【摘要】：心血管疾病(Cardiovascular Diseases,CVDs)已經(jīng)成為嚴(yán)重威脅亞洲地區(qū)人類身體健康和生命安全的主要疾病之一。隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展,不同的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備逐漸被應(yīng)用于心血管疾病的診斷過程中,如,核磁共振成像(MRI)、電子計(jì)算機(jī)斷層掃描成像(CT)、正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像(PET)等�；卺t(yī)療成像設(shè)備獲取的心臟圖像,左心室分割和定量分析是心臟疾病診斷的重要步驟之一。左心室分割是指在不同的心臟圖像上精準(zhǔn)的劃分出左心室的邊界,包括心內(nèi)膜的邊界和心外膜的邊界。左心室的定量分析是指對(duì)左心室的壁厚等指標(biāo)進(jìn)行估計(jì),主要包括:左心室的面積(心腔的面積和左心室的面積),區(qū)域壁厚(the regional wall thicknesses(RWT),包括前間壁中部,前臂中部,側(cè)壁中部,后壁中部,下壁中部和室間隔中部的壁厚)和左心室的直徑(3條固定方向的直徑)等十一個(gè)指標(biāo)。精準(zhǔn)的左心室分割有利于醫(yī)生更好的掌握病患左心室心肌層的邊界,給醫(yī)生提供更好的視覺輔助。當(dāng)前,臨床醫(yī)生主要是通過人工分割及度量對(duì)左心室進(jìn)行分割。數(shù)據(jù)表明,臨床醫(yī)生分割一名病患的心臟MR圖像(20幅)需要花費(fèi)20分鐘。臨床中,大量的患者,不同的成像設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生大量的心臟圖像,僅通過人工對(duì)心臟圖像進(jìn)行分割對(duì)醫(yī)生而言是一項(xiàng)極為繁重的工作。同時(shí),由于患者之間的個(gè)體差異,心臟運(yùn)動(dòng)引起的心肌形狀變化、乳頭肌的存在、不同模態(tài)圖像的固有噪聲等因素,都會(huì)影響醫(yī)生人工分割的精度,難以較快獲得精準(zhǔn)的分割結(jié)果。同時(shí),由于人工分割無可避免的存在個(gè)人主觀因素的干擾,心臟分割的結(jié)果缺乏一定的客觀性。精確的左心室定量分析結(jié)果有利于醫(yī)生更好的掌握病患左心室心肌層邊界及其厚度變化,對(duì)心血管疾病的診斷具有重要的意義�，F(xiàn)有的左心室定量分析大多是醫(yī)生基于手動(dòng)分割的結(jié)果,測(cè)量估計(jì)左心室的面積,射血分?jǐn)?shù)和壁厚等指標(biāo)。這導(dǎo)致現(xiàn)有的左心室定量分析方法的結(jié)果同時(shí)受醫(yī)生手動(dòng)分割結(jié)果的誤差和進(jìn)一步測(cè)量誤差的共同影響,且手動(dòng)分割和進(jìn)一步測(cè)量都需要消耗醫(yī)生大量的時(shí)間。為了提高心臟圖像分割和定量分析的精度和效率,將放射科醫(yī)生從冗長、低效的工作中解脫出來,基于計(jì)算機(jī)的心臟分割和定量分析方法研究勢(shì)在必行。基于上述分析,本文提出了一系列左心室分割和定量分析方法:(1)本文提出了一種混合模態(tài)自適應(yīng)的心臟圖像分割算法。當(dāng)前的心臟圖像分割算法是針對(duì)單模態(tài)圖像或者多模態(tài)圖像(跨模態(tài)圖像)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的。基于單模態(tài)的心臟圖像分割算法,泛化能力相對(duì)較差,當(dāng)其應(yīng)用于新的模態(tài)時(shí)往往需要進(jìn)行重新訓(xùn)練。基于多模態(tài)的心臟圖像分割算法,往往需要同一個(gè)患者的不同模態(tài)的圖像�？紤]到心臟MR圖像和CT圖像在心肌形狀上的表達(dá)一致性,本文首次提出了混合模態(tài)的心臟圖像分割算法。混合模態(tài)圖像,不同于常見的多模態(tài)圖像,它指的是數(shù)據(jù)中包含多個(gè)模態(tài)的圖像,但多個(gè)模態(tài)的圖像來自于不同的患者。本文提出的混合模態(tài)自適應(yīng)的心臟圖像分割算法,充分利用不同模態(tài)心臟圖像的左心室形狀相似性,實(shí)現(xiàn)左心室的精準(zhǔn)分割。該算法具有很好的泛化性能,對(duì)于新的模態(tài)的圖像分割無需二次訓(xùn)練。(2)本文設(shè)計(jì)提出一種半監(jiān)督的生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)用于左心室分割。大量的帶標(biāo)記的訓(xùn)練圖像可以提高算法的精度。然而,圖像標(biāo)注是一件極為繁瑣、工作量巨大的任務(wù)。特別是醫(yī)學(xué)圖像標(biāo)注,缺乏一定醫(yī)學(xué)知識(shí)的普通人往往難以正確的標(biāo)注。因此,為充分利用大量的未標(biāo)注的數(shù)據(jù),本文設(shè)計(jì)提出一種半監(jiān)督的生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)用于心臟MR圖像左心室分割。(3)本文將深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與集成學(xué)習(xí)結(jié)合,提出一種深度集成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)左心室的定量分析。左心室的量化分析是指對(duì)左心室的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行估計(jì),在心血管疾病的診斷過程中,精確地左心室量化分析結(jié)果能夠給醫(yī)生提供一個(gè)直觀準(zhǔn)確的依據(jù)。考慮到在傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域中,集成學(xué)習(xí)能夠有效提高個(gè)體學(xué)習(xí)器的精度。基于此,本文分別從三個(gè)角度設(shè)計(jì)了三個(gè)子網(wǎng)絡(luò),并通過對(duì)三個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)果的集成獲取最終的定量分析結(jié)果。該方法能夠充分利用不同角度下進(jìn)行左心室定量分析的優(yōu)勢(shì),提高估計(jì)的精度。(4)考慮到同時(shí)實(shí)現(xiàn)心臟圖像分割和定量分析的重要性,本文設(shè)計(jì)提出一種新的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了心臟圖像分割和定量分析。在現(xiàn)有的心臟圖像分析工作中,心臟圖像分割工作往往僅提供分割結(jié)果,依靠分割結(jié)果計(jì)算其定量分析結(jié)果需要二次計(jì)算,二次計(jì)算過程中難以避免誤差的出現(xiàn)。直接的左心室量化分析工作(即不需要進(jìn)行左心室分割直接對(duì)指標(biāo)進(jìn)行量化),往往不能提供分割結(jié)果,對(duì)醫(yī)生的臨床診斷而言,缺乏一定的視覺輔助效果。因此,本文設(shè)計(jì)提出一種新的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)實(shí)現(xiàn)心臟圖像分割和定量分析,在獲取精確的定量分析結(jié)果的同時(shí),給醫(yī)生提供視覺輔助,從而更好的實(shí)現(xiàn)心臟疾病的計(jì)算機(jī)輔助診斷。為了檢測(cè)和評(píng)估本文提出的左心室分割和定量分析方法的性能,本文進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的方法,在心臟分割和定量分析上都具有很高的精確度,其在臨床診斷中也具有極高的精確性。
【圖文】：

和左心室的直徑（三條固定方向的直徑，dim1,dim2, dim3），如圖 1.2 所示。（a）心臟 MR 圖像 （b）心臟 CT 圖像圖1.1 不同模態(tài)心臟圖像及其分割結(jié)果示意圖精準(zhǔn)的左心室的分割有利于醫(yī)生更好的掌握病患左心室心肌層的邊界，給醫(yī)生提供更好的視覺輔助。當(dāng)前，，臨床醫(yī)生主要是通過人工分割及度量對(duì)左心室進(jìn)行分割。然而，這是一項(xiàng)耗時(shí)極高，工作枯燥且低效的工作。數(shù)據(jù)表明，臨床醫(yī)生分割一名病患的心臟 MR

僅通過人工對(duì)心臟圖像進(jìn)行分割對(duì)醫(yī)生而言是一項(xiàng)極為繁重的工作。同時(shí)，于患者之間的個(gè)體差異，心臟運(yùn)動(dòng)引起的心肌的形狀變化、乳頭肌的存在、不同模態(tài)圖的自身的噪聲等因素，都會(huì)影響醫(yī)生人工分割的精度，難以較快獲得準(zhǔn)確的分割結(jié)果。時(shí)，由于人工分割無可避免的存在個(gè)人主觀因素的干擾，心臟分割的結(jié)果無可避免的缺一定的客觀性。精確的左心室定量分析結(jié)果有利于醫(yī)生更好的掌握病患左心室心肌層邊界及其厚變化，對(duì)心血管疾病的診斷具有重要的意義�，F(xiàn)有的左心室定量分析大多是依靠醫(yī)生首對(duì)左心室進(jìn)行分割，基于手動(dòng)分割的結(jié)果，測(cè)量估計(jì)左心室的面積，射血分?jǐn)?shù)和壁厚等等這導(dǎo)致左心室手動(dòng)分割的誤差將直接影響到左心室定量分析的結(jié)果。同時(shí)，在左心室分消耗的大量時(shí)間的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的測(cè)量估計(jì)同樣需要消耗大量的時(shí)間。因此，手動(dòng)的心室定量分析，不僅存在二次誤差，且時(shí)間代價(jià)更為高昂，不利于現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)輔助斷的形成。
【學(xué)位授予單位】：山東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：R540.4;TP391.41

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本文編號(hào)：2614653