Analysis of Effectiveness of Thresholding in Perfusion ROI Detection on T2-weighted MR Images with Abnormal Brain Anatomy

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorAlkhimova, S. M.
dc.contributor.authorSliusar, S. V.
dc.date.accessioned2021-03-17T13:37:03Z
dc.date.available2021-03-17T13:37:03Z
dc.date.issued2019
dc.description.abstractenBackground. The brain perfusion ROI detection being a preliminary step, designed to exclude non-brain tissues from analyzed DSC perfusion MR images. Its accuracy is considered as the key factor for delivering correct results of perfusion data analysis. Despite the large variety of algorithms developed on brain tissues segmentation, there is no one that works reliably and robustly on T2-weighted MR images of a human head with abnormal brain anatomy. Therefore, thresholding method is still the state-of-the-art technique that is widely used as a way of managing pixels involved in brain perfusion ROI in modern software applications for perfusion data analysis. Objective. This paper presents the analysis of effectiveness of thresholding techniques in brain perfusion ROI detection on T2-weighted MR images of a human head with abnormal brain anatomy. Methods. Four threshold-based algorithms implementation are considered: according to Otsu method as global thresholding, according to Niblack method as local thresholding, thresholding in approximate anatomical brain location, and brute force thresholding. The result of all algorithms is images with pixels’ values changed to zero for background regions (air pixels and pixels that represent non-brain tissues) and original values for foreground regions (brain perfusion ROIs). The analysis is done using comparison of qualitative perfusion maps produced from thresholded images and from the reference ones (manual brain tissues delineation by experienced radiologists). The same DSC perfusion MR datasets of a human head with abnormal brain anatomy from 12 patients with cerebrovascular disease are used for comparison. Results. Pearson correlation analysis showed strong positive (r was ranged from 0.7123 to 0.8518, p < 0.01) and weak positive (r < 0.35, p < 0.01) relationship in case of conducted experiments with CBF, CBV, MTT and Tmax perfusion maps, respectively. Linear regression analysis showed at level of 95 % confidence interval that perfusion maps produced from thresholded images were subject to scale and offset errors in all conducted experiments. Conclusions. The experimental results showed that widely used thresholding methods are an ineffective way of managing pixels involved in brain perfusion ROI. Thresholding as brain segmentation tool can lead to poor placement of perfusion ROI and, as a result, produced perfusion maps will be subject to artifacts and can cause falsely high or falsely low perfusion parameter assessment.uk
dc.description.abstractruПроблематика. Определение области перфузии головного мозга является предварительным этапом перфузионного анализа, который предназначен для исключения не относящихся к мозгу пикселей из изображений динамично-восприимчивой контрастной магнитно-резонансной (МР) томографии. Точность этого этапа считается ключевым фактором в предоставлении правильных результатов перфузионного анализа. Несмотря на большое разнообразие алгоритмов сегментации мозга, не существует таких, которые бы точно и надежно работали на Т2-взвешенных МР-изображениях мозга человека с аномальной анатомией. Таким образом, пороговая фильтрация по-прежнему остается широко используемым способом определения пикселей, которые характеризуют область перфузии головного мозга, в современном программном обеспечении для проведения перфузионного анализа. Цель исследования. Анализ эффективности методов пороговой фильтрации в определении области перфузии головного мозга на Т2-взвешенных МР-изображениях мозга человека с аномальной анатомией. Методика реализации. Рассмотрены четыре алгоритма поиска порога: глобальный поиск методом Оцу, локальный поиск методом Ниблака, поиск в области анатомического расположения мозга и поиск методом перебора. Результатом всех алгоритмов являлось изображение с измененными на ноль значениями пикселей для фона (пиксели воздуха и пиксели, которые представляют ткани, не являющиеся мозгом) и оригинальными значениями для пикселей области перфузии головного мозга. Анализ проводился на основании сравнения перфузионных карт, полученных из отсегментированных пороговой фильтрацией изображений и из эталонных (мануальное определение области мозга опытными рентгенологами). Для сравнения были использованы одни и те же изображения динамично-восприимчивой контрастной МР-томографии головного мозга 12 пациентов с цереброваскулярными заболеваниями. Результаты исследования. Корреляционный анализ Пирсона показал сильную положительную (r был от 0,7123 до 0,8518, p < 0,01) и слабую положительную (r < 0,35, p < 0,01) взаимосвязь в случае проведенных экспериментов с CBF, CBV, MTT и Tmax перфузионными картами соответственно. Линейный регрессионный анализ показал, что перфузионные карты, которые были получены из отсегментированных пороговой фильтрацией изображений, подвержены ошибкам масштаба и смещения во всех проведенных экспериментах с учетом 95 %-ного доверительного интервала. Выводы. Результаты экспериментов показали, что широко используемые методы пороговой фильтрации являются неэффективным способом определения пикселей, которые характеризуют область перфузии головного мозга. Использование пороговой фильтрации как инструмента для проведения сегментации мозга может приводить к неправильному определению области перфузии, и, как следствие, перфузионные карты будут подвержены наличию артефактов и приведут к ошибочно высокой или ошибочно низкой оценке параметров перфузии.uk
dc.description.abstractukПроблематика. Визначення області перфузії головного мозку є попереднім етапом перфузійного аналізу, який призначений для виключення пікселів, що не характеризують мозок, із зображень динамічно-сприйнятливої контрастної магнітно-резонансної (МР) томографії. Точність цього етапу вважається ключовим фактором у наданні правильних результатів перфузійного аналізу. Незважаючи на велику кількість алгоритмів сегментації мозку, не існує таких, які б точно і надійно працювали на Т2-зважених МР-зображеннях мозку людини з аномальною анатомією. Отже, порогова фільтрація, як і раніше, залишається тим способом, що широко використовується в сучасному програмному забезпеченні з перфузійного аналізу для визначення пікселів, які характеризують область перфузії головного мозку. Мета дослідження. Аналіз ефективності методів порогової фільтрації щодо визначення області перфузії головного мозку на T2-зважених МР-зображеннях мозку людини з аномальною анатомією. Методика реалізації. Розглянуто чотири алгоритми пошуку порога: глобальний пошук за методом Оцу, локальний пошук за методом Ніблака, пошук у ділянці анатомічного розташування мозку і пошук за методом перебору. Результатом роботи всіх алгоритмів було зображення із заміною нульовими значеннями пікселів фону (пікселів повітря і пікселів, що не характеризують мозок) і з оригінальними значеннями пікселів з області перфузії головного мозку. Аналіз проводили, порівнюючи перфузійні карти, що були отримані із зображень після застосування порогової фільтрації та з еталонних зображень (мануальне визначення ділянки мозку досвідченими рентгенологами). Для порівняння були використані одні й ті самі зображення динамічно-сприйнятливої контрастної МР-томографії головного мозку 12 пацієнтів із цереброваскулярними захворюваннями. Результати дослідження. Кореляційний аналіз Пірсона показав сильний позитивний (r був від 0,7123 до 0,8518, p < 0,01) і слабкий позитивний (r < 0,35, p < 0,01) взаємозв'язок у проведених експериментах із CBF, CBV, MTT і Tmax перфузійними картами відповідно. Лінійний регресійний аналіз показав, що перфузійні карти, які були отримані із зображень після застосування порогової фільтрації, схильні до помилок масштабу і зсуву в усіх проведених експериментах з урахуванням 95 %-ного довірчого інтервалу. Висновки. Результати експериментів показали, що поширене використання порогової фільтрації є неефективним способом визначення пікселів, які характеризують область перфузії головного мозку. Використання порогової фільтрації як інструменту з проведення сегментації мозку може призводити до неправильного визначення області перфузії, і, як наслідок, перфузійні карти будуть схильні до наявності артефактів і призведуть до помилково високої або помилково низької оцінки параметрів перфузії.uk
dc.format.pagerangePp. 35-43uk
dc.identifier.citationAlkhimova, S. M. Analysis of Effectiveness of Thresholding in Perfusion ROI Detection on T2-weighted MR Images with Abnormal Brain Anatomy / S. M. Alkhimova, S. V. Sliusar // Наукові вісті КПІ : міжнародний науково-технічний журнал. – 2019. – № 4(126). – С. 35–43. – Бібліогр.: 21 назва.uk
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.20535/kpi-sn.2019.4.180237
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/40079
dc.language.isoenuk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорськогоuk
dc.publisher.placeКиївuk
dc.relation.ispartofНаукові вісті КПІ : міжнародний науково-технічний журнал, 2019, № 4(126)uk
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/uk
dc.subjectperfusion dynamic susceptibility contrast magnetic resonance imaginguk
dc.subjectabnormal brain scansuk
dc.subjectregion of interestuk
dc.subjectsegmentationuk
dc.subjectthresholdinguk
dc.subjectперфузійна динамічно-сприйнятлива контрастна магнітно-резонансна томографіяuk
dc.subjectзрізи з аномальною анатомією мозкуuk
dc.subjectзона увагиuk
dc.subjectсегментаціяuk
dc.subjectпорогова фільтраціяuk
dc.subjectперфузионная динамично-восприимчивая контрастная магнитно-резонансная томографияuk
dc.subjectсрезы с аномальной анатомией мозгаuk
dc.subjectзона интересаuk
dc.subjectсегментацияuk
dc.subjectпороговая фильтрацияuk
dc.subject.udc004.932:616-073.756.8uk
dc.titleAnalysis of Effectiveness of Thresholding in Perfusion ROI Detection on T2-weighted MR Images with Abnormal Brain Anatomyuk
dc.title.alternativeАналіз ефективності пологової фільтрації в задачі визначення зони перфузії на Т2-зважених магнітно-резонансних перфузійних зображеннях мозку з аномальною анатомієюuk
dc.title.alternativeАнализ эффективности пороговой фильтрации в задаче определения области перфузии на т2-взвешенных магнитно-резонансных перфузионных изображениях мозга с аномальной анатомиейuk
dc.typeArticleuk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
NVKPI2019-4_04.pdf
Розмір:
1.02 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
9.01 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Наукові вісті КПІ: міжнародний науково-технічний журнал, № 4(126)