Automated segmentation of knee bone and cartilage combining statistical shape knowledge and convolutional neural networks: Data from the Osteoarthritis Initiative

卷积神经网络 分割 计算机科学 人工智能 模式识别(心理学) 骨关节炎 膝关节软骨 软骨 体素 人工神经网络 图像分割 磁共振成像 计算机视觉 关节软骨 医学 解剖 病理 放射科 替代医学
作者
Felix Ambellan,Alexander Tack,Moritz Ehlke,Stefan Zachow
出处
期刊:Medical Image Analysis [Elsevier BV]
卷期号:52: 109-118 被引量:372
标识
DOI:10.1016/j.media.2018.11.009
摘要

We present a method for the automated segmentation of knee bones and cartilage from magnetic resonance imaging (MRI) that combines a priori knowledge of anatomical shape with Convolutional Neural Networks (CNNs). The proposed approach incorporates 3D Statistical Shape Models (SSMs) as well as 2D and 3D CNNs to achieve a robust and accurate segmentation of even highly pathological knee structures. The shape models and neural networks employed are trained using data from the Osteoarthritis Initiative (OAI) and the MICCAI grand challenge "Segmentation of Knee Images 2010" (SKI10), respectively. We evaluate our method on 40 validation and 50 submission datasets from the SKI10 challenge. For the first time, an accuracy equivalent to the inter-observer variability of human readers is achieved in this challenge. Moreover, the quality of the proposed method is thoroughly assessed using various measures for data from the OAI, i.e. 507 manual segmentations of bone and cartilage, and 88 additional manual segmentations of cartilage. Our method yields sub-voxel accuracy for both OAI datasets. We make the 507 manual segmentations as well as our experimental setup publicly available to further aid research in the field of medical image segmentation. In conclusion, combining localized classification via CNNs with statistical anatomical knowledge via SSMs results in a state-of-the-art segmentation method for knee bones and cartilage from MRI data.
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