关键词:
低剂量CT影像
辅助诊断
噪声抑制模块
软阈值函数
通道注意力机制
摘要:
在当今临床上的疾病辅助诊断方式中,计算机断层扫描(CT)是其中最有效的方式之一。然而,CT检查时的高辐射危害一直是人们所在意的一个问题,盲目使用低辐射剂量,会使得所重建出来的CT影像噪声急剧增多,从而大大影响了诊断效果。相比人工诊断,使用深度学习技术进行辅助诊断可以更容易关注到噪声CT影像的病灶特征。因此本文中提出了可以面向噪声CT影像的深度学习方法,使其能够应用于低剂量CT(Low-Dose CT,LDCT)影像的辅助诊断中,在能够辅助医疗人员对LDCT影像进行疾病诊断的同时,还可以尽量降低患者做CT检查时受到的辐射剂量,保障其身体健康。本文研究的主要工作内容如下几个方面:(1)针对真实的LDCT影像数据集难以获取的问题,我们自主构建了一种含有噪声的新冠肺炎LDCT数据集(COVID-19-LDCT)。在这个过程中,首先收集了常规剂量的新冠肺炎CT(COVID-19-CT)数据集,并对该数据集进行了预处理,以及使用Smote算法解决了数据集中类别不平衡问题。随后对LDCT影像中的噪声成分进行了分析,根据其原理与数学关系自主建模了该类噪声。最后通过在COVID-19-CT数据集上添加上述建模的噪声,构建了COVID-19-LDCT数据集。(2)针对LDCT影像中存在大量噪声,不利于神经网络进行准确诊断的问题,提出了一种可用于抑制噪声的模块NS(Noise Suppression),并将其嵌入至Res Net模型的残差单元(Residual Block Unit,RBU)中。通过这种方式改进的Res Net有两种形式,一种是通道间阈值相同(Channel-Same,CS)的Res Net-CSNS,另一种是通道间阈值不同(Channel-Different,CD)的Res Net-CDNS。NS模块由软阈值函数与SE通道注意力机制组成,软阈值函数可以协助模型过滤CT影像中的噪声特征,以此达到抑制噪声的目的;SE注意力机制则用于协助为特征的每个通道自适应设置阈值,解决软阈值函数中的阈值设置难题。通过在COVID-19-LDCT数据集上实验,结果表明该模块能够有效提高模型在噪声CT下影像的分类性能。(3)在上述研究的基础上,提出了一种性能更优秀且更轻量的噪声抑制模块ENS(Efficient Nosie Suppression)。为了能够进一步提高模型在LDCT影像上的诊断性能和效率,我们对上述的NS模块进行了进一步的改进。首先是针对软阈值函数在早期训练过程易将部分未被及时关注到的有用特征清除的问题,通过在其梯度为0的部分添加了适当的梯度,设计了Leaky-软阈值函数。该新型软阈值函数使得模型能够在具备噪声抑制功能的同时,还增强了对特征的保护能力,防止有用信息的丢失,以此提升模型在噪声CT影像下的分类性能,通过实验表明了该改进方法的有效性。其次是针对SE注意力机制带来的高参数量问题,通过引入更轻量的ECA注意力机制取代SE,大大减少了抑噪模型中的参数引入,以此提高了模型的分类效率。(4)为了避免本研究中所提出的噪声抑制方法在适用场景上出现单一性的问题,我们将ENS分别应用于Res Net与Mobile Net V2模型中,提出了Res Net-ENS和Mobile Net V2-ENS。前者准确率更高,但参数量相对较多,适用于在具备一定算力的计算机等设备实现精确诊断;而Mobile Net V2-ENS模型是非常轻量化的,因此适用于在移动式或嵌入式设备实现快捷诊断。