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AI-Supported Interactive Segmentation of 3D Volumes

  • The segmentation of volumetric datasets, i.e., the partitioning of the data into disjoint sub-volumes with the goal to extract information about these regions,is a difficult problem and has been discussed in medical imaging for decades. Due to the ever-increasing imaging capabilities, in particular in X-ray computed tomography (CT) or magnetic resonance imaging, segmentation in industrial applications also gains interest. Especially in industrial applications the generated datasets increase in size. Hence, most applications apply well-known techniques in a 2+1-dimensional manner,i.e., they apply image segmentation procedures on each slice separately and track the progress along the axis of the volume in which the slices are stacked on. This discards the information on preceding or subsequent slices, which is often assumed to be nearly identical. However, in the industrial context this might prove wrong since industrial parts might change their appearance significantly over the course of even a few slices. Moreover, artifacts canThe segmentation of volumetric datasets, i.e., the partitioning of the data into disjoint sub-volumes with the goal to extract information about these regions,is a difficult problem and has been discussed in medical imaging for decades. Due to the ever-increasing imaging capabilities, in particular in X-ray computed tomography (CT) or magnetic resonance imaging, segmentation in industrial applications also gains interest. Especially in industrial applications the generated datasets increase in size. Hence, most applications apply well-known techniques in a 2+1-dimensional manner,i.e., they apply image segmentation procedures on each slice separately and track the progress along the axis of the volume in which the slices are stacked on. This discards the information on preceding or subsequent slices, which is often assumed to be nearly identical. However, in the industrial context this might prove wrong since industrial parts might change their appearance significantly over the course of even a few slices. Moreover, artifacts can further distort the content of the slices. Therefore, three-dimensional processing of voxel volumes has to be preferred, which induces constraints upon the segmentation procedures. For example, they must not consider global information as it is usually not feasible in big scans to compute them efficiently. Yet another frequent problem is that applications focus on individual parts only and algorithms are tailored to that case. Most prominent medical segmentation procedures do so by applying methods to specifically find the liver and only the liver of a patient, for example. The implication is that the same method then cannot be applied to find other parts of the scan and such methods have to be designed individually for any object to be segmented. Flexible segmentation methods are needed too specifically when partitioning unique scans. We define a unique scan to be a voxel dataset for which no comparable volume exists. Classical examples include the use case of cultural heritage where not only the objects themselves are unique but also scan parameters are optimized to obtain the best image quality possible for that specific scan. This thesis aims at introducing novel methods for voxelwise classifications based on local geometric features. The latter are computed from local environments around each voxel and extract information in similar ways as humans do, namely by observing their similarity to geometric or textural primitives. These features serve as the foundation to learning the proposed voxelwise classifiers and to discriminate between segmented and unsegmented voxels. On the one hand, they perform fully automated clustering of volumes for which a representative random sample is extracted first. On the other hand, a set of segmenting classifiers can be trained from few seed voxels, i.e., volume elements for which a domain expert marked if they belong to the components that shall be segmented. The interactive selection offers the advantage that no completely labeled voxel volumes are necessary and hence that unique scans of objects can be segmented for which no comparable scans exist. Overall, it will be shown that all proposed segmentation methods are effectively of linear runtime with respect to the number of voxels in the volume. Thus, voxel volumes without size restrictions can be segmented in an efficient linear pass through the volume. Finally, the segmentation performance is evaluated on selected datasets which shows that the introduced methods can achieve good results on scans from a broad variety of domains for both small and big voxel volumes.show moreshow less
  • Die Segmentierung von Volumendaten, also die Partitionierung der Daten in disjunkte Teilvolumen zur weiteren Informationsextraktion, ist ein Problem, welches in der medizinischen Bildverarbeitung seit Jahrzehnten behandelt wird. Bedingt durch die sich ständig verbessernden Bilderfassungsmethoden, speziell im Bereich der Röntgen-Computertomographie (CT) oder der Magnetresonanztomographie, gewinnt die Segmentierung von industriellen Volumendaten auch an Wichtigkeit. Insbesondere im industriellen Kontext steigt die Größe der zu segmentierenden Daten jedoch rasant an, so dass sich die meisten Segmentierungsapplikationen auf den 2+1-dimensionalen Fall beschränken, also Bilder verarbeiten und die Ergebnisse über mehrere Bilder hinweg verfolgen. Jedoch werden somit beispielsweise geometrische Informationen über benachbarte Schichten ignoriert. Diese können sich aber gerade im industriellen Bereich signifikant ändern. Aus diesem Grund ist hier die dreidimensionale Bildverarbeitung vorzuziehen. Dadurch ergeben sich neue Einschränkungen,Die Segmentierung von Volumendaten, also die Partitionierung der Daten in disjunkte Teilvolumen zur weiteren Informationsextraktion, ist ein Problem, welches in der medizinischen Bildverarbeitung seit Jahrzehnten behandelt wird. Bedingt durch die sich ständig verbessernden Bilderfassungsmethoden, speziell im Bereich der Röntgen-Computertomographie (CT) oder der Magnetresonanztomographie, gewinnt die Segmentierung von industriellen Volumendaten auch an Wichtigkeit. Insbesondere im industriellen Kontext steigt die Größe der zu segmentierenden Daten jedoch rasant an, so dass sich die meisten Segmentierungsapplikationen auf den 2+1-dimensionalen Fall beschränken, also Bilder verarbeiten und die Ergebnisse über mehrere Bilder hinweg verfolgen. Jedoch werden somit beispielsweise geometrische Informationen über benachbarte Schichten ignoriert. Diese können sich aber gerade im industriellen Bereich signifikant ändern. Aus diesem Grund ist hier die dreidimensionale Bildverarbeitung vorzuziehen. Dadurch ergeben sich neue Einschränkungen, beispielsweise können keine globalen Informationen zur Segmentierung herangezogen werden, da diese typischerweise nicht effizient berechenbar sind. Ferner fokussieren sich dreidimensionale Methoden aus medizinischen Bereichen zumeist auf bestimmte Bestandteile der Daten, wie einzelne Organe. Dies schränkt die Generalität dieser Methoden signifikant ein und somit sind separate Verfahren für jedes zu segmentierende Objekt notwendig. Flexible Methoden sind darüber hinaus bei Anwendung auf einzigartige Scans erforderlich. Ein einzigartiger Scan ist ein Voxelvolumen, für welches kein vergleichbares Datum existiert. Klassische Beispiele sind Kulturgutdigitalisate, da dort nicht nur die Objekte einzigartig sind, sondern auch die Aufnahmeparameter spezifisch für diesen einen Scan optimiert wurden. Die vorliegende Dissertation führt neuartige Methoden zur voxelweisen dreidimensionalen Segmentierung von Volumendaten auf Basis lokaler geometrischer Informationen ein. Die Bewertung dieser Informationen imitiert die menschliche Objektwahrnehmung, indem lokale Regionen mit geometrischen oder strukturellen Primitiven verglichen werden. Mit Hilfe dieser Bewertungen werden voxelweise anzuwendende Klassifikatoren trainiert, welche zwischen erwünschten und unerwünschten Voxeln unterscheiden sollen. Ein Teil dieser Klassifikatoren führt eine vollautomatische Clustering-Analyse durch, nachdem eine repräsentative und zufällig ausgewählte Teilmenge fester Größe an Voxeln selektiert wurde. Die verbliebenen Segmentierungsalgorithmen erhalten Trainingsdaten in Form von Seed-Voxeln, also wenige Volumenelemente, die von einem Domänenexperten markiert wurden. Diese interaktive Herangehensweise ermöglicht das Einbringen von Expertenwissen ohne die Notwendigkeit vollständig annotierter Trainingsvolumen, wodurch auch einzigartige Scans segmentiert werden können. Für alle Verfahren wird dargelegt, dass die eingeführten Algorithmen von asymptotisch linearer Laufzeit in der Anzahl der Voxel im Volumen sind. Somit können Voxeldaten ohne Größenbeschränkungen in einem effizienten linearen Durchgang verarbeitet werden. Abschließend wird die Performanz der vorgestellten Verfahren auf ausgewählten Daten evaluiert und aufgezeigt, dass mit denselben wenigen Verfahren gute Ergebnisse auf vielen unterschiedlichen Domänen und gleichfalls auf kleinen und großen Volumen erzielt werden können.show moreshow less

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Metadaten
Author:Thomas LangORCiD
URN:urn:nbn:de:bvb:739-opus4-9221
Advisor:Tomas Sauer, Thomas Pock
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2021
Date of Publication (online):2021/07/29
Date of first Publication:2021/07/29
Publishing Institution:Universität Passau
Granting Institution:Universität Passau, Fakultät für Informatik und Mathematik
Date of final exam:2021/07/09
Release Date:2021/07/29
Tag:Active Learning; Artificial Intelligence; Computed Tomography; Image processing; Interactive; Machine learning; Segmentation
Page Number:184 Seiten
Institutes:Fakultät für Informatik und Mathematik
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International