CN108898152A - 一种基于多通道多分类器的胰腺囊性肿瘤ct图像分类方法 - Google Patents

一种基于多通道多分类器的胰腺囊性肿瘤ct图像分类方法 Download PDF

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Abstract

一种基于多通道多分类器的胰腺囊性肿瘤图像分类方法，包括如下步骤：1)对原始图像进行调节窗宽窗位操作，Canny边缘检测以及梯度幅值计算来加强边缘特征；2)运用ResNet对多通道图进行端到端的训练，把pool5层的输出作为提取到的特征，分别用Bayesian分类器和KNN分类器进行分类，得到分类概率；3)运用随机森林分类器对上述得到的3种不同的概率进行分类得到最终结果，随机森林由多个决策树组成。本发明提供了一种基于多通道多分类器的胰腺囊性肿瘤图像分类方法，能自动进行边缘增强，并提高分类的准确率。

Description

一种基于多通道多分类器的胰腺囊性肿瘤CT图像分类方法
技术领域
本发明属于图像分类技术领域，尤其涉及一种图像分类方法。
背景技术
通常的，病人在进行手术前，需要进行一系列的检查，其中通过计算机断层扫描(CT)成像来观察器官和病变是一种不可或缺的方法。目前，医生主要通过他们的经验来判断胰腺囊性肿瘤属于浆液性还是黏液性。现有的图像分类方法根据特征可分为：传统方法和深度学习方法。传统方法首先对肿瘤区域进行手动分割；然后，运用不同的特征提取器提取特征，如：纹理特征、结构特征等，然后用分类器进行分类。深度学习的方法同样也需要对原始图像先进行分割，然后运用卷积神经网络提取深度特征，最后进行分类。
现有分类方法的缺陷：对于手动分割肿瘤时，会存在一定误差；对于提取到的特征都用单一分类器进行分类，都会影响最终分类结果。
发明内容
为了克服手动分割肿瘤引入的人为误差及单一分类器影响结果的不足。本发明提供了一种基于多通道多分类器的胰腺囊性肿瘤CT图像分类方法，能自动进行边缘检测，并提高分类的准确率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于多通道多分类器的胰腺囊性肿瘤CT图像分类方法，包括如下步骤：
1)对原始图像进行调节窗宽窗位操作，Canny边缘检测以及梯度幅值计算来加强边缘特征，过程如下：
1.1)调节窗宽窗位：通过调节窗宽窗位来观察不同密度正常组织或病灶，经过调节，组织和病变以不同的模拟灰度显示；大于等于窗宽，像素值以全白显示；相反，小于窗宽时，像素值将全黑显示，窗宽窗位与像素值之间的关系：
window width＝MaxValue-MinValue
1.2)其中MaxValue和MinValue分别表示在设定窗宽窗位下的最大、最小像素值，window width表示窗宽，window level表示窗位；Canny边缘检测：利用原始图像检测肿瘤边缘，过程为：
1.2.1)用高斯滤波器来平滑图像并滤除噪声；
1.2.2)计算图像中每个像素的梯度强度和方向；
1.2.3)应用非最大抑制(NMS)来消除边缘检测的虚假响应；
1.2.4)双阈值检测用于确定实际和可能的边缘；
1.2.5)通过抑制孤立的弱边来完成边缘检测；
1.3)计算梯度幅值：计算图像上每个像素点I(x，y)的梯度幅值，
Ix(x，y)＝I(x+1，y)-I(x-1，y)
Iy(x，y)＝I(x，y+1)-I(x，y-1)
其中，I(x，y)表示在坐标(x，y)下的像素值，Ix(x，y)表示像素点在在x方向上灰度值的变化，Iy(x，y)表示像素点在在y方向上灰度值的变化，M(x，y)表示梯度幅值；
2)运用ResNet对多通道图进行端到端的训练，把poo15层的输出作为提取到的特征，分别用Bayesian分类器和KNN分类器进行分类，得到分类概率，过程如下：
2.1)Bayesian分类器：通过最大后验概率进行单点估计，而且每个特征都相互独立，并独立影响分类结果；
其中，c表示各类胰腺囊性肿瘤，P(c|x)表示在特征向量x下的该类胰腺囊性肿瘤的概率，P(c)表示该类胰腺囊性肿瘤的概率，P(x|c)表示在该类胰腺囊性肿瘤下，各类特征的概率，n是特征总维度，xi是在特征向量x的第i个维度上的值，由于每个特征相互独立，每一类胰腺囊性肿瘤的特征概率P(x)是相同的，化简为：
通过训练，获得先验概率P(c)并估计每个维度特征的条件概率P(xi|c)；
2.2)KNN分类器：查找某一特征在特征空间中的大多数相邻样本来判断属于某个类别，使用欧几里得距离来确定样本之间的距离：
其中，i表示特征维度，x1i和x2i表示两个样本在第i维的特征值；
3)运用随机森林分类器对上述得到的3种不同的概率进行分类得到最终结果，随机森林由多个决策树组成，过程如下：
3.1)分别计算3种分类器得到的概率集Y包含的信息熵H(Y)：
其中，n表示特征维度，pi表示第i维上的特征值，
3.2)特征值的连续性，将特征值从小到大排列，并且中间点(pi+pi+1)/2是候选分分区点；
3.3)检查这些分区点并选择最佳分区点X，使信息增益G最大：
其中，表示在样本Y基于划分点X的信息增益。表示基于划分点点X将样本Y分为 表示在各类概率p上取值大于X的样本，表示在各类概率p上取值不大于X的样本；
得到最终的分类结果。
本发明的技术构想为：该方法针对胰腺囊性肿瘤中浆液性囊性肿瘤和黏液性囊性肿瘤难以通过肉眼分辨的问题提出应用方法。首先，将单通道图像转换为多通道图像。通过对原始图像调整窗宽和窗位，运用Canny边缘检测，并计算梯度幅度来构建多通道图像。这样，可以使原始图像更清晰，并获得边缘信息。接下来，将ResNet用于端到端训练对图像进行分类。然后，用贝叶斯分类器和k-最近邻(KNN)分类器对从Resnet提取的2048维特征进行分类，得到分类概率。最后，将分类概率与随机森林结合起来。
本发明的有益效果主要表现在：1.通过边缘检测、计算梯度幅值，增强边缘信息，从而降低人工分割的误差；2.通过多分类器的结构，提高分类的准确性。
附图说明
图1是基于多通道多分类器的胰腺囊性肿瘤CT图像分类方法的流程图。
图2是多通道多分类器示意图。
图3是基于ResNet端到端训练示意图。
图4是残差块示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
参照图1-图4，一种基于多通道多分类器的胰腺囊性肿瘤CT图像分类方法，包括如下步骤：
1)如图2的多通道部分所示，对原始图像进行调节窗宽窗位操作，Canny边缘检测以及梯度幅值计算来加强边缘特征，过程如下：1.1)调节窗宽窗位：通过调节合适的窗宽窗位来观察胰腺囊性肿瘤使其显示更加清晰。经过调节，胰腺囊性肿瘤在一定范围内以不同的模拟灰度显示。大于此范围，像素值以全白显示。相反，小于此范围，像素值将全黑显示。窗宽窗位与像素值之间的关系：
window width＝MaxValue-MinValue
其中MaxValue和MinValue分别表示在特定窗宽窗位下的最大、
最小像素值，window width表示窗宽，window level表示窗位；1.2)Canny边缘检测：利用原始图像检测肿瘤边缘，过程如下：
1.2.1)用高斯滤波器来平滑图像并滤除噪声；
1.2.2)计算图像中每个像素的梯度强度和方向；
1.2.3)应用非最大抑制(NMS)来消除边缘检测的虚假响应；
1.2.4)双阈值检测用于确定实际和可能的边缘；
1.2.5)通过抑制孤立的弱边来完成边缘检测；
1.3)计算梯度幅值：计算图像上每个像素点I(x,y)的梯度幅值。当图像中存在边缘时，梯度值较大；反之，图像平滑部分，梯度值较小。
Ix(x，y)＝I(x+1，y)-I(x-1，y)
Iy(x，y)＝I(x，y+1)-I(x，y-1)
其中I(x,y)表示在坐标(x,y)下的像素值，Ix(x,y)表示像素点在在x方向上灰度值的变化，Iy(x,y)表示像素点在在y方向上灰度值的变化，M(x,y)表示梯度幅值；
2)如图3所示，运用ResNet50对多通道图进行端到端的训练。其中残差块如图4所示，把图2中pool5层输出的2048维特征分别作为Bayesian分类器和KNN分类器的输入进行分类，得到分类概率，过程如下：
2.1)Bayesian分类器：通过最大后验概率进行单点估计。而且每个特征都相互独立，并独立影响分类结果；
其中，c表示各类胰腺囊性肿瘤，P(c|x)表示在特征向量x下的该类胰腺囊性肿瘤的概率，P(c)表示该类胰腺囊性肿瘤的概率，P(x|c)表示在该类胰腺囊性肿瘤下，各类特征的概率，n是特征总维度，xi是在特征向量x的第i个维度上的值。由于每个特征相互独立，每一类胰腺囊性肿瘤的特征概率P(x)是相同的。可化简为：
通过训练，我们获得先验概率P(c)并估计每个维度特征的条件概率P(xi|c)；
2.2)KNN分类器：查找某一特征在特征空间中的大多数相邻样本来判断属于某个类别。一般使用欧几里得距离来确定样本之间的距离：
其中，i表示特征维度，x1i和x2i表示两个样本在第i维的特征值；
3)运用随机森林分类器对上述得到的3种不同的概率进行分类。
随机森林由多个决策树组成，过程如下：
3.1)分别计算3种分类器得到的概率集Y包含的信息熵H(Y)：
其中，n表示特征维度，pi表示第i维上的特征值；
3.2)特征值的连续性，将特征值从小到大排列，并且中间点(pi+pi+1)/2是候选分分区点；
3.3)检查这些分区点并选择最佳分区点X，使信息增益G最大：
其中，表示在样本Y基于划分点X的信息增益。表示基于划分点点X将样本Y分为 表示在各类概率p上取值大于X的样本，表示在各类概率p上取值不大于X的样本；得到最终的分类结果。

Claims (1)

1.一种基于多通道多分类器的胰腺囊性肿瘤CT图像分类方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)对原始图像进行调节窗宽窗位操作，Canny边缘检测以及梯度幅值计算来加强边缘特征，过程如下：
1.1)调节窗宽窗位：通过调节窗宽窗位来观察不同密度正常组织或病灶，经过调节，组织和病变以不同的模拟灰度显示；大于等于窗宽，像素值以全白显示；相反，小于窗宽时，像素值将全黑显示，窗宽窗位与像素值之间的关系：
window width＝MaxValue-MinValue
其中MaxValue和MinValue分别表示在设定窗宽窗位下的最大、最小像素值，windowwidth表示窗宽，window level表示窗位；
1.2)Canny边缘检测：利用原始图像检测肿瘤边缘，过程为：
1.2.1)用高斯滤波器来平滑图像并滤除噪声；
1.2.2)计算图像中每个像素的梯度强度和方向；
1.2.3)应用非最大抑制(NMS)来消除边缘检测的虚假响应；
1.2.4)双阈值检测用于确定实际和可能的边缘；
1.2.5)通过抑制孤立的弱边来完成边缘检测；
1.3)计算梯度幅值：计算图像上每个像素点I(x,y)的梯度幅值，
Ix(x，y)＝I(x+1，y)-I(x-1，y)
Iy(x，y)＝I(x，y+1)-I(x，y-1)
其中，I(x,y)表示在坐标(x,y)下的像素值，Ix(x,y)表示像素点在在x方向上灰度值的变化，Iy(x,y)表示像素点在在y方向上灰度值的变化，M(x,y)表示梯度幅值；
2)运用ResNet对多通道图进行端到端的训练，把pool5层的输出作为提取到的特征，分别用Bayesian分类器和KNN分类器进行分类，得到分类概率，过程如下：
2.1)Bayesian分类器：通过最大后验概率进行单点估计，而且每个特征都相互独立，并独立影响分类结果；
其中，c表示各类胰腺囊性肿瘤，P(c|x)表示在特征向量x下的该类胰腺囊性肿瘤的概率，P(c)表示该类胰腺囊性肿瘤的概率，P(x|c)表示在该类胰腺囊性肿瘤下，各类特征的概率，n是特征总维度，xi是在特征向量x的第i个维度上的值，由于每个特征相互独立，每一类胰腺囊性肿瘤的特征概率P(x)是相同的，化简为：
通过训练，获得先验概率P(c)并估计每个维度特征的条件概率P(xi|c)；
2.2)KNN分类器：查找某一特征在特征空间中的大多数相邻样本来判断属于某个类别，使用欧几里得距离来确定样本之间的距离：
其中，i表示特征维度，x1i和x2i表示两个样本在第i维的特征值；
3)运用随机森林分类器对上述得到的3种不同的概率进行分类得到最终结果，随机森林由多个决策树组成，过程如下：
3.1)分别计算3种分类器得到的概率集包含的信息熵H(Y)：
其中，n表示特征维度，pi表示第i维上的特征值，
3.2)特征值的连续性，将特征值从小到大排列，并且中间点(pi+pi+1)/2是候选分分区点；
3.3)检查这些分区点并选择最佳分区点X，使信息增益G最大：
其中，表示在样本Y基于划分点X的信息增益，表示基于划分点点X将样本Y分为表示在各类概率p上取值大于X的样本，表示在各类概率p上取值不大于X的样本；得到最终的分类结果。
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