CN115018836A - 一种癫痫病灶自动分割与预测方法、系统及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种癫痫病灶自动分割与预测方法、系统及设备,涉及图像处理技术领域中的癫痫病灶的分割,其目的在于解决现有技术中存在的癫痫病灶分割效率低、分割精度差以及无法预测病灶术后疗效预测的问题,其深度神经网络模型对原始图像数据以及原始图像数据翻转后的翻转图像数据分别单独进行下采样特征提取,深度神经网络模型对原始图像数据和翻转图像数据融合后的融合图像数据进行上采样特征提取;并根据分割出来的病灶计算出来的参数、方差后最终计算得出术后疗效预测值。该方案可针对癫痫分割,提高了分割的效率与精度,通过引入术后疗效预测值,预测出术后疗效预测值,对病人术后疗效能够及时进行预测、跟踪。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域,涉及一种癫痫病灶的分割,更具体的是涉及一种基于深度神经网络的癫痫病灶的自动分割。
背景技术
癫痫(Epilepsy)是一种脑部慢性非传染疾病,是大脑神经元的同步异常放电所导致的临床综合征,是慢性神经系统疾病之一,在一般人群中发病率约为1%。影响到全球大约5000万人,特点是反复发作。当癫痫发作时,身体某一部位或整个身体短暂非自主性抽搐(即部分性发作或全身性发作),有时伴有意识丧失和尿便失禁。癫痫发作由一组脑细胞异常放电造成。大脑的不同部位都可能成为异常放电的位点。发作从极短暂的意识丧失或肌肉反射到严重且持续性抽搐不等。发作的频率也可存在差异,从每年发作少于一次,到每天发作几次不等。癫痫发作的特点各不相同,取决于首次发生的紊乱在大脑中的部位以及这种紊乱的扩展程度。可能出现一些短暂性症状,比如意识或知觉丧失,以及运动、感觉(包括视觉、听觉和味觉)、情绪或其它认知功能方面的紊乱。癫痫患者往往有较多的身体问题(如与发作有关的骨折及擦伤)以及比例较高的心理疾患,包括焦虑和抑郁症。同样,与普通人群相比,癫痫可使患者过早死亡风险增加三倍,低收入和中等收入国家和农村地区的过早死亡率最高。
癫痫发作和癫痫一般按发作起源分为局灶性和全面性,也可按基础病因分为遗传性、结构性、代谢性、免疫性、感染性或不明原因。对于局灶性癫痫,颞叶癫痫(Mesialtemporal brain epilepsy, mTLE)是最常见的局灶性癫痫,癫痫发作通常始于称为海马体或周围区域的大脑结构,占所有颞叶癫痫发作的近80%,是成人中最常见的耐药性癫痫,大约三分之一的癫痫患者具有耐药性。颞叶内侧癫痫通常与MRI(磁共振成像)的变化或异常发现有关。最常见的发现之一是颞叶疤痕,这被称为海马硬化(硬化意味着硬化或疤痕),它可能看起来像一侧或两侧的海马体已经缩小或变小。当MRI异常时,癫痫发作通常不会因药物而停止;在这种情况下,手术切除引起癫痫发作的区域是许多人的最佳选择。癫痫手术的关键在于癫痫灶的定位,其准确性将影响后续的手术效果和预后。
目前对于癫痫的诊断,常采用如下三种手段:体格检查、影像学检查、病理学检查,其中,影像学检查是最为直接的定位癫痫灶的方法。在癫痫的影像学检查中,脑电图检查方式是最主流的方式,即使用专业设备获取病人的脑电图图像数据。若能够通过影像学上的方案,在结合机器学习的方法,通过对癫痫患者FDG PET图像分析从而定位癫痫灶,这将大大减少人工计算的耗费,提高癫痫病灶的分割效率与效果。
发明内容
本发明的目的在于:为了解决现有技术中存在的癫痫病灶分割效率低、分割精度差以及无法预测病灶术后疗效预测的问题,本发明提供一种癫痫病灶自动分割与预测方法、系统及设备。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案:
一种癫痫病灶自动分割与预测方法,包括:
步骤S1、采集并标注图像数据
采集原始图像数据,并对原始图像数据发生癫痫病灶的位置进行标注;
步骤S2、搭建深度神经网络模型
搭建深度神经网络模型,深度神经网络模型对原始图像数据以及原始图像数据翻转后的翻转图像数据分别单独进行下采样特征提取,深度神经网络模型对原始图像数据和翻转图像数据融合后的融合图像数据进行上采样特征提取;
步骤S3、训练深度神经网络模型
采用步骤S1中采集的原始图像数据对深度神经网络模型进行训练;
步骤S4、分割病灶
获取癫痫的实时图像数据,并将实时图像数据输入深度神经网络模型,分割出病灶;
步骤S5、计算术后疗效预测值
根据步骤S4分割出来的病灶,计算病灶的低代谢病灶体积HLV、病灶代谢减低量TLH;并基于低代谢病灶体积HLV的数据集、病灶代谢减低量TLH的数据集计算方差、方差、聚类内方差,基于方差、方差、聚类内方差计算术后疗效预测值。
在步骤S1中,采集的原始图像数据进行标注和预处理,具体为:
步骤S11,数据标注
分别对患者的患病部位及相关部位采集多张原始图像数据,将单次检查所得的原始图像数据为一组图像数据,再对每组图像数据发生癫痫病灶的区域进行标注;
步骤S12,图像预处理
对步骤S11采集的原始图像数据进行裁剪、勾画;
步骤S13,数据集划分
将经过预处理的原始图像数据按照5:1分为训练集和测试集。
在步骤S2中,搭建包括特征提取模块、特征融合模块以及特征判断模块的深度神经网络模型;
特征提取模块,包括一个输入层和多个卷积结构,每个卷积结构包括多个不同尺度的卷积层以及池化层;图像数据通过输入层输入卷积结构,卷积结构提取出图像数据中的图像特征;
特征融合模块,包括一个全局均值池化层,全局均值池化层在图像的通道维度上对特征提取模块提取出的图像特征进行融合;
特征判断模块,包括softmax二分类器,softmax二分类器用于判断特征融合模块融合后的特征是否代表原有信息。
步骤S3在训练深度神经网络模型时,对步骤S1中采集的原始图像数据进行包括旋转、剪裁、加噪声的数据增广处理。
在步骤S5中,对于低代谢病灶体积HLV的数据集,标记为,对于病灶代谢减低量TLH的数据集,则标记为,定义代表所有集合中的有限集,分别计算方差:、方差:和聚类内方差:,其中代表整体数据集,代表整体数据集的加权平均;
一种癫痫病灶自动分割与预测系统,包括:
数据采集模块,用于采集原始图像数据,并对原始图像数据发生癫痫病灶的位置进行标注;
网络模型搭建模块,用于搭建深度神经网络模型,深度神经网络模型对原始图像数据以及原始图像数据翻转后的翻转图像数据分别单独进行下采样特征提取,深度神经网络模型对原始图像数据和翻转图像数据融合后的融合图像数据进行上采样特征提取;
网络模型训练模块,用于采用数据采集模块采集的原始图像数据对深度神经网络模型进行训练;
病灶分割模块,用于获取癫痫的实时图像数据,并将实时图像数据输入深度神经网络模型,分割出病灶;
疗效预测值生成模块,用于根据病灶分割模块分割出来的病灶,计算病灶的低代谢病灶体积HLV、病灶代谢减低量TLH;并基于低代谢病灶体积HLV的数据集、病灶代谢减低量TLH的数据集计算方差、方差、聚类内方差,基于方差、方差、聚类内方差计算术后疗效预测值。
优选地,网络模型搭建模块搭建包括特征提取模块、特征融合模块以及特征判断模块的深度神经网络模型;
特征提取模块,包括一个输入层和多个卷积结构,每个卷积结构包括多个不同尺度的卷积层以及池化层;图像数据通过输入层输入卷积结构,卷积结构提取出图像数据中的图像特征;
特征融合模块,包括一个全局均值池化层,全局均值池化层在图像的通道维度上对特征提取模块提取出的图像特征进行融合;
特征判断模块,包括softmax二分类器,softmax二分类器用于判断特征融合模块融合后的特征是否代表原有信息。
优选地,疗效预测值生成模块中,对于低代谢病灶体积HLV的数据集,标记为,对于病灶代谢减低量TLH的数据集,则标记为,定义代表所有集合中的有限集,分别计算方差:、方差:和聚类内方差:,其中代表整体数据集,代表整体数据集的加权平均;
一种计算机设备,其特征在于,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述的一种癫痫病灶自动分割与预测方法的步骤。
本发明的有益效果如下:
1、本发明中,可针对颞叶型癫痫分割和判定预后疗效,大大减少了人工的工作量,提高了癫痫病灶的效率与精度,避免了仅通过肉眼判定从而产生的误差对结果造成的巨大影响,对进一步开展癫痫诊断和医治具有重要的促进作用。
2、本发明中,使用的深度学习神经网络模型可以实现全自动分割和计算,且可以利用系统自身输出的数据集自更新训练集,能够提高分割系统的准确率和性能,分割精度更高,能够进行相应的语义分割便于后续判定,提高了医生临床检测判断的效率,方便了医生的临床诊断,对检测颞叶型癫痫具有重要的指导意义。
3、本发明中,通过引入术后疗效预测值,并可以直接计算、预测出术后疗效预测值,对病人术后疗效能够及时进行预测、跟踪,对临床检测以及自检是否病变具有重要的指导意义。
4、本发明中,下采样使用的是分别提取的方式,这样一来将同样的数据集进行翻转处理采样,达到了不用直接扩大数据集来加大输入数据集的复杂程度,提高了神经网络的精准度,在数据提取上能达到更为准确全面的效果;二来由于癫痫图的特异性,采用不同特征提取可以尽量避免由于图像相对差异过大或者不足导致采样对结果的影响;上采样时是平层连接之后再上采样,此时采用的是融合后提取,那么这样可以加强特征,如果出现成像效果不佳的情况,这样的融合提取可以仍然比对出差异达到良好的分割效果。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种癫痫病灶自动分割与预测方法,如图1所示,其包括以下步骤:
步骤S1、采集并标注图像数据
采集原始图像数据,并对原始图像数据发生癫痫病灶的位置进行标注。
在步骤S1中,采集的原始图像数据进行标注和预处理,具体为:
步骤S11,数据标注
分别对患者的患病部位及相关部位采集多张原始图像数据,将单次检查所得的原始图像数据为一组图像数据,再对每组图像数据发生癫痫病灶的区域进行标注,方便下一步进行网络模型的训练;
步骤S12,图像预处理
对步骤S11采集的原始图像数据进行裁剪、勾画;
步骤S13,数据集划分
将经过预处理的原始图像数据按照5:1分为训练集和测试集。
步骤S2、搭建深度神经网络模型
搭建深度神经网络模型,深度神经网络模型对原始图像数据以及原始图像数据翻转后的翻转图像数据分别单独进行下采样特征提取,深度神经网络模型对原始图像数据和翻转图像数据融合后的融合图像数据进行上采样特征提取。
该深度神经网络模型包括三个模块:特征提取模块、特征融合模块以及特征判断模块;
特征提取模块,包括一个输入层和多个卷积结构,每个卷积结构包括多个不同尺度的卷积层以及池化层;图像数据通过输入层输入卷积结构,卷积结构提取出图像数据中的图像特征;
特征融合模块,包括一个全局均值池化层,全局均值池化层在图像的通道维度上对特征提取模块提取出的图像特征进行融合;
特征判断模块,包括softmax二分类器,softmax二分类器用于判断特征融合模块融合后的特征是否代表原有信息。
针对原始图像数据,先将其标准化为244*244*160的三维矩阵,然后再进一步细分为160个244*244的图像后输入深度神经网络模型。
另外,由于本申请中的原始图像数据为脑部癫痫照片,该照片大多是左右对称结构,因而以图像中线为轴,将图像进行对称翻转,同样对其定义label,得到其信息,使用2*2最大池化操作,步长为2,放入多个卷积层和池化层,再得到相应的特征。
在网络下采样的时候,将原始图像和翻转图像的特征图进行拟合,同时还有原始图像和翻转图像的差异特征图也是作为信息使用。完成之后每一个卷积层之后使用ReLU激活函数,然后再进行批量归一化更新全局统计数据。
接下来是对网络的上采样,对这一层和上一层的信息进行拟合,再将上一层中关于差异特征图的信息与上采样进行结合,提高学习率和准确率,使得特征图并未改变大小,而是增加了厚度,能够提供给网络更抽象的图像特征和位置信息,提升分割的精度。
步骤S3、训练深度神经网络模型
采用步骤S1中采集的原始图像数据对深度神经网络模型进行训练。
步骤S3在训练深度神经网络模型时,对步骤S1中采集的原始图像数据进行包括旋转、剪裁、加噪声的数据增广处理,增强网络模型的效率,以获得比步骤S1中所得训练集更大的数据集并用于网络训练。
在对深度神经网络模型进行训练时,使用交叉熵函数作为性能函数。
使用敏感特异性损失函数,敏感代表的是召回率,也就是检测出病灶,证实为真阳的能力:用s1=TP/(TP+FN)表示,特异代表的就是检测出为真阴,也就是没病的能力:用s2=TN/(TN+FP)表示,其中TP 为真阳,TN为真阴,FP为假阳,FN为假阴。
具体的交叉熵函数为λs1+(1-λ)s2,调整λ的权重即可。
步骤S4、分割病灶
获取癫痫的实时图像数据,并将实时图像数据输入深度神经网络模型,分割出病灶;
步骤S5、计算术后疗效预测值
根据步骤S4分割出来的病灶,计算病灶的低代谢病灶体积HLV、病灶代谢减低量TLH。其中,低代谢病灶体积HLV反映了代谢减低病灶的范围,使用大脑总体积进行归一化处理;病灶代谢减低量TLH=(正常对照相应部位的SUV mean-病灶的SUV mean)×HLV,这个参数反映了病灶代谢减低的程度,使用大脑皮层总代谢量归一化。再基于低代谢病灶体积HLV的数据集、病灶代谢减低量TLH的数据集计算方差、方差、聚类内方差,基于方差、方差、聚类内方差计算术后疗效预测值。
在步骤S5中,对于低代谢病灶体积HLV的数据集,标记为,对于病灶代谢减低量TLH的数据集,则标记为,定义代表所有集合中的有限集,分别计算方差:、方差:和聚类内方差:,其中代表整体数据集,代表整体数据集的加权平均,对于不同数据有不同权重,不是完全的平均,将不同的HLV数据集放入TLH数据集进行计算;m和n均代表的是数据集中能够进行有效检验的数据个数。
通过ICC计算之后得到的术后疗效预测值,设置相应的条件进行判断,对于一定量的影像数据集,通过归一化之后,得出的术后疗效预测值代表了患者手术疗效的好坏预测。那么在经过大量数据检验之后的术后疗效预测值,再结合起病年龄、患病时间、发作频率、症状学等临床特征等多种参数,就可以用于评估特定病人的术后疗效预测效果。因此可以采取对病人的术后影像图的数据进行实时跟踪计算,然后对其得到的参数进行数据处理、分析和评估,如果能够满足判断参数的变化情况,则可以认为预后效果好,如果不满足则可以根据相应的变化情况做出相应的预测。
实施例2
本实施例还提供一种癫痫病灶自动分割与预测系统,包括:
数据采集模块,用于采集原始图像数据,并对原始图像数据发生癫痫病灶的位置进行标注;
网络模型搭建模块,用于搭建深度神经网络模型,深度神经网络模型对原始图像数据以及原始图像数据翻转后的翻转图像数据分别单独进行下采样特征提取,深度神经网络模型对原始图像数据和翻转图像数据融合后的融合图像数据进行上采样特征提取;
网络模型训练模块,用于采用数据采集模块采集的原始图像数据对深度神经网络模型进行训练;
病灶分割模块,用于获取癫痫的实时图像数据,并将实时图像数据输入深度神经网络模型,分割出病灶;
疗效预测值生成模块,用于根据病灶分割模块分割出来的病灶,计算病灶的低代谢病灶体积HLV、病灶代谢减低量TLH;并基于低代谢病灶体积HLV的数据集、病灶代谢减低量TLH的数据集计算方差、方差、聚类内方差,基于方差、方差、聚类内方差计算术后疗效预测值。
优选地,网络模型搭建模块搭建包括特征提取模块、特征融合模块以及特征判断模块的深度神经网络模型;
特征提取模块,包括一个输入层和多个卷积结构,每个卷积结构包括多个不同尺度的卷积层以及池化层;图像数据通过输入层输入卷积结构,卷积结构提取出图像数据中的图像特征;
特征融合模块,包括一个全局均值池化层,全局均值池化层在图像的通道维度上对特征提取模块提取出的图像特征进行融合;
特征判断模块,包括softmax二分类器,softmax二分类器用于判断特征融合模块融合后的特征是否代表原有信息。
优选地,疗效预测值生成模块中,对于低代谢病灶体积HLV的数据集,标记为,对于病灶代谢减低量TLH的数据集,则标记为,定义代表所有集合中的有限集,分别计算方差:、方差:和聚类内方差:,其中代表整体数据集,代表整体数据集的加权平均;
实施例3
本实施例提供一种计算机设备,其包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例1所述的一种癫痫病灶自动分割与预测方法的步骤。
实施例4
本实施例提供一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1所述的一种癫痫病灶自动分割与预测方法的步骤。
Claims (9)
1.一种癫痫病灶自动分割与预测方法,其特征在于,包括:
步骤S1、采集并标注图像数据
采集原始图像数据,并对原始图像数据发生癫痫病灶的位置进行标注;
步骤S2、搭建深度神经网络模型
搭建深度神经网络模型,深度神经网络模型对原始图像数据以及原始图像数据翻转后的翻转图像数据分别单独进行下采样特征提取,深度神经网络模型对原始图像数据和翻转图像数据融合后的融合图像数据进行上采样特征提取;
步骤S3、训练深度神经网络模型
采用步骤S1中采集的原始图像数据对深度神经网络模型进行训练;
步骤S4、分割病灶
获取癫痫的实时图像数据,并将实时图像数据输入深度神经网络模型,分割出病灶;
步骤S5、计算术后疗效预测值
2.如权利要求1所述的一种癫痫病灶自动分割与预测方法,其特征在于:
步骤S1中,采集的原始图像数据进行标注和预处理,具体为:
步骤S11,数据标注
分别对患者的患病部位及相关部位采集多张原始图像数据,将单次检查所得的原始图像数据为一组图像数据,再对每组图像数据发生癫痫病灶的区域进行标注;
步骤S12,图像预处理
对步骤S11采集的原始图像数据进行裁剪、勾画;
步骤S13,数据集划分
将经过预处理的原始图像数据按照5:1分为训练集和测试集。
3.如权利要求1所述的一种癫痫病灶自动分割与预测方法,其特征在于:
步骤S2中,搭建包括特征提取模块、特征融合模块以及特征判断模块的深度神经网络模型;
特征提取模块,包括一个输入层和多个卷积结构,每个卷积结构包括多个不同尺度的卷积层以及池化层;图像数据通过输入层输入卷积结构,卷积结构提取出图像数据中的图像特征;
特征融合模块,包括一个全局均值池化层,全局均值池化层在图像的通道维度上对特征提取模块提取出的图像特征进行融合;
特征判断模块,包括softmax二分类器,softmax二分类器用于判断特征融合模块融合后的特征是否代表原有信息。
4.如权利要求1所述的一种癫痫病灶自动分割与预测方法,其特征在于:
步骤S3在训练深度神经网络模型时,对步骤S1中采集的原始图像数据进行包括旋转、剪裁、加噪声的数据增广处理。
6.一种癫痫病灶自动分割与预测系统,其特征在于,包括:
数据采集模块,用于采集原始图像数据,并对原始图像数据发生癫痫病灶的位置进行标注;
网络模型搭建模块,用于搭建深度神经网络模型,深度神经网络模型对原始图像数据以及原始图像数据翻转后的翻转图像数据分别单独进行下采样特征提取,深度神经网络模型对原始图像数据和翻转图像数据融合后的融合图像数据进行上采样特征提取;
网络模型训练模块,用于采用数据采集模块采集的原始图像数据对深度神经网络模型进行训练;
病灶分割模块,用于获取癫痫的实时图像数据,并将实时图像数据输入深度神经网络模型,分割出病灶;
7.如权利要求6所述的一种癫痫病灶自动分割与预测系统,其特征在于:
网络模型搭建模块搭建包括特征提取模块、特征融合模块以及特征判断模块的深度神经网络模型;
特征提取模块,包括一个输入层和多个卷积结构,每个卷积结构包括多个不同尺度的卷积层以及池化层;图像数据通过输入层输入卷积结构,卷积结构提取出图像数据中的图像特征;
特征融合模块,包括一个全局均值池化层,全局均值池化层在图像的通道维度上对特征提取模块提取出的图像特征进行融合;
特征判断模块,包括softmax二分类器,softmax二分类器用于判断特征融合模块融合后的特征是否代表原有信息。
9.一种计算机设备,其特征在于,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-5任一项所述的一种癫痫病灶自动分割与预测方法的步骤。
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