医学功能影像的特征抽取与标引技术研发与应用

复旦大学华山医院PET中心上海华山信息技术有限公司复旦大学计算机科学技术学院 2010 07 18 男女恶性肿瘤死亡率最高 肺癌段纪俊 陈万青 张思维 中国恶性肿瘤死亡率的国际比较 中国社会医学杂志 2009 26 6 377 378 我国城市前五位死亡原因中占首位的疾病 恶性肿瘤 恶性肿瘤无创早期诊断方法X线CTPET CT全身扫描准确性最高 PET CT功能肿瘤的诊断分期治疗监测 近年来引进医疗仪器中上升幅度最大 100台90 以上设备闲置 资金浪费 效率低下影响因素医生在客户端机器上判读诊断 这样的诊断模式有一些缺点 a 对诊断医师有很高的要求 b 人工判读存在较大范围的随意性 c 目前PET CT影像的基础是SUV值 d PET CT机器输出高动态范围的图像 显示器的显示范围达不到 尽管采用了一些处理方式 还是有不少的细节损失 也直接影响医师的判读精度 PET CT相关的人才培养比较困难 没有统一的诊断标准 缺乏相关的人才 PET CT现况 研究PET CT特征抽取与标引等关键技术 自主研发医学功能影像智能处理方法 构建融入了医学专家经验的肿瘤功能影像知识库 研制辅助诊断专家系统 在华山医院PET中心等单位开展示范应用 总体目标 医学功能影像在临床诊断 全身肿瘤系统 中的特征提取a 基于不同解剖区域分别对图像进行 多级层次化 分割 分解 b PET CT图像的融合与配准c 针对不同疾病标引d 特征提取e 分类技术的研究PET CT专家先验知识形式化 便于计算机处理a 视觉定性分析b 半定量分析c 与结构图像一起综合判断病灶性质用于辅助诊断的专家系统a 系统管理b 图像管理c 诊断应用d 智能预测 病例1 正常人 200例2 肺癌 200例 包含腺癌 鳞癌及其他病例类型肿瘤病变 3 良性病变 200例 包括各类高摄取或低摄取的病变 建立辅助诊断专家系统 系统 基础设置数据库备份 恢复科室管理权限管理 a 系统管理 DICOM网络影像传输管理包括DICOM3 0标准图像的采集 查询 存储和传输 把DICOM的医疗设备工作端 服务器 诊断工作端组成一个DICOM的通讯网络 实现图像的共享 图像采集与预处理图像解码 CT PET值的提取 提取特征值建立正常人全身各部位的CT PET数据库具备图像数据进行增 删 改 查等功能数据库权限管理数据库安全性管理 b 图像管理 影像诊断功能 病例查询 导入 导出 显示设置 调用图像等 相关诊断功能 放大镜功能 移动功能等 辅助诊断 1 通过抽取 转换 分析数据库的数据 建立面向主题的数据仓库 2 在数据仓库的基础上建立OLAP系统 通过合适的维度 时间 年龄 性别 部位 病种等 归纳得出不同粒度的标准库 重点先建立全身标准库 3 分析异常人的SUV及CT数据 建立不同疾病 不同粒度的特征库 4 在数据仓库和标准库及特征库的基础上 通过多种算法推出诊断规则 即知识库 DICOM打印查询 c 诊断应用 根据年龄 性别 职业 病史 用药等指标 挖掘出对治疗 用药有效相关知识根据性格 饮食 生活习惯 民族 地区等指标 挖掘出对预防疾病有效的知识根据挖掘结果 发现知识库中不合理或错误的知识 规则 并予以删除总结出新知识 加入知识库中 d 智能预测 医工结合优势互补 华山医院 复旦计算机 华山信息 教师2人 学生3人管一晖左传涛王长梅王慧春陈丽敏 教师2人 学生5人张文强张巍潘岩宋晓影 工程师3人袁永盛周垣沈彧 基本功能 拖放 正转 反转 逆转 翻转 缩放 放大镜等 高级功能 核医学专用定量计算 提供图像配准 融合处理模块 窗宽窗位调节 3D浏览功能 横断面 冠状面 矢状面任意切面展现及平铺 支持手动分割 勾画等 支持感兴趣区域的多幅图像浏览等 目前已完成 特征提取与标引 ROI自动分割 特征分类与识别 四大关键技术 融专家知识与机器学习于一体 据患者临床数据出客观诊断结论 纹理特征计算 迭代阈值算法进行二值化处理以四角顶点为SeedPoint进行漫水填充先膨胀后腐蚀的闭运算CT自动分割后映射到PET图像 提取ROI 24 自动区域分割 ROI分割 对每个ROI提取了3组共14个不同纹理特征3组 基于统计的 基于灰度等级空间依赖矩阵的和基于相邻灰度等级差异矩阵平均值 mean 标准差 standarddeviation 中位数 median 偏度 skewness 峰度 kurtosis ASM AngularSecondMoment 熵 entropy 对比性 GTSDM contrast 相关性 correlation 粗糙度 coarseness 对比度 contrast 繁忙度 busyness 复杂度 complexity 强度 strength 25 26 肿瘤区域粒度小 灰度值分布较分散 不均匀肿瘤和良性组织都可能具有较高或较低的平均灰度值 27 粗糙度 熵 复杂度 ASM 标准差 平均值 使用K近邻分类器对测试样本进行分类 以验证识别肿瘤和良性结节的有效性 采用有监督的学习 利用已知样本集的类别信息 故识别效果较好 使用准确性 accuracy 敏感性 sensitivity 和特异性 specificity 作为度量 单个特征识别效果最好的是粗糙度 准确率0 86 敏感性1 00 特异性0 67 K 9 组合的特征数增多 准确性也相应增加 最高达到0 91 由3个或4个特征组合得到ASM 熵 粗糙度和复杂度这4个特征无论单独计算还是组合使用都有较好的效果 基于PET CT纹理特征分析在孤立性肺结节和肿块性质鉴别诊断中的应用价值探讨目的探讨18F FDGPET CT显像医师先验知识 PET CT融合图像纹理特征参数联合应用对SPNs和肿块的诊断价值 方法因肺部孤立性肺结节和肿块性质不明来就诊的患者143例行PET CT检查 由核医学科医师根据图像判断肺部病灶良恶性 定量分析PET CT融合图像的偏度 skewness 角二阶距 AngularSecondMoment ASM 粗糙度 Coarseness 3项纹理特征参数 经病理检查或治疗后影像学随访确诊肺部孤立性肺结节和肿块的良恶性 分析两种方法的诊断价值 结果143例中 106例诊断为肺癌 37例诊断为良性疾病 医师先验知识 纹理特征参数 两种方法联合诊断肺癌的灵敏度分别为88 7 84 9 和96 2 结论PET CT融合图像的纹理特征联合可用来帮助鉴别肺部病灶良恶性 且可弥补单一参数指标的不足 且基于PET CT 医师先验知识与纹理特征两种方式联合应用在判断肺部病灶良恶性中起到积极作用 研究对象选用07年1月 09年5月本院行18F FDGPET CT显像发现肺部SPNs或肿块的患者143例 其中男性92例 女性51例 平均年龄58 36 22 31岁 所有患者均进行均进行3 21个月的随访以明确诊断 恶性患者106例 其中72经手术 支气管镜或穿刺活检病理证实 34例临床确诊肺癌 肺部良性病变患者37例 其中15例经手术病理证实 22例随访观察3 21个月影像学资料证实病灶范围缩小或消失 排除标准1 病灶引起阻塞性症状者2 产生运动伪影 检查方法显像前空腹6h以上空腹血糖 150mg dl注射18F FDG370 666MBq 10 18mCi 60 120min后进行检查PET CT仪器Siemensbiograph64型 Siemensbiographsensation16型 并配备Pico 3D采集CT图像 电压120kV 电流140mAs 准直 层厚5 0 0 75mm 0 5ms 转 螺距1 25 扫描时间20 30s PET图像采集衰减校正 图像重建和融合 Truex或OSEM进行图像重建融合 医师先验知识判断图像病灶性质 PET CT融合图像纹理特征参数选用横断面的PET CT融合图像分辨率323 323像素分割ROI提取偏度 角二阶距 粗糙度 结果 肺癌患者和肺良性疾病患者3项纹理特征参数的水平比较 a 3种纹理参数水平比较 良性组 恶性组 结果 b 纹理特征参数Logistic回归分析和ROC曲线分析 Logistic分析 粗糙度 偏度 ASM三指标除ASM外皆与肺癌诊断有相关性 并产生新变量 Pre 1 恶性组Pre 1分布图 良性组Pre 1分布图 Pre 1的ROC曲线 Coarseness skewness ASM的ROC曲线 coarseness skewness ASM及3项联合诊断肺癌的ROC分析 ROC曲线下面积 Pre 1 偏度 粗糙度 ASM 肺癌患者与良性病患者比较 AUC Pre 1 粗糙度 偏度 ASM 差异均有统计学意义 P 0 05 选择ROC曲线图中最靠近左上方的点 以灵敏度和特异性和的最高值作为界值 c PET CT显像医师先验知识 融合图像纹理特征参数新变量测定结果d 医师先验知识联合纹理参数检测 经 2检验 两法联合应用灵敏度分别高于单项诊断方法 P 0 05 特异性与前者比较有差异 P 0 05 与后者比较无差异 准确度与两者单独应用无差异 结果 医师诊断 纹理分析诊断 病理结果 腺癌 医师诊断 纹理分析诊断 病理结果 结核 医师诊断 纹理分析诊断 病理结果 硬化性血管瘤 完成华山医院PET中心基于智能图像处理的PET CT辅助诊断专家系统建设 在华山医院PET中心投入使用并发挥实际作用 进行中 已建立国人的正常人 恶性 良性病例的肺部PET CT图像数据数据库在基于PET CT