Statistical shape modeling (SSM) characterizes anatomical variations in a population of shapes generated from medical images. SSM requires consistent shape representation across samples in shape cohort. Establishing this representation entails a processing pipeline that includes anatomy segmentation, re-sampling, registration, and non-linear optimization. These shape representations are then used to extract low-dimensional shape descriptors that facilitate subsequent analyses in different applications. However, the current process of obtaining these shape descriptors from imaging data relies on human and computational resources, requiring domain expertise for segmenting anatomies of interest. Moreover, this same taxing pipeline needs to be repeated to infer shape descriptors for new image data using a pre-trained/existing shape model. Here, we propose DeepSSM, a deep learning-based framework for learning the functional mapping from images to low-dimensional shape descriptors and their associated shape representations, thereby inferring statistical representation of anatomy directly from 3D images. Once trained using an existing shape model, DeepSSM circumvents the heavy and manual pre-processing and segmentation and significantly improves the computational time, making it a viable solution for fully end-to-end SSM applications. In addition, we introduce a model-based data-augmentation strategy to address data scarcity. Finally, this paper presents and analyzes two different architectural variants of DeepSSM with different loss functions using three medical datasets and their downstream clinical application. Experiments showcase that DeepSSM performs comparably or better to the state-of-the-art SSM both quantitatively and on application-driven downstream tasks. Therefore, DeepSSM aims to provide a comprehensive blueprint for deep learning-based image-to-shape models.


翻译:统计形状模型(SSM)是医学图像生成的形状群中的解剖图解变化的特点。 SSM 需要不同样本组群的一致形状显示。 建立这种表示意味着一个处理管道, 包括解剖分解、 重新取样、 注册和非线性优化。 这些形状表解用于提取低维形状描述器, 以便于随后在不同应用中进行分析。 然而, 从成像数据中获取这些形状描述器的当前过程依赖于人和计算资源, 需要为相关解剖解析提供域域内的专门知识。 此外, 还需要重复这一相同的征税管道, 以便利用预先训练/ 存在的形状组群组群组群中样本, 来推导出用于新图像分解、 重新取样、 重新取样、 注册和非线化的新图像数据的描述器。 深度SMSSSM 将一个功能性图解图解的统计表直接来自基于 3D SM 的图像。 深SSSSSM 培训后, 将深度和手动预处理和分解的深度图解图解, 大大改进深度的深度的深度应用,并大大改进了新图像数据的描述应用。 在这里,, 将SMSDSDSM 将更精确的深度和深度的深度的深度的深度的深度应用, 向更精确的深度的深度的深度的深度分析, 的深度的深度的深度的深度分析, 运行流化的深度分析,,最终的深度应用, 运行进进进进化, 向, 运行进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进进

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