一種在超聲影像中自動(dòng)識(shí)別肝臟腫瘤類型的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)影像處理領(lǐng)域，更具體地，涉及一種在超聲影像中自動(dòng)識(shí)別肝臟腫瘤類型的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]肝臟腫瘤是第五常見(jiàn)的腫瘤，同時(shí)也是癌癥中致人死亡的第二大殺手，肝臟局灶性病灶(FLLs)是肝臟中不正常的固態(tài)或囊性腫塊。在肝癌早期發(fā)現(xiàn)FLLs與對(duì)FLLs的診斷對(duì)肝癌的治療有重要的意義。而在診斷的過(guò)程中，醫(yī)學(xué)影像擔(dān)任了十分重要的角色，特別是近年來(lái)，隨著成像技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)學(xué)影像在診斷中的地位越來(lái)越重要。醫(yī)學(xué)影像包括了電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)，磁共振成像(MRI)，超聲成像(US)等，其中CT和MRI需要高昂的成本，復(fù)雜的器械，CT成像還會(huì)造成電離輻射。而超聲成像因?yàn)槠鋬r(jià)格低，成像快，非侵入方式成像的特點(diǎn)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但由于超聲的成像機(jī)理，超聲成像得到的圖像模糊、分辨率低且信噪比低。最近提出的超聲造影成像(CEUS)方法，通過(guò)對(duì)FLLs在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)持續(xù)成像，研究FLLs在一定時(shí)間內(nèi)的動(dòng)態(tài)增強(qiáng)模式。通過(guò)研究FLL區(qū)域隨著時(shí)間相對(duì)于周圍健康組織的區(qū)別和變化，CEUS能夠顯著提高FLLs的檢測(cè)結(jié)果。使用CEUS影像進(jìn)行輔助診斷，不僅能幫助醫(yī)生獲得更多的信息，提高診斷的效率，同時(shí)還能為病人減少不必要的痛苦。
[0003]在實(shí)際使用CEUS影像對(duì)肝臟腫瘤的進(jìn)行診斷過(guò)程中，醫(yī)生通常先向病人血管內(nèi)注入造影劑，隨著造影劑在體內(nèi)隨著血液的流動(dòng)，CEUS影像會(huì)形成平掃期、動(dòng)脈相、門脈相、延遲相四個(gè)主要時(shí)期。各個(gè)區(qū)的持續(xù)時(shí)間以及成像特點(diǎn)均有所不同。放射科醫(yī)生在辨識(shí)FLLs，一般通過(guò)觀察病灶區(qū)域在三個(gè)時(shí)期(動(dòng)脈期，門脈期，延遲期)的增強(qiáng)變化模式進(jìn)行診斷。門脈期和延遲期主要用以在區(qū)分惡性癌癥和良性癌癥。惡性癌癥，如肝細(xì)胞肝癌(HCC)，和良性癌癥，如肝血管瘤(HEM)、肝臟局部結(jié)節(jié)性增生(FNH)時(shí)，大部分的惡性癌癥在門脈期和延遲期都呈現(xiàn)低增強(qiáng)，而大部分的良性癌癥則呈現(xiàn)平增強(qiáng)或高增強(qiáng)。另一方面，動(dòng)脈期可以為區(qū)分具體的肝癌類別提供有用的信息。比如，絕大部分的HCC病例在動(dòng)脈期呈現(xiàn)區(qū)域高增強(qiáng)，而一部分病例則不均勻增強(qiáng)或在一個(gè)較大的結(jié)節(jié)周圍呈現(xiàn)環(huán)狀增強(qiáng);在良性病例中，大部分的HEM病例呈現(xiàn)外圍結(jié)節(jié)性增加，另一部分則呈現(xiàn)快速的均勻高增強(qiáng);FNH病例則可能在動(dòng)脈期呈現(xiàn)出輪輻狀增強(qiáng)或均勻高增強(qiáng)。以上這些同種病例中不同的變化也會(huì)在診斷時(shí)被考慮進(jìn)去。
[0004]在當(dāng)前階段，診斷的準(zhǔn)確性很大程度依賴于診斷醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和水平。在診斷時(shí)，醫(yī)生們經(jīng)常需要反復(fù)查看整段CEUS影像，在影像中找出病灶的位置和病灶的成像模式，最后根據(jù)自身或文獻(xiàn)中的醫(yī)學(xué)知識(shí)，對(duì)病例進(jìn)行診斷。上述肝癌的這種多樣、復(fù)雜的增強(qiáng)模式也為區(qū)分不同的FLL類別帶來(lái)了很大的困難，加之CEUS成像模糊，需要有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生進(jìn)行細(xì)致的觀察才能辨認(rèn)與診斷。這通常需要花上大量的時(shí)間的精力來(lái)處理每一個(gè)病例。同時(shí)，一段CEUS影像的長(zhǎng)度通常有3?5分鐘，當(dāng)病人的數(shù)量與數(shù)據(jù)增大時(shí)，無(wú)疑會(huì)需要大量醫(yī)生的勞力及時(shí)間。
[0005]另一方面，最近幾年計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域發(fā)展迅猛，在自然圖像、影像領(lǐng)域已經(jīng)取得了許多不錯(cuò)的成果。如物體識(shí)別、定位、檢測(cè)，場(chǎng)景的劃分、分割，視頻的跟蹤、動(dòng)作識(shí)別乃至語(yǔ)義解析等等。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺(jué)與機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域越來(lái)越密切的結(jié)合，計(jì)算機(jī)視覺(jué)開(kāi)始不僅僅簡(jiǎn)單的對(duì)圖像、視頻本身進(jìn)行處理，而開(kāi)始能對(duì)圖像、視頻的內(nèi)容甚至語(yǔ)義進(jìn)行理解、處理。在部分?jǐn)?shù)據(jù)集上，方法對(duì)其中物體檢測(cè)的準(zhǔn)確率甚至已經(jīng)超過(guò)了人類本身。而醫(yī)學(xué)影像在計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)，與自然圖像并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，都是以一個(gè)數(shù)值代表一個(gè)像素的信息。所以計(jì)算機(jī)視覺(jué)里面的方法與技術(shù)，可以轉(zhuǎn)化到醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)視覺(jué)里對(duì)圖像及視頻內(nèi)容的解析方法，同樣可以在醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域得到實(shí)踐與應(yīng)用。若能實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)學(xué)影像的解析與理解，將可以使用計(jì)算機(jī)來(lái)輔助醫(yī)生進(jìn)行輔助診斷，通過(guò)給出影像中的關(guān)鍵部分與關(guān)鍵時(shí)間，給出影像中成像以及變化特點(diǎn)，將可以為醫(yī)生的診斷節(jié)省大量的時(shí)間。而對(duì)于新醫(yī)師來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)輔助診斷(CAD)系統(tǒng)能幫助或指導(dǎo)他們識(shí)別病變，對(duì)訓(xùn)練出有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生有重要的幫助。所以在實(shí)際中，對(duì)醫(yī)學(xué)影像的解析有著十分可觀的應(yīng)用前景和價(jià)值。
[0006]如前所述，隨著醫(yī)學(xué)影像處理技術(shù)，機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展等計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAD系統(tǒng)也得了發(fā)展和應(yīng)用。在乳腺癌等許多其他醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，CAD系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)輔助醫(yī)生對(duì)醫(yī)學(xué)圖像的分析與解釋，獲得了不錯(cuò)的效果。目前，CAD系統(tǒng)對(duì)醫(yī)學(xué)影像的處理，較為成熟的技術(shù)主要包括去噪、分割、配準(zhǔn)、3D重建等等。去噪包括對(duì)影像的預(yù)處理，如調(diào)整對(duì)比度，銳化圖像等，使得成像更有利于醫(yī)生的觀察;分割則將一副圖像或圖像序列中相同的器官或者區(qū)域與其他部分分離出來(lái)，一般為CAD系統(tǒng)的下一步處理做準(zhǔn)備;配準(zhǔn)則是將同一個(gè)病例的不同種類醫(yī)學(xué)影像的相同部分匹配，使得醫(yī)生能夠更為方便的在不同的醫(yī)學(xué)影像中查看相同的區(qū)域;CT等一些技術(shù)的成像是逐層掃描人體某一部位，形成二維斷層圖像，3D重建將這些二維圖像組合，形成器官或者區(qū)域的三維模型。
[0007]雖然當(dāng)前CAD系統(tǒng)在以上這些方面都有了一定程度的應(yīng)用，但大多都在對(duì)醫(yī)學(xué)影像進(jìn)行處理，現(xiàn)有的系統(tǒng)主要集中在組織、器官的分割，局灶性病變的交互式以及自動(dòng)分害J，邊緣檢測(cè)等。對(duì)醫(yī)學(xué)影像的處理也大多集中于CT等這類成像清晰，易于處理的影像上。在CEUS影像中對(duì)FLL進(jìn)行識(shí)別診斷這一個(gè)部分，由于CEUS影像中病灶區(qū)域在三個(gè)造影階段中的擾動(dòng)及多樣的成像模式，現(xiàn)在鮮有CAD系統(tǒng)能在CEUS影像中對(duì)FLLs進(jìn)行分析識(shí)別。即使一些前沿的方法也依賴于手工確定出FLLs的位置和區(qū)域。人工標(biāo)注的好壞與標(biāo)注醫(yī)生的技術(shù)與領(lǐng)域知識(shí)高度相關(guān)，而不同的醫(yī)生也會(huì)對(duì)病灶會(huì)有不同的理解，會(huì)造成標(biāo)注的時(shí)間及位置略有不同。另一方面，隨著獲取及處理技術(shù)的提高，CEUS數(shù)據(jù)的數(shù)量在以相當(dāng)高的速度增長(zhǎng)，人工標(biāo)注需要耗費(fèi)醫(yī)生大量的時(shí)間。所以，全自動(dòng)對(duì)FLLs進(jìn)行分析診斷的CAD系統(tǒng)是極為必要的。
[0008]在醫(yī)學(xué)影像處理領(lǐng)域，在CEUS影像中對(duì)肝臟局灶性病灶進(jìn)行識(shí)別的工作并不是很多。部分方法使用了二次曲線來(lái)擬合病灶區(qū)域的平均灰度在時(shí)序上的變化，以此來(lái)表示CEUS成像中病灶的成像模式，以此來(lái)區(qū)分病灶類型，將FNH和其他病灶類型分開(kāi);或?qū)⒉≡顓^(qū)域手工分割出來(lái)，使用級(jí)聯(lián)的多個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，來(lái)對(duì)病灶進(jìn)行分類。還有方法提出了動(dòng)態(tài)血管模式(DVP)來(lái)表示病灶的成像特點(diǎn)，測(cè)試時(shí)通過(guò)人工在某一幀標(biāo)注出周圍的正常組織區(qū)域與病灶區(qū)域，能自動(dòng)生成出整個(gè)影像中兩個(gè)部分的平均灰度的曲線，再使用這個(gè)曲線去區(qū)分良性和惡性腫瘤，有著相當(dāng)不錯(cuò)的效果。在以上的這些工作中，都或多或少的需要一定程度上的交互，手工確定出病灶區(qū)域或者正常組織的位置。人工交互嚴(yán)重依賴于操作人員的知識(shí)、技能與經(jīng)驗(yàn)，很容易造成不同的醫(yī)生對(duì)同一個(gè)病例有不同的解釋，造成結(jié)果的擾動(dòng)。另一方面，隨著現(xiàn)在超聲影像數(shù)據(jù)的不停增長(zhǎng)，如果醫(yī)生對(duì)每一個(gè)病例都需要進(jìn)行手工交互，將會(huì)消耗醫(yī)生大量