CN114305387A - 基于磁共振成像的脑小血管病变图像分类方法、设备及介质 - Google Patents

基于磁共振成像的脑小血管病变图像分类方法、设备及介质 Download PDF

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CN114305387A CN202111588660.2A CN202111588660A CN114305387A CN 114305387 A CN114305387 A CN 114305387A CN 202111588660 A CN202111588660 A CN 202111588660A CN 114305387 A CN114305387 A CN 114305387A
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周滟
聂生东
胡颖
许建荣
孙雅文
汪耀
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University of Shanghai for Science and Technology
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Abstract

本发明涉及一种基于磁共振成像的脑小血管病变图像分类方法、设备及介质，所述方法首先构建并训练基于集成学习的图像分类模型，然后获取待分类脑MRI图像，应用所述图像分类模型获取该待分类脑MRI图像对应的病变类别；训练所述基于集成学习的图像分类模型具体包括以下步骤：S101、获取脑MRI数据集，对所述脑MRI数据集的图像进行预处理，获取预处理后图像；S102、对所述预处理后图像进行计算分析，获取对应的多个功能度量，基于所述多个功能度量筛选获得用于分类的若干个度量特征；S103、基于所述度量特征训练所述图像分类模型。与现有技术相比，本发明具有精度高、易于操作等优点。

Description

基于磁共振成像的脑小血管病变图像分类方法、设备及介质
技术领域
本发明涉及医学图像处理技术领域，涉及一种图像自动分类方法，尤其是涉及一种基于磁共振成像的脑小血管病变图像分类方法、设备及介质。
背景技术
脑小血管疾病(CSVD)是一种临床、病理和影像综合症，可由多种原因及发病机制影响脑小动脉、小静脉、微动脉、微静脉和毛细血管等小血管，是导致认知障碍和痴呆症，如血管性痴呆、AD等的主要原因。CSVD在MRI图像上最早及最明显的表征是脑白质高信号(WMH)，其在老年人的大脑MRI上十分常见。然而，WMH的潜在病理机制是非常多样的，例如不完全的皮层下梗塞、胶质增生和轴索丧失或血管周围间隙邻近脑白质轻度脱髓鞘等，其临床影响也很复杂，包括认知障碍、卒中复发、痴呆和死亡的风险增加。
CSVD起病隐匿，渐进发展，预后不良，目前仍缺乏成熟的、有针对性的治疗策略，因此，迫切需要正确理解CSVD在衰老大脑中的作用机制和临床表现。目前，绝大部分基于CSVD的影像学智能应用都致力于病灶的分割和定位方面，而CSVD是一个全脑性疾病，并非局灶性病变。CSVD的特异性临床表现是神经元间相互连接，进而形成复杂脑网络并相互作用的结果。现有方法难以方便、准确对CSVD病变图像进行分类。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种精度高、易于操作的基于磁共振成像的脑小血管病变图像分类方法、设备及介质。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于磁共振成像的脑小血管病变图像分类方法，该方法首先构建并训练基于集成学习的图像分类模型，然后获取待分类脑MRI图像，应用所述图像分类模型获取该待分类脑MRI图像对应的病变类别；
训练所述基于集成学习的图像分类模型具体包括以下步骤：
S101、获取脑MRI数据集，对所述脑MRI数据集的图像进行预处理，获取预处理后图像；
S102、对所述预处理后图像进行计算分析，获取对应的多个功能度量，基于所述多个功能度量筛选获得用于分类的若干个度量特征；
S103、基于所述度量特征训练所述图像分类模型。
进一步地，步骤S101中，对所述脑MRI数据集的图像进行的预处理包括时间层校正、头动校正、空间标准化、平滑、带通滤波、去线性漂移、回归干扰参数中的一个或多个。
进一步地，步骤S102中，所述功能度量包括ReHo图、ALFF图、FC模式和脑功能网络，所述脑功能网络具有局部网络属性和全局网络属性。
进一步地，采用双样本T检验进行特征选择，从所述ReHo图和ALFF图中获得具有代表性的脑体素团块，作为用于分类的度量特征。
进一步地，使用L0minCV方法对FC模式和脑功能网络中局部网络属性进行特征选择。
进一步地，所述脑功能网络为具有稀疏度的加权脑网络，构建过程包括：
设置每两个脑网络节点u和v之间的连通程度，用相关性作为两节点之间边的权重，仅取所有权重值降序排列时前s％的节点连边，获得所述具有稀疏度的加权脑网络。
进一步地，所述局部网络属性包括介数中心度、度中心度、聚类系数、局部效率和节点效率；
所述全局网络属性包括同配性、层次度、局域脑网络效率、全局脑网络效率和小世界网络属性。
进一步地，所述基于集成学习的图像分类模型包括针对每一度量特征的SVM模型，以各SVM模型的初步分类结果加权获得最终分类结果。
本发明还提供一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储器；和
被存储在存储器中的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如上所述图像分类方法的指令。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如上所述图像分类方法的指令。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明利用集成学习方法自动对输入的待分类图像进行分类，分类精度高。
2、本发明通过对图像对应的功能度量的分析，以具有代表性的特征作为用于分类的度量特征，有效提高分类精度。
3、本发明以计算机程序实现脑图像的自动化分类，易于推广，无需医生对WHM严重程度进行繁琐的视觉评定。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明基于集成学习的图像分类模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例提供一种基于磁共振成像的脑小血管病变图像分类方法，该方法首先构建并训练基于集成学习的图像分类模型，然后获取待分类脑MRI图像，应用所述图像分类模型获取该待分类脑MRI图像对应的病变类别。训练所述基于集成学习的图像分类模型具体包括以下步骤：
S101、获取脑MRI数据集，对所述脑MRI数据集的图像进行预处理，获取预处理后图像。
获取的脑MRI数据集的图像包括T1结构像和rs-fMRI图像。对所述脑MRI数据集的图像进行的预处理包括时间层校正、头动校正、空间标准化、平滑、带通滤波、去线性漂移、回归干扰参数中的一个或多个。
S102、对所述预处理后图像进行计算分析，获取对应的多个功能度量，基于所述多个功能度量筛选获得用于分类的若干个度量特征。
本实施例中，功能度量包括ReHo图、ALFF图、FC模式和脑功能网络。各功能度量的获取方法具体为：
ALFF图构建步骤：对经过预处理的rs-fMRI图像，首先使用0.01～0.08Hz带通滤波器保留低频段的信号，然后对所有信号强度进行傅立叶变换得到功率谱，将其开方，从而得到BOLD信号的振幅，最后把所有频率点上振幅值相加求平均，该平均值就是最终的ALFF值，如公式(1)所示：
Figure BDA0003428978060000041
式(1)中，N为体素总和，ak，bk是不同频率下对应的系数。
ReHo图构建步骤：对经过预处理的rs-fMRI图像，计算每个脑体素的肯德尔和谐系数评估其在局部区域神经自发活动的一致性，计算公式如下：
Figure BDA0003428978060000042
式(2)中，Ri是第i个时间点的秩和；时间点个数用n表示；K是计算的体素的时间序列与最近邻域的体素(此处，K为27，一个给定的体素加上其26个邻域)；
Figure BDA0003428978060000043
表示Ri的平均值，
Figure BDA0003428978060000044
其中W是给定体素的ReHo的值，其范围从0到1。
FC模式构建步骤：使用Brainnetome Atlas将每个处理好的脑图像划分为246个脑区，及左右半球各123个节点，提取每个脑区的平均时间序列信号；计算任意两个脑区节点的时间序列信号之间的相关系数，使用皮尔森相似性度量得到全脑功能连接矩阵Maps，元素(u,v)表示第u个脑节点到第v个脑节点的功能连接强度，该矩阵Maps的每一行描述了该脑区在静息状态下和全脑节点之间的连接模式。所述皮尔森相似性度量的计算公式为：
Figure BDA0003428978060000045
式(3)中，u、v表示任意两节点，I(·,t)表示t时刻的体素值，
Figure BDA0003428978060000046
表示节点的平均信号值，T表示时间序列的长度，SI(·)表示节点信号值的标准差。
对Maps使用Fisher Z变换，得到每个图像的FC模式，即大小为246×246的FC矩阵。由于FC矩阵关于主对角线对称，因此，取下三角矩阵，并将其拉成一行，最后，每个图像的FC为一个1×30135的一维向量。
脑功能网络构建步骤：设置每两个脑网络节点u和v之间的连通程度：用相关性作为两节点之间边的权重，仅取所有权重值降序排列时前s％的权重较大的连边，得到具有一定稀疏度的加权脑网络。
通过图论方法分析上述脑功能网络，可提取脑网络属性，包括局部网络属性和全局网络属性。局部网络属性包括介数中心度、度中心度、聚类系数、局部效率和节点效率；全局网络属性包括同配性、层次度、局域脑网络效率、全局脑网络效率和小世界网络属性。
其中，构建具有稀疏度的加权脑网络时，稀疏度s％其值是不确定的，个体化差异较大，且特定的稀疏度阈值选取繁琐且容易出错，此时计算各节点属性在不同稀疏度下的曲线下面积，将不同稀疏度阈值水平下的属性值组合起来，组合结果作为最终能真实、准确描述原始图像的脑功能网络属性。
针对上述ReHo图、ALFF图、FC模式、脑功能网络等功能度量，本实施例采用不同的方式进行分析，确定最终用于分类的度量特征。
ALFF图、ReHo图特征筛选步骤为：
使用双样本T检验对样本的ALFF和ReHo图进行组间统计分析，回归了年龄、性别和教育程度因素的影响，并通过AlphaSim校正了ALFF和ReHo图，统计阈值采用p<0.01，分别得到ALFF图、ReHo图中具有代表性的脑体素团块。
FC模式、局部脑功能网络特征筛选步骤为：分别对FC模式和局部网络属性使用L0minCV方法进行特征选择。
所述L0minCV方法具体包括：
在使用L0min特征选择方法时，确定最终需要选择的特征数量r是很重要的，这直接影响了最优特征子集的组合。为了权衡后续实验结果的准确性和鲁棒性，在此基础上提出分层交叉验证L0min的方法，即L0minCV，以找到可使分类模型(初步使用线性核SVM)获得最高分类精度的最优特征子集，具体步骤如下：
(1)采用分层五折交叉验证，将需使用特征选择算法的数据重新分成训练和测试数据集；
(2)将训练数据的所有特征看做初始特征，维数为M，根据L0min算法得到的特征排序情况，舍掉排名最后的D个特征，形成一个新的特征子集，维数为M－D；
(3)按索引抽取测试集的特征，更新的测试集的特征维度也为M－D，使用SVM算法，计算其在测试集上的分级精度；
(4)第2次舍弃排名倒数的D个特征，得到M－2×D维特征，计算新的分类精度；
(5)当进行第n次特征舍弃时，得到M－n×D维特征，算得分类精度；直到特征维数不可再减少时，停止舍弃；
(6)将分类精度最高且特征数量最小时的特征维数确定为最后的特征选择数量r。
S103、基于所述度量特征训练所述图像分类模型。
本方法中，基于集成学习的图像分类模型使用SVM作为基分类器，包括针对每一度量特征的SVM模型，以各SVM模型的初步分类结果加权获得最终分类结果。
本实施例中，基于筛选的度量特征获得基于rs-fMRI数据的9个不同的特征子集，包括经双样本T检验获得ALFF、ReHo的2个特征子集；经L0minCV特征选择得到的FC模式、局部网络属性共6个特征子集以及未进行特征选择的全局网络属性特征子集。集成SVM的最终输出由多个SVM分类器共同决定，采用加权投票策略得到最终的自动分类结果。
上述方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
实施例2
本实施例提供一种基于磁共振成像的脑小血管病变图像分类系统，包括模型构建模块和分类模块，所述模型构建模块包括：
数据集获取单元，用于获取脑MRI数据集，对所述脑MRI数据集的图像进行预处理，获取预处理后图像；
功能度量构建单元，对所述预处理后图像进行计算分析，获取对应的多个功能度量；
筛选单元，基于所述多个功能度量筛选获得用于分类的若干个度量特征；
训练单元，用于根据筛选的度量特征进行基于集成学习的图像分类模型的训练。
其余同实施例1。
实施例3
本实施例提供一种电子设备，包括一个或多个处理器、存储器和被存储在存储器中的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如实施例1所述图像分类方法的指令。
该电子设备可应用于CSVD病变图像的分类，以WMH严重程度的不同作为不同病变类别，分为轻度和中重度。该电子设备的使用能有效地提高CSVD的诊断效能和早期筛查效率，可进一步辅助医生诊断和早期干预CSVD患者，防止老年人WMH相关的脑损伤，并给他们相应的健康提示。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于磁共振成像的脑小血管病变图像分类方法，其特征在于，该方法首先构建并训练基于集成学习的图像分类模型，然后获取待分类脑MRI图像，应用所述图像分类模型获取该待分类脑MRI图像对应的病变类别；
训练所述基于集成学习的图像分类模型具体包括以下步骤：
S101、获取脑MRI数据集，对所述脑MRI数据集的图像进行预处理，获取预处理后图像；
S102、对所述预处理后图像进行计算分析，获取对应的多个功能度量，基于所述多个功能度量筛选获得用于分类的若干个度量特征；
S103、基于所述度量特征训练所述图像分类模型。
2.根据权利要求1所述的基于磁共振成像的脑小血管病变图像分类方法，其特征在于，步骤S101中，对所述脑MRI数据集的图像进行的预处理包括时间层校正、头动校正、空间标准化、平滑、带通滤波、去线性漂移、回归干扰参数中的一个或多个。
3.根据权利要求1所述的基于磁共振成像的脑小血管病变图像分类方法，其特征在于，步骤S102中，所述功能度量包括ReHo图、ALFF图、FC模式和脑功能网络，所述脑功能网络具有局部网络属性和全局网络属性。
4.根据权利要求3所述的基于磁共振成像的脑小血管病变图像分类方法，其特征在于，采用双样本T检验进行特征选择，从所述ReHo图和ALFF图中获得具有代表性的脑体素团块，作为用于分类的度量特征。
5.根据权利要求3所述的基于磁共振成像的脑小血管病变图像分类方法，其特征在于，使用L0minCV方法对FC模式和脑功能网络中局部网络属性进行特征选择。
6.根据权利要求3所述的基于磁共振成像的脑小血管病变图像分类方法，其特征在于，所述脑功能网络为具有稀疏度的加权脑网络，构建过程包括：
设置每两个脑网络节点u和v之间的连通程度，用相关性作为两节点之间边的权重，仅取所有权重值降序排列时前s％的节点连边，获得所述具有稀疏度的加权脑网络。
7.根据权利要求3所述的基于磁共振成像的脑小血管病变图像分类方法，其特征在于，所述局部网络属性包括介数中心度、度中心度、聚类系数、局部效率和节点效率；
所述全局网络属性包括同配性、层次度、局域脑网络效率、全局脑网络效率和小世界网络属性。
8.根据权利要求1所述的基于磁共振成像的脑小血管病变图像分类方法，其特征在于，所述基于集成学习的图像分类模型包括针对每一度量特征的SVM模型，以各SVM模型的初步分类结果加权获得最终分类结果。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储器；和
被存储在存储器中的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-8任一所述图像分类方法的指令。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-8任一所述图像分类方法的指令。
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