敏感度实验和合成实验使用15名AMD病人群(年龄:78.2++9.6年)诊断为染色新渗透式图像纵向序列与年龄相联变形及其复杂问题不为本四维分片研究主题取而代之的是,选择此特殊组别是因为有大量特征化OCT图像可用

图像采集完成时,病人先经历12周反VEGF处理过程,在此期间注入和成像对所有病人都统一使用感知阶段定义为三维内注入过程4周周期(0周、4周和8周)补充OCT图像会议2周共7次扫描每名病人或105OCT卷

图像采集使用顶端源OCT扫描器(Topcon、Paramus、NJ、USA),以视网膜fivea为中心设备获取3DOT图像512x128x885 ³间距覆盖体积6x6x2.3毫米 ³.

第二组图片取自一组22glocoma病人,在3个月内扫描两次以复发研究(平均时间介于2扫描间:44+27天),共443DOCT卷数据集用于可复制性实验图像采集使用海德堡OST扫描仪海德堡工程中心 德国海德堡设备获取异步3DOT图像61x768x496 ³间距覆盖7.76x8.67x1.92毫米 ³.

这项研究遵循赫尔辛基宣言原理书面知情同意是在解释研究性质和可能后果后从主体获取的研究得到了机构人类实验委员会或机构评审委员会的批准

Bruch膜定位需要输入以初始化染色分片法OCT体积图象使用我们先前报告的Iowa参考算法逐项分割,产生11个内部表面 ^{6,19号-23号}事件光和对象光轴视角在OCT量图中互不相同,分何偏差出现在染色层中角调整方法 ^24码应用原OCT卷解决Bruch膜变换为OCT图像中相对对称面,BM建模为bscan上方的凸弧值,并用人眼平均轴长度计算出弧弧曲线曲度单面图搜索法用于段BM使用弧模型作为形状前缀信息 ^19号OCT积分用BM表面平整平面扫描从所有时点对齐,使横向线代表(平面)BM表面与卷积相同位置显示实验中不需要平面内对齐,因为所有扫描都仔细聚焦fovea然而,其他前后位变异性较大的数据集可能需要它作为附加预处理步骤。

生成平面图像和BM表面同时输入下文描述的跨段3D和纵向4D分块法

三维分割类固 ^4,8使用LOGISOS框架 ^25码开始裁剪平面OCT图像到BM表层下足够大兴趣区实验测定的作物面积为489微米(188微秒)前端方向区域21微米前方BM表面,以便从BM初始化错误中恢复计算效率并减轻购入协议的异步性,这幅裁剪图像分别由下拉因子2x4xl中位过滤器用在单电路邻里减少噪声

多表图切法用于合段类roid区域上下界为此目的,我们构造图图,使每个图像 voxel用图节点表示邻接线前端 voxels分组成图列,通过校内弧互连邻接环形图列表示近邻图列互连并编码硬软约束空间平滑性two sameplication此图创建代表类固醇两面这两图通过表层弧互连,编码两面间最小和最大允许距离边敏感图像衍生滤波沿后端-前端用于确定图Voxel成本图用LOGISOS框架优化 ^25码获取最优表面分割

4D方法建议合片类 N级时点,即2 N级面同时分割预处理每一图像,包括平面裁剪、裁剪和下采样均与3D方法完全相同。

四维分割图假设不同时点图像间空间通信,图像首先相互注册前置寄存由图像平整步骤间接提供,基础为BM表面机内注册时 所有图像都以病人定型为中心

图4D分割法不同于3D方法每一图像均由三维分割图所构造子图表示,使用内列、跨列和表层弧使用新时点弧编码连续时点之间的时间约束特别是,对每个顶点 高山市 X级, y市, 复元)中 s级表示表面ID(低或上类固化) t级_一表示表示 一时点和 X级, y市, 复元表示空间坐标,添加无限权值弧

方程一编码最大允许垂直移位约束 方程2编码最小允许垂直移位约束类固醇实验 Min _t级和最大 _t级置上类固化表面和下类固化表面的结点间距为[2222]和[555]经验判定设置显示,每个表面可前向或后向独立移动由这两面绑定的类固区域可稀疏或厚达7节点间距图形建于下标图像空间中,对应72.8-m薄化或厚化相接时点,这是临床上合理的

切需认识到,用于执行时间约束的弧形带无限权重,因此是硬约束,即关卡算法图可行解法与软约束形成对比的是有限权值弧法,它惩罚大规模置换避免了这种软时间约束方法,因为它们偏向小置换偏差,可能降低分治算法时间敏感度。

上方表面时间约束选择更加严格,因为空间注册基础是BM表面,紧邻上方类固化表面低类固态表面距离更远,被分配到更松动时间规范阈值

给定 N级纵向OCT量 N级时点所有 N级子图使用上文描述的时点弧互连,产生单复杂图表示所有局部问题 N级时间点分片使用单图切图实现2并发 N级水面图

评估新奇四维类固分片法 的可复制性强性从耐心OCT图像开始 随机分片噪声水平提高 合成引入类固醇独立分割3D并联同提议的4D方法并报告表面定位可复制性 和类固厚可复制性

OCT图像主控噪声来自低一致性光源 ²⁶等同线性标度中的添加高斯噪声模拟噪声OCT图像时,我们先用线性缩放强度将真16位OCT图像转换为分贝尺度,使Voxel强度范围与OCT摄像头动态范围匹配OCT摄像头动态范围经经验判定为42db后图像去映射转换线性尺度

线性标度中 添加高斯噪声 期望SD最后,图像恢复原创规模, 后向回缩到16位OCT图像范围

从头点对15AMD病人进行OCT扫描被选为本实验的起始点面向每个对象,对每一噪声级,通过随机分叉噪声生成图像10份噪声拷贝10个图片拆分五对每一对单片三维和联片四维过程重播13个不同噪声水平(1213=1、3.25),噪声水平是上文所述线性尺度高斯添加噪声SD总计15x0x13s公平比较时,初始BM表层只计算题题一集,真实图像上计算题二集(插件噪声前计算题二集)面向输入三维分治法和四维分治法

底层视网膜和染色体解剖法对一对相同,这些对可被视为测试-再测试搭建切分结果应完全相同因此,任何偏差完全归因于噪声并报为可复制误差特别是,我们报告可复制性错误与低类固度边界和类固度厚度的表面定位相关斐尔德 t级3D和4D切片重现错误用来评估统计意义并报告三维和四维噪声层次上这些值的关联性

完全分割故障排除分析经验判断平均可复制误差>100m表示有这种情况

评估新奇四维辨别法敏感度检测时间变化,我们进行了合成模拟研究从病人OCT图像开始,随机量前置方向变换添加到类固化和周边地区模拟变薄和变稠,这可能发生于疾病增量、药效或老化等真实数据中。类固醇独立分割3D并联合分割4D人工引入变形量已知后,我们使用该数据集量化每种算法的敏感度

以真实OCT图像为例,为每次测试制作8个合成变形图像序列,代表8个时点序列时间点 t级_一高山市 一=0... 8加 t级 ₀点名实OCT图像)、目标稀疏率 α_一随机采样生成 α分辨稀疏类固醇和阳性 α表示变稠类固醇界划分 α_一选择表示大范围变化,可实事求是地观察类固醇B-spline网格,每个维度有13节点创建以表示整个OCT图像域网格密度实战选择以给予适当的分辨率,使类固和环形区域可与图像域的其余部分分离操作B-spline变换设置为0类区域外,代号为2行网格节点B-spline网格插图 图1a.类固区域内部的网格节点 X级, y市)分配本地稀释量 辰族_{一 ... X级 , y市 )}随机取自[02++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ α_一...垂直移位网格节点与croidROI顶行相对应 辰族_{一 ... X级 , y市 )}网格节点对齐croidroi底排 辰族_{一 ... X级 , y市 )},对正 α_一.垂直偏移值反转负 α_一.我们注意到,这相当于2位本地移位 辰族_{一 ... X级 , y市 )}. 图1b显示B-spline节点局部置换平滑反形场由B-spline模拟保证真实类固醇周围区域被拉伸或压缩以适应类固醇本身期望运动

时间点 t级_一随机变形场 t级_{一 一号}. 图1和 一号d显示实验中特定B扫描变厚模拟我们注意到 α_一互为独立表示时间序列交替变薄加厚周期 变化速度不等我们选择了这种方法,而不是持续稀疏或持续厚度,以获取基于疾病增量和处理进度的实际临床数据中可能出现的范围更广的情况

类似可复制性实验,14名AMD病人自初点即使用实OCT扫描作为起始点 t级 ₀敏感度实验其中一个主体被排除于本研究之外,因为它有极薄类固醇,它偶而导致染色体层折叠到局部线上,随机变形应用结果是无法创建合成4D数据集,不表示报告图像切片法受染色度测量限制对每个题目都进行了10项试验八张随机变形图像生成如上描述图片站 t级 _{一 八}三维独立分治和四维联合分治共14x10x8=1120合成图像在此实验中使用公平比较时,初始BM表面对每一变形图像只计算过一次,并同时输入3D和4D分割算法

已知合成变形场用于计算类固化厚度变化的地面真象 δ _真实性高山市 一时点间 t级_一并 t级_{一 一号}muming本地 辰族_{一 ... X级 , y市 )}s.必须指出,虽然时间点间相对厚度变化为人所知,但任一时间点绝对类固化厚度未知,因为我们没有地面实情 t级 ₀.评估两种方法的时敏感度时,我们使用3D和4D分治结果计算每个时点的croid厚度并报告 δ _三维高山市 一)- δ _真实性高山市 一和) δ _四维高山市 一)- δ _真实性高山市 一即时敏感误差签名和无签名差数都报告签名误差表示敏感度偏差,非签名误差表示批量误差除这些瞬时厚度变化外,我们还考虑累积厚度变化 _真实性高山市 一), Δ _三维高山市 一), and Δ _四维高山市 一)表示时点间总变化 t级_一并 t级 ₀计算成 .斐尔德 t级测试用统计比较结果

评估算法在临床数据集中实现的可复制性时,我们利用测试-测试glaosma数据集本组22题中的每一题均分解OCT卷(3D)和纵向卷(4D)。对两种方法结果的比较为理解算法中提议时间约束的影响提供了更多见解。两次扫描采集间隔时间短,青光眼病缓慢进化特征,因此预期3个月内任何特定对象不会改变底部染色体解剖法类似合成可复制性实验, 任何厚度差纯粹是由于噪声, 并报告为厚度可复制误差类似合成实验,我们展示散块测试厚度并报告这些值和各自的回归方程之间的相互关系

最后,为评估算法性能 临床数据集敏感度, 我们分析纵向AMD数据研究中15个题目中的每一个题目7个OCT图像均分段剖面(3D)和纵向(4D)共105个图像由此产生的染色体厚度对两种方法进行比较,包括平均染色体厚度(时间点对每个病人)、染色体厚度SD(时间点对每个病人)和时间变化斜度(即厚度变化除总学习时间)。时间斜度表示真解剖变化估计值,而时点间对单机厚度测量SD代表测量噪声和真解剖变化组合我们假设纵向四维分割可降低噪声(小点SD),但保留时间敏感度(同值斜度)。斐尔德 t级测试用于统计比较

图2显示可复制性实验结果双合成生成噪声图像 图2a 显示低类roid边界位置可复制误差,而 图2b 显示类roid厚度测量中的可复制误差星号表示高度统计差异 P级< 0.001)三维分割法和四维分割法4D分片从地表定位和厚度测量看比3D分片多得多八对图像3D分片结果因分片失效排除

图3显示可复制性实验中厚度测量的一致性对每对噪声图像平均horoid厚度图一比图二平均horoid厚度图二 图3显示测试分片图3D分片 图3b显示纵向四维分片结果所有噪声级结果集合图4D分块显示测量一致性大有提高,从这些块图中可见一斑 图3C显示测试-再测试按噪声水平测量的关联性相关四维分割度高得多 P级< 0.002比3D分割

上头 表2并 图4归纳敏感实验结果使用合成变形场签名和非签名误差度量法4D方法比3D方法对时间变化敏感度高得多(3D方法)。 P级< 0.001)即时和累积时间间隔

图5显示分片块 自动测量瞬时类固醇厚度变化对已知变形量使用3D和4D方法瞬间关系 δ _三维并 δ _真实性高山市 一)是 R ²=0.299对比 R ²= 0.970瞬间 δ _四维并 δ _真实性高山市 一)相似地 累积性 _三维and Δ _真实性高山市 一)是 R ²=0.288对比 R ²= 0.975累积 _四维and Δ _真实性高山市 一)

图6显示结果质量单试前四类随机变形图像显示于列a相同的表面以红色覆盖到图片上帮助评估时间变化可清晰看到图像 t级 _一号厚类固醇比图像上 t级 ₂- t级 ₄,特别是鼻部图像从数量上讲,实变厚 δ _真实性(1)=12微米 δ _真实性(2)=1m δ _真实性3=-2m3D和4D分块小类边界显示于b列虽然两种方法接近一致 t级 _一号3D分块结果极差 t级 ₂并 t级 ₃中捕捉错误表面,估计是由于局部噪声和定义不清晰的边界开 t级 ₄3D分割捕捉图像鼻侧下类固化表面,但在时间侧再次失效4D分割法利用时间规范在所有四个时点产生可靠正确结果

时间规范化并不妨碍四维算法捕捉数据中真实时间变化插图插图 图6显示四维分块结果可清晰看出低类固表 t级 _一号与晚时点大相径庭 δ _四维(1)=10微米],与 δ _真实性(1)值反之,thre表层对应时间点 t级 ₂- t级 ₄近似完全相同,它同意近零 δ _真实性值这些时点显示于 图4并发现这些传闻结果在量化分析中具有统计意义

图7显示厚重复制实验结果青光谱组 图7a和 7b 分别显示跨段3D和纵向4D测量的测试-测试厚度测试-测试相关性 R ²=0.54三维方法 y市=1.69 X级-60.38 R ²= 0.99四维方法 y市=1.02 X级-1.82备注,尽管允许沿时向地表定位发生相当剧烈变化(自由时间上下文约束 _t级和最大 _t级)斜坡和拦截回归线几乎不可区别于1和0这进一步证实了四维方法假设优异性能和我们期望青光谱病人3个月内不变化色差厚度的正确性 图7c 进一步显示厚重复制误差(即测试和重测试厚度绝对差值)。厚度可复制误差平均为35.6+820m,而4D方法平均为3.7++2.3m与合成实验结果相似的是,纵向方法在可复制性方面的巨大改善在这些结果中显而易见。

AMD数据集平均染色体厚度时间稀疏率4.28+3.117.43+9.04m/12k)三维方法与四维方法之间差别不大 P级大于0.34平均厚度 P级> 0.22时间斜率)sd染色体厚度大相径庭 P级< 0.001, 2.43+0.92m7/05+3.69微米结果证实了我们的假设,即有效纵向分析减少测量噪声而不牺牲时间变化敏感度

图8显示三维分片对单题质量效果三维分块和四维分块在许多地方相互一致,但显示低信号或高噪声的图像区导致方法大相径庭在上述区域,三维分块结果可能因局部280微米而异由于缺乏图像类固醇真解剖变换的证据,这些变换可归结为3D方法测量噪声4D联合分治解决3D分治差异并提供分治一致性

图9显示3D和4D测量每个病人7个时点整体模式相似两种方法,例如每个病人平均类固醇厚度和学习期间染色变薄度时间4D厚函数比3D对等功能明显平滑发现中也可见 图10中按方法提供相同数据不同颜色表示单个病人总体稀疏对两种方法都显眼3D测量基本比4D对等

运行时间算法与时间点数大致线性相关,4D至3D分割相加间接波相对小合成敏感度研究主体运行时间为13分36秒+1分14秒3D8扫描(即单3D扫描1分42秒+9秒)和4D联合分割16分37秒+1分43秒4D

显示结果显示新奇四维纵向分割算法优于三维对等由新法提供时间规范可大大提高结果可复制性而不牺牲敏感度检测时间变化事实,我们发现误差减少导致4D分治时间敏感度提高很多

内 图9时间规范效果在一些病人中比在其他病人中更为突出这可能是由噪声量和/或类固区域单片SNR所决定的如果用三维分片获取的时间测量合理一致,则四维测量没有理由有任何不同。并突出显示事实 四维方法不偏向 小时间变化时间规范化实现时使用对最大允许置换的“硬性”约束,而不是惩罚较大置换的“软性”约束(例如参考文件建议的方法)。时间敏感法保留

很明显,为最大限度地分治联合纵向分治法的稳健性,多点两个时间点的可用性将大有裨益。值得注意的是,四维分割比跨段三维分割得到显著性能提高,即使只有两个时点可用,可复制性实验即证明了这一点。

从定义上讲,显示算法无法成功分段图中比图构造限制时间变化所允许的硬约束值大得多的厚度变化发现值72.8m表示宽度摄取AMD所观察到的染色体变化然而,如果算法应用到带有剧变染色体的研究中,则可能需要调整该参数此外,对于时间点间隔甚长或不等的研究,使此参数函数延时而非恒定数可能是有益的

算法的可能限制是它无法从初始化步骤灾难性故障中恢复然而,BM分割算法先前经过彻底验证,因此不可能发生重大故障。

纵向类固分解类roid区域典型地特别低SNR,建议四维分割法所实现的改善非常显赫。尽管如此,我们期望在分割内部层时保持优异性能,这是一个扩展性工作,未来工作不变相对平面类固醇直截了当地执行合成实验,这对于验证该方法可复制性敏感度至关重要。

R01EY019112和R01EY08853国家眼科学研究所R01EB00440和P41EB015903国家奖、R01CA163528国家癌症研究所R01CA163528国家神经故障学研究所R01NS094456国家奖和Arnold和MabelBeckman Macel研究倡议部分支持

披露: I.奥古兹无; M.D.阿布拉莫夫IDxLC(C,I)P L.张无; K.李无; E.Z.张无; M.松卡市P级