In medical image analysis, automated segmentation of multi-component anatomical structures, which often have a spectrum of potential anomalies and pathologies, is a challenging task. In this work, we develop a multi-step approach using U-Net-based neural networks to initially detect anomalies (bone marrow lesions, bone cysts) in the distal femur, proximal tibia and patella from 3D magnetic resonance (MR) images of the knee in individuals with varying grades of osteoarthritis. Subsequently, the extracted data are used for downstream tasks involving semantic segmentation of individual bone and cartilage volumes as well as bone anomalies. For anomaly detection, the U-Net-based models were developed to reconstruct the bone profiles of the femur and tibia in images via inpainting so anomalous bone regions could be replaced with close to normal appearances. The reconstruction error was used to detect bone anomalies. A second anomaly-aware network, which was compared to anomaly-na\"ive segmentation networks, was used to provide a final automated segmentation of the femoral, tibial and patellar bones and cartilages from the knee MR images containing a spectrum of bone anomalies. The anomaly-aware segmentation approach provided up to 58% reduction in Hausdorff distances for bone segmentations compared to the results from the anomaly-na\"ive segmentation networks. In addition, the anomaly-aware networks were able to detect bone lesions in the MR images with greater sensitivity and specificity (area under the receiver operating characteristic curve [AUC] up to 0.896) compared to the anomaly-na\"ive segmentation networks (AUC up to 0.874).


翻译:在医学图像分析中,多构件解剖结构的自动分解往往具有潜在的异常和病理的频谱,这是一个具有挑战性的任务。在这项工作中,我们利用基于 U-Net 的神经网络开发了一种多步方法,以初步检测阴部骨骼中的异常现象(骨髓损伤、骨细胞囊囊肿),3D 磁共振(MR) 3D 磁共振(MR) 图像中3D 磁共振(MR) 3D 磁共振(MR) 的膝盖图象中的异常现象。随后,提取的数据被用于下游任务,包括个体骨骼和骨浆网络的解析和骨质异常。对于异常检测,基于 U-Net 模型开发了多步法模型,以通过涂漆来重建图像中的股骨折和 ⁇ 的骨骼剖面剖面图。重建错误用于检测骨骼异常。第二个反常态网络,与异常-纳分解(可变)网络进行比较的。在骨骼结构中,从骨质解(al-deal-deal-deal-alal)中提供了从骨质解的骨质解的骨质解解到直径断断断断断断断断断断断断断断断断断。

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