结合伪MRI信息的腹部CT危及器官自动勾画

目的:结合伪MRI（sMRI）软组织信息,提出新的腹部器官自动勾画模型,改进CT软组织的勾画效果。方法:使用两个独立的深度神经网络分步完成病人腹部危及器官的自动勾画。首先,基于CycleGAN网络构建由CT图像转换sMRI图像的模型,采用去噪判别器等改进方法,得到器官轮廓一致的高清晰度sMRI。其次,使用sMRI与手工勾画信息训练自动勾画模型Residual U-Net,在CT和sMRI上分别自动勾画危及器官轮廓,Residual U-Net的残差模块能够充分利用提取到的特征来区分不同的器官。采用戴斯相似性系数（DSC）作为自动勾画模型分割精度的评价标准,35例宫颈癌与35例前列腺癌患者用于自动勾画模型的训练和评估。结果:结合sMRI信息的自动勾画模型在直肠、膀胱、左右股骨头的平均DSC分别为0.779±0.021、0.944±0.006、0.834±0.006、0.845±0.021。结论:使用结合sMRI信息的腹部CT自动勾画方法,可以在直肠获得更精确的自动勾画结果。     

基于3D深度残差全卷积网络的头颈CT放疗危及器官自动勾画

头颈部肿瘤放射治疗危及器官的准确勾画是放疗计划的关键步骤,然而头颈部放疗危及器官的精确分割挑战性很大,目前临床医生手动勾画危及器官非常繁琐、耗时且缺乏一致性。提出基于3D深度残差全卷积网络的头颈部肿瘤放疗危及器官自动分割方法,通过改进的V-Net网络分割模型,有效地结合危及器官CT影像的深层特征和浅层特征,同时根据特别设计的端到端监督学习确定危及器官分割模型参数。为了解决小器官类分布极不平衡问题,提出利用器官位置先验约束采样区域与随机采样相结合的训练样本选择策略,同时采用Dice损失函数对网络进行训练。该策略不仅可加速训练过程,提升分割性能,而且可保证小器官的分割准确率。该方法在2015年MICCAI头颈自动分割挑战赛数据集PDDCA上验证,各器官分割的Dice系数平均值分别为:颌下骨0.945、左腮腺0.884、右腮腺0.882、脑干0.863、左颌下腺0.825、右颌下腺0.842、左视神经0.807、右视神经0.847、视交叉0.583。大多数器官的95% Hausdorff距离小于3 mm,所有器官的勾画平均距离均小于1.2 mm。实验结果表明,该方法在除脑干以外的危及器官分割中性能比其他对比方法更优。     

基于改进Attention U-Net的胆囊自动分割模型研究

目的 基于多尺度融合注意力机制,提出改进Attention U-Net的胆囊自动分割模型,提高胆囊自动分割模型的性能,以辅助医生进行临床诊断.方法 首先选取2017年1月—2019年12月上海交通大学医学院附属新华医院普外科、吉林大学白求恩第一医院肝胆胰外一科和吉林大学中日联谊医院普外科收治的88例病理诊断明确的胆囊癌患者、28例慢性胆囊炎胆囊结石患者和29例健康对照,构建胆囊分割数据集,然后通过对医学常用深度学习图像分割方法U-Net和Attention U-Net进行分析,提出基于多尺度融合注意力机制改进的Attention U-Net方法,并设计实验对3种方法进行对比评估.结果 提出的改进Attention U-Net方法在验证集上的交并比阈值(IoU)分数、Dice系数、检测精度(Precision)和召回率(Recall)分别为0.72、0.84、0.92、0.79,全部优于传统U-Net和Attention U-Net方法.结论 本文提出了基于多尺度融合注意力机制改进的Attention U-Net模型,其性能优于U-Net和Attention U-Net,证明了本方法中改进的注意力机制可以很好地改善U-Net模型在胆囊影像上的分割结果.     

基于深度学习的危及器官自动勾画软件系统DeepViewer在放疗中的应用及评估

目的:将一款基于深度学习的危及器官自动勾画软件系统DeepViewer应用于临床,实现自动勾画肿瘤患者治疗计划中危及器官的功能。方法:DeepViewer使用改进后的全卷积神经网络U-Net来实现自动勾画患者CT扫描部位所包含的危及器官,并使用Dice相似性系数（DSC）对比分析这22种危及器官自动勾画与手动勾画的差异。结果:11种危及器官DSC平均值在0.9以上,5种危及器官DSC平均值为0.8~0.9,5种器官DSC平均值为0.7~0.8,视交叉DSC平均值最低,为0.676。总体结果表明DeepViewer系统能够较准确地自动勾画出危及器官,特别是左、右肺、膀胱、脑干等器官,已基本满足临床需求。结论:DeepViewer软件系统可以实现放疗肿瘤患者危及器官的自动勾画,准确性较高。同时,DeepViewer系统勾画完毕后,可以通过网络系统自动传输RTStructure DICOM3.0文件,无需其他操作,能极大地提高临床医生工作效率,降低治疗计划流程中的勾画总时间。     

基于卷积神经网络和Transformer的肝脏CT图像分割方法

针对现有的卷积神经网络在肝脏图像分割上精度较低的问题,提出了一种以U-Net网络模型为基础的分割算法。将多头自注意力机制引入到U-Net网络的跳跃连接中,在编码器部分使用空洞卷积,采用混合损失函数从而提高分割精度。在LITS数据集上通过实验结果表明,利用本文方法进行肝脏分割与传统U-Net方法相比Dice系数提升3.3%,平均交并比提升了2.4%,平均像素准确率提升了3.66%。     

深度卷积神经网络在放射治疗计划图像分割中的应用

目的:结合全卷积神经网络(Fully Convolutional Network,FCN)和多孔卷积(Atrous Convolution,AC)的深度学习方法,实现放射治疗计划图像的组织器官自动勾画。方法:选取122套已经由放疗医师勾画好正常器官结构轮廓的胸部患者CT图像,以其中71套图像(8 532张轴向切层图像)作为训练集,31套图像(5 559张轴向切层图像)作为验证集,20套图像(3 589张轴向切层图像)作为测试集。选取5种公开的FCN网络模型,并结合FCN和AC算法形成3种改进的深度卷积神经网络,即带孔全卷积神经网络(Dilation Fully Convolutional Network,D-FCN)。分别以训练集图像对上述8种网络进行调优训练,使用验证集图像在训练过程中对8种神经网络进行器官自动识别勾画验证,以获取各网络的最佳分割模型,最后使用测试集图像对充分训练后获取的最佳分割模型进行勾画测试,比较自动勾画与医师勾画的相似度系数(Dice)评价各模型的图像分割能力。结果:使用训练图像集进行充分调优训练后,实验的各个神经网络均表现出较好的自动图像分割能力,其中改进的D-FCN 4s网络模型在测试实验中具有最佳的自动分割效果,其全局Dice为94.38%,左肺、右肺、心包、气管和食道等单个结构自动勾画的Dice分别为96.49%、96.75%、86.27%、61.51%和65.63%。结论:提出了一种改进型全卷积神经网络D-FCN,实验测试表明该网络模型可以有效地提高胸部放疗计划图像的自动分割精度,并可同时进行多目标的自动分割。     

基于FC_DenseNet深度学习网络自动分割肺癌放疗中的危及器官

目的:建立一种基于密集连接深度学习的端到端胸部CT图像危及器官自动分割方法,提供一个高精度的自动分割模型,减轻医师临床勾画的工作强度。方法:收集36例肺癌患者CT图像,27例作为训练集,随机取6例作为验证集进行交叉验证,测试集为9例,训练时间约为5 h,完成了左肺、右肺、脊髓、心脏4个危及器官的自动分割,并使用Dice系数、HD95距离与平均表面距离(ASD)3个指标对测试集进行测试。结果:测试集的分割结果显示,与U-Net与ResNet50相比,FC_DenseNet网络在Dice值、HD95、ASD指标上表现较好,但是不同网络之间的分割结果并没有显著差异(P>0.05),FC_DenseNet网络Dice值最高是左肺为0.98,最低为心脏0.84。结论:本研究的结果表明,密集连接结构的深度学习模型能够较为准确地分割左右肺、脊髓、心脏4个危及器官,这种特征图复用的思想为基于深度学习的医学图像分割提供了新思路。     

基于改进U-Net的肝脏分割方法

针对现有肝脏图像分割方法存在分割精度较低的问题,提出一种改进U-Net的肝脏分割方法。该方法对U-Net结构做出以下改进,即引入改进的残差模块、重新设计跳跃连接,然后采用混合损失函数,从而提高特征信息的利用率,减少编码器和解码器之间的语义差异,缓解类不平衡的问题并且加快网络收敛。在CodaLab组织提供的公共数据集LITS（Liver Tumor Segmentation）上的实验结果表明,利用该方法达到的Dice相似系数值、敏感度、交并比分别为93.69%、94.87%和87.49%。相比于U-Net和Attention U-Net等分割方法,该方法分割出的肝脏区域结果更加准确,取得了更好的分割性能。     

利用深度反卷积神经网络自动勾画放疗危及器官

目的:勾画危及器官是放射治疗中非常重要的常规工作。然而,目前的人工勾画非常耗时,而且依赖于医生的知识和经验。为此,本研究提出一种深度反卷积神经网络,用于自动和精确地勾画危及器官。 方法:深度反卷积神经网络是一个用于自动分割的端到端框架。实验使用了230例头颈部患者的数据,在其中随机选择了184例作为训练集,用于调制自动分割模型的参数,其余46例用作测试集评估方法的性能。用于分割的危及器官包括脑干、脊髓、左腮腺、右腮腺、左颞叶、右颞叶、甲状腺、喉、气管9个危及器官。自动分割精度的量化指标使用戴斯相似性系数和豪斯多夫距离。 结果:所有危及器官自动分割的戴斯相似性系数值均在0.70以上（平均值为0.81）,豪斯多夫距离值在5.0 mm内（平均值为4.3 mm）,表明本研究提出的自动分割方法能准确地分割危及器官。 结论:利用深度反卷积神经网络建立了一种自动分割危及器官的方法,可以得到较准确的结果,为放射治疗流程自动化提供了技术支持。     

基于U-net卷积神经网络的宫颈癌临床靶区和危及器官自动勾画的研究

目的:基于U-net卷积神经网络的深度学习方法,探讨宫颈癌放疗临床靶区和危及器官自动勾画的可行性。方法:利用U-net卷积神经网络模型搭建的端到端自动分割框架,以100例已进行IMRT治疗的宫颈癌患者CT及组织结构信息为研究对象,并随机选取其中的10例作为测试集。勾画的对象包括临床靶区（CTV）、膀胱、直肠和左、右股骨头5个部分,比较手动和自动勾画的戴斯相似性系数（DSC）和豪斯多夫距离（HD）以评估自动勾画模型的准确性。结果:4种危及器官自动勾画的DSC值都在0.833以上,平均值是0.898;HD值均在8.3 mm以内,平均值为5.3 mm;临床靶区DSC值是0.860,HD值为13.9 mm。结论:基于U-net卷积神经网络建立的自动勾画模型能较为准确地实现宫颈癌临床靶区和危及器官的自动勾画,临床应用中可大幅提高医生的工作效率及勾画的一致性。     

基于人工智能的多模态影像辅助海马体自动勾画研究

目的:利用基于深度学习的人工智能算法,结合头颅MRI和CT的多模态影像,开发海马结构自动勾画技术,为头颅放疗过程中海马体的保护提供高效、准确的自动勾画方法。方法:收集清华大学第一附属医院放疗科从2020年1月~12月就诊的40例脑转移癌患者的定位头颅CT及MRI影像,分别在CT图像、CT-MRI配准图像的两个数据集上训练3D U-Net、3D U-Net Cascade、3D BUC-Net 3个深度学习模型,计算3个模型自动分割的左右海马体与对应的人工标注之间的Dice相似系数（DSC）和95%豪斯多夫距离（95 HD）,以及两者的体积作为模型的分割准确性的评估,并且以对同一大小patch图像的自动分割耗时作为模型效率的评估。结果:引入MRI图像信息对左右海马的自动分割精度有明显的提升;模型3D BUC-Net在CT-MRI数据集上对左右海马体的自动分割都取得最好分割结果（DSC:0.900±0.017,0.882±0.026;95HD:0.792±0.084,0.823±0.093）,而且该模型的分割效率更高。结论:模型3D BUC-Net能在多模态影像上实现高效、准确的海马区的自动勾画,为头颅放疗过程中海马区的保护提供方便。     

基于空洞空间金字塔池化的U-Net网络在肺部图像分割上的应用

目的：胸部X线图像中肺野的自动分割是相关疾病筛查和诊断的关键步骤,为了适应计算机辅助诊断系统的要求,提出一种基于空洞空间金字塔池化的U-Net网络对胸部X线图像中肺野进行自动分割。方法：在编码和解码之间引入带有空洞卷积的空间金字塔池化用于扩大接受域;同时,在多个尺度上获取图像上下文信息,用于从胸片中分割肺野,使用Montgomery数据集及深圳数据集进行验证。根据医学图像分割常用指标准确性、Dice相似系数及交并比评价基于空洞空间金字塔池化的U-Net网络分割肺野的性能。结果：验证准确性为98.29%,Dice相似系数为96.61%,交并比为93.47%。结论：本文提出一种基于空洞空间金字塔池化的U-Net网络用于分割肺野,相较于其他方法学习到更多边缘分割特征,取得更好的分割结果。     

基于同构化改进的U-Net结直肠息肉分割方法

结肠镜检查广泛应用于结直肠癌的早期筛查和诊疗,但仅靠人工判读结肠息肉漏检率较高,有研究统计可达25％.基于深度学习的计算机辅助技术有助于提高息肉检测率,但目前深度学习的主流分割网络U-Net存在着两个局限:一是编解码的输出特征图之间存在着语义鸿沟;二是U-Net的双层卷积单元无法学习多尺度信息;割裂地看待容易使模型陷入...     

放疗影像自动分割效果评估中几何参数与剂量学参数之间的关联性

目的:通过分析感兴趣区域（ROI）的几何参数与剂量学参数之间的关联性,探讨放疗影像自动分割效果评估时联合使用几何参数与剂量学参数的必要性。方法:利用卷积神经网络构建的分割模型对18例宫颈癌术后患者的危及器官与靶区进行自动分割,把自动分割结果与医生手动勾画结果进行比较,用于评估的几何参数包括基于体积/面积的Dice相似性系数、相对体积差与基于距离的几何参数:最大Hausdorff距离、95% Hausdorff距离、质心差,剂量学参数包括针对危及器官的平均剂量差、针对靶区的ΔD95和ΔD98。采用线性回归方法研究不同分割方式下ROI几何学参数与剂量学参数间的关系,并使用Spearman相关性分析获得几何参数间的相关性及医生勾画与自动分割间剂量学的相关性。结果:所有ROI的几何参数与剂量学参数间的关系均较弱（63.3%的R2<0.4）且不稳定;同时几何参数间的相关系数|r|不超过0.625,互为弱相关或不相关。结论:在对放疗领域的图像分割结果进行评估时,应该同时考虑到几何参数与剂量学参数。选择几何参数时,应联合基于面积/体积的评估方式与基于距离的评估方式。     

结合上下文和注意力机制改进的视盘分割模型

青光眼为多发性眼底疾病,是致盲的主要原因之一。眼底图像来源广,质量参差不齐,且视盘区域具有多尺度性特征,融合上下文信息有利于准确分割多尺度视盘边界。以U-Net为基础,结合上下文信息和卷积注意力模块（CBAM）,提出了一种改进的视盘分割模型,包括：（1）使用实例-批处理归一化（IBN）模块与注意力机制改进主干网络ResNet34,提升分割模型的泛化性和图像通道特征的提取能力;（2）提出一种多层次上下文信息提取（MCE）模块处理主干网络输出的特征,融合上下文信息增强分割模型对视盘边缘特征的提取能力;（3）使用Transformer机制替换U-Net中的跳跃连接和上采样,进一步提高视盘多尺度特征和图像通道特征的提取能力。将改进的分割模型与U-Net、U-Net++、DeeplabV3+、FCN和PSPNet分割模型进行视盘分割精度比较,结果表明提出的分割模型具有更好的分割效果,Dice、MIoU、MPA和FPS指标分别为98.18%、96.45%、98.11%和17.56 Img/s。该研究成果可为青光眼的早期诊断提供技术支撑。     

算法和匹配数目对宫颈癌危及器官自动勾画的影响

目的:探讨基于Atlas实施宫颈癌危及器官自动勾画时勾画算法及匹配数目对自动勾画结果的影响。方法:基于MIM-Maestro软件建立宫颈癌Atlas模板库,入库病例数目为60例。随机选择Atlas库外10例宫颈癌患者,由临床医生手动勾画危及器官（膀胱、直肠和双侧股骨头）,并定义为参考勾画（Vref）。应用多数投票算法和STAPLE算法,匹配数分别选择1、3、5、7、9进行自动勾画。采用勾画时间（T）、相似性系数（DSC）、敏感性指数（SI）、质心偏差（DC）、Jaccard系数（JAC）、Hausdorff距离（HD）评价勾画结果,并进行单因素方差分析和配对样本t检验。结果:勾画时间随匹配数目增大呈线性增加,与勾画算法无关。多数投票算法和STAPLE算法勾画结果均显示,匹配数为1时膀胱的SI和左股骨头的DSC、HD、JAC与匹配数为3、5、7、9时有统计学差异。STAPLE算法中,直肠和双侧股骨头的SI均显示匹配数目为1、3与5、7、9有统计学差异。两种勾画算法的比较结果显示,仅双侧股骨头的SI有统计学差异。结论:基于Atlas实施危及器官自动勾画时,勾画算法对结果基本无影响,所需时间与匹配数呈正比,综合勾画结果建议匹配数目选择3。     

基于深度学习和图谱库方法自动勾画肿瘤放疗中危及器官的比较

【摘要】目的:评估比较基于深度学习（DL）和图谱库（Atlas）方法自动勾画不同部位肿瘤放疗中危及器官（OARs）轮廓的几何学精度,为临床应用提供依据。方法:选择40例肿瘤患者的CT图像（头颈部、胸部、腹部和盆腔肿瘤患者各10例）,由资深放射治疗医师手动勾画OARs,然后再分别使用基于DL和Atlas方法的自动勾画软件勾画OARs。采用形状相似性指数（DC）、Jaccard系数（JC）、Hausdorff距离（HD）、体积差异（VD）等多个指标评价基于DL和Atlas自动勾画与手动勾画OARs的几何学一致性。结果:除直肠外,采用DL方法勾画的多数OARs的DC指标高于0.7,优于Atlas方法,差异有统计学意义（P<0.05）。此外,DL方法的JC值除晶体、直肠、脊髓外也都大于0.7。HD中最大的是脊髓,两种方法均超过20 mm。DL方法中VD绝对值较大的是直肠。结论:基于DL方法自动勾画的OARs几何精确度总体上高于Atlas方法。下一步,通过继续增大训练集的数据量可进一步提高基于DL方法模型的鲁棒性,从而更好地辅助放射肿瘤医师,使肿瘤患者获益。