融合深度网络和浅层纹理特征的甲状腺结节癌变超声图像诊断

目的 在甲状腺结节图像中对甲状腺结节进行良恶性分析,对于甲状腺癌的早期诊断有着重要的意义。随着医疗影像学的发展,大部分的早期甲状腺结节可以在超声图像中准确地检测出来,但对于结节的性质仍然缺乏准确的判断。因此,为实现更为准确的早期甲状腺结节良恶性超声图像诊断,避免不必要的针刺或其他病理活检手术、减轻病患生理痛苦和心理压力及其医疗费用,提出一种基于深度网络和浅层纹理特征融合的甲状腺结节良恶性分类新算法。方法 本文提出的甲状腺结节分类算法由4步组成。首先对超声图像进行尺度配准、人工标记以及图像复原去除以增强图像质量。然后,对增强的图像进行数据扩展,并作为训练集对预训练过的GoogLeNet卷积神经网络进行迁移学习以提取图像中的深度特征。同时,提取图像的旋转不变性局部二值模式（LBP）特征作为图像的纹理特征。最后,将深度特征与图像的纹理特征相融合并输入至代价敏感随机森林分类器中对图像进行良恶性分类。结果 本文方法在标准的甲状腺结节癌变数据集上对甲状腺结节图像取得了正确率99.15%,敏感性99.73%,特异性95.85%以及ROC曲线下面积0.997 0的的好成绩,优于现有的甲状腺结节图像分类方法。结论 实验结果表明,图像的深度特征可以描述医疗超声图像中病灶的整体感官特征,而浅层次纹理特征则可以描述超声图像的边缘、灰度分布等特征,将二者统一的融合特征则可以更为全面地描述图像中病灶区域与非病灶区域之间的差异以及不同病灶性质之间的差异。因此,本文方法可以准确地对甲状腺结节进行分类从而避免不必要手术、减轻病患痛苦和压力。     

乳腺超声肿瘤动态噪声指数及分割算法

目的 深度学习在各种语义分割任务中取得了优异的性能,但需要大量带有准确标注的训练样本。乳腺超声由于其成像特点,导致图像对比度和分辨率低、斑点噪声较高、组织间边界模糊等,这些问题导致精确标注十分困难。超声分割数据集中存在较多非准确的标注,这些数据即标注噪声。若训练集中包含一定量的噪声,将会极大地影响网络的分割准确度。为了解决该问题,提出了一种针对超声图像的动态噪声指数及分割算法,实现在乳腺超声数据包含噪声的情况下肿瘤区域的准确分割。方法 针对超声图像的噪声特点提出动态噪声指数（dynamic noise index,DNI）;在网络训练过程中实时更新DNI,并在每次迭代结束后计算整个训练集的DNI分布,进而实现对噪声数据的可检测;提出一个改进的损失函数以增强网络噪声检测性能,同时结合DNI降低噪声对训练反向传播的影响。最后本文将动态噪声指数和改进的损失函数联合形成一个噪声容忍框架,该框架可以应用于其他分割网络。结果 本文将噪声容忍框架和多种分割网络进行结合,并在两个数据集上进行实验。公开数据集的实验结果显示,增加噪声容忍框架的网络相比于原网络各指标提高了8%~12%。本文构建了一个包含1 805幅图像的乳腺超声肿瘤分割数据集,结合噪声容忍框架之后的网络各指标也取得了4%~7%的提升。结论 本文提出的动态噪声指数及分割算法针对不同噪声比例的训练数据集,对噪声均能有效地抑制,并取得稳定的分割性能。     

面向甲状腺结节超声图像分割的多尺度特征融合“h”形网络

目的 准确定位超声甲状腺结节对甲状腺癌早期诊断具有重要意义,但患者结节大小、形状以及位置的不确定性极大影响了结节分割的准确率和模型的泛化能力。为了提高超声甲状腺结节分割的精度,增强泛化性能并降低模型的参数量,辅助医生诊断疾病,减少误诊,提出一种面向甲状腺结节超声图像分割的多尺度特征融合“h”形网络。方法 首先提出一种网络框架,形状与字母h相似,由一个编码器和两个解码器组成,引入深度可分离卷积缩小网络尺寸。编码器用于提取图像特征,且构建增强下采样模块来减少下采样时造成的信息损失,增强解码器特征提取的能力。第1个解码器负责获取图像的初步分割信息;第2个解码器通过融合第1个解码器预先学习到的信息来增强结节的特征表达,提升分割精度,并设计了融合卷积池化金字塔实现多尺度特征融合,增强模型的泛化能力。结果 该网络在内部数据集上的Dice相似系数（Dice similarity coefficients, DSC）、豪斯多夫距离（Hausdorff distance,HD）、灵敏度（sensitivity,SEN）和特异度（specificity,SPE）分别为0.872 1、0.935 6、0.879 7和0.997 3,在公开数据集DDTI（digital database thyroid image）上,DSC和SPE分别为0.758 0和0.977 3,在数据集TN3K（thyroid nodule 3 thousand）上的重要指标DSC和HD分别为0.781 5和4.472 6,皆优于其他模型。结论 该网络模型以较低的参数量提升了甲状腺超声图像结节的分割效果,增强了泛化性能。     

面向乳腺超声图像分割的混合监督双通道反馈U-Net

目的 基于超声图像的乳腺病灶分割是实现乳腺癌计算机辅助诊断和定量分析的基本预处理步骤。由于乳腺超声图像病灶边缘通常较为模糊,而且缺乏大量已标注的分割图像,增加了基于深度学习的乳腺超声图像分割难度。本文提出一种混合监督双通道反馈U-Net（hybrid supervised dual-channel feedback U-Net,HSDF-U-Net）算法,提升乳腺超声图像分割的准确性。方法 HSDF-U-Net通过融合自监督学习和有监督分割实现混合监督学习,并且进一步通过设计双通道反馈U-Net网络提升图像分割准确性。为了改善标记数据有限的问题,首先在自监督学习框架基础上结合标注分割图像中的标签信息,设计一种边缘恢复的辅助任务,以实现对病灶边缘表征能力更强的预训练模型,然后迁移至下游图像分割任务。为了提升模型在辅助边缘恢复任务和下游分割任务的表现,将循环机制引入经典的U-Net网络,通过将反馈的输出结果重新送入另一个通道,构成双通道编码器,然后解码输出更精确的分割结果。结果 在两个公开的乳腺超声图像分割数据集上评估HSDF-U-Net算法性能。HSDF-U-Net对Dataset B数据集中的图像进行分割获得敏感度为0.848 0、Dice为0.826 1、平均对称表面距离为5.81的结果,在Dataset BUSI（breast ultrasound images）数据集上获得敏感度为0.803 9、Dice为0.803 1、平均对称表面距离为6.44的结果。与多种典型的U-Net分割算法相比,上述结果均有提升。结论 本文所提HSDF-U-Net算法提升了乳腺超声图像中的病灶分割的精度,具备潜在的应用价值。     

类别信息生成式对抗网络的单图超分辨重建

目的 基于生成式对抗网络的超分辨模型（SRGAN）以感知损失函数作为优化目标,有效解决了传统基于均方误差（MSE）的损失函数导致重建图像模糊的问题。但是SRGAN的感知损失函数中并未添加明确指示模型生成对应特征的标志性信息,使得其无法精准地将数据的具体维度与语义特征对应起来,受此局限性影响,模型对于生成图像的特征信息表示不足,导致重建结果特征不明显,给后续识别处理过程带来困难。针对上述问题,在SRGAN方法的基础上,提出一种类别信息生成式对抗网络的超分辨模型（class-info SRGAN）。方法 对SRGAN模型增设类别分类器,并将类别损失项添加至生成网络损失中,再利用反向传播训练更新网络参数权重,以达到为模型提供特征类别信息的目的,最终生成具有可识别特征的重建图像。创新及优势在于将特征类别信息引入损失函数,改进了超分辨模型的优化目标,使得重建结果的特征表示更加突出。结果 经CelebA数据集测试表明：添加性别分类器的class-info SRGAN的生成图像性别特征识别率整体偏高（58%97%）;添加眼镜分类器的class-info SRGAN的生成图像眼镜框架更加清晰。此外,模型在Fashion-mnist与Cifar-10数据集上的结果同样表明其相较于SRGAN的重建质量更佳。结论 实验结果验证了本方法在超分辨重建任务中的优势和有效性,同时结果显示：虽然class-info SRGAN更适用于具有简单、具体属性特征的图像,但总体而言仍是一种效果显著的超分辨模型。     

肺结节球表面网格向量化特征分类

目的 基于球谐函数与容斥映射算法向量化球面表面纹理与结节形状用以进行胸部CT图像肺结节良恶性判定。区别于基于深度学习解决肺结节良恶性筛查的方法,目前方法多集中于框架改进而忽略了数据预处理,文中所提方法旨在对球面纹理与结节形状进行向量表达,使其可以输入深度森林进行特征分类训练。方法 首先采用辽宁中医药大学附属医院数据,通过3维重构获得3维肺结节图像。其次使用球谐函数与容斥映射算法在保留空间信息的同时将纹理以网格方式映射到标准球面上。再次使用网格-LBP与映射形变能量分别完成对球面纹理与结节形状信息的构建。最后提出一种基于网格的多粒度扫描方法对深度森林训练框架进行改进,并将向量化后的纹理和形状特征加入到改进的深度森林训练框架中进行实验验证。结果 通过大量的实验结果验证,在准确率（ACC）、特异度（SPE）、敏感度（SEN）和受试者工作特征曲线下的面积（AUC）4个衡量指标下,本文方法具有优于现存先进方法的表现,其中ACC、SPE、SEN和AUC分别达到76.06%、69.46%、88.46%和0.84。结论 基于球谐函数与容斥映射算法可成功地对肺结节表面和形状两个特征进行向量化并训练,不仅考虑了数据预处理,而且通过两个特征对肺结节良恶性检测的准确率要高于传统1个特征检测的结果,同时也为3维模型中特征的提取及向量化提供了一个有效的方法。     

结合残差路径及密集连接的乳腺超声肿瘤分割

目的 乳腺癌是常见的高发病率肿瘤疾病,早期确诊是预防乳腺癌的关键。为获得肿瘤准确的边缘和形状信息,提高乳腺肿瘤诊断的准确性,本文提出了一种结合残差路径及密集连接的乳腺超声肿瘤分割方法。方法 基于经典的深度学习分割模型U-Net,添加残差路径,减少编码器和解码器特征映射之间的差异。在此基础上,在特征输入层到解码器最后一步之间引入密集块,通过密集块组成从输入特征映射到解码最后一层的新连接,减少输入特征图与解码特征图之间的差距,减少特征损失并保存更有效信息。结果 将本文模型与经典的U-Net模型、引入残差路径的U-Net （U-Net with Res paths）模型在上海新华医院崇明分院乳腺肿瘤超声数据集上进行10-fold交叉验证实验。本文模型的真阳率（true positive,TP）、杰卡德相似系数（Jaccard similarity,JS）和骰子系数（Dice coefficients,DC）分别为0.870 7、0.803 7和0.882 4,相比U-Net模型分别提高了1.08%、2.14%和2.01%;假阳率（false positive,FP）和豪斯多夫距离（Hausdorff distance,HD）分别为0.104 0和22.311 4,相比U-Net模型分别下降了1.68%和1.410 2。在54幅图像的测试集中,评价指标JS > 0.75的肿瘤图像数量的总平均数为42.1,最大值为46。对比实验结果表明,提出的算法有效改善了分割结果,提高了分割的准确性。结论 本文提出的基于U-Net结构并结合残差路径与新的连接的分割模型,改善了乳腺超声肿瘤图像分割的精确度。     

基于不同超声成像的甲状腺结节良恶性判别

为实现更为准确的甲状腺结节良恶性超声图像诊断,避免不必要的穿刺或活检手术,提出了一种基于卷积神经网络（CNN）的常规超声成像和超声弹性成像的特征结合方法,提高了甲状腺结节良恶性分类准确率。首先,卷积网络模型在大规模自然图像数据集上完成预训练,并通过迁移学习的方式将特征参数迁移到超声图像域用以生成深度特征并处理小样本。然后,结合常规超声成像和超声弹性成像的深度特征图形成混合特征空间。最后,在混合特征空间上完成分类任务,实现了一个端到端的卷积网络模型。在1156幅图像上进行实验,所提方法的准确率为0.924,高于其他单一数据源的方法。实验结果表明,浅层卷积共享图像的边缘纹理特征,高层卷积的抽象特征与具体的分类任务相关,使用迁移学习的方法可以解决数据样本不足的问题;同时,弹性超声影像可以对甲状腺结节的病灶硬度进行客观的量化,结合常规超声的纹理轮廓特征,二者融合的混合特征可以更全面地描述不同病灶之间的差异。所提方法可以高效准确地对甲状腺结节进行良恶性分类,减轻患者痛苦,给医生提供更为准确的辅助诊断信息。     

稀疏形状先验的脑肿瘤图像分割

目的 在脑部肿瘤图像的分析过程中,准确分割出肿瘤区域对于计算机辅助脑部肿瘤疾病的诊断及治疗过程具有重要意义。然而,由于脑部图像常存在结构复杂、边界模糊、灰度不均以及肿瘤内部存在明暗区域的问题,使得肿瘤图像分割工作面临严峻挑战。为了克服上述困难,更好地实现脑部肿瘤图像分割,提出一种基于稀疏形状先验的脑肿瘤图像分割算法。方法 首先,研究脑部肿瘤图像的配准与形状描述,并以此为基础构建脑部肿瘤的稀疏形状先验约束模型;继而,将该稀疏形状先验约束模型与区域能量描述方法相结合,构建基于稀疏形状先验的能量函数;最后,对能量函数进行优化及迭代,输出脑部肿瘤区域分割结果。结果 本文使用脑胶质瘤公开数据集BraTS2017进行算法测试,本文算法的分割结果与真实数据之间的平均相似度达到93.97%,灵敏度达到91.3%,阳性预测率达到95.9%。本文算法的实验准确度较高,误判率较低,鲁棒性较强。结论 本文算法能够结合水平集方法在拓扑结构描述和稀疏表达方法在复杂形状表达方面的优势,同时由于加入了形状约束,能够有效削弱肿瘤内部明暗区域对分割结果造成的影响,从而更准确和稳定地实现脑部肿瘤图像分割。     

类别语义相似性监督的小样本图像识别

目的 现有的深度学习模型往往需要大规模的训练数据,而小样本分类旨在识别只有少量带标签样本的目标类别。作为目前小样本学习的主流方法,基于度量的元学习方法在训练阶段大多没有使用小样本目标类的样本,导致这些模型的特征表示不能很好地泛化到目标类。为了提高基于元学习的小样本图像识别方法的泛化能力,本文提出了基于类别语义相似性监督的小样本图像识别方法。方法 采用经典的词嵌入模型GloVe（global vectors for word representation）学习得到图像数据集每个类别英文名称的词嵌入向量,利用类别词嵌入向量之间的余弦距离表示类别语义相似度。通过把类别之间的语义相关性作为先验知识进行整合,在模型训练阶段引入类别之间的语义相似性度量作为额外的监督信息,训练一个更具类别样本特征约束能力和泛化能力的特征表示。结果 在miniImageNet和tieredImageNet两个小样本学习基准数据集上进行了大量实验,验证提出方法的有效性。结果显示在miniImageNet数据集5-way 1-shot和5-way 5-shot设置上,提出的方法相比原型网络（prototypical networks）分类准确率分别提高1.9%和0.32%;在tieredImageNet数据集5-way 1-shot设置上,分类准确率相比原型网络提高0.33%。结论 提出基于类别语义相似性监督的小样本图像识别模型,提高小样本学习方法的泛化能力,提高小样本图像识别的准确率。     

乳腺病灶的多显著性检测方法

乳腺病灶自动检测对于后续计算机辅助诊断具有重要意义。融合背景先验、自适应中心先验以及频率先验等三种先验知识,提出一种多显著性检测方案实现超声影像中的乳腺病灶检测。该方案包含图像预处理、显著性检测和显著性优化等三个步骤。为了提高检测准确率,提出了一种基于经验累积分布函数的自适应阈值分割方法和一种改进的自适应中心先验检测方法。实验结果证明,提出的多显著性检测方案精确率达92.50%,召回率达87.05%,F-measure值达91.18%,能够更好地检测乳腺超声病灶。     

应用单调下降曲线模型自动提取乳房轮廓线

乳房外轮廓包含非常重要的信息,在图像定位、对比分析中起着非常重要的作用,在一定程度上影响着乳腺图像对比分析技术的性能。通过分析乳腺X线图像的特点,判别图像为左乳图像还是右乳图像,若是右乳图像则做水平镜像处理;应用单调下降曲线模型提取乳房轮廓点;选择最长下降曲线段上的轮廓点为基准点,分别向上和向下逐行修正其他扫描线上的轮廓点;判别伪轮廓曲线段,采用圆弧模型拟合正确的轮廓线,从而提取出完整的乳房轮廓线。     

基于深度学习的乳腺X射线影像分类方法研究

X射线乳腺影像与自然图像相比,色彩较为单调,且乳腺肿块边缘模糊,良性肿块与恶性肿块纹理相似,区分度较小。基于卷积深度学习网络提出一种适用于X射线乳腺肿块影像分类的方法,主要贡献如下：（1）提出一种提取乳腺影像多个卷积粒度的特征图的方案,分别使用不同尺寸的卷积核来提取不同粒度的卷积特征图,获得更为丰富的乳腺影像特征;（2）将判别方法嵌入到优化模型中,即设计新的目标函数,对分类误差进行差异化放大,从而加大分类错误的惩罚力度,指导模型向着分类错误最小的方向演进。在公开的乳腺X射线影像数据集上进行训练,通过交叉验证,AUC达到0.712?9,优于最好的乳腺影像分类方法,具有较强的鲁棒性。     

A breast modeler based on analysis of breast scans

The advent of 3D scanning technology has allowed effective measurement and analysis of breast size and shape, attracting interests by plastic surgeons, brassier designers, etc. Much work remains, however, before 3D scanning systems can be successfully used in automated analysis and synthesis of the breast—filtering noise, filling holes, and, in case a statistical analysis is desired, finding correspondence among each scan data. Moreover, analysis of a sagged breast is difficult to obtain, due to occlusions. In this paper, we address the problems and specific issues of using 3D scan data for the analysis and synthesis of breast models. The goal of our work is to build a breast modeler which can help both surgeons and garment designers in analyzing breast volume and surface measurements. Given enough samples of scanned breasts, our modeler can generate highly realistic breast shape, with some expected and consistent variability. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

Effect of sports bra type and gait speed on breast discomfort,bra discomfort and perceived breast movement in Chinese women

This study investigated the effect of sports bra type (encapsulation versus compression) and gait speed on perceptions of breast discomfort, bra discomfort and breast movement reported by Chinese women. Visual analogue scales were used to evaluate breast discomfort, bra component discomfort and perceived breast movement of 21 Chinese participants when they wore an encapsulation or a compression sports bra, while static and while exercising at three different gait speeds. Participants perceived less breast discomfort and breast movement when wearing a compression bra compared to an encapsulation bra at a high gait speed, suggesting that compression bras are likely to provide the most effective support for Chinese women. However, significantly higher bra discomfort was perceived in the compression bra compared to the encapsulation bra when static and at the lower gait speed, implying that ways to modify the design of sports bras, particularly the straps, should be investigated to provide adequate and comfortable breast support.     

Optimal microwave breast imaging using quality metrics and simulated annealing algorithm

Microwave breast imaging exploits dielectric contrasts between cancerous and healthy tissues at microwave frequencies to detect breast tumors. The estimation of breast optimal effective dielectric properties has a significant influence on the image quality. Recently, a novel method based on focal quality metrics (FQMs) has been proposed to investigate the patient‐specific effective dielectric properties. Although FQMs can be used to estimate the effective permittivity, the small increment of permittivity during the imaging process may lead to large computational resource consumption. In this article, an optimized microwave breast imaging method is proposed. In this method, a hybrid image quality metric is put forward which mixes the signal‐to‐clutter ratio (SCR) and focal quality metric. In addition, the simulated annealing algorithm is incorporated to facilitate image reconstruction. Experimental results demonstrate that using the proposed method, SCR is improved by 0.2 dB and tumor location error is reduced by 3.5 mm in realistic breast phantom.     

乳腺超声图像肿瘤全自动定位方法研究*

乳腺超声图像肿瘤的定位是计算机辅助诊断(CAD)系统进行肿瘤分割和良恶性分类处理的前提,为此提出了一种全自动定位肿瘤位置的方法.该方法不依赖初始的固定参考位置和强制性后处理规则,能够较大限度地适应肿瘤在超声图像中相对位置的变化.与目前最好的几种自动定位方法相比,该方法具有更高的定位准确率.