изображении, автоматически отделяются и/или разделяют на участки (см. фиг. 3). Для иллюстративных целей двоичная костная маска, созданная на этапе 602, упоминается в данном документе как изображение 0, хотя в данном способе не используется какое-либо конкретное название, назначенное какому-либо изображению. В свою очередь, двоичная костная маска (изображение 0) расширяется сферическим структурирующим элементом, например размером 3-10, в зависимости от метрических размеров элементов объемного изображения, и расширенная двоичная костная маска сохраняется как изображение 1 [604].

[0076] Затем границы изображения 1 идентифицируются и заполняются [606]. Также заполняются морфологические пробелы (например, промежутки и/или разрывы) [608]. Заполнение границы описано более подробно ниже со ссылкой на фиг. 8. Затем выполняется трехмерное двоичное морфологическое сужение [610] для создания заполненной костной маски [622].

[0077] В некоторых вариантах реализации изобретения результат операций заполнения трехмерного пробела и заполнения границ сохраняется как изображение 2. Затем изображение 1 вычитается из изображения 2[610], в результате чего в маске эффективно представлено местоположение заполненных пробелов и трещин. В некоторых вариантах реализации изобретения мелкие пятна, определенные как связанные компоненты с объемами, меньшими, чем эмпирически определенные границы, удаляются из полученной маски, и изображение снова расширяют и сохраняют как изображение 3. В свою очередь, новое изображение создают объединением изображения 0 с изображением 3, в результате чего на двоичную костную маску изображения 0 накладываются заполненные пробелы, представленные на изображении 3. Границы полученного изображения (изображение 0 + изображение 3) заполняются, а затем заполняются пробелы трехмерного изображения. Пробелы идентифицируются как пустые или двоичные ложные элементы объемного изображения, расположенные во внутренней части расширенной костной маски (морфологически отключенные от фонового изображения с помощью расширенной костной маски). Отверстия заполняются добавлением к костной маске (или значения их элементов объемного изображения обновляются до 1 или двоичного истинного значения).

[0078] На фиг. 7А-7Е показаны результаты этапов, описанных со ссылкой на фиг. 6. На фиг. 7А изображены два вида - внешний вид и вид с частичным разрезом - результата двоичной костной маски, этап 602 способа по фиг. 6. На фиг. 7В изображен результат трехмерного двоичного расширения, этап 604 способа по фиг. 6. На фиг. 7С изображен результат операций заполнения границ, этап 606 способа по фиг. 6. На фиг. 7D изображен результат заполнения морфологического пробела, этап 608 способа по фиг. 6. На фиг. 7Е изображена заполненная костная маска, полученная в результате трехмерного двоичного морфологического сужения, этап 610 способа по фиг. 6.

[0079] На фиг. 8 проиллюстрирован процесс выполнения заполнения границ в соответствии с приведенным в качестве примера вариантом реализации изобретения. В некоторых приведенных в качестве примера вариантах реализации изобретения заполнение границ выполняется во время процесса создания двоичной костной маски (например, фиг. 6). Заполнение границ выполняется на необработанной или обработанной костной маске (например, расширенное изображение кости, полученное на этапе 604 по фиг. 6).

[0080] Более конкретно, чтобы инициировать заполнение границ, получают костную маску, используемую в приведенном в качестве примера варианте реализации изобретения по фиг. 6 [602]. В некоторых вариантах реализации изобретения данные изображения (например, двоичной костной маски) представляются в цифровом виде как одна или более кубических моделей данных. В различных вариантах реализации изобретения кубическая модель данных содержит трехмерный массив значений, соответствующих элементам объемного изображения в трехмерной костной маске, включая двенадцать ребер и восемь вершин, причем каждая из вершин связана с тремя ребрами. Каждое ребро кубической модели данных связано с двумя гранями. Первая вершина кубической модели данных выбирается из восьми вершин [804], пример которых показан на фиг. 9А. Выбранная вершина проверяется, чтобы все три ребра, соединенные с вершиной, содержали элементы объемного изображения, принадлежащие двоичной маске [806]. Если ребро, связанное с вершиной, содержит элемент объемного изображения двоичной маски, оно связано с истинным состоянием и/или ему назначают истинное состояние (например, двоичное истинное состояние). Если все ребра, соединенные с выбранной вершиной, связаны с истинными элементами объемного изображения, проверка вершин завершена. В противном случае, если проверка вершины не проходит, выбирается следующая вершина. Если вершина проходит проверку на элементы объемного изображения, формируется двухмерное изображение путем объединения трех граней, связанных с вершиной, с не содержащей полюсов гранью в качестве квадранта [808], пример которой показан на фиг. 9В. Затем пиксели с двоичными истинными значениями, граничащими с не содержащим полюсов квадрантом, соединяются по диагонали путем обновления значений соответствующих пикселей не содержащего полюсов квадранта до двоичного истинного значения [810], как показано на фиг. 9С. Затем заполняются морфологические пробелы в полученном объединенном двумерном изображении, и заполненные поверхности отображаются обратно на трех соответствующих гранях кубической модели данных [812], как показано на фиг. 9D (двумерное изображение) и на фиг. 9E и 9F (два вида полученной кубической модели данных).

[0081] Если все вершины были проверены и обработаны (например, завершены) [816], способ переходит к этапу 818. В противном случае способ возвращается для выбора следующей вершины в кубической модели данных на этапе 804. При завершении всех вершин выбирается первая грань кубической модели данных [818]. Грань проверяется для подтверждения того, что обе грани, связанные с ребром, и само ребро содержат двоичные истинные элементы объемного изображения [820]. Если проверка ребра проходит успешно (например, ребро связано с истинными элементами объемного изображения), создается двухмерное изображение из объединения двух граней, связанных с ребром [822]. В противном случае следующее ребро кубической модели данных выбирается так же, как на этапе 818. Морфологические пробелы в двумерном изображении заполняются, и заполненные поверхности отображаются обратно на двух соответствующих гранях кубической модели данных [824]. Если все ребра завершены [826], способ переходит к этапу 828, в противном случае выбирается следующее ребро. После того как все ребра завершены, заполняются пробелы на каждой отдельной грани кубической модели данных [830], тем самым создавая костную маску с заполненными границами. Костная маска с заполненными границами сохраняется в памяти [828].

[0082] Как упоминалось выше, идентификация центральной оси кости также включает в себя этап трехмерного утончения. Концепция трехмерного утончения более подробно описана в заявке Building Skeleton Models via 3-D medial Surface/ Axis Thinning Algorithms (Lee, T. C, Graphical Models and Image Processing, Vol. 56, No. 6, November, pp. 462-478, 1994), которая включена в данное описание посредством ссылки в полном объеме.

[0083] Обычно трехмерное утончение сжимает или уменьшает твердые объекты, области или объемы, такие как заполненный трехмерный объект (например, кость) до морфологического скелета (см. фиг. 10), с основными и второстепенными участками. В некоторых вариантах реализации изобретения скелет (или медиальная поверхность) структуры является месторасположением центра всех максимально вписанных сфер объекта в трехмерном пространстве (например, евклидовом пространстве), где каждая из сфер касается границы в более чем одной точке. В некоторых вариантах реализации изобретения преобразование расстояния используется для утончения трехмерного изображения. В некоторых вариантах реализации изобретения пограничные точки повторно удаляются в соответствии с топологическими и геометрическими ограничениями до тех пор, пока не будет получен меньший набор соединенных точек. В некоторых вариантах реализации изобретения трехмерный скелет, по существу, представляет или является приближением «истинного» скелета в трехмерном евклидовом пространстве. В некоторых вариантах реализации изобретения выполняются методы марш-алгоритма множества уровня.

[0084] Более конкретно, итеративное удаление пограничных точек обеспечивает трехмерное утончение, сохраняя при этом топологические свойства подлежащего утончению изображения. В некоторых вариантах реализации изобретения каждая итерация утончения делится на подциклы в соответствии с типом граничной точки (например, север, юг, запад, восток, вверх, низ). Удаленные пограничные точки ограничены на основании топологических и геометрических ограничений, например, чтобы избежать нежелательного отделения объекта от или исключения объекта из изображения. В некоторых вариантах реализации изобретения утончение медиальной поверхности (MST) и/или утончение срединной оси (MAT) может использоваться в качестве геометрических ограничений процесса удаления границы операции трехмерного утончения. То есть MST используется для идентификации точек поверхности, которые не удаляются при утончении. То есть утончение медиальной поверхности идентифицирует поверхности, которые расположены приближенно к центральной линии. MAT отличается от MST тем, что полученный скелет состоит из дуг и/или кривых вместо поверхностей, которые приближаются к центральной линии. Как MST, так и MAT описаны более подробно в работе Building Skeleton Models via 3-D medial Surface/ Axis Thinning Algorithms (Lee, T. C, Graphical Models and Image Processing, Vol. 56, No. 6, November, pp. 462-478, 1994), которая включена в данное описание посредством ссылки в полном объеме.

[0085] На фиг. 10 показано трехмерное скелетное представление заполненной костной маски большеберцовой кости мыши в соответствии с приведенным в качестве примера вариантом реализации изобретения. Скелет 902 может быть дополнительно обрезан и сглажен, как показано ниже со ссылкой на фиг. 11.

[0086] На фиг. 11 проиллюстрирован способ [1100] обрезки и сглаживания скелета для получения центральной оси кости в соответствии с приведенным в качестве примера вариантом реализации изобретения. Сначала получают бинарную скелетную маску [1102]. Затем идентифицируют конкретную траекторию (например, основную или центральную траекторию) в скелете [1104], например, путем нахождения i) дерева центральной линии скелета (например, с помощью способа, описанного в «TEASAR: tree-structure extraction algorithm for accurate and robust skeletons Sato, M., Bitter, Iю, Bender, M.A., Kaufman, A.E., Nakajima, M. Сomputer Graphics and Applications, 2000. Proceedings. The Eighth Pacific Conference on Volume, Issue, 2000 Page(s):281 - 449») или ii) одноцикличный основной контур скелета в зависимости от того, имеет ли морфологический скелет кости древовидную структуру без контуров (например, длинные кости, такие как бедренные кости), которые часто имеют место в костях млекопитающих, или морфологический скелет кости имеет контуры (например, тазовый пояс). В некоторых вариантах реализации изобретения дерево центральной линии скелета обнаруживают с помощью алгоритма TEASAR, упомянутого выше, который включает 1) считывание двоичных сегментированных элементов объемного изображения внутри объекта; 2) обрезку объема только до объекта; 3) вычисление расстояния от граничного поля (DBF); 4) вычисление расстояния от любого поля элемента объемного изображения (DAF); 5) вычисление штрафного расстояния от поля корневого элемента объемного изображения (PDRF); 6) обнаружение самого дальнего элемента объемного изображения PDRF, помеченного как находящегося внутри; 7) получение кратчайшей траектории от этого элемента объемного изображения к корневому элементу; 8) обозначение всех элементов объемного изображения рядом с траекторией как «ранее находившихся внутри»; и 9) повторение этапов с 6 по 8, пока не останется никаких внутренних элементов объемного изображения.

[0087] На этапе обрезки [1106] небольшие участки скелета удаляются с идентифицированной основной траектории, тем самым уменьшая скелет до единственного участка. Чтобы предотвратить воздействие сложных форм дистальных концов костей на определение центральной оси, обрезанный участок дополнительно сглаживается путем усреднения по точкам [1108]. Конечным результатом этого этапа является центральная ось кости [1110], пример которой проиллюстрирован на фиг. 5 в ссылке [502].

[0088] На фиг. 12А-12Н представлены изображения, созданные после выполнения этапов способа обрезки и сглаживания по фиг. 11, применительно к большеберцовой кости (фиг. 12А-12D) и бедренной кости (фиг. 12E-12H) мыши, отсканированной платформой для формирования изображений с помощью микроКТ после разделения кости на участки, как показано на фиг. 3. Слева направо изображения показывают костную маску (фиг. 12A/12E), результат этапа скелетного представления [1104] (фиг. 12B/12F), результат этапа обрезки [1106] (фиг. 12C/12G) и результат этапа сглаживания [1108] (фиг. 12D/12H), тем самым создавая центральную ось для большеберцовой кости и бедренной кости.

[0089] В некоторых вариантах реализации изобретения идентифицированная центральная ось кости используется для количественной оценки структурных характеристик (например, характерных признаков) кости, таких как конфигурация, форма кости, локализованные тангенциальные направления, кривизна и тому подобное. Эти характеристики могут быть использованы, в свою очередь, для определения характеристик кости, например, путем идентификации аномалий, идентификации кости как конкретной кости и тому подобного. В некоторых вариантах реализации идентифицированная центральная ось используется для формирования изображений кости или набора костей, с которыми связана данная кость. Следует понимать, что характеристики кости, идентифицированной с использованием центральной оси кости, могут использоваться, например, для других изображений (например, формирования изображений), диагностики и терапевтических целей, а также для других вариантов применения.

[0090] Например, в некоторых вариантах реализации изобретения идентифицированная центральная ось кости используется для стереологических измерений и исследований кости срез за срезом. На фиг. 13A-13D представлены приведенные в качестве примера изображения, иллюстрирующие результаты двухмерных стереологических операций срез за срезом, выполняемых точно и автоматически после определения центральной оси. Плоскости, перпендикулярные центральной оси, используются для создания двухмерных срезов изображения поперечного сечения кости. Затем параметры, такие как средняя кортикальная толщина, могут быть автоматически рассчитаны на основании этих двухмерных срезов. Например, на фиг. 13А показана большеберцовая кость 1300 после определения центральной оси кости в соответствии с описанными в данном документе способами. Идентифицированы плоскости 1302, 1306 и 1310. Эти плоскости перпендикулярны центральной оси в разных местах по длине кости. Получают изображения двумерных поперечных сечений на этих плоскостях, например, изображения на фиг. 13B-13D. Фиг. 13B соответствует плоскости 1302, фиг. 13С соответствует плоскости 1306, а фиг. 13D соответствует плоскости 1310. На основании двумерных поперечных сечений можно определить различные свойства костей, например, среднюю кортикальную толщину (оболочка). Может быть взято любое количество поперечных сечений. В случае, показанном на фиг. 13, средняя кортикальная толщина была автоматически определена как 3,98 элемента объемного изображения или 198 мкм. Способ, раскрытый в данном документе, обеспечивает автоматизированный, надежный способ получения этой информации непосредственно из томографии (например, томографии микроКТ), тем самым устраняя ошибки оператора и изменчивость из-за измерений «вручную».

[0091] Как обсуждалось выше, некоторые варианты реализации описанных в данном документе процедур связаны с получением центральной оси кости для направления стереологических измерений или получения, например, направления, общей формы и пространственных характеристик кости. Различные другие варианты реализации изобретения используют описанные в данном документе способы обработки изображений, включая такие процедуры, как заполнение границ, заполнение костей и обрезка/сглаживание, в других вариантах применения. Например, описанные в данном документе способы обработки изображений могут использоваться при сегментации/разделении кости с использованием методов морфологического разделения, таких как зона двойного кровоснабжения. В некоторых вариантах реализации изобретения морфологическое разделение выполняется на заполненных костях, а не на изначальных костных масках. Кроме того, заполнение границ и костей также полезно, например, при разделении на участки кортикального и трабекулярного участков кости.

[0092] На фиг. 14 показана иллюстративная сетевая среда 1400 для использования в описанных в данном документе способах и системах. В кратком обзоре, со ссылкой далее на фиг. 14, показана и описана блок-схема приведенной в качестве примера облачной вычислительной среды 1400. Облачная вычислительная среда 1400 может включать в себя одного или более провайдеров 1402a, 1402b, 1402c ресурсов (в совокупности 1402). Каждый провайдер 1402 ресурсов может включать вычислительные ресурсы. В некоторых вариантах реализации вычислительные ресурсы могут включать любое аппаратное и/или программное обеспечение, используемые для обработки данных. Например, вычислительные ресурсы могут включать аппаратное и/или программное обеспечение, выполненные с возможностью выполнять алгоритмы, компьютерные программы и/или компьютерные приложения. В некоторых вариантах реализации изобретения, приведенные в качестве примера, вычислительные ресурсы могут включать в себя серверы приложений и/или базы данных с возможностями хранения, поиска и выборки. Каждый провайдер 1402 ресурсов может быть подключен к любому другому провайдеру 1402 ресурсов в облачной вычислительной среде 1400. В некоторых вариантах реализации провайдеры 1402 ресурсов могут быть подключены через компьютерную сеть 1408. Каждый провайдер 1402 ресурсов может быть подключен к одному или более вычислительным устройствам 1404a, 1404b, 1404c (в совокупности 1404) по компьютерной сети 1408.

[0093] Облачная вычислительная среда 1400 может включать в себя диспетчер 1406 ресурсов. Диспетчер 1406 ресурсов может быть подключен к провайдерам 1402 ресурсов и вычислительным устройствам 1404 по компьютерной сети 1408. В некоторых вариантах реализации диспетчер 1406 ресурсов может облегчать предоставление вычислительных ресурсов одним или более провайдерами 1402 ресурсов одному или более вычислительным устройствам 1404. Диспетчер 1406 ресурсов может принимать запрос на вычислительный ресурс от конкретного вычислительного устройства 1404. Диспетчер 1406 ресурсов может идентифицировать одного или более провайдеров 1402 ресурсов, способных предоставлять вычислительный ресурс, запрошенный вычислительным устройством 1404. Диспетчер 1406 ресурсов может выбрать провайдера 1402 ресурсов для предоставления вычислительного ресурса. Диспетчер 1406 ресурсов может облегчить соединение между провайдером 1402 ресурсов и конкретным вычислительным устройством 1404. В некоторых вариантах реализации диспетчер 1406 ресурсов может установить соединение между конкретным провайдером 1402 ресурсов и конкретным вычислительным устройством 1404. В некоторых вариантах реализации, диспетчер 1406 ресурсов может перенаправить конкретное вычислительное устройство 1404 к конкретному провайдеру 1402 ресурсов с запрошенным вычислительным ресурсом.

[0094] На фиг. 15 показан пример вычислительного устройства 1500 и мобильного вычислительного устройства 1550, которые могут использоваться в способах и системах, описанных в этом раскрытии. Вычислительное устройство 1500 предназначено для представления различных форм цифровых компьютеров, таких как ноутбуки, стационарные компьютеры, рабочие станции, персональные цифровые помощники, серверы, сверхкомпактные серверы, мэйнфреймы и другие соответствующие компьютеры. Мобильное вычислительное устройство 1550 предназначено для представления различных форм мобильных устройств, таких как персональные цифровые помощники, сотовые телефоны, смартфоны и другие подобные вычислительные устройства. Компоненты, показанные в данном документе, их связи и отношения, а также их функции, предназначены только для примеров, а не для ограничения.

[0095] Вычислительное устройство 1500 содержит процессор 1502, память 1504, запоминающее устройство 1506, высокоскоростной интерфейс 1508, подключенный к памяти 1504 и нескольким высокоскоростным портам 1510 расширения, а также низкоскоростной интерфейс 1512, подключенный к низкоскоростному порту 1514 расширения и запоминающему устройству 1506. Каждый из процессора 1502, памяти 1504, запоминающего устройства 1506, высокоскоростного интерфейса 1508, высокоскоростных портов 1510 расширения и низкоскоростного интерфейса 1512 соединены между собой с помощью различных шин и могут быть установлены на общей материнской плате или, по мере необходимости, другими способами. Процессор 1502 может обрабатывать инструкции для выполнения в вычислительном устройстве 1500, включая инструкции, хранящиеся в памяти 1504 или на запоминающем устройстве 1506, для отображения графической информации для графического пользовательского интерфейса (ГПИ) на внешнем устройстве ввода/вывода, таком как дисплей 1516, подключенный к высокоскоростному интерфейсу 1508. В других вариантах реализации могут использоваться, по мере необходимости, несколько процессоров и/или несколько шин вместе с несколькими запоминающими устройствами и типами памяти. Кроме того, могут быть подключены несколько вычислительных устройств, причем каждое устройство обеспечивает части необходимых операций (например, в качестве банка сервера, группы сверхкомпактных серверов или многопроцессорной системы).

[0096] Память 1504 хранит информацию в вычислительном устройстве 1500. В некоторых вариантах реализации память 1504 является энергозависимым блоком (или блоками) памяти. В некоторых вариантах реализации память 1504 является энергонезависимым блоком (или блоками) памяти. Память 1504 также может быть другой формой машиночитаемого носителя, такого как магнитный или оптический диск.

[0097] Устройство 1506 хранения информации выполнено с возможностью обеспечивать массовое хранение для вычислительного устройства 1500. В некоторых вариантах реализации устройство 1506 хранения информации может представлять собой или содержать машиночитаемый носитель, такой как накопитель на гибком диске, накопитель на жестком диске, устройство оптического диска или ленточное устройство, флэш-память или другое подобное твердотельное запоминающее устройство, или ряд устройств, включая устройства в сети хранения данных или другие конфигурации. Инструкции могут храниться в носителе информации. Инструкции, выполняемые одним или более обрабатывающими устройствами (например, процессором 1502), выполняют один или более способов, таких как способы, описанные выше. Инструкции также могут быть сохранены одним или более запоминающими устройствами, такими как носители, считываемые компьютером или машиной (например, память 1504, запоминающее устройство 1506 или память на процессоре 1502).

[0098] Высокоскоростной интерфейс 1508 управляет операциями с большой полосой пропускания для вычислительного устройства 1500, в то время как низкоскоростной интерфейс 1512 управляет операциями с более низкой полосой пропускания. Такое распределение функций является только примером. В некоторых вариантах реализации высокоскоростной интерфейс 1508 соединен с памятью 1504, дисплеем 1516 (например, через графический процессор или ускоритель) и с высокоскоростными портами 1510 расширения, которые могут принимать различные платы расширения (не показаны). В варианте реализации низкоскоростной интерфейс 1512 соединен с устройством 1506 хранения информации и низкоскоростным портом 1514 расширения. Низкоскоростной порт 1514 расширения, который может включать в себя различные порты связи (например, USB, Bluetooth®, Ethernet, беспроводной Ethernet), может быть подключен к одному или более устройствам ввода/вывода, таким как клавиатура, указывающее устройство, сканер, или сетевому устройству, такому как коммутатор или маршрутизатор, например, через сетевой адаптер.

[0099] Вычислительное устройство 1500 может быть реализовано в нескольких различных формах, как показано на фигуре. Например, оно может быть реализовано как стандартный сервер 1520 или множество раз в группе таких серверов. Кроме того, оно может быть реализовано на персональном компьютере, таком как портативный персональный компьютер 1522. Оно также может быть реализовано как часть системы 1524 стоечного сервера. В качестве альтернативного варианта, компоненты из вычислительного устройства 1500 могут быть объединены с другими компонентами в мобильном устройстве (не показано), таком как мобильное вычислительное устройство 1550. Каждое из таких устройств может содержать одно или более вычислительных устройств 1500 и мобильное вычислительное устройство 1550, а вся система может состоять из множества вычислительных устройств, обменивающихся данными друг с другом.

[00100] Мобильное вычислительное устройство 1550 содержит, среди прочих компонентов, процессор 1552, память 1564, устройство ввода/вывода, такое как дисплей 1554, интерфейс 1566 связи и приемопередатчик 1568. Мобильное вычислительное устройство 1550 также может быть снабжено устройством хранения информации, таким как микронакопитель или другое устройство, для обеспечения дополнительного хранения информации. Каждый из процессора 1552, памяти 1564, дисплея 1554, интерфейса 1566 связи и приемопередатчика 1568 соединен с другими устройствами с помощью различных шин, а некоторые из компонентов могут быть установлены на общей материнской плате или, по мере необходимости, другими способами.

[00101] Процессор 1552 может выполнять инструкции в мобильном вычислительном устройстве 1550, включая инструкции, хранящиеся в памяти 1564. Процессор 1552 может быть реализован как микропроцессорный набор чипов, который содержит отдельные и множество аналоговых и цифровых процессоров. Процессор 1552 может обеспечивать, например, координацию других компонентов мобильного вычислительного устройства 1550, например управление пользовательскими интерфейсами, приложениями, выполняемыми мобильным вычислительным устройством 1550, и беспроводную связь посредством мобильного вычислительного устройства 1550.

[00102] Процессор 1552 может связываться с пользователем через интерфейс 1558 управления и интерфейс 1556 дисплея, связанный с дисплеем 1554. Дисплей 1554 может представлять собой, например, жидкокристаллический дисплей на тонкопленочных резисторах (дисплей TFT) или дисплей на органических светодиодах (дисплей OLED) или другую подходящую технологию отображения. Интерфейс 1556 дисплея может содержать соответствующую схему для управления дисплеем 1554 для предоставления пользователю графической и другой информации. Интерфейс 1558 управления может принимать команды от пользователя и преобразовывать их для отправки процессору 1552. Кроме того, внешний интерфейс 1562 может обеспечивать связь с процессором 1552, чтобы обеспечить возможность связи в близкой зоне мобильного вычислительного устройства 1550 с другими устройствами. Внешний интерфейс 1562 может обеспечивать, например, проводную связь в некоторых вариантах реализации или беспроводную связь в других вариантах реализации, а также могут использоваться несколько интерфейсов.

[00103] Память 1564 хранит информацию в мобильном вычислительном устройстве 1550. Память 1564 может быть реализована как один или более из машиночитаемого носителя или носителей, блока или блоков энергозависимой памяти или блока или блоков энергонезависимой памяти. Расширительная память 1574 также может быть предусмотрена и подключена к мобильному вычислительному устройству 1550 через интерфейс 1572 расширения, который может содержать, например, интерфейсную плату модуля памяти с однорядным расположением выводов (SEVIM). Расширительная память 1574 может предоставить дополнительное пространство для хранения для мобильного вычислительного устройства 1550 или может также хранить приложения или другую информацию для мобильного вычислительного устройства 1550. В частности, расширительная память 1574 может содержать инструкции для осуществления или дополнения описанных выше процессов, а также может содержать защищенную информацию. Таким образом, например, расширительная память 1574 может быть предоставлена в качестве модуля защиты для мобильного вычислительного устройства 1550 и может быть запрограммирована с помощью инструкций, которые обеспечивают безопасное использование мобильного вычислительного устройства 1550. Кроме того, защищенные приложения могут быть предоставлены через SIMM-карты вместе с дополнительной информацией, например, размещением идентифицирующей информации на SIMM-карте защищенным от хакерских атак способом.

[00104] Память может включать в себя, например, флэш-память и/или память NVRAM (энергонезависимое запоминающее устройство с произвольной выборкой), как описано ниже. В некоторых вариантах реализации инструкции хранятся на носителе информации и при выполнении одним или более устройствами обработки (например, процессором 1552) они выполняют один или более способов, таких как те, что описаны выше. Инструкции также могут храниться одним или более запоминающими устройствами, такими как один или более носителей, считываемых компьютером или машиной (например, память 1564, расширительная память 1574 или память на процессоре 1552). В некоторых вариантах реализации инструкции могут приниматься в распространяемом сигнале, например, по приемопередатчику 1568 или внешнему интерфейсу 1562.

[00105] Мобильное вычислительное устройство 1550 может осуществлять беспроводную связь через интерфейс 1566 связи, который может содержать, в случае необходимости, схему цифровой обработки сигналов. Интерфейс 1566 связи может обеспечивать связь в различных режимах или протоколах, таких как голосовые вызовы GSM (глобальная система мобильной связи), SMS (служба коротких сообщений), EMS (служба расширенной передачи сообщений) или сообщений MMS (служба мультимедийных сообщений) CDMA (множественный доступ с кодовым разделением), TDMA (множественный доступ с временным разделением), PDC (персональная цифровая сотовая связь), WCDMA (широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов), CDMA2000 или GPRS (общая служба пакетной радиопередачи) и другие. Такая связь может осуществляться, например, через приемопередатчик 1568 с использованием радиочастоты. Кроме того, может осуществляться связь ближнего действия, например, связь с использованием Bluetooth®, Wi-Fi™ или другого такого приемопередатчика (не показан). Кроме того, модуль 1570 приемника GPS (глобальной системы мобильной связи) может предоставлять дополнительные беспроводные данные, связанные с навигацией и местоположением, на мобильное вычислительное устройство 1550, которые могут быть использованы соответствующим образом приложениями, выполняемыми на мобильном вычислительном устройстве 1550.

[00106] Мобильное вычислительное устройство 1550 также может воспринимать звуковой сигнал с помощью аудиокодека 1560, который может принимать устную информацию от пользователя и преобразовывать ее в полезную цифровую информацию. Аудиокодек 1560 может также генерировать звуковой сигнал для пользователя, например, через динамик, например, в микротелефонной трубке мобильного вычислительного устройства 1550. Такой звук может включать в себя звук из голосовых телефонных вызовов, может включать в себя записанный звук (например, голосовые сообщения, музыкальные файлы и т. д.), а также может включать звук, создаваемый приложениями, работающими на мобильном вычислительном устройстве 1550.

[00107] Мобильное вычислительное устройство 1550 может быть реализовано в нескольких различных формах, как показано на фигуре. Например, оно может быть реализовано как сотовый телефон 1580. Оно также может быть реализовано как часть смартфона 1582, персонального цифрового помощника или другого подобного мобильного устройства.

[00108] Различные варианты реализации систем и методов, описанных в данном документе, могут быть реализованы в цифровых электронных схемах, интегральных схемах, специально разработанных ASIC (специализированных интегральных схемах), компьютерном аппаратном обеспечении, аппаратно-программном обеспечении, программном обеспечении и/или их комбинациях. Эти различные варианты реализации могут включать реализацию в одной или более компьютерных программах, которые являются исполняемыми и/или интерпретируемыми в программируемой системе, содержащей по меньшей мере один программируемый процессор, который может быть специального или общего назначения, подключенный для получения данных и инструкций от системы хранения и для передачи данных и инструкций в систему хранения по меньшей мере одного устройства ввода и по меньшей мере одного устройства вывода.

[00109] Эти компьютерные программы (также известные как программы, программное обеспечение, программные приложения или код) содержат машинные инструкции для программируемого процессора и могут быть реализованы на высокоуровневом процедурном и/или объектно-ориентированном языке программирования и/или на ассемблерном/машинном языке. Используемые в данном документе термины «машиночитаемый носитель» и «читаемый компьютером носитель» относятся к любому компьютерному программному продукту, аппарату и/или устройству (например, магнитным дискам, оптическим дискам, памяти, программируемым логическим устройствам (ПЛУ)), используемым для предоставления машинных команд и/или данных программируемому процессору, включая машиночитаемый носитель, который принимает машинные команды как машиночитаемый сигнал. Термин «машиночитаемый сигнал» относится к любому сигналу, используемому для предоставления машинных команд и/или данных программируемому процессору.

[00110] Чтобы обеспечить взаимодействие с пользователем, описанные в данном документе системы и методы могут быть реализованы на компьютере, имеющем дисплейное устройство (например, дисплей на ЭЛТ (электронно-лучевая трубка) или ЖК дисплей (жидкокристаллический дисплей)) для отображения информации пользователю и на клавиатуру и указывающее устройство (например, мышь или шаровой манипулятор), с помощью которых пользователь может предоставить вход в компьютер. Могут использоваться другие виды устройств для обеспечения взаимодействия с пользователем; например, обратная связь, предоставляемая пользователю, может быть любой формой сенсорной обратной связи (например, визуальная обратная связь, слуховая обратная связь или тактильную обратная связь); и ввод от пользователя может быть получен в любой форме, включая акустическую форму, речь или тактильный ввод.

[00111] Системы и методы, описанные в данном документе, могут быть реализованы в вычислительной системе, которая содержит внутренний компонент (например, в качестве сервера данных) или которая содержит компонент промежуточного программного обеспечения (например, сервер приложений) или которая содержит подсистему первичной обработки данных (например, клиентский компьютер, имеющий графический пользовательский интерфейс или веб-браузер, через который пользователь может взаимодействовать с реализацией описанных в данном документе систем и методов) или любую комбинацию таких внутренних компонентов, компонентов промежуточного программного обеспечения или подсистем первичной обработки данных. Компоненты системы могут быть связаны между собой любой формой или средой цифровой передачи данных (например, сетью связи). Примеры сетей связи включают в себя локальную вычислительную сеть (ЛВС), глобальную вычислительную сеть (ГВС) и Интернет.

[00112] Вычислительная система может включать клиентов и серверы. Клиент и сервер, как правило, удалены друг от друга и обычно взаимодействуют через сеть связи. Связь клиента и сервера возникает в связи с компьютерными программами, запущенными на соответствующих компьютерах и имеющими друг с другом отношение клиент-сервер.

[00113] Хотя данное изобретение было особенно показано и описано со ссылкой на конкретные предпочтительные варианты реализации изобретения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что в него могут быть внесены различные изменения в форме и деталях без отклонения от сущности и объема изобретения, определенных прилагаемой формулой изобретения.

1. Способ автоматического определения трехмерной центральной оси представляющей интерес кости в трехмерном изображении, включающий:

получение процессором вычислительного устройства трехмерного изображения одной или более костей, содержащего представляющую интерес кость млекопитающего;

выделение процессором представляющей интерес кости из одной или более костей на трехмерном изображении;

создание процессором двоичной костной маски представляющей интерес кости;

создание процессором заполненной костной маски для представляющей интерес кости с использованием двоичной костной маски;

создание процессором скелета представляющей интерес кости и

создание процессором обрезанного скелета для уменьшения скелета до участка, соответствующего трехмерной центральной оси представляющей интерес кости.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что представляющая интерес кость представляет собой кость конечности млекопитающего, длина которой больше ширины

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что представляющая интерес кость представляет собой кость с частично круглыми формами.

4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что трехмерное изображение получают с помощью компьютерного томографа.

5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что трехмерное изображение получают in vivo.

6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что трехмерное изображение получают ex vivo.

7. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что трехмерное изображение представляет собой компьютерное томографическое изображение наружной поверхности кортикальной ткани одной или более костей.

8. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что создание заполненной костной маски для представляющей интерес кости включает выполнение процессором морфологической обработки участка трехмерного изображения, соответствующего представляющей интерес кости, причем указанная обработка включает: выполнение трехмерного двоичного расширения двоичной костной маски представляющей интерес кости для образования расширенной костной маски; и

идентификацию и заполнение границ и/или морфологических пробелов расширенной костной маски, а также последующую обработку результата для создания заполненной костной маски для представляющей интерес кости.

9. Способ по п. 7, включающий заполнение границ представляющей интерес кости путем: представления данных изображения из двоичной костной маски представляющей интерес кости в виде одной или более кубических моделей данных;

идентификации вершины кубической модели данных, причем вершина имеет все ребра, соединенные с вершиной, связанной с истинными элементами объемного изображения;

формирования двумерного изображения из трех граней, соединенных с идентифицированной вершиной кубической модели данных;

заполнения морфологических пробелов на образованном таким образом двухмерном изображении для получения заполненной поверхности и

отображения заполненной поверхности обратно на трех гранях, соединенных с идентифицированной вершиной кубической модели данных.

10. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что создание трехмерного скелета представляющей интерес кости включает выполнение процессором морфологической обработки заполненной костной маски, причем обработка включает выполнение итеративного трехмерного утончения заполненной костной маски.

11. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что создание обрезанного скелета включает выполнение процессором морфологической обработки скелета для представляющей интерес кости, причем указанная обработка включает:

идентификацию дерева центральной линии с единственным участком или одноцикличного основного контура скелета в качестве основной траектории;

обрезку скелета путем удаления мелких участков, не включенных в основную траекторию; и сглаживание обрезанного скелета, благодаря чему создается обрезанный скелет.

12. Способ по любому из предшествующих пунктов, включающий:

определение характеристик представляющей интерес кости в соответствии с трехмерной центральной осью, соответствующей представляющей интерес кости.

13. Способ по любому из предшествующих пунктов, включающий:

формирование изображения с использованием по меньшей мере трехмерной центральной оси представляющей интерес кости.

14. Способ по любому из предшествующих пунктов, включающий выполнение процессором стереологического измерения представляющей интерес кости с использованием идентифицированной трехмерной центральной оси представляющей интерес кости, причем указанное выполнение стереологического измерения включает:

создание множества графических двухмерных поперечных сечений представляющей интерес кости в плоскостях, перпендикулярных трехмерной центральной оси в разных местах вдоль длины представляющей интерес кости;

определение измерения кости для каждого из графических двухмерных поперечных сечений, как показано в графическом двухмерном поперечном сечении; и

получение стереологического измерения представляющей интерес кости с использованием измерений, определенных на основании множества графических двухмерных поперечных сечений.

15. Способ по любому из предшествующих пунктов, включающий определение процессором одного или более из i)-iii): i) наличия болезненного состояния, ii) риска болезненного состояния и/или iii) степени прогрессирования заболевания с использованием трехмерной центральной оси представляющей интерес кости.

16. Способ автоматизированного заполнения границ на изображении представляющего интерес объекта, включающий:

цифровое представление данных изображения из двоичной маски объекта в виде одной или более кубических моделей данных;

определение процессором вычислительного устройства вершины кубической модели данных из одной или более кубических моделей данных, причем вершина имеет все ребра, соединенные с вершиной, связанной с истинными элементами объемного изображения;

формирование процессором двухмерного изображения из трех граней, соединенных с идентифицированной вершиной кубической модели данных;

заполнение процессором морфологических пробелов на сформированном таким образом двухмерном изображении для получения заполненной поверхности и

отображение процессором заполненной поверхности обратно на трех гранях, соединенных с идентифицированной вершиной кубической модели данных.

17. Система автоматической идентификации трехмерной центральной оси представляющей интерес кости на трехмерном изображении, содержащая:

процессор и

память, содержащую инструкции, хранящиеся в ней, причем инструкции при выполнении их процессором предписывают процессору:

получение трехмерного изображения одной или более костей, содержащего представляющую интерес кость млекопитающего;

выделение представляющей интерес кости из одной или более костей на трехмерном изображении;

создание двоичной костной маски представляющей интерес кости;

создание заполненной костной маски для представляющей интерес кости с использованием двоичной костной маски; создание скелета представляющей интерес кости и

создание обрезанного скелета для уменьшения скелета до участка, соответствующего трехмерной центральной оси представляющей интерес кости.

18. Система по п. 17, отличающаяся тем, что представляющая интерес кость представляет собой кость конечности млекопитающего, длина которой больше ширины.

19. Система по п. 17, отличающаяся тем, что представляющая интерес кость представляет собой кость с частично круглыми формами.

20. Система по любому из пп. 17-19, отличающаяся тем, что трехмерное изображение получают с помощью компьютерного томографа.

21. Система по любому из пп. 17-20, отличающаяся тем, что трехмерное изображение получают in vivo.

22. Система по любому из пп. 17-21, отличающаяся тем, что трехмерное изображение получают ex vivo.

23. Система по любому из пп. 17-22, отличающаяся тем, что трехмерное изображение представляет собой расчетное томографическое изображение наружной поверхности кортикальной ткани одной или более костей.

24. Система по любому из пп. 17-23, отличающаяся тем, что инструкции предписывают процессору создание заполненной костной маски для представляющей интерес кости путем выполнения морфологической обработки участка трехмерного изображения, соответствующего представляющей интерес кости, причем указанная обработка включает: выполнение трехмерного двоичного расширения двоичной костной маски представляющей интерес кости для образования расширенной костной маски; и

идентификацию и заполнение границ и/или морфологических пробелов расширенной костной маски, а также последующую обработку результата для создания заполненной костной маски для представляющей интерес кости.

25. Система по п. 23, отличающаяся тем, что инструкции предписывают процессору заполнение границ представляющей интерес кости путем:

представления в цифровом виде данных изображения из двоичной костной маски представляющей интерес группы в виде четырех или более кубических моделей данных;

идентификации вершины кубической модели данных, причем вершина имеет все ребра, соединенные с вершиной, связанной с истинными элементами объемного изображения;

формирования двумерного изображения из трех граней, соединенных с идентифицированной вершиной кубической модели данных;

заполнения морфологических пробелов на образованном таким образом двухмерном изображении для получения заполненной поверхности и

отображения заполненной поверхности обратно на трех гранях, соединенных с идентифицированной вершиной кубической модели данных.

26. Система по любому из пп. 17-25, отличающаяся тем, что инструкции предписывают процессору создание трехмерного скелета представляющей интерес кости путем выполнения морфологической обработки заполненной костной маски, причем обработка включает выполнение итеративного трехмерного утончения заполненной костной маски.

27. Система по любому из пп. 17-26, отличающаяся тем, что инструкции предписывают процессору создание обрезанного скелета путем выполнения морфологической обработки скелета для представляющей интерес кости, причем указанная обработка включает:

идентификацию дерева центральной линии с единственным участком или одноцикличного основного контура скелета в качестве основной траектории;

обрезку скелета путем удаления мелких участков, не включенных в основную траекторию; и сглаживание обрезанного скелета, благодаря чему создается обрезанный скелет.

28. Система по любому из пп. 17-27, отличающаяся тем, что инструкции предписывают процессору определение характеристик представляющей интерес кости в соответствии с центральной осью, соответствующей представляющей интерес кости.

29. Система по любому из пп. 17-28, отличающаяся тем, что инструкции предписывают процессору отображение изображения с использованием по меньшей мере трехмерной центральной оси представляющей интерес кости.

30. Система по любому из пп. 17-29, отличающаяся тем, что инструкции предписывают процессору выполнение стереологического измерения представляющей интерес кости с использованием идентифицированной трехмерной центральной оси представляющей интерес кости, причем указанное выполнение стереологического измерения включает:

создание множества графических двухмерных поперечных сечений представляющей интерес кости в плоскостях, перпендикулярных идентифицированной трехмерной центральной оси в разных местах вдоль длины представляющей интерес кости;

определение измерения кости для каждого из графических двухмерных сечений, как показано в графическом двухмерном поперечном сечении, и

получение стереологического измерения представляющей интерес кости с использованием измерений, определенных на основании множества графических двухмерных поперечных сечений.

31. Система по любому из пп. 17-30, отличающаяся тем, что инструкции предписывают процессору определение одного или более из i)-iii): i) наличия болезненного состояния, ii) риска болезненного состояния и/или iii) степени прогрессирования заболевания с использованием идентифицированной трехмерной центральной оси представляющей интерес кости.

32. Система для автоматизированного заполнения границ на изображении представляющего интерес объекта, содержащая:

процессор и

память, содержащую инструкции, хранящиеся в ней, причем инструкции при выполнении их процессором предписывают процессору:

представление в цифровой форме данных изображения из двоичной маски объекта в виде одной или более кубических моделей данных;

идентификацию вершины кубической модели данных из одной или более кубических моделей данных, причем вершина имеет все ребра, соединенные с вершиной, связанной с истинными элементами объемного изображения;

формирование двухмерного изображения из трех граней, соединенных с идентифицированной вершиной кубической модели данных;

заполнение морфологических пробелов на образованном таким образом двухмерном изображении для получения заполненной поверхности и

отображение заполненной поверхности обратно на трех гранях, соединенных с идентифицированной вершиной кубической модели данных.