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基于弱监督学习的cbct图像超分辨率方法研究

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基于弱监督学习的CBCT图像超分辨率方法研究

作者：宋全博山东大学

学位级别：硕士

随着医学图像技术不断发展,各种模态的医学影像越来越多地应用于健康监测、临床诊断、辅助手术等领域。然而受限于成像技术与硬件设备等限制,医学图像常存在噪声和伪影,而且其清晰度相对较低,不利于医学图像后续的临床应用。由此,研究... 详细信息

随着医学图像技术不断发展,各种模态的医学影像越来越多地应用于健康监测、临床诊断、辅助手术等领域。然而受限于成像技术与硬件设备等限制,医学图像常存在噪声和伪影,而且其清晰度相对较低,不利于医学图像后续的临床应用。由此,研究者们提出了医学图像超分辨率的工作,以改善医学影像的质量。近年来深度学习技术快速发展,研究者们使用卷积神经网络进行超分辨率,有效地提升了医学影像的质量。然而医学图像往往难以获取,无法构建大规模的数据集进行有监督的网络训练,同时训练结果泛用性有待提升。针对上述问题,本文构建了两个一种基于先验GAN的cbct图像超分辨率网络与基于隐式图像函数的cbct超分辨率方法。本文的主要工作总结如下:1)本文设计了一种基于先验GAN的cbct图像超分辨率方法。通过预训练的GAN网络学习到符合参考图像分布的隐向量空间,再将预训练的GAN模型嵌入到U型网络中,生成具有接近参考丰富特征的目标图像。基于先验GAN方法可以捕获Micro-CT中丰富的纹理和形状先验知识,提升cbct图像中牙齿的分辨率至接近Micro-CT的效果。本文使用一种牙齿检测模块,借助牙齿检测模块来定位原医学图像中的单个部位,分别通过先验生成器隐向量空间的映射,解决了网络中Micro-CT与cbct之间存在的匹配问题。由于使用的扫描设备不同,cbct图像与Micro-CT图像之间往往存在不同的噪声、伪影等信息。为解决此领域差距,使用小波变换提取出cbct的高频噪声信息,在构造低分辨率-高分辨率图像对时加入所提取的高频噪声,促使与训练的生成器能够在进行超分辨率时忽视cbct噪声的分布信息,从而生成更符合Micro-CT信息分布的图像。2)本文设计了一种基于隐式图像函数的cbct超分辨率方法。通过特征提取模块提取图像中每个点位置的特征信息;通过计算可移动向量来获得目标像素点在全局中相关的坐标,将上述坐标以及与目标点相邻的点整合,获得充分的特征信息;在获取特征信息的前后分别使用小波变换与逆小波变换,区分高频与低频的特征获取;最后使用隐式函数将特征信息生成任意倍率的超分辨率图像。本文在cbct数据集上进行充分的实验,验证了本文所提出模型的超分辨率效果与现有的超分辨率方法相比具有较强的竞争力。获得高质量医学图像后,可以更为高效地计算机辅助诊疗效果。

关键词：超分辨率 cbct图像先验生成对抗网络弱监督学习

基于边界先验和改进U-Net的口腔cbct图像牙齿分割算法

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基于边界先验和改进U-Net的口腔CBCT图像牙齿分割算法

作者：李东虎吉林大学

学位级别：硕士

随着经济社会的快速发展,人类饮食习惯的改变导致口腔健康状况不容乐观。在临床诊断中,牙科医生很难通过传统方法充分了解患者口腔内部的真实情况。随着计算机技术和数字化口腔医疗的不断发展,锥形束计算机断层扫描(Cone Beam Computed ... 详细信息

随着经济社会的快速发展,人类饮食习惯的改变导致口腔健康状况不容乐观。在临床诊断中,牙科医生很难通过传统方法充分了解患者口腔内部的真实情况。随着计算机技术和数字化口腔医疗的不断发展,锥形束计算机断层扫描(Cone Beam Computed Tomography,cbct)作为一种医学影像技术被用于牙科临床诊断。然而,人工对cbct图像中的牙齿进行分割费时费力,对医生的熟练度也有较高的要求。因此,亟需一种cbct牙齿全自动分割方法来辅助牙科医生进行牙齿疾病的诊断。由于牙齿周围的牙槽骨与牙齿的密度非常相似难以区分,而且相邻牙齿之间存在边界模糊,所以从cbct图像中精确分割出牙齿是一项极具挑战的工作。本文提出了一种基于深度学习方法的两阶段学习的牙齿分割模型。两阶段学习的第一阶段对牙齿边界先验信息进行学习,第二阶段在边界先验信息的辅助下完成牙齿的分割。网络的两个阶段都使用U-Net作为主干网络,在第一阶段网络中加入边界注意力模块,通过使用通道注意力机制帮助学习重要特征信息,并融合多尺度特征信息获得有效的边缘特征;在第二阶段网络中加入特征融合单元来融合从牙齿图像和牙齿边界图像中学习到的解码特征,进一步增强网络分割相邻牙齿以及区分牙齿与牙槽骨的能力。本文使用cbct牙齿数据集在多个语义分割网络中进行了实验,结果表示与现有的牙齿分割算法相比,本文所提出的算法可以更完整地对牙齿的边界进行分割,且分割效果更为准确。此外,本文设计的消融实验证明了边界注意力模块、深度监督分支和特征融合单元的有效性。

关键词： cbct图像牙齿分割深度学习边界先验注意力机制

基于区域能量函数的快速cbct图像牙齿分割算法

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计算机辅助设计与图形学学报 2018年第6期30卷 975-983页

作者：钱驾宏孙夏汤德衍陶煜波林军林海浙江大学CAD&CG国家重点实验室杭州310058 浙江大学微创技术和器械临床医学创新中心杭州310020 浙江大学附属第一医院杭州310006

从锥形束面计算机断层扫描图像中分割出三维牙齿模型对口腔正畸治疗和研究工作十分重要.针对邻接牙、牙周组织模糊等问题,提出一种基于区域能量函数的快速牙齿分割算法.首先通过牙髓种子点和梯度模,筛选拟合得到一条粗略的初始分割曲线... 详细信息

从锥形束面计算机断层扫描图像中分割出三维牙齿模型对口腔正畸治疗和研究工作十分重要.针对邻接牙、牙周组织模糊等问题,提出一种基于区域能量函数的快速牙齿分割算法.首先通过牙髓种子点和梯度模,筛选拟合得到一条粗略的初始分割曲线;然后根据灰度分布特征确定曲线变化的搜索路径和变化区域,在此区域内构造了一个基于灰度值、梯度模和边界平滑性的区域能量函数,优化初始分割曲线得到精确的分割曲线;再将上一层的最终分割曲线作为下一层的初始分割曲线,逐层优化得到所有分割曲线;最后使用Marching Cubes算法重建得到完整牙齿网格模型.采用cbct数据集进行测试,实验结果表明,该算法能够有效且快速地解决模糊问题,得到满足正畸治疗需要的牙齿模型.

关键词： cbct图像牙齿分割区域能量函数

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面向cbct图像的金字塔微分同胚变形牙齿网格重建方法

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浙江大学学报（理学版） 2023年第6期50卷 701-710页

作者：张泽初彭伟龙唐可可余朝阳 Asad Khan 方美娥广州大学元宇宙研究院计算机科学与网络工程学院广东广州510006 广州大学网络空间先进技术研究院广东广州510006 广西医科大学第一临床医学院广西南宁530021

从锥形束计算机断层扫描(cone-beam computed tomography,cbct)中生成准确、高质量的牙齿网格是数字牙科常用的一种计算机辅助技术。然而,现有的基于实例分割的方法需要进行复杂的后处理和大量手动修正才能生成符合后续使用要求(如有限... 详细信息

从锥形束计算机断层扫描(cone-beam computed tomography,cbct)中生成准确、高质量的牙齿网格是数字牙科常用的一种计算机辅助技术。然而,现有的基于实例分割的方法需要进行复杂的后处理和大量手动修正才能生成符合后续使用要求(如有限元分析)的牙齿网格。通过学习由微分同胚变形生成多分辨率的牙齿网格,直接用cbct图像生成高质量的牙齿网格。采用经典的两阶段网络,第1阶段,用改进后的牙齿检测网络准确定位和裁剪牙齿;第2阶段,基于微分同胚变形的金字塔流将球面网格从低分辨率变形为高分辨率,使得生成的牙齿网格高效逼近目标网格。实验结果表明,所提方法在各评估指标上和重建牙齿表面的几何质量上均优于现有先进方法。

关键词：牙齿网格重建形状生成金字塔微分同胚变形 cbct图像

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cbct图像去噪与配准算法研究

CBCT图像去噪与配准算法研究

作者：孙倩山东大学

学位级别：硕士

随着物理学与生物科学理论的不断完善以及放射治疗技术的快速发展,放射治疗已成为治疗肿瘤的主要手段之一。目前,基于锥形束CT（Cone-Beam CT,cbct）成像系统的图像引导放射治疗（Image Guided Radio Therapy,IGRT）可以达到提高放疗精... 详细信息

随着物理学与生物科学理论的不断完善以及放射治疗技术的快速发展,放射治疗已成为治疗肿瘤的主要手段之一。目前,基于锥形束CT（Cone-Beam CT,cbct）成像系统的图像引导放射治疗（Image Guided Radio Therapy,IGRT）可以达到提高放疗精度的目的。通常,cbct兼具实时性好、灵敏度高、使用方便等优点,与计划CT图像配准融合后可更加充分地发挥上述优势。但是,cbct图像的弱边缘由于受噪声的严重影响而变得不清晰,并且图像低对比度区域的分辨率较差,这增加了诊断难度。同时,现阶段临床cbct图像与计划CT图像的配准多是由医技人员手动完成,这必然会在一定程度上降低放疗精度。本文在分析比较现有的医学图像去噪及多模配准方法的基础上,提出了基于系数分类的cbct图像去噪算法和基于特征向量的cbct图像与计划CT图像的弹性配准方法。本文在这两方面的主要工作和创新点如下： 1.基于系数分类的cbct图像去噪（1）根据cbct图像的成像原理及噪声分布特点,在小波模极大去噪理论的基础上,提出了一种快速且易实现的基于系数分类的cbct图像去噪方法。对测试图像与临床cbct图像的去噪结果表明,该算法能够在保留重要诊断细节的同时有效地抑制cbct图像中的噪声。此外,该算法无需对IGRT设备做任何改进,降低了临床推广的难度。（2）对二进小波的噪声分布特点进行了研究,推导出二维二进小波尺度间噪声标准差关系公式,并提出了cbct图像的噪声方差估计公式。实验证明,使用该公式可以增强去噪算法的边缘保护效果,与Donoho提出的经典稳健中位数法相比,本文提出的噪声方差估计公式去噪效果更优。（3）针对二进小波细节子带方向性明确的特点,提出了基于方向窗的维纳滤波方法,对不同类别的小波系数使用不同参数的维纳滤波。该方法可以有效地保留cbct图像中的边缘信息,减少去噪伪影,并能得到更高的峰值信噪比,进而有更好的视觉效果。 2.基于特征向量的cbct图像与计划CT图像的多模弹性配准（1）cbct图像中的噪声是影响cbct图像与计划CT图像配准结果准确性的主要因素之一。对现有的基于特征向量的图像配准算法（改进的HAMMER算法）的不足进行了分析,使用边缘检测和定位性能较好的Canny算子替代对噪声较为敏感的梯度幅值,与灰度值和LoG算子组合成新的特征向量。实验结果表明,与梯度幅值相比,Canny算子可以更好地辨别cbct图像中的强边缘,有效地避免了散射线所带来的噪声干扰,进而使用改进后的特征向量可以提高配准算法精度。（2）提出了一种重要特征点自适应选取的方法,该方法可以自适应地选取最重要的特征点,从而减少了配准所需的重要特征点数目,降低了计算冗余度。同时,可以根据期望得到的配准效果选取配准参数,快速准确稳定地实现cbct图像与计划CT图像的多模弹性配准。（3）给出了特征向量权重选取的准则,即提高强边缘特征在特征向量中的比重。实验结果表明,利用该准则可以提高定位cbct图像边缘特征点的准确性,使配准后的两幅图像具有更高的互信息值。

关键词： cbct图像图像去噪系数分类维纳滤波多模弹性配准特征向量改进的HAMMER算法

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cbct图像去噪的研究

CBCT图像去噪的研究

作者：虞刚山东大学

学位级别：硕士

医学图像去噪作为图像预处理的一部分,对图像的后续处理如分割、配准、融合起着相当重要的作用。现代医学图像的去噪方法可分为空间域方法和变换域方法。其中空间域的去噪方法以经典的高斯滤波、维纳滤波和新兴的非局部均值滤波为代表,... 详细信息

医学图像去噪作为图像预处理的一部分,对图像的后续处理如分割、配准、融合起着相当重要的作用。现代医学图像的去噪方法可分为空间域方法和变换域方法。其中空间域的去噪方法以经典的高斯滤波、维纳滤波和新兴的非局部均值滤波为代表,变换域的去噪方法则以傅里叶变换和小波变换为代表。cbct成像系统因实时性好、灵敏度高、使用方便等特点而越来越受到重视,并广泛应用到肿瘤精确定位系统中。但是由于原子散射等原因的存在,使的cbct图像中存在大量的噪声,降低了软组织的对比度,模糊了图像的边缘,以至于影响到医生对肿瘤区域的精确的勾画,增加了诊断的难度。如何改进现有的cbct图像去噪方法,减少噪声对图像精度的影响,具有很强的研究价值和现实意义。本文首先简单介绍了医学图像噪声的相关知识,然后对cbct图像的去噪算法进行了重点的研究。基于3DShepp-Logan模型,对小波域的WCMS算法和空间域的非局部均值算法进行了重点的研究,并且提出了自己的改进方法。本文的主要工作和创新点如下：(1)针对cbct图像中噪声情况复杂、模型不准确的情况,本文提出了一种新的噪声估计模型。通过该噪声模型可以仿真实际系统中的噪声,便于cbct图像噪声研究的进行。(2)在充分研究小波模极大值和阈值去噪的基础上,对已有的WCMS算法进行了改进。根据二进小波分解后方向性明显的特点,改进了滤波器的方向窗。根据cbct图像的特点,提出了适合cbct图像的噪声方差估计公式,使其更适合cbct图像噪声的去噪。(3)针对cbct图像是图像序列以及高斯噪声统计特性的特点,提出了一种基于cbct图像统计特性的算法,该算法在原有的去噪算法和图像的基础上可以很好的提高图像的质量。(4)针对非局部算法对于图像中某些例外的、不具有重复结构的像素点会被平均算法模糊的缺点,提出了一种基于非局部算法和多分辨率分析相结合的去噪算法。实验表明该算法在去除噪声的同时可以有效的保护图像的边缘,并且可以有效保护保护图像的细小结构。

关键词： cbct图像图像去噪小波分析非局部均值

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cbct图像在头颈部肿瘤中剂量计算研究

CBCT图像在头颈部肿瘤中剂量计算研究

利用cbct图像监测鼻咽癌放疗腮腺和外轮廓体积变化

中华医学会放射肿瘤治疗学分会六届二次暨中国抗癌协会肿瘤...

作者：柏朋刚李奇欣张秀春蒋思思福建省肿瘤医院放疗科物理组

目的:研究利用cbct扫描图像直接进行剂量计算,同时与CT图像剂量计算的结果进行对比。评价使用cbct进行实时剂量学校正的可能性。方法:利用MED-TEC头模体进行模拟CT及cbct扫描,寻找出头颈部的cbct值与物理密度校正表。利用校正表进行实... 详细信息

目的:研究利用cbct扫描图像直接进行剂量计算,同时与CT图像剂量计算的结果进行对比。评价使用cbct进行实时剂量学校正的可能性。方法:利用MED-TEC头模体进行模拟CT及cbct扫描,寻找出头颈部的cbct值与物理密度校正表。利用校正表进行实际病例的测试。设计一模拟靶区,分别使用2,5野CRT及5野IMRT计划对比CT图像上计算结果和cbct图像上计算结果,采用DVH图和点剂量两种不同的方法进行比较。

关键词：头颈部肿瘤 cbct图像 cbct密度校正表剂量计算

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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实用癌症杂志 2020年第6期35卷 944-946页

作者：蒋振东谢有海马天斌钟长游俞海东胡丹李玉林广东省梅州市人民医院 514031

目的利用cbct图像探讨鼻咽癌调强放疗(IMRT)中解剖学动态变化规律。方法随机选取实际接受IMRT的鼻咽癌患者30例,利用疗程中cbct图像,由肿瘤放疗主治以上医生和影像医生对30例患者的腮腺进行勾画和患者外轮廓范围的确定,由物理师计算出... 详细信息

目的利用cbct图像探讨鼻咽癌调强放疗(IMRT)中解剖学动态变化规律。方法随机选取实际接受IMRT的鼻咽癌患者30例,利用疗程中cbct图像,由肿瘤放疗主治以上医生和影像医生对30例患者的腮腺进行勾画和患者外轮廓范围的确定,由物理师计算出腮腺和外轮廓的体积。结果在cbct图像上,鼻咽癌IMRT放疗中腮腺、外轮廓体积逐步缩小。第3周腮腺体积缩小2.71~13.14 cm^3(中位值6.79 cm^3),第5周缩小6.77~15.86 cm^3(中位值9.16 cm^3),当放疗至第五周以后腮腺体积变化趋于平坦;外轮廓体积第3周缩小4.3~79.78 cm^3(中位值40.19 cm^3),第5周缩小15.67~130.61 cm^3(中位值52.34 cm^3)。结论利用cbct图像可以监测鼻咽癌IMRT放疗中腮腺、外轮廓体积变化,和利用扇形束CT的研究结论是一致的,即鼻咽癌IMRT放疗中腮腺、外轮廓体积逐步缩小,可作为鼻咽癌自适应治疗提供依据。

关键词： cbct图像鼻咽癌/调强放射治疗

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基于Viscous Fluid模型的快速CT-cbct图像变形配准算法研究

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中国医疗设备 2013年第6期28卷 21-23,33页

作者：王琳婧张书旭林生趣余辉彭莹莹周露广州医学院附属肿瘤医院放疗中心广东广州510095

CT和cbct图像之间的变形配准是自适应放射治疗中的一项关键技术。本研究利用互信息量作为相似性测度,基于Viscous Fluid模型,在图形处理器GPU框架下用CUDA编程语言实现了CT-cbct快速图像变形配准。本研究选用6例临床头颈部肿瘤患者的CT... 详细信息

CT和cbct图像之间的变形配准是自适应放射治疗中的一项关键技术。本研究利用互信息量作为相似性测度,基于Viscous Fluid模型,在图形处理器GPU框架下用CUDA编程语言实现了CT-cbct快速图像变形配准。本研究选用6例临床头颈部肿瘤患者的CT和cbct图像对本文算法进行了验证和分析,并与经典demons算法进行了对比。实验结果表明,本文算法能快速、精确地完成CT和cbct图像的变形配准,配准时间为秒级,能较好地满足临床对于快速变形图像配准的要求。

关键词： CT图像 cbct图像图像变形配准图形处理器

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