JP7722757B2 - Image processing to improve the resolution of images taken of specimens - Google Patents
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Description
本発明は、検体を撮影した入力画像に対して分解能を向上させる推定をおこなって出力画像を得る画像処理装置、画像処理システム、画像処理方法、プログラム、ならびに、情報記録媒体に関する。 The present invention relates to an image processing device, an image processing system, an image processing method, a program, and an information recording medium that perform estimation to improve the resolution of an input image of a specimen and obtain an output image.
入力画像の解像度を向上させた出力画像を推定する超解像(super-resolution)技術が提案されている。超解像では、入力画像に撮影されている対象の特徴等に基づいた推定が行われ、深層学習等に学習されたニューラルネットワークを用いることができる。ニューラルネットワークの学習には、処理対象として想定される被写体が撮影された写真を用意し、この写真に対して、ノイズ付与、モザイク化、ぼかし、解像度を下げるなどの処理を施したものを訓練用の入力画像とし、この写真を訓練用の出力(正解)画像とした訓練データを用いることが多い。(たとえば、特許文献1、非特許文献2参照)。 Super-resolution technology has been proposed, which estimates an output image by improving the resolution of an input image. Super-resolution involves making estimates based on the characteristics of the object captured in the input image, and can use neural networks trained using deep learning, etc. To train a neural network, a photograph of the subject expected to be processed is prepared, and this photograph is then processed by adding noise, mosaicking, blurring, reducing the resolution, etc. to serve as the training input image. This photograph is then used as the training output (ground truth) image. (See, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 2.)
一方で、同じ被写体を撮影した2つの画像において、被写体の特徴点の対応付けを行い、一方の画像から他方の画像への変換、あるいは、その逆変換を表す写像を得るための位置合わせ(image registration, image alighment)技術についても、種々の提案がされている(たとえば、非特許文献1参照)。 On the other hand, various proposals have been made for image registration (image alignment) techniques that match feature points of two images of the same subject and obtain a mapping that represents the transformation from one image to the other, or the inverse transformation (see, for example, non-patent document 1).
さて、光学顕微鏡を用いる病理写真の分野では、たとえば、
入手された検体をホルマリン水等に浸して組織を固定化し、
組織内の水分をパラフィンで置換して包埋し、
ミクロトーム等の機器で薄切りにして切片を得て、
各切片をガラス板に貼り付け、
パラフィンを融解して水に戻す脱パラフィン処理を行い、
各種の色素によって染色を行う
手順により、組織標本を作成する。
Now, in the field of pathological photography using optical microscopes, for example,
The obtained specimen is immersed in formalin water or similar to fix the tissue,
The water in the tissue is replaced with paraffin and embedded.
Thinly slice the tissue using a microtome or other instrument to obtain sections.
Each section was attached to a glass plate.
The paraffin is deparaffinized by melting it back into water.
Tissue specimens are prepared by staining procedures using various dyes.
光学顕微鏡でこの組織標本を観察し、撮影を行うことで、デジタル画像による病理写真が得られる。 By observing and photographing this tissue specimen under an optical microscope, a digital pathology image is obtained.
しかしながら、光学顕微鏡には光の回折に起因する分解能の限界がある。この限界は、回折限界と呼ばれ、一般的な光学系では、生物細胞(1μm から100μm)よりも小さく、ウイルス(100nm)、タンパク質(10nm)、あまり複雑ではない分子(1nm)よりは大きいとされている。However, optical microscopes have a resolution limit due to the diffraction of light. This limit is called the diffraction limit, and for typical optical systems, it is smaller than biological cells (1 μm to 100 μm) but larger than viruses (100 nm), proteins (10 nm), and less complex molecules (1 nm).
このような回折限界を超える分解能を得るため、電子顕微鏡を利用することが考えられる。電子顕微鏡を用いる電顕写真の分野では、たとえば、
入手された検体をアルデヒド系の固定液等に浸して組織を前固定化し、
リンス液で洗浄した後、
オスミウム液により後固定を行い、
エタノールを用いて脱水し、
エポキシ系樹脂によって包埋し、
ウルトラミクロトーム、ダイヤモンドナイフ等を使用して超薄切り切片を得て、
電子染色を行う
手順により、組織標本を作成する。
In order to obtain a resolution exceeding the diffraction limit, it is conceivable to use an electron microscope. In the field of electron microscopy, for example,
The obtained specimen is immersed in an aldehyde-based fixative to pre-fix the tissue.
After washing with rinse solution,
Post-fixation was performed with osmium solution.
Dehydrate using ethanol,
Embedding in epoxy resin,
Ultra-thin slices were obtained using an ultramicrotome, diamond knife, etc.
A tissue specimen is prepared by a procedure for performing electronic staining.
電子顕微鏡でこの組織標本を観察し、撮影を行うことで、デジタル画像による電顕写真が得られる。 By observing and photographing this tissue specimen under an electron microscope, a digital electron micrograph is obtained.
電子顕微鏡は、光ではなく電子線を用いて観察を行うため、その回折限界は、光学顕微鏡を超えており、一般的には、数nm程度とされている。 Because electron microscopes use electron beams rather than light for observation, their diffraction limit exceeds that of optical microscopes and is generally considered to be around a few nanometers.
さて、特許文献2では、光学顕微鏡(第1顕微鏡)と電子顕微鏡(第2顕微鏡)を用いて撮像した画像に基づいて機械学習をしている。第1顕微鏡で撮影されるのは、iPS細胞(第1部位)内の細胞核A1であり、電子顕微鏡で撮影されるのは脳組織細胞(第2部位)内の細胞核A2であり、異なる部位に対する異なる標本が観察されている。 In Patent Document 2, machine learning is performed based on images captured using an optical microscope (first microscope) and an electron microscope (second microscope). The image captured by the first microscope is a cell nucleus A1 within an iPS cell (first region), and the image captured by the electron microscope is a cell nucleus A2 within a brain tissue cell (second region), with different specimens being observed for different regions.
このように、撮影に使用する波動が可視光と電子線とで異なる場合には、その波動の波長も異なり、一般には、波長が短いほど、空間分解能が高くなる。 As such, when the waves used for imaging are different, such as visible light and electron beams, the wavelengths of the waves also differ, and generally, the shorter the wavelength, the higher the spatial resolution.
このほか、皮膚の腫瘍や癌の検査では、通常光で目視もしくは拡大鏡などを介して患部を観察・撮影した後、必要に応じて、偏光した光による観察・撮影を可能とするダーマトスコピー診断が行われる。ダーマトスコープと呼ばれる観察器具では、通常光と偏光した光の両方による観察・撮影が可能である。また、ダーマトスコープにおいては、たとえば特許文献3に開示されるように、照射する光の波長を特定の波長帯に切り換える技術も提案されている。 In addition, when examining skin tumors or cancers, dermatoscopic diagnosis is performed, in which the affected area is observed and photographed visually or through a magnifying glass using normal light, and then, if necessary, observed and photographed using polarized light. An observation tool called a dermatoscope is capable of observation and photography using both normal and polarized light. Furthermore, technology has been proposed for dermatoscopes that switches the wavelength of the light emitted to a specific wavelength band, as disclosed in Patent Document 3, for example.
ここで、通常光(偏波していない波動)では、皮膚の表層を観察・撮影が可能である。また、偏光した光(偏波した波動)では、皮膚の表層よりも深い層の構造の観察・撮影が可能である。さらに、波長帯の異なる光を用いると、波長帯に応じた特定の構造を持つ組織が強調された様子を観察・撮影することが可能となる。 Here, normal light (unpolarized waves) makes it possible to observe and photograph the surface layer of the skin. Polarized light (polarized waves) makes it possible to observe and photograph the structure of layers deeper than the surface of the skin. Furthermore, by using light of different wavelength bands, it is possible to observe and photograph tissues with specific structures that correspond to the wavelength bands, with the tissues being highlighted.
したがって、異なる波動を用いることにより、観察対象の表面から深さ方向に離れた部位に対する分解能や、組織の構造に基づく分解能を向上させることが可能となる。 Therefore, by using different waves, it is possible to improve resolution for areas that are farther away in the depth direction from the surface of the object being observed, as well as resolution based on tissue structure.
ここで、回折限界の観点、すなわち、空間分解能の観点からは、電子顕微鏡の性能は光学顕微鏡を超える。したがって、光学顕微鏡によって撮影された病理写真を観察した上で、当該病理写真に撮影された部位を、電顕写真によってさらに詳細に観察し、各種の診断や判定を行いたい、という要望がある。 Here, from the perspective of the diffraction limit, i.e., spatial resolution, the performance of electron microscopes exceeds that of optical microscopes. Therefore, there is a demand for observing pathological images taken with an optical microscope, and then observing the areas captured in the pathological images in more detail using electron microscope images to perform various diagnoses and assessments.
しかしながら、電子顕微鏡用の標本は、光学顕微鏡用の標本に比べて、作成の手間、時間、費用が嵩むことが多い。電子顕微鏡そのものの使用についても、光学顕微鏡にくらべて、手間、時間、費用等が問題となりうる。However, preparing specimens for electron microscopes often requires more effort, time, and cost than preparing specimens for light microscopes. The use of electron microscopes themselves can also be problematic in terms of effort, time, and cost compared to light microscopes.
また、光学顕微鏡と電子顕微鏡では、標本の作成手順が異なるため、光学顕微鏡用の標本を電子顕微鏡で観察、撮影しても、適切な電顕写真を得ることは困難である。 In addition, because the procedures for preparing specimens differ between optical and electron microscopes, it is difficult to obtain appropriate electron microscope photographs even when observing and photographing specimens designed for optical microscopes using an electron microscope.
このほか、昨今の作業環境下では、患部表面をデジタルカメラにより撮影することは容易と考えられるが、ダーマトスコープのような専用器具による撮影は、作業環境やコスト、労力の面から困難な場合も多い。 In addition, while it may be easy to photograph the surface of the affected area using a digital camera in today's working environment, photographing using specialized equipment such as a dermatoscope is often difficult due to the working environment, cost, and effort involved.
そこで、入力画像(たとえば、光学顕微鏡用の標本を撮影した病理標本写真に基づく病理画像や、患部の皮膚表面をデジタルカメラで撮影した表皮画像)から、入力画像の分解能を向上させる推定をし、望ましくは、入力画像の撮影時の回折限界を超える程度にまで解像度を向上させる推定を行うことにより、出力画像(たとえば、当該標本に相当する組織をあたかも電子顕微鏡で撮影した様子や、当該患部をあたかもダーマトスコピーの偏光した光や特定の波長帯の光にて撮影した様子要素を推定した結果を表す推定画像)を得て、各種の診断や判定に応用したい、という要望は強い。 Therefore, there is a strong demand for an input image (for example, a pathology image based on a photograph of a pathology specimen taken of a specimen for an optical microscope, or an epidermal image of the skin surface of an affected area taken with a digital camera) to be estimated to improve the resolution of the input image, preferably to an extent that exceeds the diffraction limit at the time the input image was taken, in order to obtain an output image (for example, an estimated image that represents the results of estimating elements of how the tissue corresponding to the specimen appears as if it were photographed with an electron microscope, or how the affected area appears as if it were photographed with polarized light or light in a specific wavelength band in dermatoscopy), and to apply this to various diagnoses and assessments.
本発明は、上記の課題を解決するもので、検体を撮影した入力画像に対して分解能を向上させる推定をおこなって出力画像を得る画像処理装置、画像処理システム、画像処理方法、プログラム、ならびに、情報記録媒体を提供することを目的とする。 The present invention aims to solve the above-mentioned problems by providing an image processing device, image processing system, image processing method, program, and information recording medium that perform estimation to improve the resolution of an input image of a specimen and obtain an output image.
本発明に係る画像処理装置は、
第1分解能を有する第1波動で対象検体を撮影した入力画像が入力されると、
学習済の超解像ネットワークへ前記入力画像を与えることにより、第2分解能を有する第2波動で前記対象検体を撮影することにより得られるべき出力画像を推定する。
ここで、前記第2分解能は、前記第1分解能より高い。
The image processing device according to the present invention comprises:
When an input image of a target specimen is inputted by a first wave having a first resolution,
By providing the input image to a trained super-resolution network, an output image that should be obtained by photographing the target specimen with a second wave having a second resolution is estimated.
Here, the second resolution is higher than the first resolution.
また、本発明の画像処理装置において、
前記入力画像には、前記対象検体の断面が撮影される
ように構成することができる。
In addition, in the image processing device of the present invention,
The input image may be configured to capture a cross section of the target specimen.
また、本発明の画像処理装置において、
前記超解像ネットワークは、
訓練検体を切断することにより現れる第1訓練断面を前記第1波動で撮影した第1訓練画像に基づく訓練用入力と、
前記第1訓練断面に対向して現れる第2訓練断面を前記第2波動で撮影した第2訓練画像に基づく訓練用出力と、
を含む訓練データにより学習されたものである
ように構成することができる。
In addition, in the image processing device of the present invention,
The super-resolution network
a training input based on a first training image obtained by photographing a first training cross section that appears by cutting a training specimen with the first wave;
a training output based on a second training image obtained by photographing a second training cross section that appears opposite to the first training cross section with the second wave;
The method can be configured to be trained using training data including
本発明によれば、検体を撮影した入力画像に対して分解能を向上させる推定をおこなって出力画像を得る画像処理装置、画像処理システム、画像処理方法、プログラム、ならびに、情報記録媒体を提供することができる。 The present invention provides an image processing device, image processing system, image processing method, program, and information recording medium that perform estimation to improve the resolution of an input image of a specimen and obtain an output image.
以下に、本発明の実施形態を説明する。なお、本実施形態は、説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であれば、本実施形態の各要素もしくは全要素を、これと均等なものに置換した実施形態を採用することが可能である。また、各実施例にて説明する要素は、用途に応じて適宜省略することも可能である。このように、本発明の原理にしたがって構成された実施形態は、いずれも本発明の範囲に含まれる。 The following describes an embodiment of the present invention. Note that this embodiment is for illustrative purposes only and does not limit the scope of the present invention. Therefore, a person skilled in the art could adopt an embodiment in which each or all of the elements of this embodiment are replaced with equivalents. Furthermore, elements described in each example may be omitted as appropriate depending on the application. In this way, all embodiments constructed in accordance with the principles of the present invention are included within the scope of the present invention.
(構成)
本実施形態に係る画像処理装置は、典型的には、プログラムをコンピュータが実行することによって実現される。当該コンピュータは、各種の出力装置や入力装置に接続され、これらの機器と情報を送受する。
(composition)
The image processing device according to this embodiment is typically realized by a computer executing a program. The computer is connected to various output devices and input devices, and transmits and receives information to and from these devices.
コンピュータにて実行されるプログラムは、当該コンピュータが通信可能に接続されたサーバにより配布、販売することができるほか、CD-ROM(Compact Disk Read Only Memory)やフラッシュメモリ、EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)などの非一時的(non-transitory)な情報記録媒体に記録した上で、当該情報記録媒体を配布、販売等することも可能である。 Programs executed by a computer can be distributed or sold by a server to which the computer is connected for communication, or they can be recorded on non-transitory information recording media such as CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory), flash memory, or EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM), and then the information recording media can be distributed, sold, etc.
プログラムは、コンピュータが有するハードディスク、ソリッドステートドライブ、フラッシュメモリ、EEPROM等などの非一時的な情報記録媒体にインストールされる。すると、当該コンピュータにより、本実施形態における画像処理装置が実現されることになる。一般的には、コンピュータのCPU(Central Processing Unit)は、コンピュータのOS(Operating System)による管理の下、情報記録媒体からRAM(Random Access Memory)へプログラムを読み出してから、当該プログラムに含まれるコードを解釈、実行する。ただし、CPUがアクセス可能なメモリ空間内に情報記録媒体をマッピングできるようなアーキテクチャでは、RAMへの明示的なプログラムのロードは不要なこともある。なお、プログラムの実行の過程で必要とされる各種情報は、RAM内に一時的(temporary)に記録しておくことができる。 The program is installed on a non-transitory information recording medium such as a hard disk, solid-state drive, flash memory, EEPROM, etc., possessed by the computer. The image processing device of this embodiment is then realized by the computer. Generally, the computer's CPU (Central Processing Unit) reads the program from the information recording medium into RAM (Random Access Memory) under the management of the computer's OS (Operating System), and then interprets and executes the code contained in the program. However, in architectures where the information recording medium can be mapped within a memory space accessible by the CPU, explicit loading of the program into RAM may not be necessary. Various pieces of information required during program execution can be temporarily stored in RAM.
さらに、上記のように、コンピュータは、各種画像処理計算を高速に行うため、GPU(Graphics Processing Unit)を備えることが望ましい。GPUならびにTensorFlow等のライブラリを使うことで、CPUの制御の下、各種の人工知能処理における学習機能や分類機能を利用することができるようになる。 Furthermore, as mentioned above, it is desirable for computers to be equipped with a GPU (Graphics Processing Unit) to perform various image processing calculations at high speed. By using a GPU and libraries such as TensorFlow, it becomes possible to utilize the learning and classification functions in various artificial intelligence processes under the control of the CPU.
なお、汎用のコンピュータにより本実施形態の画像処理装置を実現するのではなく、専用の電子回路を用いて本実施形態の画像処理装置を構成することも可能である。このような態様では、プログラムに定められる仕様を満たすような電子回路がFPGA(Field Programmable Gate Array)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)により構成され、当該電子回路は、当該プログラムに定められた機能を果たす専用機器として機能して、本実施形態の画像処理装置を実現する。 In addition, rather than realizing the image processing device of this embodiment using a general-purpose computer, it is also possible to configure the image processing device of this embodiment using dedicated electronic circuitry. In such an embodiment, an electronic circuit that meets the specifications defined in the program is configured using an FPGA (Field Programmable Gate Array) or ASIC (Application Specific Integrated Circuit), and the electronic circuit functions as a dedicated device that performs the functions defined in the program, realizing the image processing device of this embodiment.
(画像処理装置)
以下では、理解を容易にするため、画像処理装置は、コンピュータがプログラムを実行することによって実現される態様を想定して説明する。図1は、本発明の実施形態に係る画像処理装置の概要構成を示す説明図である。
(Image processing device)
For ease of understanding, the following description will be given assuming that the image processing device is realized by a computer executing a program. Fig. 1 is an explanatory diagram showing the general configuration of an image processing device according to an embodiment of the present invention.
本図に示すように、本実施形態に係る画像処理装置101は、入力部102と、超解像部103と、を備える。 As shown in this figure, the image processing device 101 of this embodiment comprises an input unit 102 and a super-resolution unit 103.
ここで、入力部102には、第1分解能を有する第1波動で対象検体を撮影した入力画像が入力される。 Here, an input image of the target specimen captured with a first wave having a first resolution is input to the input unit 102.
一方、超解像部103は、学習済の超解像ネットワーク104へ入力画像を与えることにより、第2分解能を有する第2波動で対象検体を撮影することにより得られるべき出力画像を推定させる。 On the other hand, the super-resolution unit 103 provides an input image to the trained super-resolution network 104, causing it to estimate the output image that should be obtained by photographing the target specimen with a second wave having a second resolution.
超解像ネットワーク104としては、任意のニューラルネットワークが採用可能である。たとえば、図2に示すようなニューラルネットワークを採用しても良いし、非特許文献2に示すような複雑なニューラルネットワークを採用することもできる。Any neural network can be used as the super-resolution network 104. For example, a neural network such as that shown in Figure 2 may be used, or a complex neural network such as that shown in Non-Patent Document 2 may also be used.
ここで、第2波動の第2波長帯は、第1波動の第1波長帯より、短いように構成することができる。 Here, the second wavelength band of the second wave can be configured to be shorter than the first wavelength band of the first wave.
また、第1波動は光であり、第2波動は電子線であるように構成することができる。 The first wave can also be configured to be light and the second wave to be an electron beam.
これらの構成では、光学顕微鏡により撮影された写真に基づく入力画像から、電子顕微鏡により撮影されるべき出力画像を推定することになる。 In these configurations, the output image to be captured by the electron microscope is estimated from an input image based on a photograph taken by an optical microscope.
また、第1波動は偏光していない光であり、第2波動は偏光した光であるように構成することができる。 The first wave can also be configured to be unpolarized light and the second wave to be polarized light.
これらの構成では、通常光で撮影された写真に基づく入力画像から、ダーマトスコープにより撮影されるべき出力画像を推定することになる。 In these configurations, the output image to be captured by the dermatoscope is estimated from an input image based on a photograph taken under normal light.
超解像ネットワーク104は、複数の訓練データによる学習が行われる。 The super-resolution network 104 is trained using multiple training data.
ここで、各訓練データは、訓練用入力(入力データ)と、訓練用出力(正解データ)と、を含む。訓練データは、過去に同一の対象について、2種類の波動により撮影された画像を用意することになる。 Here, each training data includes training input (input data) and training output (correct answer data). The training data will be prepared by preparing images of the same subject taken in the past using two types of waves.
たとえば、ダーマトスコープに関する推定を行う場合には、訓練用入力としては、通常光により撮影された写真を利用し、訓練用出力としては、偏光により撮影された写真を利用する。 For example, when making inferences about dermatoscopes, photographs taken under normal light are used as training inputs, and photographs taken under polarized light are used as training outputs.
上記のように、光学顕微鏡で観察するための標本・試料と、電子顕微鏡で観察するための標本・試料と、では、検体に対する処理が異なる。このように、同一の対象を2つの波動により撮影することが、困難なこともある。 As mentioned above, specimens and samples for observation with an optical microscope and those for observation with an electron microscope require different processing methods. As such, it can be difficult to photograph the same object using two different types of waves.
しかしながら、検体の観察においては、その断面の様子を調べることが多い。そこで、本実施形態では、検体を切断すると、2つの対向する断面が得られることを利用することができる。However, when observing a specimen, the cross-section is often examined. Therefore, this embodiment takes advantage of the fact that when a specimen is cut, two opposing cross-sections are obtained.
この態様では、訓練用入力として、訓練検体を切断することにより現れる第1訓練断面を第1波動で撮影した第1訓練画像に基づく入力データを利用し、訓練用出力として、第1訓練断面に対向して現れる第2訓練断面を第2波動で撮影した第2訓練画像に基づく正解データを利用することができる。 In this embodiment, input data based on a first training image obtained by photographing a first training cross section that appears by cutting a training specimen with a first wave can be used as training input, and correct answer data based on a second training image obtained by photographing a second training cross section that appears opposite the first training cross section with a second wave can be used as training output.
なお、訓練検体を2つの試料に切断した際の断面そのものは、切断に起因する変形が大きいこともある。そこで、試料を固定化した後、当初断面から薄切り切片を何層か切り出した際の、内側の層(当初断面から遠い側の層)の切片を撮影し、これを訓練用入力および訓練用出力としても良い。 When the training specimen is cut into two samples, the cross section itself may be significantly deformed due to the cutting. Therefore, after fixing the specimen, several thin slices may be cut from the original cross section, and the inner layer (the layer farthest from the original cross section) may be photographed and used as the training input and training output.
この場合は、訓練用入力および訓練用出力は、それぞれ、検体の切断面から離間した切片を撮影したものとなる。したがって、訓練用入力および訓練用出力に撮影される部位の、検体内での物理的な位置は、対向する断面そのものではないが、その近傍に位置する切片ということになる。ただし、離間距離が十分に狭ければ、これらの切片は、実質的に対向する断面として取り扱うことができる。In this case, the training input and training output are each images of sections spaced apart from the specimen's cut surface. Therefore, the physical locations within the specimen of the areas imaged in the training input and training output are not the opposing cross sections themselves, but rather sections located in the vicinity. However, if the separation distance is sufficiently small, these sections can be treated as essentially opposing cross sections.
(画像処理装置の基本動作)
以下では、訓練済の超解像ネットワーク104を利用する画像処理装置101の基本動作を説明する。図4は、本発明の実施形態に係る画像処理装置にて実行される画像処理の制御の流れを示すフローチャートである。
(Basic operation of image processing device)
The following describes the basic operation of the image processing device 101 that uses the trained super-resolution network 104. Fig. 4 is a flowchart showing the flow of control of image processing executed by the image processing device according to the embodiment of the present invention.
まず、画像処理装置101において、入力部102は、第1分解能を有する第1波動で対象検体を撮影した入力画像の入力を受け付ける(ステップS401)。 First, in the image processing device 101, the input unit 102 accepts input of an input image of a target specimen captured with a first wave having a first resolution (step S401).
すると、超解像部103は、受け付けられた入力画像を超解像ネットワーク104に与える(ステップS402)。 Then, the super-resolution unit 103 provides the accepted input image to the super-resolution network 104 (step S402).
超解像ネットワーク104は、入力画像に基づいて、第2分解能を有する第2波動で対象検体を撮影することにより得られるべき画像を推定する(ステップS403)。 Based on the input image, the super-resolution network 104 estimates the image that should be obtained by photographing the target specimen with a second wave having a second resolution (step S403).
そして、画像処理装置101は、推定された画像を出力画像として出力して(ステップS404)、本処理を終了する。 Then, the image processing device 101 outputs the estimated image as the output image (step S404) and terminates this processing.
なお、画像処理装置101の基本動作がサーバコンピュータによるサービスとして提供される場合には、ステップS404の後、制御をステップS401に戻して、上記の処理を繰り返すことになる。 Note that if the basic operation of the image processing device 101 is provided as a service by a server computer, after step S404, control returns to step S401 and the above processing is repeated.
(超解像ネットワークの訓練)
上記のように、超解像ネットワークの訓練に用いる訓練用入力と訓練用出力は、1つの検体における対向する断面を異なる波動により撮影したデータであり、検体を切断して標本化する際に、標本に変形が生じる可能性がある。
(Training a super-resolution network)
As described above, the training input and training output used to train the super-resolution network are data obtained by photographing opposing cross sections of a single specimen using different waves, and when the specimen is cut and sampled, deformation of the specimen may occur.
そこで、超解像ネットワーク104の学習をする際には、標本の変形に対応するため、訓練用入力と訓練用出力の補正ならびに位置合わせが必要となる。 Therefore, when training the super-resolution network 104, correction and alignment of the training input and training output are required to accommodate deformation of the sample.
本実施形態では、画像処理装置101は、以下の処理により、超解像ネットワーク104を訓練する。図3は、本発明の実施形態に係る画像処理装置にて実行される超解像ネットワークを訓練する訓練処理の制御の流れを示すフローチャートである。以下、本図を参照して説明する。 In this embodiment, the image processing device 101 trains the super-resolution network 104 through the following process. Figure 3 is a flowchart showing the control flow of the training process for training the super-resolution network executed by the image processing device according to an embodiment of the present invention. The following description will be given with reference to this figure.
以下では、理解を容易にするため、画像処理装置101が超解像ネットワーク104を訓練する態様を説明する。しかしながら、本訓練処理は、画像処理装置101が実行しても良いし、画像処理装置101の別の機器によって実行した上で、訓練処理によって学習された超解像ネットワーク104を画像処理装置101が利用できるようにしても良い。 For ease of understanding, the following describes how the image processing device 101 trains the super-resolution network 104. However, this training process may be performed by the image processing device 101, or may be performed by a device other than the image processing device 101, and the super-resolution network 104 learned by the training process may then be made available to the image processing device 101.
まず、画像処理装置101は、第1訓練断面を第1波動により撮影した第1訓練画像と、第1訓練断面に対向する第2訓練断面を第2波動により撮影した第2訓練画像と、を受け付ける(ステップS301)。 First, the image processing device 101 receives a first training image obtained by photographing a first training section using a first wave motion and a second training image obtained by photographing a second training section opposite the first training section using a second wave motion (step S301).
そして、画像処理装置101は、第1訓練画像を第2訓練画像に対して位置合わせをする写像を求める(ステップS302)。 Then, the image processing device 101 calculates a mapping that aligns the first training image with the second training image (step S302).
写像を求める第1の手法は、以下の通りである。すなわち、第1訓練画像と第2訓練画像では分解能が異なるため、両画像の解像度を合わせるための拡縮をするスケール写像を用意して、第1訓練画像に適用する。スケール写像の拡縮率は、第1訓練画像と、第2訓練画像と、を撮影したときの撮影条件、すなわち、レンズの拡大率や画像の解像度によって定められる「画像の幅や高さのピクセル数」と、「画像の1ピクセルに相当する撮影対象の実際の幅や高さ」と、に基づいて、定めることができる。 The first method for determining the mapping is as follows. That is, because the resolutions of the first and second training images are different, a scale mapping that enlarges or reduces the resolution of both images to match is prepared and applied to the first training image. The scaling ratio of the scale mapping can be determined based on the shooting conditions when the first and second training images were taken, i.e., the "number of pixels in the width and height of the image" determined by the lens magnification and image resolution, and the "actual width and height of the subject corresponding to one pixel in the image."
その上で、拡縮後の第1訓練画像および第2訓練画像、すなわち、同じ解像度となった2つの画像の位置合わせをするトランスフォーム写像を求める。 Then, a transform map is calculated to align the first and second training images after scaling, i.e., the two images with the same resolution.
最後に、スケール写像とトランスフォーム写像を合成することで、目的の写像が求められる。 Finally, the desired mapping is obtained by combining the scale mapping and the transform mapping.
上記のように、スケール写像は、第1訓練画像と第2訓練画像を撮影した際の条件に基づいて拡縮率を求めることにより、一意に定めることができる。 As described above, the scale mapping can be uniquely determined by calculating the enlargement/reduction ratio based on the conditions under which the first training image and the second training image were captured.
一方、トランスフォーム写像は、非特許文献1に開示される技術のほか、同じ解像度の2つの画像の位置合わせを行う種々の技術を適用して、求めることができる。 On the other hand, the transform map can be obtained by applying various techniques for aligning two images of the same resolution, in addition to the technique disclosed in Non-Patent Document 1.
写像を求める第2の手法は、以下の通りである。すなわち、非特許文献1に開示される特徴抽出と畳み込みニューラルネットワークの組合せ、複数のホモグラフィ写像の直和や微分同相写像を求める強化学習・深層学習等の画像位置合わせの技術は、2つの画像の解像度が一致していない場合であっても適用が可能である。このような場合は、スケール写像と、トランスフォーム写像と、をまとめて一体として、目的の写像を求めることができる。したがって、このような場合には、スケール写像とトランスフォーム写像の二段階に分けて写像を求める必要はない。The second method for determining the mapping is as follows. Specifically, the combination of feature extraction and convolutional neural networks disclosed in Non-Patent Document 1, and image registration techniques such as reinforcement learning and deep learning that determine the direct sum of multiple homography mappings or diffeomorphisms, can be applied even when the resolutions of the two images do not match. In such cases, the desired mapping can be determined by combining the scale mapping and transform mapping into a single entity. Therefore, in such cases, there is no need to determine the mapping in two separate steps: scale mapping and transform mapping.
ついで、画像処理装置101は、求められた写像により、第1訓練画像を補正する(ステップS303)。 Then, the image processing device 101 corrects the first training image using the obtained mapping (step S303).
そして、画像処理装置101は、補正済の第1訓練画像を複数の領域に分割し(ステップS304)、当該複数の領域のそれぞれについて以下の処理を繰り返す(ステップS305)。なお、複数の領域のうち、繰り返しにおいて現在処理の対象となっている領域を、以下「第1領域」と呼ぶこととする。 Then, the image processing device 101 divides the corrected first training image into multiple regions (step S304) and repeats the following process for each of the multiple regions (step S305). Note that, of the multiple regions, the region currently being processed in a repetition will be referred to as the "first region" hereinafter.
まず、画像処理装置101は、補正済の第1訓練画像の当該第1領域を切り出して、第1部分画像とする(ステップS306)。 First, the image processing device 101 cuts out the first region of the corrected first training image to create a first partial image (step S306).
そして、画像処理装置101は、当該第1領域が上記の写像によって第2訓練画像内に投影される領域(以下「第2領域」という。)の候補位置を求める(ステップS307)。 Then, the image processing device 101 determines candidate positions of the area (hereinafter referred to as the "second area") into which the first area is projected in the second training image by the above mapping (step S307).
ついで、画像処理装置101は、当該第2領域と同じ形状の窓により、当該候補位置を中心とする周りの所定の走査範囲内を走査して、各位置における窓内の画像を得る(ステップS308)。たとえば、所定の走査範囲内として、候補位置を中心とし、上下左右nピクセルまでずれた範囲を採用した場合、走査によって得られる窓内の画像の数は、中央を含めれば(2×n+1)2個となり、含めなければ、(2×n)2個となる。 Next, the image processing device 101 scans a predetermined scanning range around the candidate position using a window of the same shape as the second region, and obtains an image within the window at each position (step S308). For example, if the predetermined scanning range is a range centered on the candidate position and shifted up to n pixels above, below, left, and right, the number of images within the window obtained by scanning will be (2×n+1) 2 if the center is included, and (2×n) 2 if the center is not included.
さらに、画像処理装置101は、窓で走査することによって得られた複数の窓内の画像のそれぞれと、第1部分画像と、の類似度を算定し、その類似度が最大の画像を第2部分画像として選出する(ステップS309)。 Furthermore, the image processing device 101 calculates the similarity between each of the images within the multiple windows obtained by scanning with the window and the first partial image, and selects the image with the greatest similarity as the second partial image (step S309).
そして、第2領域の位置を、当該第2部分画像を切り取った窓の位置に同定する(ステップS310)。 Then, the position of the second region is identified as the position of the window cut out from the second partial image (step S310).
ついで、画像処理装置101は、超解像ネットワーク104に与えるべき訓練データとして、第1部分画像を訓練用入力とし、第2部分画像を訓練用出力とする訓練データを生成する(ステップS311)。 Next, the image processing device 101 generates training data to be provided to the super-resolution network 104, in which the first partial image is used as the training input and the second partial image is used as the training output (step S311).
分割された複数の領域のそれぞれについてこのような繰り返し処理を実行したら(ステップS312)、画像処理装置101は、生成された訓練データにおける訓練用入力と訓練用出力との類似度の分布に基づいて、類似度が外れ値となっている訓練データを除去した上で(ステップS313)、残った訓練データを超解像ネットワーク104に与えて、学習を進め(ステップS314)、本処理を終了する。 After performing this iterative process for each of the divided regions (step S312), the image processing device 101 removes training data whose similarity is an outlier based on the distribution of similarities between training inputs and training outputs in the generated training data (step S313), and then provides the remaining training data to the super-resolution network 104 to proceed with learning (step S314), thereby terminating this process.
なお、第1訓練画像と第2訓練画像との組が複数用意されている場合には、上記の処理を各組に対して繰り返しても良いし、すべての組について訓練データの生成をした後に、まとめて超解像ネットワーク104に与えて、超解像ネットワーク104を訓練することとしても良い。 In addition, if multiple pairs of first training images and second training images are prepared, the above process may be repeated for each pair, or after generating training data for all pairs, the data may be provided to the super-resolution network 104 all at once to train the super-resolution network 104.
また、ステップS307において、第1領域に対する第2領域の候補位置を求めているが、繰り返しの当初は、nの値として、第2訓練画像の広い範囲、あるいは、全体を覆うような値を採用して第2領域を求め、繰り返しがある程度進んだ後は、過去に同定された第1領域と第2領域の位置の対応関係に基づいて、今回の第1領域に対する候補位置を定めた上で、nの値を小さくすることとしても良い。 In addition, in step S307, candidate positions for the second region relative to the first region are determined. At the beginning of the repetition, the value of n may be set to a value that covers a wide range of the second training image or the entire image, and after the repetition has progressed to a certain extent, candidate positions for the current first region may be determined based on the correspondence between the positions of the first and second regions previously identified, and the value of n may be reduced.
(写像を求める第1の手法の例)
以下では、スケール写像を求める段階とトランスフォーム写像を求める段階の二段階により、第1訓練画像と第2訓練画像との位置合わせをする写像を求める第1の手法の例について、さらに詳細に説明する。
(Example of the first method for finding a mapping)
Below, we will explain in more detail an example of a first technique for finding a mapping that aligns a first training image with a second training image through two steps: a step for finding a scale mapping and a step for finding a transform mapping.
本手法では、上記のように、スケール写像により第1訓練画像と、第2訓練画像と、の解像度を合わせてから、画像処理装置101が、特徴点検出および特徴点マッチングを実行する。特徴点検出および特徴点マッチングには、たとえばSIFTやAKAZE等のような古典的な手法から、非特許文献1に開示されるような種々の手法まで、任意の手法を適用することができる。 In this method, as described above, the resolution of the first training image and the second training image are matched by scale mapping, and then the image processing device 101 performs feature point detection and feature point matching. Any method can be applied to feature point detection and feature point matching, from classical methods such as SIFT and AKAZE to various methods such as those disclosed in Non-Patent Document 1.
すると、
(a) 第1訓練画像にて検出された第1特徴点と、
(b) 第2訓練画像にて検出された第2特徴点であって、第1特徴点に対応付けられる第2特徴点と、
からなる対が、複数個抽出される。
Then,
(a) a first feature point detected in a first training image;
(b) second feature points detected in the second training image, the second feature points corresponding to the first feature points;
A plurality of pairs consisting of the above are extracted.
目的の写像は、ここで得られた複数の対の第1特徴点を写像によりそれぞれ投影した先と、複数の対の第2特徴点と、の差異を最小化するものである。したがって、最小化問題を解くことにより、目的の写像を得ることができる。 The desired mapping minimizes the difference between the projections of the first feature points of the multiple pairs obtained here and the second feature points of the multiple pairs. Therefore, the desired mapping can be obtained by solving the minimization problem.
そのため、画像処理装置は、第1訓練画像を、特徴点検出により検出された特徴点を頂点とする複数の多角形に分割する。最も単純には、多角形として三角形を採用し、分割としてドロネー(Delaunay)分割を採用することができる。 Therefore, the image processing device divides the first training image into multiple polygons with feature points detected by feature point detection as vertices. Most simply, triangles can be used as polygons and Delaunay division can be used as division.
次に、複数の多角形をそれぞれ定義域とする複数の候補写像を考える。 Next, consider several candidate mappings, each with a domain of several polygons.
当該複数の候補写像の各候補写像は、
(a) 当該各候補写像の定義域である第1多角形を、第2訓練画像内の第2多角形に投影し、
(b) 第1多角形の頂点を、特徴点マッチングにより第1多角形の頂点にそれぞれ対応付けられる第2多角形の頂点に、それぞれ投影する写像であり、最も単純には、反転、平行移動、回転、拡縮、剪断、台形変換、もしくは、これらの組み合わせにより定義することができる。
Each candidate mapping of the plurality of candidate mappings is
(a) projecting a first polygon that is the domain of each candidate mapping onto a second polygon in a second training image;
(b) A mapping that projects the vertices of a first polygon onto the vertices of a second polygon that correspond to the vertices of the first polygon through feature point matching, and can be defined most simply by inversion, translation, rotation, scaling, shearing, trapezoidal transformation, or a combination of these.
ここで、反転、平行移動、回転、拡縮、剪断、および、その組合せは、アフィン変換として表現することができ、台形変換および上記との組合せは、射影変換(ホモグラフィ変換)として表現することができ、いずれの変換であっても、変換行列により特定することができる。 Here, inversion, translation, rotation, scaling, shearing, and combinations thereof can be expressed as affine transformations, and trapezoidal transformations and combinations of the above can be expressed as projective transformations (homography transformations). Any of these transformations can be specified by a transformation matrix.
第1訓練画像用の標本と、第2訓練画像用の標本と、が、いずれも変形がない理想的な場合には、ここで得られる各候補写像を表す変換行列は、同一になるはずであるが、実際には、標本を作成したときに変形が生じるなどの影響が生じる。 In an ideal world where the samples for the first training image and the second training image are both undeformed, the transformation matrices representing each candidate mapping obtained here should be identical, but in reality, effects such as deformation occur when the samples are created.
そこで、複数の候補写像のうち、不適切なものを除去するため、クラスタリングを行う。上記のように、各候補写像は変換行列により表現されるから、変換行列同士の差異を距離として採用し、クラスタリングを行い、外れ値の検出を行う。たとえば、k-近傍法(k-NN)、Local Outlier Factor (LOF)などにより、外れ値が属するクラスタ、すなわち、マイノリティクラスタと、主要な値が属するクラスタ、すなわち、マジョリティクラスタと、に弁別する。 Therefore, clustering is performed to eliminate inappropriate candidates from among the multiple candidate mappings. As mentioned above, each candidate mapping is represented by a transformation matrix, so the difference between the transformation matrices is used as the distance to perform clustering and detect outliers. For example, using k-nearest neighbor (k-NN) or Local Outlier Factor (LOF), clusters are distinguished into clusters to which outliers belong, i.e., minority clusters, and clusters to which major values belong, i.e., majority clusters.
そして、マイノリティクラスタに属する候補画像、すなわち、マイノリティ写像は、定義域の領域と値域の領域とのマッチングが誤っていたり、定義域の領域や値域の領域の変形が甚しいものと考えられる。 Candidate images belonging to the minority cluster, i.e., minority mappings, are considered to have incorrect matching between the domain area and the range area, or severe deformation of the domain area or range area.
そこで、マジョリティクラスタに属するマジョリティ写像を特定し、目的の写像として、マジョリティ写像の直和を採用する。 Therefore, we identify the majority mappings that belong to the majority cluster and adopt the direct sum of the majority mappings as the target mapping.
このようにして、写像を求めた上で、第1部分画像が写像の定義域に包含されていない場合や、第2部分画像が写像の値域に包含されていない場合は、この組は訓練データとして採用しないこととする。 After obtaining the mapping in this way, if the first partial image is not included in the domain of the mapping, or if the second partial image is not included in the range of the mapping, then this set will not be used as training data.
このような処理によって、特徴点マッチングが誤っていたり、標本の一部が変形していたり、などの影響を除去した適切な訓練データを得ることができる。 This type of processing allows us to obtain appropriate training data that removes the effects of incorrect feature point matching or deformations in parts of the sample.
(写像を求める第2の手法の例)
上記のように、写像を求める第2の手法では、特徴抽出と畳み込みニューラルネットワークの組合せ、複数のホモグラフィ写像や微分同相写像を求める強化学習・深層学習等の画像位置合わせの技術を用いる。これらの技術では、2つの画像の解像度が一致していない場合であっても適用が可能であるが、上記のスケール写像を利用して解像度を合わせてから位置合わせを行ってトランスフォーム写像を求めるという二段階処理により、目的の写像を得ることとしても良い。
(An example of the second method for finding the mapping)
As described above, the second method for obtaining a mapping uses image registration techniques such as a combination of feature extraction and a convolutional neural network, and reinforcement learning and deep learning that obtain multiple homography mappings and diffeomorphisms. These techniques can be applied even when the resolutions of the two images do not match, but the desired mapping can also be obtained through a two-step process in which the resolutions are matched using the scale mapping described above, and then registration is performed to obtain a transform mapping.
本実施形態のような医療画像の位置合わせでは、1つのホモグラフィ行列によって単純に目的の写像を記述することはできないため、複数のホモグラフィ写像の直和や、変位ベクトル場で表現される微分同相写像などを、求める必要がある。 In medical image alignment such as in this embodiment, the desired mapping cannot be simply described by a single homography matrix, so it is necessary to find the direct sum of multiple homography mappings or a diffeomorphism expressed by a displacement vector field.
このような技術としては、Julian Krebsらによるエージェントに基づくアクション学習を用いた頑健な位置合わせ技術、Bob D. de VosらによるDIRNET技術、Xiao YangらによるQuicksilver技術などがあり、これらの技術は、本実施形態に適用が可能である。 Such technologies include a robust registration technique using agent-based action learning by Julian Krebs et al., the DIRNET technique by Bob D. de Vos et al., and the Quicksilver technique by Xiao Yang et al., and these technologies can be applied to this embodiment.
(画像処理システム)
超解像ネットワーク104の学習や、超解像ネットワーク104による画像の推定は、電子カルテ等に基づく各種の医療画像が収集されたサーバコンピュータで行われるようにすることができる。すなわち、サーバコンピュータを、上記の画像処理装置101として機能させることができる。
(Image Processing System)
The training of the super-resolution network 104 and the estimation of images by the super-resolution network 104 can be performed on a server computer in which various medical images based on electronic medical records, etc. are collected. In other words, the server computer can function as the image processing device 101 described above.
このような態様では、実際の診断の際は、病院等に用意されたコンピュータからなる端末を入出力のインターフェースとする画像処理システムを利用することもできる。図5は、本発明の実施形態に係る画像処理システムの概要構成を示す説明図である。図6は、本発明の実施形態に係る端末コンピュータの画面の表示例を示す説明図である。図7は、本発明の実施形態に係る端末コンピュータの画面の表示例を示す説明図である。以下、これらの図を参照して説明する。In such an embodiment, an image processing system can be used in which a computer terminal provided at a hospital or the like serves as an input/output interface for actual diagnosis. Figure 5 is an explanatory diagram showing the general configuration of an image processing system according to an embodiment of the present invention. Figure 6 is an explanatory diagram showing an example of a display on the screen of a terminal computer according to an embodiment of the present invention. Figure 7 is an explanatory diagram showing an example of a display on the screen of a terminal computer according to an embodiment of the present invention. The following explanation will be given with reference to these figures.
画像処理システム201は、画像処理装置101を実現するサーバコンピュータ202と、端末コンピュータ203と、両者を通信可能に接続するコンピュータ通信網204と、を、備える。 The image processing system 201 comprises a server computer 202 that realizes the image processing device 101, a terminal computer 203, and a computer communication network 204 that connects the two so that they can communicate with each other.
ここで、端末コンピュータ203は、第1表示部211、受付部212、送受部213、第2表示部214を備える。 Here, the terminal computer 203 has a first display unit 211, a reception unit 212, a transmission/reception unit 213, and a second display unit 214.
第1表示部211は、対象検体を層状に切断することにより現れる複数の断面を撮影した画像群を画面401内の第1領域411に表示する。 The first display unit 211 displays a group of images of multiple cross sections that appear when the target specimen is cut into layers in the first area 411 on the screen 401.
ここで、画像群の各画像412は、本図では、斜視による平行投影がなされて、並んで描画されている。各画像412の縁の本来の形状は、長方形もしくは正方形の形状であり、斜視による平行投影がなされると、平行四辺形となるが、本図では縁の図示は省略している。 In this figure, each image 412 in the image group is projected obliquely and drawn side by side. The original shape of the edges of each image 412 is rectangular or square, and when projected obliquely, it becomes a parallelogram, but the edges are not shown in this figure.
すなわち、第1表示部211は、画像群に含まれる複数の画像を、仮想3次元空間に設定される互いに平行な複数の平面へ、複数の画像に対する複数の断面が対象検体において並ぶ順序に、それぞれ配置し、仮想3次元空間の様子を第1領域411に平行(斜視)投影もしくは透視投影により描画することで、擬似的な立体感を感じさせることができる。 In other words, the first display unit 211 arranges the multiple images included in the image group on multiple parallel planes set in a virtual three-dimensional space in the order in which the multiple cross sections for the multiple images are arranged in the target specimen, and depicts the appearance of the virtual three-dimensional space in the first area 411 by parallel (oblique) projection or perspective projection, thereby creating a pseudo-three-dimensional feeling.
一方、受付部212は、表示された画像群からいずれかの画像を選択する画像選択指示を受け付ける。 On the other hand, the reception unit 212 receives an image selection instruction to select one of the images from the displayed group of images.
画像選択指示は、マウスやキーボード等で、所望の画像を選択することで行われる。本図では、画像412の縁(上記のように、本来は正方形もしくは長方形の形状であるが、斜視により平行四辺形に変形されている。)を点線413で強調することにより、当該画像が選択されたことを示している。 Image selection is performed by selecting the desired image using a mouse, keyboard, etc. In this figure, the edge of image 412 (which, as mentioned above, is originally a square or rectangle, but has been deformed into a parallelogram due to perspective) is highlighted with dotted line 413 to indicate that the image has been selected.
第1領域411では、スクロールバー415を用いてスクロールをすることで、第1領域411に入り切らない多数の画像を順に斜視することができる。このとき、単にスクロールをするだけで、第1領域411中央に位置する画像が選択されるように構成しても良い。 In the first area 411, by scrolling using the scroll bar 415, it is possible to sequentially view obliquely a large number of images that do not fit in the first area 411. In this case, the image located in the center of the first area 411 may be selected simply by scrolling.
さらに、選択された画像は、第2領域422内に、斜視ではなく正視された元の姿で表示される。すなわち、図6において、第1領域411にて点線413により囲まれた部分は、第2領域422に表示されている画像を斜視投影したものに相当する。 Furthermore, the selected image is displayed in the second area 422 in its original, normal, rather than oblique, form. That is, in Figure 6, the portion of the first area 411 surrounded by dotted line 413 corresponds to an oblique projection of the image displayed in the second area 422.
たとえば医師などの観察者が第1領域411にて順に画像を選択すると、対象検体の立体的な様子が、第2領域422内でアニメーション表示されることになる。 For example, when an observer such as a doctor selects images in sequence in the first area 411, a three-dimensional image of the target specimen is displayed as an animation in the second area 422.
このほか、第2領域422内に表示される画像を拡縮等して、第1領域411にて選択された画像の一部を第2領域422に表示することもできる。ズームイン等によって選択された画像の一部のみが第2領域422に表示されている場合は、図7に示すように、当該部分に相当する領域を、第1領域411にて太線414で囲んで観察者に示すことができる。なお、画像全体が第2領域422に表示されている場合は、図6に示すように、太線414は描画が省略されている。 In addition, the image displayed in the second area 422 can be enlarged or reduced, and a portion of the image selected in the first area 411 can be displayed in the second area 422. When only a portion of the image selected by zooming in or the like is displayed in the second area 422, the area corresponding to that portion can be shown to the viewer by surrounding it with a thick line 414 in the first area 411, as shown in Figure 7. Note that when the entire image is displayed in the second area 422, the thick line 414 is not drawn, as shown in Figure 6.
観察者は、第2領域422の近傍にあるズームインボタン425、ズームアウトボタン426により、画像の拡縮を指示することができ、第2領域422の縁にあるスクロールバー427、428により、第2領域422内に表示される位置を移動することができる。 The viewer can zoom in or out of the image using the zoom-in button 425 and zoom-out button 426 located near the second area 422, and can move the position displayed within the second area 422 using the scroll bars 427 and 428 located on the edges of the second area 422.
さらに、第2領域422内では、詳しく観察したい領域を指定することができる。すなわち、受付部212は、選択された画像からいずれかの領域を選択する領域選択指示を、マウスやキーボード等の操作に基づいて、受け付けることができる。 Furthermore, within the second area 422, it is possible to specify an area that one wishes to observe in detail. That is, the reception unit 212 can receive an area selection instruction to select an area from the selected image based on operation of a mouse, keyboard, etc.
図6および図7では、第2領域422のうち、太枠423で囲まれた領域が選択された領域である。選択された画像のうち、この領域内の画像が、処理の対象となる入力画像となる。たとえば、太枠423は、太枠423内を指定してドラッグすることで位置を変更することができる。さらに、太枠423の頂点や辺をドラッグすることで大きさを変更できるようにしても良い。 In Figures 6 and 7, the area of the second area 422 surrounded by the thick frame 423 is the selected area. Of the selected images, the image within this area becomes the input image to be processed. For example, the position of the thick frame 423 can be changed by specifying and dragging within the thick frame 423. Furthermore, the size of the thick frame 423 may be changed by dragging the vertices or edges of the thick frame 423.
なお、領域選択指示は解除することも可能である。この場合は、選択された画像全体が入力画像となる。 It is also possible to cancel the area selection instruction. In this case, the entire selected image will become the input image.
選択された入力画像は、観察者からの明示の指示、あるいは、画像選択および領域選択がされてから一定時間そのまま経過することを契機として、コンピュータ通信網204を介して端末コンピュータ203からサーバコンピュータ202へ伝達され、入力画像として画像処理装置101へ入力される。 The selected input image is transmitted from the terminal computer 203 to the server computer 202 via the computer communication network 204, triggered by an explicit instruction from the observer or after a certain period of time has passed since the image and area selection, and is input to the image processing device 101 as an input image.
そして、画像処理装置101にて推定された出力画像は、コンピュータ通信網204を介してサーバコンピュータ202から端末コンピュータ203へ伝達される。 The output image estimated by the image processing device 101 is then transmitted from the server computer 202 to the terminal computer 203 via the computer communication network 204.
ここで、入力画像および出力画像の送受は、端末コンピュータにおける送受部213が担う。 Here, the transmission and reception of input images and output images is handled by the transmission and reception unit 213 in the terminal computer.
第2表示部214は、画像処理装置101にて推定された出力画像を、画面401内の第3領域433に表示する。 The second display unit 214 displays the output image estimated by the image processing device 101 in the third area 433 on the screen 401.
なお、推定の対象となる画像群が、光学顕微鏡による染色済の標本のカラー写真画像であり、推定の結果が、電子顕微鏡による撮影結果である場合を考える。一般には、電子顕微鏡による撮影結果はグレイスケール画像である。 Let us consider a case where the image group to be estimated is color photographic images of stained specimens taken with an optical microscope, and the estimation results are the results of photographs taken with an electron microscope. Generally, the results of photographs taken with an electron microscope are grayscale images.
そこで、第3領域433に表示される出力画像の拡大率と、第2領域422に表示される入力画像の拡大率と、が、どの程度異なるか、すなわち、第3領域433に表示される出力画像の、現実に撮影されている入力画像からの推定の度合がどの程度大きいか、を、簡単に把握できるようにするため、第3領域433に表示される出力画像に彩色を施すことができる。 Therefore, in order to easily grasp the degree to which the magnification ratio of the output image displayed in the third area 433 differs from the magnification ratio of the input image displayed in the second area 422, i.e., the degree to which the output image displayed in the third area 433 is estimated from the input image actually captured, the output image displayed in the third area 433 can be colored.
たとえば、第2領域422において、各画素に表示される画素値の明度、色相、彩度を、それぞれ、
当該各画素に対応する出力画像の画素の明度、
当該各画素に対応する入力画像の画素の色相、
対象検体の断面に対する出力画像の拡大率に応じて定められる彩度
に設定することで、出力画像の拡大率を容易に把握することが可能となる。
For example, in the second region 422, the brightness, hue, and saturation of the pixel value displayed for each pixel are respectively set as follows:
the brightness of the pixel in the output image corresponding to each pixel;
the hue of the pixel in the input image corresponding to each pixel;
By setting the saturation to a value determined according to the magnification ratio of the output image for the cross section of the target specimen, it becomes possible to easily grasp the magnification ratio of the output image.
このように、画像処理システム201を医療機関・研究機関での活用に適用した場合、各機関から提供された医療画像(光学顕微鏡や電子顕微鏡による写真画像)をサーバコンピュータ202にて蓄積し、同一(対向する断面)の対象検体に係る医療画像については、超解像ネットワーク104のための訓練データとして採用して、より良い推定が可能となる。 In this way, when the image processing system 201 is applied to medical institutions and research institutions, medical images (photographic images taken with optical microscopes or electron microscopes) provided by each institution are stored on the server computer 202, and medical images of the same target specimen (opposite cross sections) are used as training data for the super-resolution network 104, enabling better estimation.
また、各機関は、端末コンピュータ203にて、対象検体を光学顕微鏡により撮影した医療画像を選択し、必要に応じてその中の所望の領域を選択することで、対象検体を電子顕微鏡で観察したときにどのように見えるか、を推定した結果を得ることができ、診断や研究に役立てることができる。 In addition, each institution can select medical images of the target specimen taken with an optical microscope on the terminal computer 203, and if necessary, select desired areas within the images, thereby obtaining an estimate of how the target specimen will appear when observed with an electron microscope, which can be useful for diagnosis and research.
(実験例)
以下では、上記実施形態を、光学顕微鏡により撮影した病理画像から、電子顕微鏡により撮影した電顕画像へ変換する態様に適用した実験例について説明する。
(Experimental example)
An experimental example in which the above embodiment is applied to converting a pathological image captured by an optical microscope into an electron microscope image captured by an electron microscope will be described below.
まず、訓練データとして利用される病理画像と電顕画像は、スケール写像により解像度を合わせた後、全体画像に対してAKAZE特徴量を検出し、電顕画像の全体の各位置に合わせるトランスフォーム写像を求めて、病理画像の全体を補正する。 First, the pathology images and electron microscope images used as training data are scale mapped to match their resolution, and then AKAZE features are detected for the entire image. A transform map is calculated to match each position on the entire electron microscope image, and the entire pathology image is corrected.
さらに、補正された病理画像全体を、32ピクセルずつスライドさせながら、256x256ピクセルの病理タイル画像を切り出す。 Furthermore, the entire corrected pathology image is slid by 32 pixels to extract a 256x256 pixel pathology tile image.
一方で、電顕画像については、走査の範囲として、1024×1024ピクセルの範囲(上下左右に(1024-256)/2=384ピクセル)を採用し、類似度が最も高いものを選び出す。 On the other hand, for electron microscope images, a scanning range of 1024 x 1024 pixels ((1024-256)/2 = 384 pixels up, down, left, and right) is used, and the image with the highest similarity is selected.
超解像ネットワークとしては、非特許文献2に開示される技術であるSR3を利用する。 For the super-resolution network, we use SR3, a technology disclosed in non-patent document 2.
図8Aは、撮影された病理画像、病理画像から推定された電顕画像、撮影された電顕画像を上下に並べてグレイスケールで示す図面代用写真である。図8Bは、撮影された病理画像、病理画像から推定された電顕画像、撮影された電顕画像を上下に並べてモノクロ2値で示す図面代用写真である。図9Aは、撮影された病理画像、病理画像から推定された電顕画像、撮影された電顕画像を上下に並べてグレイスケールで示す図面代用写真である。図9Bは、撮影された病理画像、病理画像から推定された電顕画像、撮影された電顕画像を上下に並べてモノクロ2値で示す図面代用写真である。図10Aは、撮影された病理画像、病理画像から推定された電顕画像、撮影された電顕画像を上下に並べてグレイスケールで示す図面代用写真である。図10Bは、撮影された病理画像、病理画像から推定された電顕画像、撮影された電顕画像を上下に並べてモノクロ2値で示す図面代用写真である。これらの図において、図番の末尾がBの図面代表写真は、同じ数字の図番を有し、図番の末尾がAの図面代表写真をモノクロ2値化ものである。たとえば、図8Bの図面代用写真は、図8Aの図面代用写真をモノクロ2値化したものである。 Figure 8A is a photograph in lieu of a drawing showing a photographed pathology image, an electron microscope image estimated from the pathology image, and the photographed electron microscope image arranged vertically in grayscale. Figure 8B is a photograph in lieu of a drawing showing a photographed pathology image, an electron microscope image estimated from the pathology image, and the photographed electron microscope image arranged vertically in binary monochrome. Figure 9A is a photograph in lieu of a drawing showing a photographed pathology image, an electron microscope image estimated from the pathology image, and the photographed electron microscope image arranged vertically in grayscale. Figure 9B is a photograph in lieu of a drawing showing a photographed pathology image, an electron microscope image estimated from the pathology image, and the photographed electron microscope image arranged vertically in binary monochrome. Figure 10A is a photograph in lieu of a drawing showing a photographed pathology image, an electron microscope image estimated from the pathology image, and the photographed electron microscope image arranged vertically in grayscale. Figure 10B is a photograph in lieu of a drawing showing a photographed pathology image, an electron microscope image estimated from the pathology image, and the photographed electron microscope image arranged vertically in binary monochrome. In these figures, the representative photographs of drawings with drawing numbers ending in B are monochrome binarized versions of the representative photographs of drawings with the same drawing numbers and ending in A. For example, the drawing substitute photograph of Figure 8B is the drawing substitute photograph of Figure 8A that has been monochrome binarized.
これらの図では、
対象検体の一方の断面を光学顕微鏡で倍率400倍で撮影した病理画像と、
当該病理画像から本実施形態により推定された電顕画像と、
対象検体の他方の断面を電子顕微鏡で倍率1000倍で撮影した電源画像であって当該病理画像に対応する位置の画像と、
を、対比できるように拡縮して、上下に並べて示している。
In these figures,
A pathological image of one cross section of the target specimen taken with an optical microscope at 400x magnification,
an electron microscope image estimated from the pathological image according to this embodiment; and
a power image of the other cross section of the target specimen taken with an electron microscope at a magnification of 1000 times, the power image being at a position corresponding to the pathological image;
are shown side by side, enlarged and reduced for comparison.
これらの図からもわかるように、病理画像から推定された電顕画像は、病理画像よりも分解能が向上している一方で、実際に撮影された電顕画像との差異も少なく、医師の診断や研究者の研究に役立てることができる程度の品質で推定がなされていることがわかる。 As can be seen from these figures, the electron microscope images estimated from pathology images have higher resolution than the pathology images, but there is little difference between them and the actual electron microscope images taken, indicating that the estimation is of a quality that can be useful for doctors' diagnoses and researchers' research.
このように、本実施形態では、病理画像を入力画像として、当該入力画像から電顕画像を推定し、当該電顕画像を出力画像として出力する。ここで出力される出力画像は、あくまで参考情報であり、診断支援に用いることを想定している。出力画像を利用する利用者は、主として研究者が想定されるが、臨床医も利用は可能である。 In this way, in this embodiment, a pathology image is used as an input image, an electron microscope image is estimated from the input image, and the electron microscope image is output as an output image. The output image is merely reference information and is intended to be used for diagnostic support. Researchers are expected to be the primary users of the output image, but clinicians can also use it.
たとえば、腎臓病は、治療が困難であり、一旦透析に至ると、その状態が生涯続くため、早期に治療を進める必要がある。本実施形態では、腎生研による糸球体の病理写真から電顕写真を生成することで、早期診断、早期治療の参考情報を提供することができる。腎生研そのものは、内科医が担当することが多いが、病理医が担当することもある。 For example, kidney disease is difficult to treat, and once dialysis is required, the condition persists for life, making it necessary to begin treatment early. In this embodiment, electron microscope images are generated from pathological photographs of glomeruli taken by the Renal Biomedical Laboratory, providing reference information for early diagnosis and treatment. The Renal Biomedical Laboratory itself is often handled by an internist, but may also be handled by a pathologist.
また、がんによる腸管異常においては、遺伝子が変異して腸管の構造が変わる。このため、電顕画像による早期診断が必要となるが、本実施形態により生成される電顕画像を、その参考資料とすることができる。 Furthermore, intestinal abnormalities caused by cancer, genes mutate and the structure of the intestinal tract changes. This makes early diagnosis using electron microscope images necessary, and the electron microscope images generated by this embodiment can be used as reference material for this.
心生研の場合には、病理写真から電顕写真を生成することにより、心筋や繊維の様子を、参考情報として見ることができる。この場合は、病理医が担当することが多い。 At the Institute of Cardiology, electron microscope images can be generated from pathological images, allowing the state of the myocardium and fibers to be viewed as reference information. In this case, pathologists are often in charge.
このほか、全世界に罹患者がいるアミロイドーシスは、腸のほかどの臓器でも見られるものであり、原因不明で地域性が見られる1次性の疾患と、腎機能低下より惹起され、透析患者も対象となる2次性の疾患がある。本実施形態による電顕画像は、この患部の様子を観察する際の参考情報として利用することができる。 Amyloidosis, which affects people all over the world, can be found in any organ other than the intestine, and is classified as a primary disease of unknown cause that is endemic, and as a secondary disease caused by decreased renal function, which also affects dialysis patients. The electron microscope images obtained using this embodiment can be used as reference information when observing the condition of these affected areas.
一般に、電子顕微鏡による撮影は、コストが高い。これは、病理写真と電顕写真では、標本を固定する方法が異なること、電子顕微鏡による撮影ができる撮影者の人数が減少しつつあるからである。 Generally, electron microscopy is expensive. This is because the methods of fixing specimens differ between pathology and electron microscopy, and the number of photographers skilled in electron microscopy is decreasing.
本実施形態により出力される電顕画像は、病理画像から生成されるため、そのコストは安い。したがって、この電顕画像を診断支援、参考情報として付加的に利用することで、低コストの早期診断、早期治療に役立てることができる。 The electron microscope images output by this embodiment are generated from pathology images, so their cost is low. Therefore, by additionally using these electron microscope images as diagnostic support and reference information, they can be useful for low-cost early diagnosis and early treatment.
(出力画像の定量評価)
上記実施形態では、病理画像から、電顕画像を推定して、これを出力画像とする。本実施形態は、この出力画像がどの程度尤もらしいものか、どの程度信頼できるものか、を定量的に評価して、その評価値を、出力画像の利用者に対する参考情報として提供するものである。
(Quantitative evaluation of output images)
In the above embodiment, an electron microscope image is estimated from a pathological image and used as an output image. In this embodiment, the plausibility and reliability of this output image are quantitatively evaluated, and the evaluation value is provided as reference information to users of the output image.
図11は、本発明の実施形態に係る画像処理装置の概要構成を示す説明図である。本図に係る画像処理装置101は、上記実施形態の画像処理装置101に対して、生成部502、評価部503を追加したものである。以下、本図を参照して説明する。 Figure 11 is an explanatory diagram showing the general configuration of an image processing device according to an embodiment of the present invention. The image processing device 101 shown in this figure is the image processing device 101 of the above embodiment, to which a generation unit 502 and an evaluation unit 503 have been added. The following description will be given with reference to this figure.
まず、生成部502は、学習済の生成ネットワーク505へ、超解像部103から出力された出力画像を与えて、参照画像を生成させる。 First, the generation unit 502 provides the output image output from the super-resolution unit 103 to the trained generation network 505 to generate a reference image.
生成ネットワーク505は、与えられた入力の次元削減をしたり、与えられた入力にノイズを加えたりする等、与えられた入力の情報を欠落させた上で、元の入力にできるだけ一致するような出力を得るネットワークである。 The generative network 505 is a network that removes information from a given input, such as by reducing the dimensionality of the given input or adding noise to the given input, and then obtains an output that matches the original input as closely as possible.
生成ネットワーク505として最も単純なものは、オートエンコーダである。たとえば、積層オートエンコーダ(Stacked Autoencoder)、畳み込みオートエンコーダ(Convolutional Autoencoder; CAE)、変分オートエンコーダ(Variational Autoencoder; VAE)、条件付き変分オートエンコーダ(Conditional Variational Autoencoder; CVAE)等、種々のオートエンコーダを利用することができる。 The simplest generative network 505 is an autoencoder. Various autoencoders can be used, such as a stacked autoencoder, a convolutional autoencoder (CAE), a variational autoencoder (VAE), and a conditional variational autoencoder (CVAE).
図12は、本発明の実施形態に係る画像処理装置における生成ネットワークの一例であるVAEにおけるEncoderの構成を示す説明図である。図13は、本発明の実施形態に係る画像処理装置における生成ネットワークの一例であるVAEにおけるDecoderの構成を示す説明図である。本図に示すような比較的シンプルなVAEによるネットワークを、生成ネットワーク505として採用することができる。
図14は、本発明の実施形態に係る画像処理装置における生成ネットワークの他の例であるVAEにおけるEncoderの構成を示す説明図である。図15は、本発明の実施形態に係る画像処理装置における生成ネットワークの他の例であるVAEにおけるDecoderの構成を示す説明図である。本図に示すような他の構成によるVAEによるネットワークを、生成ネットワーク505として採用することもできる。
また、
拡散モデル(Diffusion Model)に基づくニューラルネットワーク、
敵対的生成ネットワーク(Generative Adversarial Network; GAN)、
フローベース生成モデル(Flow-based Generative Network)に基づくニューラルネットワーク、
Transformerに基づいて次元削減および復元を実装するニューラルネットワーク
のような種々のネットワークを、生成ネットワーク505として利用することもできる。
Fig. 12 is an explanatory diagram showing the configuration of an encoder in a VAE, which is an example of a generative network in an image processing device according to an embodiment of the present invention. Fig. 13 is an explanatory diagram showing the configuration of a decoder in a VAE, which is an example of a generative network in an image processing device according to an embodiment of the present invention. A relatively simple VAE network as shown in this figure can be used as generative network 505.
Fig. 14 is an explanatory diagram showing the configuration of an encoder in a VAE, which is another example of a generative network in an image processing device according to an embodiment of the present invention. Fig. 15 is an explanatory diagram showing the configuration of a decoder in a VAE, which is another example of a generative network in an image processing device according to an embodiment of the present invention. A network using a VAE with another configuration as shown in this figure can also be used as generative network 505.
Also,
Neural network based on the diffusion model,
Generative Adversarial Network (GAN),
A neural network based on a flow-based generative model (Flow-based Generative Network),
Various networks can also be used as the generative network 505, such as neural networks that implement dimensionality reduction and restoration based on the Transformer.
生成ネットワーク505は、超解像ネットワーク104の学習に用いた訓練検体とは異なる他の訓練検体により、学習を進めることが望ましい。生成ネットワーク505は、他の訓練検体を切断することにより現れる他の訓練断面を前記第2波動で撮影して得られる他の訓練画像を、訓練用入力および訓練用出力として学習を進める。 It is desirable that the generative network 505 proceeds with learning using other training samples that are different from the training samples used to train the super-resolution network 104. The generative network 505 proceeds with learning using other training images obtained by photographing other training cross-sections that appear by cutting other training samples with the second wave as training inputs and training outputs.
上記の適用例に沿って説明すると、光学顕微鏡により撮影された病理画像から電顕画像を推定して出力画像とする態様においては、同じ患部を撮影した他の電顕画像を訓練画像として用意し、当該電顕画像に基づいて、生成ネットワーク505の学習を進める。 To explain this in accordance with the above application example, in a mode in which an electron microscope image is estimated from a pathological image taken with an optical microscope and used as the output image, other electron microscope images of the same affected area are prepared as training images, and the generative network 505 is trained based on these electron microscope images.
すると、生成ネットワーク505は、画像が入力として与えられると、当該画像において電顕画像に特有の特徴をよく表す画像を出力するものと想定される。 The generative network 505 is then expected to, when given an image as input, output an image that closely represents the features specific to electron microscope images.
したがって、超解像部103が出力する出力画像が電顕画像らしさをよく表した尤もらしいものであれば、生成部502により生成される参照画像との差異は小さくなり、超解像部103が出力する出力画像が電顕画像とは異なるもの(たとえば、異常な情報が写り込んだ画像)であれば、出力画像と参照画像の差異は大きくなると考えられる。 Therefore, if the output image output by the super-resolution unit 103 is a plausible image that closely resembles an electron microscope image, the difference between it and the reference image generated by the generation unit 502 will be small, and if the output image output by the super-resolution unit 103 is different from an electron microscope image (for example, an image that contains abnormal information), the difference between the output image and the reference image will be large.
そこで、評価部503は、出力画像と、参照画像と、の差異により、出力画像を数値で定量評価して、その結果を出力する。 Therefore, the evaluation unit 503 quantitatively evaluates the output image numerically based on the difference between the output image and the reference image, and outputs the result.
定量評価に用いるパラメータ値としては、以下のようなものがありうる。
出力画像と参照画像との異なり画素数や、総画素数に対する異なり画素数の割合。
出力画像と参照画像との異なり画素値の総和や、異なり画素値の平均。
出力画像と参照画像とのマハラビノス距離。
出力画像と参照画像とのコサイン類似度。
AugNet等の機械学習・深層学習技術により算定された出力画像と参照画像との類似度。
上記のいずれかのパラメータ値の分布における偏差、自己回帰モデル(autoregressive model)やOne Class SVMによる外れ値検知で用いられる変位。
The parameter values used for quantitative evaluation may include the following:
The number of pixels that differ between the output image and the reference image, and the ratio of the number of pixels that differ to the total number of pixels.
The sum of the different pixel values between the output image and the reference image, or the average of the different pixel values.
The Mahalanobis distance between the output image and the reference image.
Cosine similarity between the output image and the reference image.
The similarity between the output image and the reference image calculated using machine learning and deep learning technologies such as AugNet.
The deviation in the distribution of any of the above parameter values, a variance used in autoregressive models and One Class SVM outlier detection.
図16は、撮影された病理画像、病理画像から推定された電顕画像、生成された参照画像を並べてグレイスケールで示す図面代用写真である。図17は、撮影された病理画像、病理画像から推定された電顕画像、生成された参照画像を並べてモノクロ2値で示す図面代用写真である。これらの図では、例(a)と例(b)のそれぞれについて、左側の病理画像から中央の電顕画像が推定され、推定された電顕画像から図12, 13に開示するVAEを用いて参照画像が生成されている。例(a)では、尤もらしい電顕画像が推定されているが、例(b)では、異常な図形(矢印、正方形、円)が描画されてしまっており、電顕画像の生成に失敗していることがわかる。 Figure 16 is a photograph in place of a drawing, showing a captured pathology image, an electron microscope image estimated from the pathology image, and a generated reference image, all arranged in grayscale. Figure 17 is a photograph in place of a drawing, showing a captured pathology image, an electron microscope image estimated from the pathology image, and a generated reference image, all arranged in monochrome binary. In these figures, for example (a) and example (b), the electron microscope image in the center is estimated from the pathology image on the left, and a reference image is generated from the estimated electron microscope image using the VAE disclosed in Figures 12 and 13. In example (a), a plausible electron microscope image is estimated, but in example (b), abnormal shapes (arrows, squares, and circles) are drawn, indicating that the generation of the electron microscope image failed.
上記のVAEを用いて参照画像を生成すると、例(a)、例(b)のいずれにおいても、推定された電顕画像とは見かけが異なるものが生成されている。 When the above VAE is used to generate a reference image, in both example (a) and example (b), the generated image appears different from the estimated electron microscope image.
しかしながら、電顕画像と参照画像の差異を画素値差分の総和により算定すると、例(a)では2397066であるのに対し、例(b)では3871511で、例(a)の方が差異が小さい。 However, when the difference between the electron microscope image and the reference image is calculated by summing the pixel value differences, the difference is 2,397,066 in example (a) and 3,871,511 in example (b), meaning that the difference is smaller in example (a).
また、AugNetにより算定した電顕画像と参照画像の類似度は、例(a)では28.441であるのに対し、例(b)では34.211で、例(a)の方が値が小さく、AugNetの類似度の定義によれば、値が小さければ小さいほど類似していることとなるため、例(a)の方が差異が小さいことになる。 In addition, the similarity between the electron microscope image and the reference image calculated by AugNet is 28.441 for example (a) and 34.211 for example (b).The value is smaller for example (a), and according to AugNet's definition of similarity, the smaller the value, the more similar the images are, so example (a) has a smaller difference.
発明者の実験によれば、199枚の電顕画像について、
画素値差分の総和が150万以下のものの割合は100%、
200万以下のものは90%、
250万以下のものは56%、
300万以下のものは27%、
350万以下のものは7%、
400万以下のものは0%
となった。
According to the inventor's experiment, for 199 electron microscope images,
The percentage of pixels with a sum of pixel value differences of 1.5 million or less is 100%.
90% are under 2 million yen;
56% have incomes of 2.5 million yen or less;
27% are below 3 million yen;
7% for those under 3.5 million yen;
0% for items under 4 million yen
This is what happened.
同様に、
類似度が25以下のものの割合は100%、
27.5以下のものは77%、
30以下のものは57%、
32.5以下のものは38%、
35以下のものは36%、
37.5以下のものは18%、
40以下のものは0%、
となった。
Similarly,
The percentage of similarities below 25 is 100%.
77% were below 27.5;
57% are under 30;
38% had a score of 32.5 or less;
36% were under 35;
18% had a score of 37.5 or less;
0% for those under 40;
This is what happened.
また、同様の電顕画像に対して、図14, 15に開示するVAEを用いて参照画像を生成した場合、例(a)における差分および類似度は2763465および28.517, 例(b)における差分および類似度は3342139および29.369となった。また、199枚の電顕画像については、画素値差分の総和が
190万以下のものの割合は100%、
230万以下のものは68%、
270万以下のものは43%、
310万以下のものは41%、
350万以下のものは18%、
400万以下のものは0%
となり、類似度が
16以下のものの割合は92%、
20以下のものは68%、
24以下のものは50%、
28以下のものは43%、
32以下のものは42%、
36以下のものは0%
となった。
In addition, when a reference image was generated for a similar electron microscope image using the VAE disclosed in Figures 14 and 15, the difference and similarity in example (a) were 2763465 and 28.517, and the difference and similarity in example (b) were 3342139 and 29.369. In addition, for 199 electron microscope images, the sum of the pixel value differences was
The percentage of items below 1.9 million yen is 100%.
68% have incomes of 2.3 million yen or less;
43% have incomes of 2.7 million yen or less;
41% have incomes of 3.1 million yen or less;
18% are below 3.5 million yen;
0% for items under 4 million yen
and the similarity is
The percentage of those under 16 is 92%.
68% were under 20;
50% for those under 24;
43% were 28 or younger;
42% are under 32;
0% for those under 36
This is what happened.
これらの実験例における割合は、超解像部103による電顕画像の推定が不適切で品質が低かったものの割合を示すことになる。したがって、一般に、品質の高い出力画像のみを検討したい場合には、画素値差分の総和やAugNetの類似度の閾値を小さくして、当該閾値よりもパラメータ値が小さいものを選べば良いことになる。 The percentages in these experimental examples indicate the percentage of electron microscope images in which the super-resolution unit 103 estimated them inappropriately and were of low quality. Therefore, in general, if you want to consider only high-quality output images, you can reduce the sum of pixel value differences or the AugNet similarity threshold and select images with parameter values smaller than that threshold.
また、推定された電顕画像に対する差異の値パラメータから、当該値パラメータを閾値として採用した場合の適切な画像の割合を求めれば、推定された電顕画像の尤もらしさを表す数値を得ることもできる。 In addition, by calculating the percentage of appropriate images when the difference value parameter for the estimated electron microscope image is used as a threshold, a numerical value representing the likelihood of the estimated electron microscope image can be obtained.
このように、推定された電顕画像と、これから生成された参照画像と、の差異に基いて、当該電顕画像の尤もらしさや品質を表す定量評価の結果を得ることができる。 In this way, based on the difference between the estimated electron microscope image and the reference image generated from it, quantitative evaluation results can be obtained that represent the likelihood and quality of the electron microscope image.
したがって、研究者や医師等は、病理画像を入力画像として画像処理装置101へ与えることにより、画像処理装置101から、出力された出力画像と、当該出力画像が電顕画像としてどの程度尤もらしいかを表す定量的な評価を得ることができ、当該出力画像を診断支援のための参考情報として採用するか否かを決定できるようになる。 Therefore, by providing a pathological image as an input image to the image processing device 101, researchers, doctors, etc. can obtain an output image from the image processing device 101 and a quantitative evaluation indicating how likely the output image is as an electron microscope image, allowing them to decide whether or not to use the output image as reference information for diagnostic support.
以上の説明では第1分解能および光学顕微鏡の分解能および光を第1分解能および第1波動として撮影した入力画像から、電子顕微鏡の分解能および電子線を第2分解能および第2波動とした出力画像を推定する態様について説明したが、分解能や波動の種類はこれに限られず、種々の態様に適用することができ、これらの態様も本発明の範囲に含まれる。 The above explanation describes a method for estimating an output image in which the resolution of an electron microscope and the electron beam are used as the second resolution and second wave from an input image captured using the first resolution, the resolution of an optical microscope, and light as the first resolution and first wave. However, the resolution and type of wave are not limited to these and can be applied to various other methods, and these methods are also within the scope of the present invention.
また、第2分解能および第2波動により撮影された画像により学習された生成ネットワークに、推定された出力画像を与えて参照画像を得て、出力画像と参照画像の差異により出力画像を定量的に評価する手法においても、生成ネットワークや評価の具体的な手法は、上記の態様に限られず、種々の外れ値検知や異常検知に係る技術を適用することができ、これらの態様も本発明の範囲に含まれる。 Furthermore, in a method in which an estimated output image is given to a generative network trained using images captured at a second resolution and a second wave to obtain a reference image, and the output image is quantitatively evaluated based on the difference between the output image and the reference image, the specific generative network and evaluation method are not limited to the above-mentioned aspects, and various outlier detection and anomaly detection technologies can be applied, and these aspects are also included within the scope of the present invention.
(まとめ)
以上説明したように、本実施形態に係る画像処理装置は、
第1分解能を有する第1波動で対象検体を撮影した入力画像が入力される入力部、
学習済の超解像ネットワークへ前記入力画像を与えることにより、第2分解能を有する第2波動で前記対象検体を撮影することにより得られるべき出力画像を推定させる超解像部
を備え、
前記第2分解能は、前記第1分解能より高い
ように構成する。
(summary)
As described above, the image processing apparatus according to this embodiment:
an input unit to which an input image of a target object captured with a first wave having a first resolution is input;
a super-resolution unit that estimates an output image that should be obtained by photographing the target specimen with a second wave having a second resolution by providing the input image to a trained super-resolution network;
The second resolution is configured to be higher than the first resolution.
また、本実施形態に係る画像処理装置において、
前記第2波動の第2波長帯は、前記第1波動の第1波長帯より、短い
ように構成することができる。
In addition, in the image processing device according to this embodiment,
The second waveband of the second vibration may be configured to be shorter than the first waveband of the first vibration.
また、本実施形態に係る画像処理装置において、
前記第1波動は光であり、
前記第2波動は電子線である
ように構成することができる。
In addition, in the image processing device according to this embodiment,
the first wave is light,
The second wave may be configured to be an electron beam.
また、本実施形態に係る画像処理装置において、
前記第1波動は偏光していない光であり、
前記第2波動は偏光した光である
ように構成することができる。
In addition, in the image processing device according to this embodiment,
the first wave is unpolarized light;
The second wave may be configured to be polarized light.
また、本実施形態に係る画像処理装置において、
前記対象検体の断面が撮影された画像を、前記入力画像とする
ように構成することができる。
In addition, in the image processing device according to this embodiment,
The input image may be an image of a cross section of the target specimen.
また、本実施形態に係る画像処理装置において、
前記超解像ネットワークは、
訓練検体を切断することにより現れる第1訓練断面を前記第1波動で撮影した第1訓練画像に基づく訓練用入力と、
前記第1訓練断面に対向して現れる第2訓練断面を前記第2波動で撮影した第2訓練画像に基づく訓練用出力と、
を含む訓練データにより学習されたものである
ように構成することができる。
In addition, in the image processing device according to this embodiment,
The super-resolution network
a training input based on a first training image obtained by photographing a first training cross section that appears by cutting a training specimen with the first wave;
a training output based on a second training image obtained by photographing a second training cross section that appears opposite to the first training cross section with the second wave;
The method can be configured to be trained using training data including
また、本実施形態に係る画像処理装置において、
前記画像処理装置は、
前記第1訓練画像を前記第2訓練画像に対して位置合わせをする写像により、前記第1訓練画像を補正し、
前記補正された第1訓練画像の第1領域を切り出して第1部分画像とし、
前記第1領域が前記写像により前記第2訓練画像に投影される第2領域と同じ形状の窓により、前記第2領域から所定の走査範囲内を走査し、当該走査されている窓内の画像のうち、前記第1部分画像との類似度が最大の画像を、第2部分画像とし、
前記超解像ネットワークは、前記第1部分画像を前記訓練用入力とし、前記第2部分画像を前記訓練用出力とする
ことにより学習されたものである
ように構成することができる。
In addition, in the image processing device according to this embodiment,
The image processing device includes:
correcting the first training images with a mapping that aligns the first training images with the second training images;
a first region of the corrected first training image is cut out as a first partial image;
Scanning a predetermined scanning range from the second region using a window having the same shape as the second region projected onto the second training image by the mapping of the first region, and selecting an image within the scanned window that has the highest similarity to the first partial image as a second partial image;
The super-resolution network can be configured to be trained by using the first partial image as the training input and the second partial image as the training output.
また、本実施形態に係る画像処理装置において、
前記位置合わせにおいて、
前記第1訓練画像と、前記第2訓練画像と、の解像度を合わせてから特徴点検出および特徴点マッチングを実行することにより、複数の対であって、前記複数の対の各対が、
前記第1訓練画像にて検出された第1特徴点と、
前記第2訓練画像にて検出された第2特徴点であって、前記第1特徴点に対応付けられる第2特徴点と、
からなる複数の対を抽出し、
前記写像は、
前記複数の対の第1特徴点を前記写像によりそれぞれ投影した先と、
前記複数の対の第2特徴点と、
の差異を最小化する写像である
ように構成することができる。
In addition, in the image processing device according to this embodiment,
In the alignment,
By matching the resolution of the first training image and the second training image and then performing feature point detection and feature point matching, a plurality of pairs are obtained, each of the plurality of pairs being:
first feature points detected in the first training image;
second feature points detected in the second training image, the second feature points corresponding to the first feature points;
Extracting a plurality of pairs consisting of
The mapping is
a projection of each of the pairs of first feature points by the mapping;
the plurality of pairs of second feature points;
It can be constructed such that is a mapping that minimizes the difference between .
また、本実施形態に係る画像処理装置において、
前記位置合わせにおいて、
前記第1訓練画像を、前記第1訓練画像にて前記特徴点検出により検出された特徴点を頂点とする複数の多角形に分割し、
前記複数の多角形のそれぞれを定義域とする複数の候補写像であって、前記複数の候補写像の各候補写像は、
当該各候補写像の定義域である第1多角形を、前記第2訓練画像内の第2多角形に投影し、
前記第1多角形の頂点を、前記特徴点マッチングにより前記第1多角形の頂点にそれぞれ対応付けられる前記第2多角形の頂点に、それぞれ投影する
複数の候補写像を求め、
前記複数の候補写像をクラスタリングして、マイノリティクラスタに属するマイノリティ写像と、それ以外のマジョリティ写像と、を特定し、
前記マジョリティ写像の直和を前記写像とし、
前記第1部分画像は、前記写像の定義域に包含され、
前記第2部分画像は、前記写像の値域に包含される
ように構成することができる。
In addition, in the image processing device according to this embodiment,
In the alignment,
Dividing the first training image into a plurality of polygons having vertices that correspond to the feature points detected in the first training image by the feature point detection;
A plurality of candidate mappings each having a domain of the plurality of polygons, wherein each candidate mapping of the plurality of candidate mappings comprises:
projecting a first polygon that is the domain of each candidate mapping onto a second polygon in the second training image;
determining a plurality of candidate mappings for projecting the vertices of the first polygon onto the vertices of the second polygon that are respectively associated with the vertices of the first polygon by the feature point matching;
clustering the plurality of candidate mappings to identify minority mappings belonging to a minority cluster and majority mappings other than the minority cluster;
Let the direct sum of the majority maps be the map,
the first sub-image is included in the domain of the mapping;
The second partial image can be configured to be included in the range of the mapping.
また、本実施形態に係る画像処理装置において、
前記多角形は、三角形であり、
前記分割は、ドロネー(Delaunay)分割であり、
前記複数の候補写像は、反転、平行移動、回転、拡縮、剪断、台形変換、もしくは、これらの組み合わせである
ように構成することができる。
In addition, in the image processing device according to this embodiment,
the polygon is a triangle,
the partitioning is a Delaunay partitioning,
The plurality of candidate mappings may be configured to be inversions, translations, rotations, scalings, shears, trapezoidal transformations, or combinations thereof.
また、本実施形態に係る画像処理装置において、
前記写像は、強化学習もしくは深層学習により学習された複数のホモグラフィ写像の直和もしくは微分同相写像である
ように構成することができる。
In addition, in the image processing device according to this embodiment,
The mapping can be configured to be a direct sum or diffeomorphism of multiple homography mappings learned by reinforcement learning or deep learning.
また、本実施形態に係る画像処理装置において、
他の訓練検体を切断することにより現れる他の訓練断面を前記第2波動で撮影した他の訓練画像を訓練用入力および訓練用出力とすることにより学習された生成ネットワークへ、前記出力画像を与えることにより、参照画像を生成させる生成部、
前記出力画像と、前記参照画像と、の差異により、前記出力画像を定量評価する評価部
をさらに備えるように構成することができる。
In addition, in the image processing device according to this embodiment,
a generating unit that generates a reference image by providing the output image to a generating network that has been trained by using other training images, which are obtained by cutting other training cross sections that appear by cutting other training specimens and are photographed with the second wave, as training inputs and training outputs;
The image processing device may further include an evaluation unit that quantitatively evaluates the output image based on the difference between the output image and the reference image.
また、本実施形態の画像処理装置において、
前記生成ネットワークは、
積層オートエンコーダ(Stacked Autoencoder)、畳み込みオートエンコーダ(Convolutional Autoencoder; CAE)、変分オートエンコーダ(Variational Autoencoder; VAE)、条件付き変分オートエンコーダ(Conditional Variational Autoencoder; CVAE)を含むオートエンコーダ(Autoencoder)、
拡散モデル(Diffusion Model)に基づくニューラルネットワーク、
敵対的生成ネットワーク(Generative Adversarial Network; GAN)、
フローベース生成モデル(Flow-based Generative Network)に基づくニューラルネットワーク、
Transformerに基づくニューラルネットワーク
のいずれかであるように構成することができる。
In addition, in the image processing device of this embodiment,
The generator network comprises:
Autoencoders, including stacked autoencoders, convolutional autoencoders (CAEs), variational autoencoders (VAEs), and conditional variational autoencoders (CVAEs).
Neural network based on the diffusion model,
Generative Adversarial Network (GAN),
A neural network based on a flow-based generative model (Flow-based Generative Network),
It can be configured to be either a Transformer-based neural network.
また、本実施形態の画像処理装置において、
前記評価部は、
前記出力画像と前記参照画像との異なり画素数もしくは異なり画素値の分布に基づく外れ値検知(自己回帰モデル(autoregressive model)に基づく外れ値検知を含む。)、
前記差異のOne Class SVMに基づく外れ値検知、
前記出力画像と前記参照画像とのマハラビノス距離に基づく外れ値検知、
前記出力画像と前記参照画像とのコサイン類似度、
前記出力画像と前記参照画像とのAugNetに基づく類似度
のいずれかにより、前記出力画像を定量評価する
ように構成することができる。
In addition, in the image processing device of this embodiment,
The evaluation unit
outlier detection based on the number of different pixels or the distribution of different pixel values between the output image and the reference image (including outlier detection based on an autoregressive model);
Outlier detection based on One Class SVM of the difference;
outlier detection based on a Mahalanobis distance between the output image and the reference image;
the cosine similarity between the output image and the reference image;
The output image may be quantitatively evaluated by either an AugNet-based similarity between the output image and the reference image.
本実施形態に係る画像処理システムは、端末と、上記の画像処理装置と、を備え、
前記端末は、
画面内の第1領域に表示された複数の画像を表示する第1表示部、
前記表示された複数の画像からいずれかの画像を選択する画像選択指示を受け付ける受付部、
前記選択された画像を前記入力画像として前記画像処理装置へ送り、前記画像処理装置により推定された前記出力画像を前記画像処理装置から受ける送受部、
前記受けられた出力画像を、前記画面内の第2領域に表示する第2表示部
を備えるように構成することができる。
The image processing system according to this embodiment includes a terminal and the image processing device described above.
The terminal
a first display unit that displays a plurality of images in a first area within the screen;
a reception unit that receives an image selection instruction for selecting one of the displayed images;
a transmitting/receiving unit that transmits the selected image to the image processing device as the input image and receives the output image estimated by the image processing device from the image processing device;
The device may be configured to include a second display unit that displays the received output image in a second area within the screen.
また、本実施形態に係る画像処理システムにおいて、
前記複数の画像は、前記対象検体を層状に切断することにより現れる複数の断面を撮影した画像群である
ように構成することができる。
In addition, in the image processing system according to this embodiment,
The plurality of images may be configured as a group of images obtained by photographing a plurality of cross sections that appear when the target specimen is cut into layers.
また、本実施形態に係る画像処理システムにおいて、
前記受付部により、前記選択された画像からいずれかの領域を選択する領域選択指示が受け付けられると、前記第2表示部は、前記選択された画像のうち前記選択された領域内の画像を、前記入力画像とし、当該入力画像に対して得られる前記出力画像を、前記画面内の前記第2領域に表示する
ように構成することができる。
In addition, in the image processing system according to this embodiment,
When the receiving unit receives an area selection instruction to select any area from the selected image, the second display unit can be configured to use the image within the selected area of the selected image as the input image, and display the output image obtained for the input image in the second area on the screen.
また、本実施形態に係る画像処理システムにおいて、
前記画像群は、カラー画像であり、
前記出力画像は、グレイスケール画像であり、
前記第2領域の各画素に表示される画素値の明度、色相、彩度は、それぞれ、
当該各画素に対応する前記出力画像の画素の明度、
当該各画素に対応する前記入力画像の画素の色相、
前記対象検体の断面に対する前記出力画像の拡大率に応じて定められる彩度
に設定される
ように構成することができる。
In addition, in the image processing system according to this embodiment,
the set of images are color images,
the output image is a grayscale image;
The lightness, hue, and saturation of the pixel value displayed in each pixel of the second region are respectively:
the brightness of the pixel of the output image corresponding to each pixel;
the hue of the pixel of the input image corresponding to each pixel;
The saturation may be set to a value determined according to the magnification ratio of the output image for the cross section of the target specimen.
また、本実施形態に係る画像処理システムにおいて、
前記第1表示部は、
前記画像群に含まれる複数の画像を、仮想3次元空間に設定される互いに平行な複数の平面へ、前記複数の画像に対する複数の断面が前記対象検体において並ぶ順序に、それぞれ配置し、
前記仮想3次元空間の様子を前記第1領域に描画する
ことにより、前記画像群を前記第1領域に表示する
ように構成することができる。
In addition, in the image processing system according to this embodiment,
The first display unit is
arranging the images included in the image group on a plurality of planes parallel to each other set in a virtual three-dimensional space in the order in which a plurality of cross sections corresponding to the images are arranged in the target specimen;
The image group can be configured to be displayed in the first area by drawing the state of the virtual three-dimensional space in the first area.
本実施形態に係る画像処理方法は、
第1分解能を有する第1波動で対象検体を撮影した入力画像が入力される入力工程、
学習済の超解像ネットワークへ前記入力画像を与えることにより、第2分解能を有する第2波動で前記対象検体を撮影することにより得られるべき出力画像を推定させる超解像工程
を備え、
前記第2分解能は、前記第1分解能より高い
ように構成する。
The image processing method according to this embodiment includes:
an input step of inputting an input image of a target specimen captured with a first wave having a first resolution;
a super-resolution step of estimating an output image that should be obtained by photographing the target specimen with a second wave having a second resolution by providing the input image to a trained super-resolution network;
The second resolution is configured to be higher than the first resolution.
本実施形態に係るプログラムは、コンピュータを、
第1分解能を有する第1波動で対象検体を撮影した入力画像が入力される入力部、
学習済の超解像ネットワークへ前記入力画像を与えることにより、第2分解能を有する第2波動で前記対象検体を撮影することにより得られるべき出力画像を推定させる超解像部
として機能させ、
前記第2分解能は、前記第1分解能より高い
ように構成する。
The program according to this embodiment executes the following steps:
an input unit to which an input image of a target object captured with a first wave having a first resolution is input;
providing the input image to the trained super-resolution network, thereby causing the network to function as a super-resolution unit that estimates an output image that should be obtained by photographing the target specimen with a second wave having a second resolution;
The second resolution is configured to be higher than the first resolution.
本実施形態に係るプログラムは、非一時的なコンピュータ読取可能な情報記録媒体に記録して配布、販売することができる。また、コンピュータ通信網等の一時的な伝送媒体を介して配布、販売することができる。 The program according to this embodiment can be recorded on a non-transitory computer-readable information recording medium and distributed or sold. It can also be distributed or sold via a temporary transmission medium such as a computer communication network.
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
本願においては、日本国に対して令和4年(2022年)11月30日(水)に出願した特許出願特願2022-192062を基礎とする優先権を主張するものとし、指定国の法令が許す限り、当該基礎出願の内容を本願に取り込むものとする。
The present invention allows various embodiments and modifications without departing from the broad spirit and scope of the present invention. Furthermore, the above-described embodiments are intended to explain the present invention and do not limit the scope of the present invention. That is, the scope of the present invention is defined by the claims, not the embodiments. Various modifications made within the scope of the claims and the meaning of the invention equivalent thereto are considered to be within the scope of the present invention.
This application claims priority based on patent application No. 2022-192062, filed in Japan on Wednesday, November 30, 2022, and the contents of that basic application are incorporated into this application to the extent permitted by the laws and regulations of the designated countries.
本発明によれば、検体を撮影した入力画像に対して分解能を向上させる推定をおこなって出力画像を得る画像処理装置、画像処理システム、画像処理方法、プログラム、ならびに、情報記録媒体を提供することができる。 The present invention provides an image processing device, image processing system, image processing method, program, and information recording medium that perform estimation to improve the resolution of an input image of a specimen and obtain an output image.
101 画像処理装置
102 入力部
103 超解像部
104 超解像ネットワーク
201 画像処理システム
202 サーバコンピュータ
203 端末コンピュータ
204 コンピュータ通信網
211 第1表示部
212 受付部
213 送受部
214 第2表示部
401 画面
411 第1領域
412 画像群の各画像
413 選択された画像を表す点線
414 第2領域に表示されている部分を表す太線
415 スクロールバー
422 第2領域
423 選択された領域を表す太枠
425 ズームインボタン
426 ズームアウトボタン
427 スクロールバー
428 スクロールバー
433 第3領域
502 生成部
503 評価部
505 生成ネットワーク
101 Image processing device
102 Input section
103 Super-resolution unit
104 Super-resolution Network
201 Image Processing System
202 Server Computer
203 Terminal Computer
204 Computer Communication Network
211 1st display section
212 Reception Department
213 Transmitter/Receiver
214 2nd display section
401 screen
411 First area
Each image in the 412 image set
413 Dotted line representing selected image
414 Thick lines representing the part displayed in the second area
415 Scrollbar
422 Second area
423 Bold border representing selected area
425 Zoom in button
426 Zoom out button
427 Scrollbar
428 Scrollbar
433 Third area
502 Generation part
503 Evaluation Department
505 Generative Network
Claims (18)
学習済の超解像ネットワークへ前記入力画像を与えることにより、第2分解能を有する第2波動で前記対象検体の前記断面を撮影することにより得られるべき出力画像を推定させる超解像部
を備え、
前記第2分解能は、前記第1分解能より高く、
前記第2波動の第2波長帯は、前記第1波動の第1波長帯より短い
ことを特徴とする画像処理装置。 an input unit to which an input image of a cross section of a target specimen captured with a first wave having a first resolution is input;
a super-resolution unit that estimates an output image that should be obtained by photographing the cross section of the target specimen with a second wave having a second resolution by providing the input image to a trained super-resolution network;
the second resolution is higher than the first resolution;
The second waveband of the second vibration is shorter than the first waveband of the first vibration.
1. An image processing device comprising:
前記第2波動は電子線である
ことを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。 the first wave is light,
2. The image processing device according to claim 1 , wherein the second wave is an electron beam.
前記第2波動は偏光した光である
ことを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。 the first wave is unpolarized light;
2. The image processing device according to claim 1, wherein the second wave is polarized light.
訓練検体を切断することにより現れる第1訓練断面を前記第1波動で撮影した第1訓練画像に基づく訓練用入力と、
前記第1訓練断面に対向して現れる第2訓練断面を前記第2波動で撮影した第2訓練画像に基づく訓練用出力と、
を含む訓練データにより学習されたものである
ことを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。 The super-resolution network
a training input based on a first training image obtained by photographing a first training cross section that appears by cutting a training specimen with the first wave;
a training output based on a second training image obtained by photographing a second training cross section that appears opposite to the first training cross section with the second wave;
2. The image processing device according to claim 1, wherein the image processing device is trained using training data including:
前記第1訓練画像を前記第2訓練画像に対して位置合わせをする写像により、前記第1訓練画像を補正し、
前記補正された第1訓練画像の第1領域を切り出して第1部分画像とし、
前記第1領域が前記写像により前記第2訓練画像に投影される第2領域と同じ形状の窓により、前記第2領域から所定の走査範囲内を走査し、当該走査されている窓内の画像のうち、前記第1部分画像との類似度が最大の画像を、第2部分画像とし、
前記超解像ネットワークは、前記第1部分画像を前記訓練用入力とし、前記第2部分画像を前記訓練用出力とする
ことにより学習されたものである
ことを特徴とする請求項4に記載の画像処理装置。 The image processing device includes:
correcting the first training images with a mapping that aligns the first training images with the second training images;
a first region of the corrected first training image is cut out as a first partial image;
Scanning a predetermined scanning range from the second region using a window having the same shape as the second region projected onto the second training image by the mapping of the first region, and selecting an image within the scanned window that has the highest similarity to the first partial image as a second partial image;
5. The image processing device according to claim 4 , wherein the super-resolution network is trained by using the first partial image as the training input and the second partial image as the training output.
ことを特徴とする請求項5に記載の画像処理装置。 6. The image processing device according to claim 5 , wherein the mapping is a direct sum or a diffeomorphism of a plurality of homography mappings learned by reinforcement learning or deep learning.
前記出力画像と、前記参照画像と、の差異により、前記出力画像を定量評価する評価部
をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。 a generating unit that generates a reference image by providing the output image to a generating network that has been trained by using other training images, which are obtained by cutting other training cross sections that appear by cutting other training specimens and are photographed with the second wave, as training inputs and training outputs;
2. The image processing device according to claim 1, further comprising an evaluation unit that quantitatively evaluates the output image based on a difference between the output image and the reference image.
積層オートエンコーダ(Stacked Autoencoder)、畳み込みオートエンコーダ(Convolutional Autoencoder; CAE)、変分オートエンコーダ(Variational Autoencoder; VAE)、条件付き変分オートエンコーダ(Conditional Variational Autoencoder; CVAE)を含むオートエンコーダ(Autoencoder)、
拡散モデル(Diffusion Model)に基づくニューラルネットワーク、
敵対的生成ネットワーク(Generative Adversarial Network; GAN)、
フローベース生成モデル(Flow-based Generative Network)に基づくニューラルネットワーク、
Transformerに基づくニューラルネットワーク
のいずれかであることを特徴とする請求項7に記載の画像処理装置。 The generator network comprises:
Autoencoders, including stacked autoencoders, convolutional autoencoders (CAEs), variational autoencoders (VAEs), and conditional variational autoencoders (CVAEs).
Neural network based on the diffusion model,
Generative Adversarial Network (GAN),
A neural network based on a flow-based generative model (Flow-based Generative Network),
8. The image processing device according to claim 7 , wherein the image processing device is a neural network based on a Transformer.
前記出力画像と前記参照画像との異なり画素数もしくは異なり画素値の分布に基づく外れ値検知(自己回帰モデル(autoregressive model)に基づく外れ値検知を含む。)、
前記差異のOne Class SVMに基づく外れ値検知、
前記出力画像と前記参照画像とのマハラビノス距離に基づく外れ値検知、
前記出力画像と前記参照画像とのコサイン類似度、
前記出力画像と前記参照画像とのAugNetに基づく類似度
のいずれかにより、前記出力画像を定量評価する
ことを特徴とする請求項7に記載の画像処理装置。 The evaluation unit
outlier detection based on the number of different pixels or the distribution of different pixel values between the output image and the reference image (including outlier detection based on an autoregressive model);
Outlier detection based on One Class SVM of the difference;
outlier detection based on a Mahalanobis distance between the output image and the reference image;
the cosine similarity between the output image and the reference image;
8. The image processing device according to claim 7 , wherein the output image is quantitatively evaluated using any one of AugNet-based similarities between the output image and the reference image.
前記画像処理装置は、
第1分解能を有する第1波動で対象検体を撮影した入力画像が入力される入力部、
学習済の超解像ネットワークへ前記入力画像を与えることにより、第2分解能を有する第2波動で前記対象検体を撮影することにより得られるべき出力画像を推定させる超解像部
を備え、
前記第2分解能は、前記第1分解能より高く、
前記第2波動の第2波長帯は、前記第1波動の第1波長帯より短く、
前記端末は、
画面内の第1領域に表示された複数の画像を表示する第1表示部、
前記表示された複数の画像からいずれかの画像を選択する画像選択指示を受け付ける受付部、
前記選択された画像を前記入力画像として前記画像処理装置へ送り、前記画像処理装置により推定された前記出力画像を前記画像処理装置から受ける送受部、
前記受けられた出力画像を、前記画面内の第2領域に表示する第2表示部
を備えることを特徴とする画像処理システム。 An image processing system including a terminal and an image processing device,
The image processing device includes:
an input unit to which an input image of a target object captured with a first wave having a first resolution is input;
a super-resolution unit that estimates an output image that should be obtained by photographing the target specimen with a second wave having a second resolution by providing the input image to a trained super-resolution network;
the second resolution is higher than the first resolution;
a second waveband of the second vibration is shorter than a first waveband of the first vibration;
The terminal
a first display unit that displays a plurality of images in a first area within the screen;
a reception unit that receives an image selection instruction for selecting one of the displayed images;
a transmitting/receiving unit that transmits the selected image to the image processing device as the input image and receives the output image estimated by the image processing device from the image processing device;
an image processing system comprising a second display unit that displays the received output image in a second area within the screen.
ことを特徴とする請求項10に記載の画像処理システム。 11. The image processing system according to claim 10 , wherein an image of a cross section of the target specimen is used as the input image.
ことを特徴とする請求項11に記載の画像処理システム。 12. The image processing system according to claim 11 , wherein the plurality of images are a group of images obtained by photographing a plurality of cross sections that appear when the target specimen is cut into layers.
ことを特徴とする請求項12に記載の画像処理システム。 13. The image processing system according to claim 12, wherein when the receiving unit receives an area selection instruction to select any area from the selected image, the second display unit uses an image within the selected area of the selected image as the input image, and displays the output image obtained for the input image in the second area on the screen .
前記出力画像は、グレイスケール画像であり、
前記第2領域の各画素に表示される画素値の明度、色相、彩度は、それぞれ、
当該各画素に対応する前記出力画像の画素の明度、
当該各画素に対応する前記入力画像の画素の色相、
前記対象検体の断面に対する前記出力画像の拡大率に応じて定められる彩度
に設定される
ことを特徴とする請求項13に記載の画像処理システム。 the set of images are color images,
the output image is a grayscale image;
The lightness, hue, and saturation of the pixel value displayed in each pixel of the second region are respectively:
the brightness of the pixel of the output image corresponding to each pixel;
the hue of the pixel of the input image corresponding to each pixel;
14. The image processing system according to claim 13 , wherein the saturation is set to a value determined according to a magnification ratio of the output image for the cross section of the target specimen.
前記画像群に含まれる複数の画像を、仮想3次元空間に設定される互いに平行な複数の平面へ、前記複数の画像に対する複数の断面が前記対象検体において並ぶ順序に、それぞれ配置し、
前記仮想3次元空間の様子を前記第1領域に描画する
ことにより、前記画像群を前記第1領域に表示する
ことを特徴とする請求項12に記載の画像処理システム。 The first display unit is
arranging the images included in the image group on a plurality of planes parallel to each other set in a virtual three-dimensional space in the order in which a plurality of cross sections corresponding to the images are arranged in the target specimen;
13. The image processing system according to claim 12 , wherein the group of images is displayed in the first area by drawing the state of the virtual three-dimensional space in the first area.
学習済の超解像ネットワークへ前記入力画像を与えることにより、第2分解能を有する第2波動で前記対象検体の前記断面を撮影することにより得られるべき出力画像を推定させる超解像工程
を備え、
前記第2分解能は、前記第1分解能より高く、
前記第2波動の第2波長帯は、前記第1波動の第1波長帯より短い
ことを特徴とする画像処理方法。 an input step of inputting an input image of a cross section of a target specimen captured with a first wave having a first resolution;
a super-resolution step of estimating an output image that should be obtained by photographing the cross section of the target specimen with a second wave having a second resolution by providing the input image to a trained super-resolution network;
the second resolution is higher than the first resolution;
The second waveband of the second vibration is shorter than the first waveband of the first vibration.
An image processing method comprising:
第1分解能を有する第1波動で対象検体の断面を撮影した入力画像が入力される入力部、
学習済の超解像ネットワークへ前記入力画像を与えることにより、第2分解能を有する第2波動で前記対象検体の前記断面を撮影することにより得られるべき出力画像を推定させる超解像部
として機能させ、
前記第2分解能は、前記第1分解能より高く、
前記第2波動の第2波長帯は、前記第1波動の第1波長帯より短い
ことを特徴とするプログラム。 Computer,
an input unit to which an input image of a cross section of a target specimen captured with a first wave having a first resolution is input;
providing the input image to the trained super-resolution network, causing it to function as a super-resolution unit that estimates an output image that should be obtained by photographing the cross section of the target specimen with a second wave having a second resolution;
the second resolution is higher than the first resolution;
The second waveband of the second vibration is shorter than the first waveband of the first vibration.
A program characterized by:
Applications Claiming Priority (3)
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|---|---|---|---|
| JP2022192062 | 2022-11-30 | ||
| JP2022192062 | 2022-11-30 | ||
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