Метод операторно-графовой релаксации для повышения качества автоматической сегментации анатомических структур сердца на медицинских изображениях

Метод операторно-графовой релаксации для повышения качества автоматической сегментации анатомических структур сердца на медицинских изображениях

Пылов П.А. (КузГТУ, Кемерово, Россия)
Майтак Р.В. (КузГТУ, Кемерово, Россия)
Пимонов А.Г. (КузГТУ, Кемерово, Россия)

Аннотация

Предложен метод операторно-графовой релаксации для повышения качества автоматической сегментации желудочков сердца на двумерных срезах магнитно-резонансной томографии в трех ортогональных проекциях. В отличие от пиксельно-ориентированных подходов, осуществляющих независимую классификацию элементов изображения, предлагаемый метод рассматривает выход базовой модели U-Net как непрерывное вероятностное поле, подлежащее структурному согласованию на графе изображения. Томографический срез представляется в виде неориентированного графа, вершины которого соответствуют пикселям среза, ребра задаются отношением локального соседства, а веса ребер определяются пространственной близостью, перепадом интенсивности, выраженностью локального градиента и согласованностью вероятностных оценок соседних пикселей. Ключевым элементом метода является оператор переноса состояния, который в явном виде задается как линейное преобразование вектора вероятностей соседней вершины, зависящее от направления передачи информации, локального градиента интенсивности и матрицы анатомической совместимости классов. Параметры оператора задаются аналитически и не обучаются, что позволяет применять метод к вероятностному полю произвольной сегментационной модели без ее переобучения и без дополнительной разметки данных. Для итерационной процедуры релаксации доказано условие сжимаемости, обеспечивающее существование, единственность и геометрическую скорость сходимости к неподвижной точке, и сформулирован количественный критерий остановки. Экспериментальная оценка выполнена на клиническом наборе данных с пятикратной кросс-валидацией на уровне пациентов и стратификацией по проекциям. Улучшение средних значений получено по всем десяти рассмотренным показателям – коэффициенту Дайса, HD95, Contour F1, Overreach и Underreach для обоих желудочков. На внешней выборке преимущество метода над базовой моделью сохранилось по девяти показателям из десяти при снижении абсолютных значений качества на 3,0–3,9 %.

Ключевые слова

сегментация медицинских изображений; магнитно-резонансная томография сердца; операторно-графовая релаксация; вероятностное поле сегментации; структурное согласование сегментации.

Издание

Труды Института системного программирования РАН, том 38, вып. 6, часть 1, 2026, стр. 323-352.

ISSN 2220-6426 (Online), ISSN 2079-8156 (Print).

DOI: 10.15514/ISPRAS-2026-38(6)-21

Для цитирования

Пылов П.А., Майтак Р.В., Пимонов А.Г. Метод операторно-графовой релаксации для повышения качества автоматической сегментации анатомических структур сердца на медицинских изображениях. Труды Института системного программирования РАН, том 38, вып. 6, часть 1, 2026, стр. 323-352. DOI: 10.15514/ISPRAS-2026-38(6)-21.

Полный текст статьи в формате pdf Вернуться к содержанию тома