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基于深度学习的pet图像质量增强与模型压缩方法研究

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基于深度学习的PET图像质量增强与模型压缩方法研究

作者：尚冲郑州大学

学位级别：硕士

随着医学成像技术的快速发展,医学影像能够直观提供病变位置、结构和功能等信息,是各种疾病诊断的重要手段和诊断依据。而深度学习技术的不断发展与计算资源的大幅提升,使得基于计算机技术的计算机辅助诊断(Computer Aided Diagnosis,C... 详细信息

随着医学成像技术的快速发展,医学影像能够直观提供病变位置、结构和功能等信息,是各种疾病诊断的重要手段和诊断依据。而深度学习技术的不断发展与计算资源的大幅提升,使得基于计算机技术的计算机辅助诊断(Computer Aided Diagnosis,CAD)成为了医学和计算机领域的研究热点,并广泛地应用于医学影像的分析和处理。正电子发射计算机断层显像(Positron Emission Tomography,pet)是核医学领域先进的成像技术,能够反映出人体内氟代脱氧葡萄糖的代谢分布情况,是当前肿瘤早期筛查和诊断的重要手段。受pet成像原理的限制,常规短轴pet设备的灵敏度较低,导致图像的信噪比较低。全景pet uEXPLORER是拥有1940 mm轴距的先进全身pet成像设备,具有超高灵敏度,能够获得作为金标准的图像质量。为了提高短轴pet设备图像质量,本文基于uEXPLORER采集的高质量数据和短轴数据,结合pet成像原理、计算机视觉和深度学习等领域知识,构建了基于深度学习实现短轴pet图像质量增强方法,研究了高效的轻量化压缩模型。本文主要工作如下:1)针对目前常规短轴pet设备短时成像质量较低的问题,提出了一种基于循环一致性生成对抗网络(Cycle-Consistent Adversarial Networks,CycleGAN)的pet图像质量增强模型。通过在生成器中引入了注意力机制,实现对通道和空间代表特征的关注,结合有监督成对数据学习方案,实现了生成图像与真实图像的空间一致性。将本文提出的方法与基于灰度的方法和基于学习的方法进行了对比。实验结果表明,本研究提出方法生成的图像在三个床位上均具有最佳的NRMSE和SSIM指标性能,分别为(0.219±0.09,0.950±0.03)、(0.222±0.06,0.927±0.02)和(0.257±0.07,0.958±0.02),并获得了影像医生的主观评价认可。该方法在轴距为320 mm和250 mm的pet设备均能获得良好的图像质量,具有较好的适应性。图像质量增强模型可以有效地提高常规短轴pet设备的成像质量,充分发挥其临床价值。2)针对深度学习图像质量增强模型规模较大、难以部署和高效运行的问题,提出了一种基于知识蒸馏的模型压缩方法。运用知识蒸馏技术提取原始教师模型的中间特征,将知识迁移到对应压缩的学生模型,并利用神经架构搜索技术,在学生模型中寻找需要更低的计算成本和更少参数量的高效结构设计,实现模型的轻量化,有效提升短轴pet设备的图像质量。本研究分别比较了模型压缩前后的性能、参数和计算量。实验结果表明,该方法在保持模型性能的前提下使得模型参数量和计算量分别是原来的4.5%和6.8%。高效的轻量化压缩模型可以满足CAD系统临床实时性高并发的使用,使其发挥出更大的临床作用。

关键词：医学图像处理 pet图像图像质量增强生成对抗网络知识蒸馏

^(18)F-FDOPA pet/CT定量分析提高早期帕金森病的诊断效能

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中国医学影像学杂志 2024年第3期32卷 220-225页

作者：武婕周蕾蕾张逸悦蒋腾徐志宏张思伟白侠王峰南京医科大学附属南京医院(南京市第一医院)神经内科江苏南京210006 南京医科大学附属南京医院(南京市第一医院)医学影像科江苏南京210006 南京医科大学附属南京医院(南京市第一医院)核医学科江苏南京210006 江苏华益科技有限公司药物研发部江苏常熟215522 内蒙古医科大学附属医院核医学科内蒙古自治区分子影像学重点实验室内蒙古呼和浩特010050

目的探讨6-^(18)F氟-L-多巴(^(18)F-FDOPA)pet/CT半定量分析及人工智能平台对帕金森病(PD)的诊断价值。资料与方法回顾性分析2018年1月—2019年12月南京医科大学附属南京医院经临床确诊的56例PD患者,其中33例早期(Hoehn-YahrⅠ~Ⅱ级),2... 详细信息

目的探讨6-^(18)F氟-L-多巴(^(18)F-FDOPA)pet/CT半定量分析及人工智能平台对帕金森病(PD)的诊断价值。资料与方法回顾性分析2018年1月—2019年12月南京医科大学附属南京医院经临床确诊的56例PD患者,其中33例早期(Hoehn-YahrⅠ~Ⅱ级),23例晚期(Hoehn-YahrⅢ~Ⅳ级);选取本院体检中心同期健康对照者27例,行^(18)F-FDOPA pet/CT。于HERMES BRASS平台计算受试者纹状体各亚区与枕叶体积计数比(SORs),完成基于感兴趣区的脑半定量分析,观察早期和晚期PD患者纹状体各亚区不对称性。使用人工智能技术对PD组和健康对照组纹状体各亚区SORs行主成分分析,观察数据聚集度和组间区分度。结果与健康对照组相比,晚期PD患者尾状体、前壳核、后壳核和纹状体整体SORs显著降低(t=9.02~11.72,Ppet/CT图像,为PD早期诊断和鉴别诊断提供客观半定量数值,纹状体特别是壳核的不对称性可能是PD早期诊断的重要参数。

关键词：帕金森病 ^(18)F-FDOPA pet图像正电子发射断层摄影术半定量分析人工智能

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一种基于非局部平均的pet图像去噪方法

生物医学工程学杂志 2010年第2期27卷 274-277页

作者：尹勇孙伟峰卢洁刘同海天津大学生物医学工程系天津300072 山东省肿瘤医院放射物理室济南250117 山东大学信息科学与工程学院济南250100

去噪是医学图像处理的一个重要研究课题。本文对最近提出的非局部平均(Non-local means,NLM)算法进了研究,并将其应用于pet图像去噪。对测试图像与实际pet图像的去噪结果表明,该方法的去噪性能优于中值滤波与维纳滤波的方法,能够在保留... 详细信息

去噪是医学图像处理的一个重要研究课题。本文对最近提出的非局部平均(Non-local means,NLM)算法进了研究,并将其应用于pet图像去噪。对测试图像与实际pet图像的去噪结果表明,该方法的去噪性能优于中值滤波与维纳滤波的方法,能够在保留重要诊断细节的情况下有效地抑制pet图像中的噪声。

关键词： pet图像泊松噪声非局部平均

基于PiB pet图像感兴趣区域的阿尔茨海默症计算机辅助分析

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中国生物医学工程学报 2016年第6期35卷 641-647页

作者：段火强舒星辉徐俊蒋皆恢上海大学通信与信息工程学院生物医学工程研究所上海200444

阿尔兹海默症(AD)是一种不可逆的神经退行性疾病,PiB pet成像技术可用于AD的早期诊断。但是,目前临床基于PiB pet图像的AD诊断主要依靠医生视觉评估分析,其缺点为依赖医生经验且耗时,无法实现对患者病情的客观追踪,因此提出一种基于PiB ... 详细信息

阿尔兹海默症(AD)是一种不可逆的神经退行性疾病,PiB pet成像技术可用于AD的早期诊断。但是,目前临床基于PiB pet图像的AD诊断主要依靠医生视觉评估分析,其缺点为依赖医生经验且耗时,无法实现对患者病情的客观追踪,因此提出一种基于PiB pet图像的计算机辅助分析方法 (CAAD)实现AD诊断。使用基于阈值先验的3D格子玻尔兹曼技术分割ROIs,采用主成分分析(PCA)技术提取图像特征,最终采取基于支持向量机(SVM)多项式核模型对特征进行分类。通过对ADNI数据库和上海市华山医院pet中心的149个样本的PiB pet数据进行对比实验,该方法对于ROIs的分割后Dice系数平均准确率为91.53%±3.0%,最终对AD和正常老年组(HC)、轻度认知障碍组(MCI)和HC、AD/MCI和HC的分类准确率分别达到87.01%、93.04%和91.95%。与现有文献的AD计算机辅助诊断相比,所提出CAAD方法的准确率高出约10%。实验结果表明,该方法能够很好地对AD、MCI和HC进行分类。

关键词：阿尔茨海默症 PiB pet图像图像分割机器学习计算机辅助诊断CAAD

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基于pet/CT图像的自适应阈值分割算法

中国医疗设备 2022年第3期37卷 79-83页

作者：戴盈欣吴锐先王治国北部战区总医院核医学科辽宁沈阳110016

目的提取pet图像梯度信息,得到满足肿瘤生物靶区准确分割的自适应阈值,提高图像分割的准确性。方法本文通过对pet图像的数据进行分析,取标准摄取值(Standardized Uptake Value,SUV)最大的点作为肿瘤区域的中心点,再取其八个方向的SUV值... 详细信息

目的提取pet图像梯度信息,得到满足肿瘤生物靶区准确分割的自适应阈值,提高图像分割的准确性。方法本文通过对pet图像的数据进行分析,取标准摄取值(Standardized Uptake Value,SUV)最大的点作为肿瘤区域的中心点,再取其八个方向的SUV值,结合图像处理算法中二次偏导数能够反映图像边界信息的特点,对其进行两次梯度运算,得到八个方向上最优的边界阈值,并取八个阈值的平均值作为图像分割的自适应阈值。比较使用本文提出的自适应阈值与传统的SUV=2.5和40%SUV_(max)两种阈值分别分割图像时的相似性和灵敏性。结果本文基于区域的精度性评价测量方法,提出了自适应阈值分割算法,其Dice相似性指数(Dice Similarity Coefficient,DSC)的平均值为85.26%,分割真阳率(True Positive Rate,TPR)的平均值为82.31%,较阈值为SUV=2.5时分别提高了15.14%和17.36%,较阈值为40%SUV_(max)时分别提高了11.97%和12.47%。依据三种阈值分割算法得到图像的相似性和灵敏性之间均有统计学差异(F=81.02、F=217.21,Ppet/CT图像肿瘤分割结果的准确性。

关键词： pet图像靶区勾画自适应阈值形状相似性指数分割真阳率

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人脑MRI和pet图像的融合方法

解剖学杂志 2005年第2期28卷 131-134页

作者：张锦翔李林宋志坚复旦大学数字医学研究中心上海200032

目的:研究MRI和pet医学图像融合的方法并且应用在人脑神经解剖中。方法:以Chamfermatching为基本配准方法和以模糊数学为理论基础的融合方法。结果:使得融合后图像有很强的抗配准偏差能力,并且能极大程度地保留原来解剖性信息图像和功... 详细信息

目的:研究MRI和pet医学图像融合的方法并且应用在人脑神经解剖中。方法:以Chamfermatching为基本配准方法和以模糊数学为理论基础的融合方法。结果:使得融合后图像有很强的抗配准偏差能力,并且能极大程度地保留原来解剖性信息图像和功能性图像的信息。能根据融合算子的不同组合,得到倾向于不同检查仪器结果的图像。结论:通过本文方法得出的融合后图像,能在人脑解剖结构上显示出该区域的功能状态,对于了解该结构的存在、变异、病变提供了很大的便利。对人脑神经解剖学研究和临床应用都有很大的理论和实践意义。

关键词：脑 MRI pet图像图像处理神经解剖多模融合

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pet／CT图像融合精度测量方法与实现

中华放射医学与防护杂志 2011年第2期31卷 218-219页

作者：安晶刚岳保荣中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所北京100088

2002年我国引进了第1台正电子发射断层成像／断层成像（pet／CT）设备，其后购买的pet设备基本都带有CT功能。现有的pet设备80％以上为pet／CT，不带CT的pet正逐步被淘汰。pet／CT把pet的功能图像与CT的解剖图像结合起来，最终产生pet... 详细信息

2002年我国引进了第1台正电子发射断层成像／断层成像（pet／CT）设备，其后购买的pet设备基本都带有CT功能。现有的pet设备80％以上为pet／CT，不带CT的pet正逐步被淘汰。pet／CT把pet的功能图像与CT的解剖图像结合起来，最终产生pet图像，CT图像和pet／CT同机融合图像，一方面是pet技术发展的一个重大创新，另一方面，错误的同机融合图像不仅引起误诊，也使因使用此图像进行放疗靶区勾画的误差增加，而使患者真正病灶部位辐射剂量不足，正常组织受到不应有的照射。

关键词： pet/CT 图像融合正电子发射断层成像测量精度 pet图像 pet技术解剖图像

pet图像中基于形态学和样条模型方法进行心脏的边缘提取

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CT理论与应用研究（中英文） 2002年第3期11卷 1-6页

作者：骆国程赵永界中国科学院高能物理研究所开发办北京100039

pet在医学图像技术研究以及临床应用中正扮演着越来越重要的角色。在pet心脏图像中,为了测量心脏对药物的吸收率,对图像中心脏边缘的提取成为测量计算的前提和关键。我们针对pet图像心脏的边缘提取问题,从两个角度分别提出两种方法——... 详细信息

pet在医学图像技术研究以及临床应用中正扮演着越来越重要的角色。在pet心脏图像中,为了测量心脏对药物的吸收率,对图像中心脏边缘的提取成为测量计算的前提和关键。我们针对pet图像心脏的边缘提取问题,从两个角度分别提出两种方法——基于数学形态学的方法和基于样条模型的方法。数学形态法是先将pet图像二值化,再结合腐蚀和膨胀——两种数学形态学的基本操作对二值图像进行处理,最终获得结果。样条模型是用一组点和连接每相邻两点之间的样条曲线来表示心脏边界,将边缘提取问题转化一个全局最优化问题。针对pet心脏图像特点,我们给出了独特的能量函数作为迭代的停步条件。最后,我们比较了两种方法的结果和效率,结果表明两种方法的分割效果都是令人满意的。具体来说,前种方法的特点在于简单,快速和高效;而后种方法的稳定性和鲁棒性,对pet图像有着非常重要的意义。

关键词：图像分割数学形态学样条模型模拟退火法 pet图像心脏图像边缘提取 pet 正电子发射断层成像技术

OSEM子集及迭代次数对pet图像质量的影响

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中国医学影像学杂志 2003年第3期11卷 199-201页

作者：张书文陈英茂田嘉禾何义杰邵明哲姚树林刘自来丁勇解放军总医院核医学科北京100853

目的 :探讨有序子集最大期望重建算法 (OSEM )中子集及迭代次数对pet图像质量的影响。材料和方法 :圆柱模型 (长 18.5cm ,直径 2 1.5cm)内灌注比活度为 1.2 5kBq/ml18F 水溶液形成本底 ,平行内置的 7个不同直径空心小圆柱内灌注18F 水溶... 详细信息

目的 :探讨有序子集最大期望重建算法 (OSEM )中子集及迭代次数对pet图像质量的影响。材料和方法 :圆柱模型 (长 18.5cm ,直径 2 1.5cm)内灌注比活度为 1.2 5kBq/ml18F 水溶液形成本底 ,平行内置的 7个不同直径空心小圆柱内灌注18F 水溶液 (比活度 12 5kBq/ml)形成热灶 ,以 2D方式采集数据、OSEM算法重建图像 ,子集水平 3 2、16,迭代次数 1～10。在图像横断面对应外围 7个热灶画与其同大小的ROI及本底ROI ,由此计算CV等参数。结果 :相同条件下 3 2子集重建图像的热灶活度比 16子集更接近真实值。变异系数CV ,在较小热灶及背景区中 3 2子集的大于 16子集 ,较大的热灶中 3 2子集的则小于 16子集。结论 :OSEM重建方式选择 3 2子集 2～ 3次迭代 ,或 16子集 3～ 4次迭代的图像质量较好。

关键词： pet图像有序子集最大期望值图像重建算法核医学数据采集