Three-dimensional (3D) freehand ultrasound (US) reconstruction without a tracker can be advantageous over its two-dimensional or tracked counterparts in many clinical applications. In this paper, we propose to estimate 3D spatial transformation between US frames from both past and future 2D images, using feed-forward and recurrent neural networks (RNNs). With the temporally available frames, a further multi-task learning algorithm is proposed to utilise a large number of auxiliary transformation-predicting tasks between them. Using more than 40,000 US frames acquired from 228 scans on 38 forearms of 19 volunteers in a volunteer study, the hold-out test performance is quantified by frame prediction accuracy, volume reconstruction overlap, accumulated tracking error and final drift, based on ground-truth from an optical tracker. The results show the importance of modelling the temporal-spatially correlated input frames as well as output transformations, with further improvement owing to additional past and/or future frames. The best performing model was associated with predicting transformation between moderately-spaced frames, with an interval of less than ten frames at 20 frames per second (fps). Little benefit was observed by adding frames more than one second away from the predicted transformation, with or without LSTM-based RNNs. Interestingly, with the proposed approach, explicit within-sequence loss that encourages consistency in composing transformations or minimises accumulated error may no longer be required. The implementation code and volunteer data will be made publicly available ensuring reproducibility and further research.


翻译:没有跟踪器的三维(3D)自由超声波(US)重建(没有跟踪器)可以优于许多临床应用中的二维或跟踪对应方。 在本文中,我们提议使用光学跟踪器的地面图解,从过去和未来的2D图像中估计美国框架之间的三维空间变化,使用Feed-forward 和经常性神经网络(RNNS ) 。建议采用另一个多任务学习算法,利用它们之间的大量辅助性转变任务。在一项志愿研究中,从38个年龄点对19名志愿人员进行228次扫描获得的40,000多个美国框架,用框架预测准确度、数量重建重叠、累积跟踪错误和最终漂移来量化。结果显示,利用光学跟踪器的地面图解,建模时间-脉冲相关输入框架以及输出变异的重要性,随着过去和(或)未来框架的增加而进一步改善。 最佳执行模式与中空框之间的转换有关,比10个框架的间隔为每秒(frestble),在不需进行。 预估测的Rrestal-restal-deal-deal-deal-destrevilation (rodude) 将观测到一个连续进行。

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