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基于生成对抗网络的心脏MR图像左室心肌分割及后处理技术研究

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基于生成对抗网络的心脏MR图像左室心肌分割及后处理技术研究

作者：苑金辉南京邮电大学

学位级别：硕士

随着医学影像技术的发展,基于心脏MR(Magnetic Resonance,MR)图像左心室分割的心脏功能参数估算,对于诊断和治疗相关疾病有着重大的意义。传统的左心室分割方法存在分割准确率低或无法实现全自动分割等缺点,随着人们对深度学习的深入研... 详细信息

随着医学影像技术的发展,基于心脏MR(Magnetic Resonance,MR)图像左心室分割的心脏功能参数估算,对于诊断和治疗相关疾病有着重大的意义。传统的左心室分割方法存在分割准确率低或无法实现全自动分割等缺点,随着人们对深度学习的深入研究,特别是卷积神经网络在医学图像分割上的应用,心脏MR图像左心室分割的准确率也得到了大幅度的提高,并且实现了全自动分割。本文研究了基于生成对抗网络的心脏MR图像左心室分割方法,并且针对生成对抗网络分割结果的缺陷,提出了快速后处理方法,论文的主要工作和创新点如下:(1)研究并分析了生成对抗网络在心脏MR图像左心室分割上的表现。介绍了生成对抗网络的结构和特点,尝试在生成对抗网络中加入注意力模块抑制非左心室区域对分割结果造成的影响,并采用多尺度判别网络对生成对抗网络进行训练,通过使用分层特征来捕捉像素之间的长距离和短距离空间关系。随后介绍了公开的左心室分割数据集,将该数据集随机分为训练集、验证集和测试集作为本文的训练和测试数据。在实验结果中,生成对抗网络在测试集内外膜分别取得了0.9312、0.9623的Dice系数、0.8866、0.9276的Jaccard系数和0.9260、0.9557的Sensitivity系数。(2)针对心脏MR图像左心室分割数据集不足的问题,采用了迁移学习的思想,并在训练过程中提出了逐层微调的策略。通过使用VGG16网络在自然图像上进行预训练,将预训练网络参数迁移到目标网络上进行二次训练,并根据源域和目标域的大小和相似程度选择对预训练网络进行逐层微调使网络自适应的调整网络参数,避免直接微调整个网络导致产生过大的计算量。通过实验分析了不同的改进方法对分割效果产生的影响,从测试集的分割效果上来看,生成对抗网络在测试集内外膜分别取得了0.9399、0.9697的Dice系数、0.8968、0.9415的Jaccard系数和0.9363、0.9686的Sensitivity系数。(3)针对在心室膜边缘较为模糊,生成对抗网络对边缘的输出结果分割较差的问题,提出了一种改进的基于双水平集的快速后处理算法。在使用传统水平集方法对左心室内外膜进行分割时,存在水平集函数演化不稳定、模糊边缘分割精度低和分割效率低等问题。本文提出新的距离规则化函数和各向异性梯度矢量流对水平集的能量函数进行改进,新的距离规则化函数可以更好的约束边缘正则性,能够很好的弥补生成对抗网络输出结果当中的缺陷,各向异性梯度矢量流使模型在边缘凹陷处也能有较好的分割精度,最后使用0水平集函数和k水平集函数分别向左心室内外膜演化。通过ROI提取,去掉了大部分生成对抗网络输出结果中不需要参与水平集优化的区域,极大提升了时间效率。实验表明生成对抗网络输出结果后处理后Dice系数、Jaccard系数和Sensitivity系数均获得提升。

关键词：左心室分割心脏MR图像生成对抗网络迁移学习水平集后处理

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双层芯色散补偿光子晶体光纤

北京邮电大学学报 2010年第5期33卷 33-36页

作者：苑金辉桑新柱余重秀忻向军光通信与光电子学教育部重点实验室(北京邮电大学) 北京100876

为了抑制通信系统中脉冲的展宽,根据色散补偿理论,提出了一种由单一石英材料制成的双层芯光子晶体光纤(DCCPCF).该光纤的色散值在1.55μm处可达到-6000ps/(nm·km).理论分析表明,在传输过程中内芯基模和外芯缺陷模以相位匹配波长为临界... 详细信息

为了抑制通信系统中脉冲的展宽,根据色散补偿理论,提出了一种由单一石英材料制成的双层芯光子晶体光纤(DCCPCF).该光纤的色散值在1.55μm处可达到-6000ps/(nm·km).理论分析表明,在传输过程中内芯基模和外芯缺陷模以相位匹配波长为临界状态,在内芯与外芯之间相互交替传输,并在匹配波长处因模式发生强烈耦合而引起折射率产生大幅度波动.通过对结构参数d1、d2变化的情况下色散曲线的扰动情况进行分析,可为实际制备工作提供一定的理论指导.

关键词：双层芯光子晶体光纤多极法内芯基模外芯缺陷模相位匹配波长

基于光子晶体光纤和飞秒激光源的近红外波段宽带孤子和可见区高效色散波产生的实验

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红外与毫米波学报 2016年第4期35卷 477-482页

作者：杨建菊周桂耀韩颖侯蓝田李曙光王伟赵兴涛苑金辉燕山大学信息科学与工程学院河北秦皇岛066004 燕山大学河北省特种光纤与光纤传感重点实验室河北秦皇岛066004 北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室北京100876

将钛宝石激光器产生的飞秒激光脉冲泵浦实验室自制的高非线性双折射光子晶体光纤,脉冲的中心波长为820 nm,位于光子晶体光纤的接近于零色散的反常色散区.实验结果表明:随着泵浦功率的增加,一阶孤子的中心波长发生了红移,同时产生的色散... 详细信息

将钛宝石激光器产生的飞秒激光脉冲泵浦实验室自制的高非线性双折射光子晶体光纤,脉冲的中心波长为820 nm,位于光子晶体光纤的接近于零色散的反常色散区.实验结果表明:随着泵浦功率的增加,一阶孤子的中心波长发生了红移,同时产生的色散波的中心波长则发生蓝移进入可见光区.当泵浦功率达到0.45 W时,色散波与残余泵浦的输出功率比为42.67,色散波的带宽达到81 nm,而处于近红外波段的红移孤子带宽可达231 nm.利用高非线性光子晶体光纤产生近红外波段宽带孤子和可见区高效色敬波的实验对飞秒激光频率转换和光谱展宽具有很好的借鉴意义.

关键词：高非线性光子晶体光纤飞秒激光频率转换色散波红移孤子

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平坦色散高非线性光子晶体光纤的制备与实验

光电子．激光 2008年第8期19卷 1007-1010页

作者：苑金辉侯蓝田周桂耀高飞王康燕山大学信息科学与工程学院燕山大学红外光纤与传感研究所河北秦皇岛066004

运用改进的全矢量有效折射率法（IFVEIM），课题组自行设计了一种在900nm附近具有低平坦色散高非线性特性的光子晶体光纤。并且在改进工艺的基础上，采用中心抽真空挤压法对其进行了制备。虽然所制得光纤的结构参数与理论设计值存在一... 详细信息

运用改进的全矢量有效折射率法（IFVEIM），课题组自行设计了一种在900nm附近具有低平坦色散高非线性特性的光子晶体光纤。并且在改进工艺的基础上，采用中心抽真空挤压法对其进行了制备。虽然所制得光纤的结构参数与理论设计值存在一定的偏差，但其在所研究波段内色散值仅为0．5ps／km／nm，非线性系数值则达到了35（w＊km）^-1，这在当前规则结构的纯硅光子晶体光纤中已经很高。最后，我们对其进行了非线性实验测试，其在400-1400nm的波段范围内展现出了宽平坦的超连续谱。

关键词：光子晶体光纤改进的全矢量有效折射率法低平坦色散高非线性中心抽真空挤压法超连续谱

Analytical model of signal amplification in silicon waveguides

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Chinese Physics B 2012年第7期21卷 320-324页

作者：孟凡余重秀苑金辉 State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications Beijing University of Post and Telecommunications

In this paper, an analytical model to investigate the parametric amplification （PA） and the PA ＋ stimulated Raman scattering （SRS） in silicon waveguides is put forward. When two pump signals are employed, the PA bandwidth of the probe signal is so large that the Raman contribution has to be considered. When Raman contribution fraction f is set to be 0, only the PA occurs to amplify the probe signal, and when f is set to be 0.043, the PA and the SRS amplify the probe signal at the same time. The signal amplifications of both single and dual pump schemes are investigated by using this model. With this model, three main affecting factors, i.e., zero dispersion wavelength （ZDWL）, third-order dispersion （TOD）, and fourth-order dispersion （FOD）, are discussed in detail.

关键词： parametric amplification stimulated Raman scattering silicon waveguides Raman con-tribution fraction

一种基于U⁃Net网络心脏MR图像左室识别的图割后处理快速算法

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南京邮电大学学报（自然科学版） 2021年第2期41卷 29-35页

作者：乔艳苑金辉谢文鑫胡晓飞南京邮电大学地理与生物信息学院江苏南京210023 南京邮电大学通信与信息工程学院江苏南京210003

为了从心脏MR图像中分割出左心室,提出了一种基于U⁃Net网络的图割后处理算法。先训练U⁃Net网络分割网络得到概率图,接着采用图割算法进行后处理。为了减少图割算法运行时间,采用图像形态学操作去除无需后处理区域,只保留分割结果的边缘... 详细信息

为了从心脏MR图像中分割出左心室,提出了一种基于U⁃Net网络的图割后处理算法。先训练U⁃Net网络分割网络得到概率图,接着采用图割算法进行后处理。为了减少图割算法运行时间,采用图像形态学操作去除无需后处理区域,只保留分割结果的边缘区域进行图割优化。采用Dice系数和召回率这两种评价指标,在Sunnybrook数据集上的实验结果表明,该算法结果的边缘更接近标准分割结果,且具有较高的Dice系数、召回率和时间效率。

关键词：左心室分割心脏MR图像 U⁃Net网络形态学操作图割

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一种阶梯结构的色散平坦光子晶体光纤的研究

光学学报 2008年第6期28卷 1167-1171页

作者：苑金辉侯蓝田周桂耀魏东宾王海云燕山大学信息科学与工程学院红外光纤与传感研究所河北秦皇岛066004

以多极法理论为基础,提出了一种阶梯结构的光子晶体光纤。通过改变其内四层的三个结构参量(内两层孔孔径,外两层孔孔径和孔间距),实现色散绝对值在1.1～1.8μm的波段内变化仅为0.05～2ps/(***)的平坦甚至超平坦的特性。在此情况下对其... 详细信息

以多极法理论为基础,提出了一种阶梯结构的光子晶体光纤。通过改变其内四层的三个结构参量(内两层孔孔径,外两层孔孔径和孔间距),实现色散绝对值在1.1～1.8μm的波段内变化仅为0.05～2ps/(***)的平坦甚至超平坦的特性。在此情况下对其有效模场面积进行数值模拟,充分展示了达到色散平坦和超平坦时,相对于传统光子晶体光纤,此种结构的光纤对芯区内光场的局域能力有很大程度的增强,其有效模场面积可仅为传统光子晶体光纤的1/30。最后,经过大量的数值计算和理论分析,归纳出若要此种阶梯结构的光纤在1.1～1.8μm的波段内达到色散平坦甚至超平坦特性的设计依据。

关键词：光子晶体光纤多极法超平坦色散有效模场面积设计依据

Nonlinear performances of dual-pump amplifiers in silicon waveguides

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Chinese Physics B 2012年第4期21卷 290-295页

作者：孟凡余重秀邓云逸苑金辉 State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications(Beijing University of Post and Telecommunications) Beijing 100876China

The performances of a dual-pump parametric and Raman amplification process and the wavelength conversion in silicon waveguides are investigated. By setting the Raman contribution fraction f to be 0.043 in our analytical model, the amplification gain of the probe signal can be obtained to be over 10 dB. The pump transfer noise （PTN）, the quantum noise （QN）, and the total noise figure （TNF） are discussed, and the TNF has a constant value of about 4 dB in the gain bandwidth. An idler signal generated during the parametric amplification （PA） process can be used to realize the wavelength conversion in wavelength division multiplexing （WDM） systems. In addition, the pump signal parameters, the generated free carrier lifetime and effective mode area （EMA） of the waveguide are analysed for the optimization of signal gain and noise characteristics.

关键词： silicon waveguide parametric amplification stimulated Raman scattering noise figure wavelength conversion

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光子晶体光纤的研究新进展

光学学报 2011年第9期31卷 332-336页

作者：余重秀苑金辉申向伟北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室北京100876

介绍了国内外光子晶体光纤(PCF)研究的新进展,涉及到大负色散PCF研究、光子带隙型PCF的带隙与模式研究、利用PCF的波长可调节有效频率变换、基于PCF的可见光波段平坦超连续谱(SC)和高效宽带切伦科夫辐射(CR)的产生等,并介绍了近期在PCF... 详细信息

介绍了国内外光子晶体光纤(PCF)研究的新进展,涉及到大负色散PCF研究、光子带隙型PCF的带隙与模式研究、利用PCF的波长可调节有效频率变换、基于PCF的可见光波段平坦超连续谱(SC)和高效宽带切伦科夫辐射(CR)的产生等,并介绍了近期在PCF相关理论和实验方面研究进展,包括PCF的数值分析新方法,极大负色散的PCF、反共振引导型PCF(ARG-PCF)和三种高非线性PCF的研究与设计,利用所设计的新型PCF,在实验上实现波长可调节的高效反斯托克斯信号转换,产生了470～805 nm范围内的平坦SC,产生了可见光波段高效和宽带的CR等。

关键词：光子晶体光纤大负色散光子带隙频率变换超连续谱切伦科夫辐射