【摘要】：鼻咽癌是一種常見的惡性腫瘤,尤其在中國南部、東南亞等地區(qū)發(fā)病率較高。鼻咽癌的首選治療方法是放射治療,經(jīng)過放療后,鼻咽癌患者的五年生存率能達(dá)到50%以上。靶區(qū)勾畫是制定放療計劃過程中基礎(chǔ)且至關(guān)重要的一步,目前,主要由放療科醫(yī)生手工逐層進(jìn)行勾畫,這是一項(xiàng)非常費(fèi)時且乏味的工作。因此,在實(shí)際臨床工作中,迫切需求能自動分割鼻咽癌的計算機(jī)輔助系統(tǒng)幫助減輕放療科醫(yī)生的工作負(fù)擔(dān)。計算機(jī)斷層掃描(CT)圖像是制定放療計劃所必須的圖像模態(tài)。然而,鼻咽部腫瘤在CT圖像中往往并不顯示清晰可見的特征。鼻咽部腫瘤在正電子發(fā)射斷層掃描(PET)圖像中顯示為高亮區(qū)域,但PET圖像空間分辨率低,且某些正常組織(如大腦)在PET圖像中也顯示為高亮區(qū)域,僅基于PET圖像并不能準(zhǔn)確定位腫瘤邊界。實(shí)際臨床工作中常參考PET、CT兩種模態(tài)的圖像,PET圖像提供腫瘤的位置信息,CT圖像指示正常組織的位置及邊界,兩種模態(tài)相結(jié)合為靶區(qū)勾畫提供更精確的參考。近幾年,基于深度學(xué)習(xí)的醫(yī)學(xué)圖像分割取得了與人類專家水平相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。本文應(yīng)用醫(yī)學(xué)圖像分割中常用的U-net網(wǎng)絡(luò)基于雙模態(tài)PET-CT圖像實(shí)現(xiàn)鼻咽癌的自動分割。分割之前,對不同病人間的數(shù)據(jù)進(jìn)行了三維仿射配準(zhǔn),將圖像對齊至統(tǒng)一的空間。為了緩解過擬合問題,在訓(xùn)練的過程中進(jìn)行了在線數(shù)據(jù)擴(kuò)增。為了利用兩種模態(tài)的圖像信息,本文中的U-net網(wǎng)絡(luò)有兩個輸入通道。針對醫(yī)學(xué)圖像分割中類分布嚴(yán)重不平衡的問題,根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)特點(diǎn),設(shè)計了加權(quán)的交叉熵?fù)p失函數(shù)來增大腫瘤像素點(diǎn)的誤差。本文也提出了簡單有效的后處理步驟來減少假陽性像素點(diǎn)的個數(shù)。三折交叉驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)獲得了0.8614的平均Dice得分。為了提取具有高度表達(dá)力的特征,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常深,這可能導(dǎo)致梯度消失的問題,使得淺層網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)并沒有被訓(xùn)練至最優(yōu)。針對這個問題,本文提出了帶有輔助路徑的U-net網(wǎng)絡(luò)。輔助路徑引入的深度監(jiān)督直接指導(dǎo)淺層的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的優(yōu)化,從而使這些層能夠?qū)W習(xí)更具表達(dá)力的特征。通過添加輔助路徑,三折交叉驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)獲得了0.8747的平均Dice得分,這在鼻咽癌分割領(lǐng)域高于迄今文獻(xiàn)所報道的最好的結(jié)果,也表明添加輔助路徑是一項(xiàng)有用的策略。本文也通過三折交叉實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的方法中幾個主要成分對最終分割性能的影響,如配準(zhǔn)過程、后處理過程、CT圖像的影響等。另外,本文也探索了不同的損失函數(shù)及不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在我們的鼻咽癌分割工作中的潛能。
【圖文】：

第一章緒論逡逑畫一個鼻咽癌病人的靶區(qū)可能需要花費(fèi)其他類型腫瘤三倍的時區(qū)的速度限制了病人接受治療的進(jìn)程。另外，勾畫的輪廓的質(zhì)生的專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)不同醫(yī)生完成時，腫瘤邊界可能存在較設(shè)計能自動分割鼻咽癌靶區(qū)的計算機(jī)輔助系統(tǒng)幫助減少放療科以及減少不同醫(yī)生勾畫的邊界的差異性非常有意義。逡逑咽癌在不同模態(tài)的圖像中的特點(diǎn)逡逑鼻咽癌在ＣＴ圖像中的特點(diǎn)逡逑

具有相似的灰度值，需要同時參考ＭＲ圖像或者ＰＥＴ圖像，而多模態(tài)圖像的聯(lián)逡逑合分割本身又存在著如何整合不同模態(tài)的信息的問題；（３）不同病人的腫瘤形逡逑狀和大小差異較大。圖２－丨給出了三個鼻咽癌病人的腫瘤的三維形狀，可以看到逡逑不同患者的腫瘤形狀差異很大，這使得基于形狀先驗(yàn)的方法很難在這一領(lǐng)域奏逡逑效。也有部分研究者在這一領(lǐng)域進(jìn)行了探索。可將這些方法歸納為三類：（１）逡逑基于灰度的方法；（２）基于輪廓的方法；（３）基于學(xué)習(xí)的方法。逡逑■■■逡逑圖２－１三個鼻咽癌病人的腫瘤形狀［２］。逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｔｈｅ邋ｔｕｍｏｒ邋ｓｈａｐｅ邋ｉｎ邋ｔｈｒｅｅ邋ｐａｔｉｅｎｔｓ邋ｗｉｔｈ邋ｎａｓｏｐｈａｒｙｎｇｅａｌ邋ｃａｒｃｉｎｏｍａ１２１．逡逑２．２基于灰度的分割方法逡逑基于灰度的分割方法類，，主要依賴于目標(biāo)區(qū)域與背景區(qū)域的灰度差異，包括逡逑６逡逑
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：R739.63;TP391.41

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本文編號：2698229