JP2021502836A - 機械学習を使用した画像生成 - Google Patents
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Abstract
Description
ここで、Wは畳み込み行列であり、bはニューラル活性化のバイアスである。従来の手法では、活性化関数モデルはシグモイド(例えば:f(a)−(1+e−a)−1)であり、非常に深いニューラルネットワークの最適化において勾配が0になる問題が生じる場合がある。これを念頭に置いて、特定の実施態様では、次の場合に正規化線形ユニット(ReLU)が使用される。
ReLUを使用すると、ニューロンの活性化における正の入力が保持されるため、ニューラルネットワークの多くの層で勾配が0になることを回避できる。
[実施態様1]
機械学習アルゴリズムを訓練するための方法であって、
1つまたは複数の断層撮影システム(110)を使用して取得された投影データまたは画像データにアクセスするステップと、
複数の画像ペアを生成するステップであって、各画像ペアが、第1のアルゴリズムを使用して生成された第1の画像と、第2のアルゴリズムを使用して生成された第2の画像と、を含み、画像ペアごとに、前記第1のアルゴリズムおよび前記第2のアルゴリズムが前記同じ投影データまたは画像データに適用される、ステップと、
前記複数の画像ペアを使用して前記第2のアルゴリズムの特性をエミュレートするために、前記機械学習アルゴリズムを訓練するステップと、
を含む方法。
[実施態様2]
前記第2のアルゴリズムは、前記第1のアルゴリズムよりも計算集約的であるターゲットアルゴリズムを含む、実施態様1に記載の方法。
[実施態様3]
前記第1のアルゴリズムを使用して生成された画像を処理し、前記第2のアルゴリズムを使用して生成された画像と同様の優れた品質特性を有する出力画像を生成するために、前記訓練された機械学習アルゴリズムを使用するステップをさらに含む、実施態様1に記載の方法。
[実施態様4]
前記投影データまたは画像データはコンピュータ断層撮影(CT)投影データを含み、前記第1のアルゴリズムは第1のCT再構成アルゴリズムであり、前記第2のアルゴリズムは第2のCT再構成アルゴリズムである、実施態様1に記載の方法。
[実施態様5]
前記第1のアルゴリズムは解析的再構成アルゴリズムを含み、前記第2のアルゴリズムは統計的再構成アルゴリズムを含む、実施態様1に記載の方法。
[実施態様6]
前記第1のアルゴリズムは画像再構成または画像生成アルゴリズムを含み、前記第2のアルゴリズムは補正アルゴリズムを含む、実施態様1に記載の方法。
[実施態様7]
前記補正アルゴリズムは、アーチファクト補正もしくは低減アルゴリズム、ノイズ低減アルゴリズム、金属アーチファクト低減アルゴリズム、ビーム硬化アーチファクト低減アルゴリズム、部分ボリューム補正アルゴリズム、低信号補正アルゴリズム、モーション補正アルゴリズム、切り捨て補正アルゴリズム、白ピクセル補正アルゴリズム、散乱補正アルゴリズム、画像テクスチャ最適化アルゴリズム、スパース再構成補正アルゴリズム、またはスペクトル較正アルゴリズムのうちの1つまたは複数を含む、実施態様6に記載の方法。
[実施態様8]
前記機械学習アルゴリズムは、残差学習、畳み込み層、正規化線形ユニット、またはバッチ正規化のうちの1つまたは複数を使用するように構成されたニューラルネットワーク(50)を含む、実施態様1に記載の方法。
[実施態様9]
各第1の画像および第2の画像を2次元(2D)または3次元(3D)パッチのセットに分割するステップをさらに含み、前記機械学習アルゴリズムは、パッチの各ペアから訓練され、前記パッチの特性に基づいて前記第2のアルゴリズムをエミュレートする、実施態様1に記載の方法。
[実施態様10]
画像処理システムであって、
1つまたは複数のプロセッサ実行可能ルーチンを格納するメモリ(138)と、
前記メモリと通信し、前記1つまたは複数のプロセッサ実行可能ルーチンを実行するように構成された処理構成要素(130)と、を含み、前記1つまたは複数のプロセッサ実行可能ルーチンは、実行されると、前記プロセッサに対して、
第1のアルゴリズムを一組の断層撮影スキャンデータに適用することによって第1の画像を生成させるか、または記憶媒体から前記第1の画像にアクセスさせ、
前記一組の断層撮影スキャンデータへの第2のアルゴリズムの適用に対応する出力画像を生成するように訓練された機械学習アルゴリズムへの入力として、前記第1の画像を提供させる、画像処理システム。
[実施態様11]
前記第2のアルゴリズムは、前記第1のアルゴリズムよりも計算集約的であるターゲットアルゴリズムを含む、実施態様10に記載の画像処理システム。
[実施態様12]
前記一組の断層撮影スキャンデータは、投影データまたは再構成された画像データを含む、実施態様10に記載の画像処理システム。
[実施態様13]
前記第1のアルゴリズムは画像再構成または画像生成アルゴリズムを含み、前記第2のアルゴリズムは補正アルゴリズムを含む、実施態様10に記載の画像処理システム。
[実施態様14]
前記補正アルゴリズムは、アーチファクト補正もしくは低減アルゴリズム、ノイズ低減アルゴリズム、金属アーチファクト低減アルゴリズム、ビーム硬化アーチファクト低減アルゴリズム、部分ボリューム補正アルゴリズム、低信号補正アルゴリズム、モーション補正アルゴリズム、切り捨て補正アルゴリズム、白ピクセル補正アルゴリズム、散乱補正アルゴリズム、画像テクスチャ最適化アルゴリズム、スパース再構成補正アルゴリズム、またはスペクトル較正アルゴリズムのうちの1つまたは複数を含む、実施態様13に記載の画像処理システム。
[実施態様15]
前記機械学習アルゴリズムは、前記第1のアルゴリズムと前記第2のアルゴリズムを使用して前記断層撮影スキャンデータから生成された画像間で観察されるであろう差異を含む残差画像(200)を計算することにより前記出力画像を生成し、前記第1の画像を前記残差画像(200)により修正して前記出力画像を生成するように訓練される、実施態様10に記載の画像処理システム。
[実施態様16]
前記第1のアルゴリズムは解析的再構成アルゴリズムを含み、前記第2のアルゴリズムは統計的再構成アルゴリズムを含む、実施態様10に記載の画像処理システム。
[実施態様17]
画像再構成方法であって、
第1のアルゴリズムを一組の断層撮影スキャンデータに適用することによって第1の画像を生成するか、または記憶媒体から前記第1の画像にアクセスするステップと、
前記一組の断層撮影スキャンデータへの第2のアルゴリズムの適用に対応する出力画像を生成するように訓練された機械学習アルゴリズムへの入力として、前記第1の画像を提供するステップと、
を含む画像再構成方法。
[実施態様18]
前記第2のアルゴリズムは、前記第1のアルゴリズムよりも計算集約的であるターゲットアルゴリズムを含む、実施態様17に記載の画像再構成方法。
[実施態様19]
前記機械学習アルゴリズムは、前記第1のアルゴリズムと前記第2のアルゴリズムを使用して前記断層撮影スキャンデータから生成された画像間で観察されるであろう差異を含む残差画像(200)を計算することにより前記出力画像を生成し、前記第1の画像を前記残差画像(200)により修正して前記出力画像を生成するように訓練される、実施態様17に記載の画像再構成方法。
[実施態様20]
前記第1のアルゴリズムは解析的再構成アルゴリズムを含み、前記第2のアルゴリズムは統計的再構成アルゴリズムを含む、実施態様17に記載の画像再構成方法。
50 人工ニューラルネットワーク、ディープラーニングネットワーク、訓練済ニューラルネットワーク
52 訓練用入力
54 入力層
56 ノード、ニューロン
58 畳み込みおよびニューロン活性化層
58A 隠れ層
58B 隠れ層
60 出力層、ネットワーク出力
62 損失関数または誤差関数
64 ターゲット画像、訓練ターゲット
110 撮像システム、CTシステム
112 X線放射源、X線源
114 コリメータ
116 X線
118 患者/対象物
120 X線放射、入射X線
122 検出器
124 システムコントローラ
126 X線コントローラ
128 データ収集システム
130 プロセッサ、処理構成要素
132 回転サブシステム
134 直線位置決めサブシステム
136 モータコントローラ
138 メモリ
140 オペレータワークステーション
142 ディスプレイ
144 プリンタ
146 医用画像保管通信システム(PACS)
148 リモートクライアント
180 ネットワークアーキテクチャ
182 入力画像
184 第1のユニット
186 第2のユニット
190 第3のユニット
200 残差画像
220 FBP画像
222 ターゲットMBIR画像、MBIR再構成画像
230 ノイズ除去画像
Claims (15)
- 機械学習アルゴリズムを訓練するための方法であって、
1つまたは複数の断層撮影システム(110)を使用して取得された投影データまたは画像データにアクセスするステップと、
複数の画像ペアを生成するステップであって、各画像ペアが、第1のアルゴリズムを使用して生成された第1の画像と、第2のアルゴリズムを使用して生成された第2の画像と、を含み、画像ペアごとに、前記第1のアルゴリズムおよび前記第2のアルゴリズムが前記同じ投影データまたは画像データに適用される、ステップと、
前記複数の画像ペアを使用して前記第2のアルゴリズムの特性をエミュレートするために、前記機械学習アルゴリズムを訓練するステップと、
を含む方法。 - 前記第2のアルゴリズムは、前記第1のアルゴリズムよりも計算集約的であるターゲットアルゴリズムを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1のアルゴリズムを使用して生成された画像を処理し、前記第2のアルゴリズムを使用して生成された画像と同様の優れた品質特性を有する出力画像を生成するために、前記訓練された機械学習アルゴリズムを使用するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記投影データまたは画像データはコンピュータ断層撮影(CT)投影データを含み、前記第1のアルゴリズムは第1のCT再構成アルゴリズムであり、前記第2のアルゴリズムは第2のCT再構成アルゴリズムである、請求項1に記載の方法。
- 前記第1のアルゴリズムは解析的再構成アルゴリズムを含み、前記第2のアルゴリズムは統計的再構成アルゴリズムを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1のアルゴリズムは画像再構成または画像生成アルゴリズムを含み、前記第2のアルゴリズムは補正アルゴリズムを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記補正アルゴリズムは、アーチファクト補正もしくは低減アルゴリズム、ノイズ低減アルゴリズム、金属アーチファクト低減アルゴリズム、ビーム硬化アーチファクト低減アルゴリズム、部分ボリューム補正アルゴリズム、低信号補正アルゴリズム、モーション補正アルゴリズム、切り捨て補正アルゴリズム、白ピクセル補正アルゴリズム、散乱補正アルゴリズム、画像テクスチャ最適化アルゴリズム、スパース再構成補正アルゴリズム、またはスペクトル較正アルゴリズムのうちの1つまたは複数を含む、請求項6に記載の方法。
- 前記機械学習アルゴリズムは、残差学習、畳み込み層、正規化線形ユニット、またはバッチ正規化のうちの1つまたは複数を使用するように構成されたニューラルネットワーク(50)を含む、請求項1に記載の方法。
- 各第1の画像および第2の画像を2次元(2D)または3次元(3D)パッチのセットに分割するステップをさらに含み、前記機械学習アルゴリズムは、パッチの各ペアから訓練され、前記パッチの特性に基づいて前記第2のアルゴリズムをエミュレートする、請求項1に記載の方法。
- 画像処理システムであって、
1つまたは複数のプロセッサ実行可能ルーチンを格納するメモリ(138)と、
前記メモリと通信し、前記1つまたは複数のプロセッサ実行可能ルーチンを実行するように構成された処理構成要素(130)と、を含み、前記1つまたは複数のプロセッサ実行可能ルーチンは、実行されると、前記プロセッサに対して、
第1のアルゴリズムを一組の断層撮影スキャンデータに適用することによって第1の画像を生成させるか、または記憶媒体から前記第1の画像にアクセスさせ、
前記一組の断層撮影スキャンデータへの第2のアルゴリズムの適用に対応する出力画像を生成するように訓練された機械学習アルゴリズムへの入力として、前記第1の画像を提供させる、画像処理システム。 - 前記一組の断層撮影スキャンデータは、投影データまたは再構成された画像データを含む、請求項10に記載の画像処理システム。
- 前記第1のアルゴリズムは画像再構成または画像生成アルゴリズムを含み、前記第2のアルゴリズムは補正アルゴリズムを含む、請求項10に記載の画像処理システム。
- 前記補正アルゴリズムは、アーチファクト補正もしくは低減アルゴリズム、ノイズ低減アルゴリズム、金属アーチファクト低減アルゴリズム、ビーム硬化アーチファクト低減アルゴリズム、部分ボリューム補正アルゴリズム、低信号補正アルゴリズム、モーション補正アルゴリズム、切り捨て補正アルゴリズム、白ピクセル補正アルゴリズム、散乱補正アルゴリズム、画像テクスチャ最適化アルゴリズム、スパース再構成補正アルゴリズム、またはスペクトル較正アルゴリズムのうちの1つまたは複数を含む、請求項12に記載の画像処理システム。
- 前記機械学習アルゴリズムは、前記第1のアルゴリズムと前記第2のアルゴリズムを使用して前記断層撮影スキャンデータから生成された画像間で観察されるであろう差異を含む残差画像(200)を計算することにより前記出力画像を生成し、前記第1の画像を前記残差画像(200)により修正して前記出力画像を生成するように訓練される、請求項10に記載の画像処理システム。
- 画像再構成方法であって、
第1のアルゴリズムを一組の断層撮影スキャンデータに適用することによって第1の画像を生成するか、または記憶媒体から前記第1の画像にアクセスするステップと、
前記一組の断層撮影スキャンデータへの第2のアルゴリズムの適用に対応する出力画像を生成するように訓練された機械学習アルゴリズムへの入力として、前記第1の画像を提供するステップと、
を含む画像再構成方法。
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