Semantic image segmentation is an important prerequisite for context-awareness and autonomous robotics in surgery. The state of the art has focused on conventional RGB video data acquired during minimally invasive surgery, but full-scene semantic segmentation based on spectral imaging data and obtained during open surgery has received almost no attention to date. To address this gap in the literature, we are investigating the following research questions based on hyperspectral imaging (HSI) data of pigs acquired in an open surgery setting: (1) What is an adequate representation of HSI data for neural network-based fully automated organ segmentation, especially with respect to the spatial granularity of the data (pixels vs. superpixels vs. patches vs. full images)? (2) Is there a benefit of using HSI data compared to other modalities, namely RGB data and processed HSI data (e.g. tissue parameters like oxygenation), when performing semantic organ segmentation? According to a comprehensive validation study based on 506 HSI images from 20 pigs, annotated with a total of 19 classes, deep learning-based segmentation performance increases - consistently across modalities - with the spatial context of the input data. Unprocessed HSI data offers an advantage over RGB data or processed data from the camera provider, with the advantage increasing with decreasing size of the input to the neural network. Maximum performance (HSI applied to whole images) yielded a mean dice similarity coefficient (DSC) of 0.89 (standard deviation (SD) 0.04), which is in the range of the inter-rater variability (DSC of 0.89 (SD 0.07)). We conclude that HSI could become a powerful image modality for fully-automatic surgical scene understanding with many advantages over traditional imaging, including the ability to recover additional functional tissue information.


翻译:为了弥补文献中的这一差距,我们正在根据在开放外科手术中获取的猪的超光谱成像(HSI)数据调查以下研究问题:(1) 在以神经网络为基础的完全自动化器官断裂方面,特别是在数据的空间颗粒性(像素相对于超级像素相对于补丁相对于完整图像)方面,对常规RGB视频数据进行了适当的表示,但在开放外科手术中,根据猪的超光谱成像(HSI)数据,我们正在调查以下研究问题:(1) 以高光谱成像(HSI)数据为基础,对基于神经网络的完全自动器官断裂变(HSI)数据进行了充分的表示,特别是数据的空间颗粒性(像素相对于超像素相对于超像素的超像素,超级像素相对于全图像)?(2) 使用HSI数据与其他模式相比(即RGB数据和经处理的HSI数据(如氧化等组织参数),进行性器官分解时,对HSI数据进行超比重的超常值分析?根据基于506 HSI(以全超超超超速的超速性硬度的SIS)的超值图像进行全面验证研究,对共19个课,深度进行深的内分解,对内分解性能分析性能的性能应用性能分析性能——不断提高的硬化数据,从不断提高的硬性能数据,包括不断变压的硬化的硬性能数据。

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