关键词:
深度学习
腰椎分割
区域感知
图卷积
小样本学习
摘要:
在当今社会,大多数人处于久坐不动的工作状态,由此引发了各种腰椎疾病,对腰椎进行早期筛查并做出诊断能有效降低发病率。面向腰椎医学影像的多实例分割是诊疗流程中重要的一步,其分割结果可以辅助临床医生进行疾病诊断以及手术规划。临床医生手动分割腰椎费时费力,而近年来深度学习在医学影像分析方面取得重大进展,其可以快速地适应不同医学领域的问题,因此使用深度学习进行腰椎分割对于临床应用具有重要价值。本文基于区域感知机制、图卷积神经网络、小样本学习等理论对于动态X射线腰椎影像以及MR腰椎影像进行分析,主要研究内容如下:
(1)腰椎功能障碍患者往往体现在椎骨运动不规律,而对椎骨进行运动参数测量有助于研究腰椎活动规律。针对在动态X射线影像中腰椎运动参数难以测量的问题,本文设计腰椎分割网络VerSeg-Net,使用其分割结果辅助参数测量。VerSeg-Net基于区域感知机制,将输入特征划分为相同大小的区域,通过基于关注度的筛选算法使得每个区域能够动态地关注其匹配度较高的区域,以避免腰椎影像的软组织等干扰因素。此外,VerSeg-Net在跳跃连接过程中使用了特征聚合模块,此模块对其进行分支划分,每个分支具有不同感受野,最后通过选择融合来提升模型的感知能力。在使用VerSeg-Net对腰椎进行实例分割后,由于锥体部分类似矩形,因此对分割结果进行最小外接矩形提取以获得锥体的四个顶点,最后通过这些顶点计算出运动参数。
(2)腰间盘是腰椎的重要组成部分,但由于其为软组织,X射线无法将其检测出,因此VerSeg-Net无法应用于腰间盘分割。针对腰间盘具有类间相似性而导致其分割错位的问题,本文提出了双视角腰间盘分割网络DiscSeg-Net,包括了空间位置信息视角以及腰间盘关联信息视角。在空间位置信息视角中将腰椎MR影像划分为若干3D特征块,对其进行位置编码并添加多头注意力机制,使其获得空间信息。在腰间盘关联信息视角中,本文利用其特定的空间线性结构,将3D语义特征投影到2D图特征中进行图卷积操作,以提取腰间盘关联信息。之后通过将空间位置信息与腰间盘关联信息相融合,使得模型能够在双视角的注意力之下,对腰间盘进行精确分割。
(3)DiscSeg-Net虽然体现了较高的性能,但是在训练样本较少的情况下,其分割精度较差。针对腰椎数据量缺少而导致其分割精度低的问题,本文提出了小样本腰椎分割方法,通过在腰椎MR影像中抽取切片作为支持集和查询集,并结合小样本学习理论中的任务式训练思想,学习各椎骨的空间差异性,优化模型参数,提升模型对不同椎骨的泛化预测能力。基于此方法,本文设计了小样本腰椎分割网络VerFSS-Net,此网络通过空间配准提供目标的先验位置信息,并且将此先验信息融入到解码特征中,实现解码特征和先验知识的内容交互,使得模型更加关注其位置信息。此外本文提出了原型迭代更新模块,将预测结果与查询集特征计算损失来更新前景原型并反复迭代,这种迭代机制有助于网络更好地捕捉腰椎的细微特征,提高分割的准确性。