计算机视觉方向综述：医学图像处理

2020-02-21张伟计算机视觉life

　　2、图像分割

　　医学图像分割就是一个根据区域间的相似或不同把图像分割成若干区域的过程。目前，主要以各种细胞、组织与器官的图像作为处理的对象。传统的图像分割技术有基于区域的分割方法和基于边界的分割方法，前者依赖于图像的空间局部特征，如灰度、纹理及其它象素统计特性的均匀性等，后者主要是利用梯度信息确定目标的边界。结合特定的理论工具，图象分割技术有了更进一步的发展。比如基于三维可视化系统结合FastMarching算法和Watershed 变换的医学图象分割方法，能得到快速、准确的分割结果[8]。

　　图3Watershed分割方法原理

　　近年来，随着其它新兴学科的发展，产生了一些全新的图像分割技术。如基于统计学的方法、基于模糊理论的方法、基于神经网络的方法、基于小波分析的方法、基于模型的snake 模型(动态轮廓模型)、组合优化模型等方法。虽然不断有新的分割方法被提出，但结果都不是很理想。目前研究的热点是一种基于知识的分割方法，即通过某种手段将一些先验的知识导入分割过程中，从而约束计算机的分割过程，使得分割结果控制在我们所能认识的范围内而不至于太离谱。比如在肝内部肿块与正常肝灰度值差别很大时，不至于将肿块与正常肝看成 2 个独立的组织。

　　医学图像分割方法的研究具有如下显著特点：现有任何一种单独的图像分割算法都难以对一般图像取得比较满意的结果，要更加注重多种分割算法的有效结合;由于人体解剖结构的复杂性和功能的系统性，虽然已有研究通过医学图像的自动分割区分出所需的器官、组织或找到病变区的方法，但目前现成的软件包一般无法完成全自动的分割，尚需要解剖学方面的人工干预[9]。在目前无法完全由计算机来完成图像分割任务的情况下，人机交互式分割方法逐渐成为研究重点;新的分割方法的研究主要以自动、精确、快速、自适应和鲁棒性等几个方向作为研究目标，经典分割技术与现代分割技术的综合利用(集成技术)是今后医学图像分割技术的发展方向[10,11]。

　　利用2891次心脏超声检查的数据集，Ghesu等结合深度学习和边缘空间学习进行医学图像检测和分割[12]。“大参数空间的有效探索”和在深度网络中实施稀疏性的方法相结合，提高了计算效率，并且与同一组发布的参考方法相比，平均分割误差减少了13.5%，八位患者的检测结果如图4所示。Brosch等人利用MRI图像上研究多发性硬化脑病变分割的问题。开发了一种3D深度卷积编码器网络，它结合了卷积和反卷积[13]，图5.增加网络深度对病变的分割性能的影响。卷积网络学习了更高级别的特征，并且反卷积网络预进行像素级别分割。将网络应用于两个公开的数据集和一个临床试验数据集，与5种公开方法进行了比较，展现了最好的方法。Pereira等人的研究中对MRI上的脑肿瘤分割进行了研究，使用更深层的架构，数据归一化和数据增强技巧[14]。将不同的CNN架构用于肿瘤，该方法分别对疑似肿瘤的图像增强和核心区域进行分割。在2013年的公共挑战数据集上获得了最高成绩。

　　图4示例图像显示了不同患者的检测结果从测试集。检测到的边界框以绿色显示，标准的框以黄色显示。原点位于每个框中心的线段定义相应的坐标系

　　图5.增加网络深度对病变的分割性能的影响。真阳性，假阴性和假阳性体素分别以绿色，黄色和红色突出显示。由于感受野的大小增加，具有和不具有捷径的7层CEN能够比3层CEN更好地分割大的病变。

　　2018年德国医疗康复机构提出一种具有代表性的基于全卷积的前列腺图像分割方法。用CNN在前列腺的MRI图像上进行端到端训练，并可以一次完成整个分割。提出了一种新的目标函数，在训练期间根据Dice系数进行优化[15]。通过这种方式，可以处理前景和背景之间存在不平衡的情况，并且增加了随机应用的数据非线性变换和直方图匹配。实验评估中表明，该方法在公开数据集上取得了优秀的结果，但大大降低了处理时间。