基于PCNN与主动轮廓的肺CT候选结节的分割方法*

对肺CT图像中的候选结节进行分割,是计算机辅助诊断系统完成对肺结节自动检测、分类重要的步骤。然而,由于成像噪音和病变导致的图像中组织及组织与病灶之间边界模糊,故采用通常的图像分割方法难以获得正确的分割结果。文章提出一种结合四邻域连接权的脉冲耦合神经网络(PCNN)结合先验形状能量函数的主动轮廓模型来分割候选肺内与近胸膜两类肺结节的算法。实验表明,该算法是一种切实可行且行之有效的候选肺CT结节分割方法。     

应用规则的肺结节识别系统

为了检测胸部CT图像中的肺结节,提出一种基于应用规则的自动识别肺结节的系统。在识别系统中通过自动阈值法和轮廓跟踪法分割肺实质;采用OTSU算法分割肺实质中的感兴趣区域,对感兴趣区域的特征进行提取;选择对肺结节和血管区别度较大的特征。根据选取的这些特征设定识别肺结节的规则来确定肺结节的候选区域。实验结果表明,该系统对直径1 cm以上的结节具有较好的识别性能。     

基于特征金字塔网络的肺结节检测

针对计算机断层扫描（CT）影像中肺结节尺寸变化较大、尺寸小且不规则等特点导致的检测敏感度较低的问题,提出了基于特征金字塔网络（FPN）的肺结节检测方法。首先,利用FPN提取结节的多尺度特征,并强化小目标及目标边界细节的特征;其次,在FPN的基础上设计语义分割网络（名为掩模特征金字塔网络（Mask FPN））用于快速准确地分割提取肺实质,作为目标候选区域定位图像;并且,在FPN顶层添加反卷积层,采用多尺度预测策略改进快速区域卷积神经网络（Faster R-CNN）以提高检测性能;最后,针对肺结节数据集的正负样本不平衡问题,在区域候选网络（RPN）模块采用焦点损失函数以提高结节的检出率。所提方法在公开数据集LUNA16上进行实验,结果表明,利用FPN和反卷积层改进的新网络对结节检测效果有一定的帮助,采用焦点损失函数也有一定效果。综合多种改进,当平均每个扫描件的候选结节数为46.7时,所提方法的肺结节检测敏感度指标为95.7%,与其他卷积神经网络方法如Faster R-CNN、UNet等相比,具有较高的敏感性。所提方法能够较好地提取不同尺度上的结节特征,提高CT图像肺结节检测的敏感度,同时对于较小的结节也能有效检测,能更有效地辅助肺癌的诊断治疗。     

基于特征金字塔网络的肺结节检测

针对计算机断层扫描（CT）影像中肺结节尺寸变化较大、尺寸小且不规则等特点导致的检测敏感度较低的问题，提出了基于特征金字塔网络（FPN）的肺结节检测方法。首先，利用FPN提取结节的多尺度特征，并强化小目标及目标边界细节的特征；其次，在FPN的基础上设计语义分割网络（名为掩模特征金字塔网络（Mask FPN））用于快速准确地分割提取肺实质，作为目标候选区域定位图像；并且，在FPN顶层添加反卷积层，采用多尺度预测策略改进快速区域卷积神经网络（Faster R-CNN）以提高检测性能；最后，针对肺结节数据集的正负样本不平衡问题，在区域候选网络（RPN）模块采用焦点损失函数以提高结节的检出率。所提方法在公开数据集LUNA16上进行实验，结果表明，利用FPN和反卷积层改进的新网络对结节检测效果有一定的帮助，采用焦点损失函数也有一定效果。综合多种改进，当平均每个扫描件的候选结节数为46.7时，所提方法的肺结节检测敏感度指标为95.7%，与其他卷积神经网络方法如Faster R-CNN、UNet等相比，具有较高的敏感性。所提方法能够较好地提取不同尺度上的结节特征，提高CT图像肺结节检测的敏感度，同时对于较小的结节也能有效检测，能更有效地辅助肺癌的诊断治疗。     

多输入卷积神经网络肺结节检测方法研究

针对传统计算机辅助诊断系统中肺部结节检出过程复杂,检出结果依赖于分类前期每个步骤的性能,以及存在假阳性率高的问题,提出了一种基于卷积神经网络的端到端的肺结节检测方法。该方法首先使用大量带标签的肺结节数据对构建的多输入卷积神经网络进行训练,实现从原始数据到语义标签的有监督学习。然后采用快速边缘检测方法和二维高斯概率密度函数构建候选区域模板,从待检测CT序列中获取候选区域并将其作为多输入卷积神经网络的输入数据。最后采用判定阈值实现疑似肺结节区域标注,同时在相邻的CT影像中进行重点检测。在LIDC-IDRI数据集上的大量实验结果表明,所提方法在肺部CT影像中对微、小结节的检出率较高;同时,重点检测模板能够小幅降低微、小结节检测的假阳率。     

改进的模糊聚类亚实质肺结节3维分割

肺癌是当今对人类健康与生命危害最大的恶性肿瘤之一.早期肺癌一般表现为肺结节,如能及时从肺部CT图像中检测到肺结节,便能及早发现肺癌,经治疗后可有效延长患者的生存时间,所以CT图像是肺癌诊断和疾病治疗的重要依据.但对全肺进行螺旋CT扫描产生的大量图像给人工检测肺结节带来了困难,因此,基于CT图像的肺结节计算机辅助检测(CAD)技术应运而生.由于CAD能有效辅助放射科医生提高肺结节的检测准确率与工作效率,降低漏诊与误诊率,因此,CAD成了目前生物医学工程领域的研究热点之一.尽管目前报道的CAD系统所采用的方法各有不同,但基本上都是遵循以下步骤完成:1)CT图像的预处理;2)肺结节的分割;3)特征提取及优化选择;4)肺结节的分类识别.其中对结节的精确分割与否直接影响到后续的特征选择与优化,而特征选择与优化又进而影响到分类器的分类属性,所以肺结节分割是基于CT图像的肺结节计算机辅助检测的关键步骤.肺结节可细分为实质性结节(solid nodule)和亚实质性结节(sub-solid nodule).其中完全屏蔽肺实质的结节称为实质性结节,否则称为亚实质性结节.实质性结节表现为边界比较规则的类圆形病灶,且密度较高、边界清晰,因此较容易分割,对实质性肺结节的分割国内外均有大量文献报道.与实质性肺结节相比,亚实质性肺结节其密度表现为磨玻璃影(GGO),且边缘不清晰(多带毛刺)、没有特定的形状.实质性结节中93％以上为良性病灶,而因为带有GGO,亚实质性肺结节的恶性化程度较实质性结节而言表现得较高.因此,亚实质性结节的精确分割对发现早期肺癌更具应用价值,也面临更大的难度和挑战.模糊聚类算法是一种基于模糊数学的常用的灰度图像分割方法,适合解决灰度图像中存在的模糊和不确定性问题.而经典的模糊聚类算法及其数种改进算法在聚类过程中具有明显的缺点和不足,仅考虑了每个像素的灰度值分别与各聚类中心的距离,未考虑相邻像素之间的影响及利用图像的空间信息,在分割时可能会丢失图像部分信息,所以不适用于亚实质性肺结节分割.针对肺CT图像中亚实质性肺结节的特点,对模糊C均值聚类(FCM)及其改进算法核模糊聚类(KFCM)和加权核模糊聚类(WKFCM)进行实践,提出一种改进的利用血管及类别结构信息加权的适用于亚实质肺结节的核模糊聚类(IWKFCM)3维分割方法.该方法首先从肺CT序列图像的中心层中手动选取结节感兴趣区域(ROI),然后在由ROI临近层确定的3维感兴趣区域(VOI)内进行IWKFCM聚类,最后对聚类结果进行3维连通域标记及形态学处理得到最终结节的分割结果.本文分别采用36个LIDC标准数据和18个临床数据对所提出的分割方法进行评价,以放射科医生手动分割的区域作为金标准计算重合率,其均值分别为71.65％及76.18％,且假阳性率及假阴性率均低于17％.实验结果表明,相较于FCM,KFCM与WKFCM等未改进算法,IWKFCM能够获得更准确的分割结果,并且分割效果同时优于目前文献报道的其他非模糊数学方法,为基于CT图像的肺结节计算机辅助检测提供了一种分割亚实质性肺结节的工具.     

基于CT图像的肺实质分割方法

诊断肺癌的重要手段之一是高分辨率CT(High Resolution ComputedTomography,HRCT)扫描,但是医生需要丰富的阅片经验以及大量的精力时间才能阅读海量的CT图像信息。为了减少医生的精力损耗和降低漏诊率,采用计算机辅助检测成为趋势。在肺癌等肺部疾病计算机辅助诊断方法中,最核心的步骤是肺实质的分割。提出一种基于CT图像序列的新的自动肺实质分割方法,综合利用了区域生长及数学形态学开运算等算法,并通过纵向扫描方法精确定位左肺和右肺的粘连部位,从而在肺实质边界的肺结节结节容易被忽略分割及左右肺分离的难题得到了解决。对多组胸部CT序列图像的实验证明,该方法对于肺实质分割非常精确有效。     

融合残差模块的U-Net肺结节检测算法

为解决现有肺结节检测模型精度低、漏诊率和误诊率高等问题,提出融合残差模块的肺结节检测算法.候选结节检测阶段,提出残差U-Net (residual U-Net,RU Net)分割网络,将改进的残差网络(residual network,ResNet)模块与UNet结构融合,提升模型特征提取能力;加入改进的损失函数解决数据类别不均衡问题,提高检测敏感度.假阳性减少阶段,采用三维卷积神经网络(3D CNN)用于候选结节分类,充分获得结节空间信息,达到降低假阳性的目的.实验结果表明,该算法能够准确并高效地分割和检测肺结节.     

利用贝叶斯网络融合空间上下文的高分辨遥感图像分类

针对高分辨遥感图像,本文提出了一种基于贝叶斯网络的上下文模型,以及基于该模型的面向对象的遥感图像分类方法.首先,利用支持向量机(SVM)实现分割区域的初始分类,获得各个类别的候选区域.然后,利用提出的上下文模型融合候选区域及其周围区域的上下文信息,通过贝叶斯网络推理,将候选区域分类到各类地物类型中.基于贝叶斯网络的上下...     

检测肺结节的3维自适应模板匹配

目的 针对传统模板匹配方法检测肺结节存在的问题,提出一种用于CT图像中检测肺结节的3维自适应模板匹配算法。方法 首先,从CT序列图像中分割出3维肺实质,采用Canny算子等方法从分割出的3维肺实质中提取3维感兴趣区域作为候选肺结节;然后,确定每个3维感兴趣区域的主方向和中心层,并以此中心层作为信息层,沿主方向对信息层进行3维扩展生成3维模板;最后,对自适应模板和候选结节的3维归一化互相关(NCC)相关系数进行计算,将相似性高于设定阈值的区域标记为肺结节。结果 采用66个临床CT病例对本文方法进行了肺结节检测实验,结果显示本文方法对肺结节检测的敏感率为95.29%,假阳性为12.90%。结论 本文方法对检测肺结节具有较高的敏感率和准确率,可在临床上有效辅助放射科医生对肺结节进行检测,从而提高放射科医生检测肺结节的准确性和工作效率。     

Intensity-based statistical features for classification of lungs CT scan nodules using artificial intelligence techniques

A computer-aided diagnostic (CAD) system for effective and accurate pulmonary nodule detection is required to detect the nodules at early stage. This paper proposed a novel technique to detect and classify pulmonary nodules based on statistical features for intensity values using support vector machine (SVM). The significance of the proposed technique is, it uses the nodules features in 2D & 3D and also SVM for the classification that is good to classify the nodules extracted from the image. The lung volume is extracted from Lung CT using thresholding, background removal, hole-filling and contour correction of lung lobe. The candidate nodules are extracted and pruned using the rules based on ground truth of nodules. The statistical features for intensity values are extracted from candidate nodules. The nodule data are up-samples to reduce the biasness. The classifier SVM is trained using data samples. The efficiency of proposed CAD system is tested and evaluated using Lung Image Consortium Database (LIDC) that is standard data-set used in CAD Systems for Lungs Nodule classification. The results obtained from proposed CAD system are good as compare to previous CAD systems. The sensitivity of 96.31% is achieved in the proposed CAD system.     

基于二维超声- 三维 CT 配准的肾脏穿刺定位方法可行性研究

医学影像引导的经皮肾穿刺手术是经皮肾镜取石术中建立手术通道的重要手段,高质量的 实时医学图像可以提高术中穿刺精度,减少手术风险。针对自由呼吸下经皮肾穿刺靶点的导航定位问 题,该研究提出了一种基于术中二维超声-术前三维 CT 实时配准的肾脏穿刺定位方法。首先对肾脏轮 廓特征的二维超声图像和三维 CT 图像进行由粗到精的快速配准,然后通过超声探头标定,将配准融合 后的图像注册到手术空间,实现穿刺靶点的实时定位。人体腹部模型实验结果表明,超声探头标定均 方根误差为 0.998 mm,二维超声和三维 CT 数据配准误差为 0.709 mm,平均配准运算时间为 1.15 s,最 终的平均定位误差为 2.265 mm。     

改进FCM算法在肺结节自动检测中的应用研究

肺结节在CT图像上特征不明显、形态各异,使用计算机进行图像处理自动检测病变区域能够提高肺结节检出率,有助于临床医生判别结节的良恶性。本文提出一种基于视觉注意模型的改进FCM的图像分割方法。实验表明,改进的FCM法应用于计算机辅助诊断中可提高医学诊断的有效性和快速性,提高病灶的检出率,为减少漏诊和误诊起到积极作用。     

基于目标检测算法的肺结节辅助诊断系统

据统计,肺癌在全世界范围内是发病率、致死率最高的疾病之一。随着计算机辅助诊断系统（CAD）和卷积神经网络（CNN）的成熟化,医疗领域的诊断治疗也逐渐智能化。本文提出一种基于目标检测算法的肺结节自动检测方法,并提出一套将阈值分割算法和数字形态学处理相结合的肺实质CT影像处理流程。对LUNA16数据集中的1186个肺结节进行训练和学习,观察YOLO V3模型在数据集中的评价结果来验证模型,实验结果准确率达到92.18%,每张图片平均检测时间为0.035 s。与现有的肺结节检测算法SSD、CNN、U-Net等模型进行对比试验,以验证YOLO V3模型的有效性。同时本文基于CAD技术设计肺结节辅助诊断系统,实现人机交互,为医生提供简单明了的辅助诊断工具。     

3D多尺度深度卷积神经网络肺结节检测

目的 肺结节是肺癌的早期存在形式。低剂量CT（computed tomogragphy）扫描作为肺癌筛查的重要检查手段,已经大规模应用于健康体检,但巨大的CT数据带来了大量工作,随着人工智能技术的快速发展,基于深度学习的计算机辅助肺结节检测引起了关注。由于肺结节尺寸差别较大,在多个尺度上表示特征对结节检测任务至关重要。针对结节尺寸差别较大导致的结节检测困难问题,提出一种基于深度卷积神经网络的胸部CT序列图像3D多尺度肺结节检测方法。方法 包括两阶段：1）尽可能提高敏感度的结节初检网络;2）尽可能减少假阳性结节数量的假阳性降低网络。在结节初检网络中,以组合了压缩激励单元的Res2Net网络为骨干结构,使同一层卷积具有多种感受野,提取肺结节的多尺度特征信息,并使用引入了上下文增强模块和空间注意力模块的区域推荐网络结构,确定候选区域;在由Res2Net网络模块和压缩激励单元组成的假阳性降低网络中对候选结节进一步分类,以降低假阳性,获得最终结果。结果 在公共数据集LUNA16（lung nodule analysis 16）上进行实验,实验结果表明,对于结节初检网络阶段,当平均每例假阳性个数为22时,敏感度可达到0.983,相比基准ResNet + FPN（feature pyramid network）方法,平均敏感度和最高敏感度分别提高了2.6%和0.8%;对于整个3D多尺度肺结节检测网络,当平均每例假阳性个数为1时,敏感度为0.924。结论 与现有主流方案相比,该检测方法不但提高了肺结节检测的敏感度,还有效地控制了假阳性,取得了更优的性能。     

Sensitivity improvement of automatic pulmonary nodules detection in chest X-ray CT images

In this article, we develop an automatic detection method for non-isolated pulmonary nodules as part of a computer-aided diagnosis (CAD) system for lung cancers in chest X-ray computed tomography (CT) images. An essential core of the method is to separate non-isolated nodules from connecting structures such as the chest wall and blood vessels. The isolated nodules can be detected more easily by the CAD systems developed previously. To this end, we propose a preprocessing technique for nodule candidate detection by using double-threshold binarization. We evaluate the performance using the receiver operating characteristic (ROC) analysis in clinical chest CT images. The results suggest that the detection rate for non-isolated nodules by the proposed method is superior to that by the conventional preprocessing methods.     

颅颌面外科手术机器人空间配准及实验

针对颅颌面区域结构复杂、手术风险大、精度要求高的特点,研发了一套颅颌面外科手术机器人系统．为实现机器人系统高效、精确的空间配准,提出并建立了一套基于光学定位的颅颌面外科手术机器人空间配准方法,实现了机器人各子系统之间的坐标系转换．通过基于四元数的最近点迭代配准算法实现了点集之间的矩阵转换．在综合医学影像、机器人与各子系统空间配准的基础上,分别开展了配准精度和定位精度的验证实验,并完成了三叉神经射频热凝术的模型和尸体穿刺定位实验．配准精度验证实验的配准误差平均值均小于0.75mm,定位精度验证实验的误差平均值为0.56mm,模型实验的穿刺成功率为100%,尸体实验的穿刺成功率为95%．综合实验结果表明该空间配准方法的配准精度较高,具有一定的可行性,可以满足颅颌面外科手术机器人系统的需要．     

融合注意力机制和特征金字塔网络的CT图像肺结节检测

目的 针对现有肺结节检测算法存在的因肺部计算机断层扫描（computed tomography,CT）图像肺结节与周边组织复杂性导致结节本身结构差异性不明显的问题,以及特征提取网络多次下采样造成图像分辨率降低进而导致检测结果差、仅使用网络顶层特征图进行预测造成图像空间信息丢失进而导致小结节漏检等问题,提出了一种基于注意力机制和特征金字塔的肺结节检测算法。方法 根据语义与空间特征补偿机制以及卷积神经网络中网络深度所提取特征的信息量不同,在以ResNet为骨干网络的特征提取网络中设计通道—空间注意力机制,尽可能同时获取含有较多上下文语义以及空间位置信息的特征信息。在网络预测部分设计特征金字塔网络,将高维带有丰富语义信息的特征图与低维带有位置信息的特征图融合进行多尺度预测,增强网络对于小结节以及近血管结节等非显著性目标的检测性能。结果 在LUNA16（lung nodule analysis 16）数据集上进行十折交叉验证显示,当平均假阳性个数为25.99时敏感度达到了97.13%,与基准方法相比,敏感度提高了2.53%,平均假阳性降低了28.54,实现了高敏感度低假阳性;在0.125、0.25、0.5、1、2、4、8这7个假阳率点的敏感度平均值为0.854,其中在每个扫描4次和8次假阳性时敏感度分别达到了0.940和0.951,其效果优于主流的结节检测方法。结论 提出的结节检测模型,可以提高对3~10 mm小结节、近血管结节等非显著性目标的检测性能,并具有较低的假阳率。