基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的全自動(dòng)的三維肝臟分割方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于醫(yī)學(xué)圖像處理領(lǐng)域，特別涉及基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的全自動(dòng)的三維肝臟分割方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，肝臟疾病是臨床上發(fā)病概率比較高的疾病，直接威脅到人們的生命，所以肝臟疾病的準(zhǔn)確診斷具有重要的醫(yī)學(xué)意義。臨床上，醫(yī)生常常借助于CT機(jī)，即計(jì)算機(jī)斷層掃描機(jī)，來(lái)獲得肝臟部位的一系列平面灰度斷層圖像，并通過(guò)連續(xù)地查看這些圖像來(lái)判斷病灶的病變位置、特征、大小、同周?chē)M織之間的關(guān)系等。而肝臟的提取和定量分析對(duì)準(zhǔn)確地診斷肝臟疾病和制定適當(dāng)?shù)氖中g(shù)方案起著關(guān)鍵性的作用。臨床上，肝臟的提取往往由經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生直接在CTA圖像(即CT血管造影圖像)上勾勒出來(lái)。此方法不僅非常耗時(shí)耗力，而且由于分割結(jié)果依賴(lài)于醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)而缺乏魯棒性。因此急需建立好的肝臟分割模型。
[0003]非人工的肝臟分割方法有半自動(dòng)和全自動(dòng)兩大類(lèi)方法。半自動(dòng)方法需要人機(jī)交互，其中典型的代表是區(qū)域增長(zhǎng)法、水平集方法、圖割方法。這些方法需要人為提供種子點(diǎn)或者初始化區(qū)域。對(duì)于不同的算法操作人員，種子點(diǎn)或者初始化區(qū)域的位置或者大小往往也不同，這將導(dǎo)致不同的分割結(jié)果，從而使得算法缺少魯棒性。全自動(dòng)分割方法則不需要人工交互，現(xiàn)有的典型算法有概率圖譜法、Active Shape Model法。由于受CT圖像的低對(duì)比度、弱邊界等影響，目前的全自動(dòng)方法普遍存在過(guò)分割和欠分割現(xiàn)象，故一些方法在分割肝臟之前會(huì)進(jìn)行一些復(fù)雜的預(yù)處理過(guò)程，比如周?chē)鞴俚念A(yù)先提取，但這又會(huì)帶來(lái)分割時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。
[0004]因此，提出一種不需要進(jìn)行任何預(yù)處理，同時(shí)又可以克服過(guò)分割和欠分割現(xiàn)象的全自動(dòng)算法在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用上很有必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種能準(zhǔn)確地將肝臟同周?chē)尺B的組織分割出來(lái)，且對(duì)于含有病變的肝臟，能克服欠分割現(xiàn)象而準(zhǔn)確地提取出肝臟組織的方法。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的解決方案是:
[0006]提供基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的全自動(dòng)的三維肝臟分割方法，用于對(duì)腹部肝臟CTA (Computed Tomography Ang1graphy，CT血管造影術(shù))體數(shù)據(jù)，即計(jì)算機(jī)斷層掃描血管造影圖像中的肝臟進(jìn)行分割，所述三維肝臟分割方法具體包括下述過(guò)程:
[0007]一、準(zhǔn)備訓(xùn)練集；
[0008]二、訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；
[0009]三、利用訓(xùn)練好的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理腹部肝臟CTA體數(shù)據(jù)，得到肝臟的分割結(jié)果；
[0010]所述過(guò)程一具體包括下述步驟:
[0011]步驟A:搜集大小為512X512XN的腹部肝臟CTA體數(shù)據(jù)，并做出這些數(shù)據(jù)的肝臟標(biāo)準(zhǔn)分割結(jié)果，其中N為體數(shù)據(jù)的層數(shù)；
[0012]步驟B:通過(guò)下采樣將步驟A中收集的大小為256X256XN的體數(shù)據(jù)的調(diào)整成大小為256X256X286 ;其中，對(duì)于N大于286的體數(shù)據(jù)，刪掉體數(shù)據(jù)中不含肝臟組織的層數(shù)，使得該數(shù)據(jù)層數(shù)縮減為286層；對(duì)于N小于286的數(shù)據(jù)，在其最后一層增加若干不含肝臟組織的層，使得該數(shù)據(jù)層數(shù)增加至286層；
[0013]所述過(guò)程二具體包括下述步驟:
[0014]步驟C:設(shè)計(jì)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，使用的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入是大小為249 X 249 X 279 的體塊；
[0015]所述卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一共11層:第I層為96個(gè)濾波大小為7X7X9的卷積核，步長(zhǎng)為I的卷積層；第2層為256個(gè)濾波大小為5X5X5的卷積核，步長(zhǎng)為2的卷積層；第3層到第8層均為512個(gè)濾波大小為3X3X3的卷積核，步長(zhǎng)為I的卷積層；第9層為128個(gè)濾波大小為3X3X3的卷積核，步長(zhǎng)為I的卷積層；第10層為16個(gè)濾波大小為3X3X3的卷積核，步長(zhǎng)為I的卷積層;第11層為I個(gè)濾波大小為3X3X3的卷積核，步長(zhǎng)為I的卷積層；
[0016]其中，第1、第2層后面加了 average pooling層，將數(shù)據(jù)維度從249X249X279縮小到31 X 31 X 32 ;第7、第8、第9層后面加入了重排雙倍尺寸輸出層，將輸入的8個(gè)通道變成2 X 2 X 2，即雙倍尺寸，1/8通道數(shù)；且3次重排后輸出和輸入的尺度保持一致；第11層使用logistic函數(shù)輸出大小為248X248X256的概率圖；
[0017]步驟D:利用訓(xùn)練集訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的各種參數(shù)，將過(guò)程一中準(zhǔn)備好的訓(xùn)練集放入步驟C中設(shè)計(jì)好的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，得到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的各種參數(shù)；
[0018]所述過(guò)程三具體包括下述步驟:
[0019]步驟E:選取需要進(jìn)行肝臟分割的CTA體數(shù)據(jù)，按照步驟B的方法，將需要進(jìn)行肝臟分割的CTA體數(shù)據(jù)的大小調(diào)整為256X256X286，將調(diào)整后的數(shù)據(jù)作為測(cè)試集；
[0020]步驟F:從測(cè)試集中隨機(jī)選擇一個(gè)大小為249X249X279的體塊，將此體塊作為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的輸入，通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的迭代，能輸出一個(gè)大小為248 X 248 X 256的標(biāo)簽塊，其取值范圍為[0.1，0.9]；
[0021]步驟G:重復(fù)42次步驟F后停止，得到測(cè)試集的肝臟概率圖P ;
[0022]步驟H:(根據(jù)經(jīng)驗(yàn))對(duì)P選取閾值，大于閾值的結(jié)果即為分割得到的肝臟分割結(jié)果O
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0024]本發(fā)明借助于三維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)分割肝臟，不僅是全自動(dòng)的，而且可以很好地避免欠分割和過(guò)分割的現(xiàn)象，得到準(zhǔn)確的肝臟分割結(jié)果。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1為本發(fā)明中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖。
[0026]圖2為示例三維體數(shù)據(jù)的第190層原圖。
[0027]圖3為第190層數(shù)據(jù)經(jīng)本發(fā)明技術(shù)處理后的效果圖。
[0028]圖4為示例三維體數(shù)據(jù)的第58層原圖。
[0029]圖5為第58層數(shù)據(jù)經(jīng)本發(fā)明技術(shù)處理后的效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0031]提供一種新的基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的全自動(dòng)三維肝臟分割方法，用于對(duì)腹部肝臟CTA (Computed Tomography Ang1graphy，CT血管造影術(shù))體數(shù)據(jù)，即計(jì)算機(jī)斷層掃描血管造影圖像中的肝臟進(jìn)行分割，包括下列過(guò)程:
[0032]一、準(zhǔn)備訓(xùn)練集；
[0033]二、訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；
[0034]三、利用訓(xùn)練好的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理腹部肝臟CTA體數(shù)據(jù)，得到肝臟的分割結(jié)果。
[0035]所述過(guò)程一具體包括下述步驟:
[0036]步驟A:搜集68個(gè)大小為512 X 512 X N的腹部肝臟CTA體數(shù)據(jù)，并由醫(yī)生專(zhuān)家給出這些數(shù)據(jù)的肝臟分割標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果，