寧波材料所在醫(yī)學(xué)影像分割和樹狀結(jié)構(gòu)重建領(lǐng)域取得進(jìn)展
基于U-Net的深度學(xué)習(xí)分割框架已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像處理中，但U-Net網(wǎng)絡(luò)中，連續(xù)的池化操作以及帶有步幅的卷積運(yùn)算會(huì)導(dǎo)致圖像中部分細(xì)節(jié)信息的丟失。樹狀結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣?，?duì)識(shí)別和區(qū)分單個(gè)血管和神經(jīng)纖維分支至關(guān)重要，并能反映出解剖學(xué)上不同樹狀結(jié)構(gòu)的連通性。當(dāng)兩個(gè)或者更多的線狀結(jié)構(gòu)交叉或者重疊時(shí)，現(xiàn)有的拓?fù)渲亟ǚ椒ê茈y準(zhǔn)確判斷連接關(guān)系。
針對(duì)以上問題，近期，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所所屬慈溪醫(yī)工所醫(yī)學(xué)影像事業(yè)部（iMED）程駿團(tuán)隊(duì)和趙一天團(tuán)隊(duì)，分別提出了一種基于上下文編碼網(wǎng)絡(luò)(context encoder network，簡(jiǎn)稱CE-Net)的醫(yī)學(xué)影像分割方法和基于優(yōu)勢(shì)集的樹狀結(jié)構(gòu)拓?fù)渲亟ǚ椒ā?
程駿團(tuán)隊(duì)提出，可通過一種上下文編碼網(wǎng)絡(luò)(context encoder network，簡(jiǎn)稱CE-Net)，在醫(yī)學(xué)圖像分割中獲取高階的語義特征并保留更多的細(xì)節(jié)信息。CE-Net主要包括三個(gè)主要組件：特征編碼器模塊（Encoder）、上下文提取器（context Extractor）和特征解碼器模塊（Decoder）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在視盤分割、血管檢測(cè)、肺分割、細(xì)胞輪廓分割、視網(wǎng)膜光學(xué)相干斷層掃描分割等醫(yī)學(xué)影像處理方面，分割性能均優(yōu)于原始的U-Net，并取得了目前最優(yōu)的結(jié)果。該醫(yī)學(xué)圖像分割算法已被領(lǐng)域頂級(jí)期刊IEEE Transaction on Medical Imaging(TMI)（DOI：10.1109/TMI.2019.2903562）收錄。
趙一天團(tuán)隊(duì)提出了一種基于優(yōu)勢(shì)集的拓?fù)渲亟ǚ椒?，該方法?chuàng)新性地結(jié)合了優(yōu)勢(shì)集和SSIM相似度度量，充分考慮了樹狀結(jié)構(gòu)的對(duì)比度及其幾何特性，并分別在局部以及全局范圍中來表示曲線結(jié)構(gòu)的特征，將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重建問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)上的聚類問題，采用優(yōu)勢(shì)集實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)相似性的聚類。該方法分別在視網(wǎng)膜血管、腦神經(jīng)元以及樹根結(jié)構(gòu)中做了驗(yàn)證試驗(yàn)（如圖3、圖4、圖5）。結(jié)果表明，重建精度高于領(lǐng)域內(nèi)現(xiàn)有的相關(guān)工作，目前該工作相關(guān)內(nèi)容已被計(jì)算機(jī)視覺和人工智能的頂級(jí)會(huì)議International Conference on Computer Vision and Pattern Recogintion（CVPR’2019）收錄。
該系列研究工作得到寧波市3315創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，國(guó)家自然科學(xué)基金委，以及浙江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。
圖1 算法在肺、血管、細(xì)胞輪廓上的應(yīng)用：從上到下依次是原圖、U-Net算法的結(jié)果、backbone算法的結(jié)果、CE-Net算法的結(jié)果
圖2 算法在視網(wǎng)膜圖像上的應(yīng)用：從左到右依次是原圖、U-Net算法的結(jié)果、backbone算法的結(jié)果、CE-Net結(jié)果的結(jié)果
圖3 算法在腦神經(jīng)元上的應(yīng)用：從左至右依次為原圖、金標(biāo)準(zhǔn)、LBP算法的結(jié)果、MMNX算法的結(jié)果、MFTD算法結(jié)果、本文所提算法的結(jié)果
圖4 算法在視網(wǎng)膜圖像上的應(yīng)用：從左至右依次為原圖、金標(biāo)準(zhǔn)、HER算法的結(jié)果、本文所提算法的結(jié)果
圖5 算法在樹根結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用：從左至右依次為原圖、金標(biāo)準(zhǔn)、HER算法的結(jié)果、本文所提算法的結(jié)果
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