一种基于脑部MRI三维图像置信度的自适应变尺度卷积核方法与流程

一种基于脑部mri三维图像置信度的自适应变尺度卷积核方法
技术领域
[0001]
本发明属于信息与自动控制技术领域，尤其涉及一种基于脑部mri三维图像置信度的自适应变尺度卷积核方法。


背景技术：

[0002]
脑肿瘤的死亡率很高，患者一旦被确诊之后，其生命一般就剩两三年。磁共振成像(mri)技术已经广泛用于人体各个系统的成像判断上，医生通过磁共振图像诊断病情从而可以尽早的发现病情并进行治疗。
[0003]
快速，自动，准确的检测脑部mri肿瘤图像对于肿瘤诊断具有至关重要的作用。虽然现在很多的深度学习网络比如全卷积网络(fcn)能够地检测出脑部mri图像中的肿瘤区域，但是由于这类网络中的卷积层的大小和数目都固定的，通过这种不变的卷积核来提取特征，在经过多个卷积层之后必定会丢失一些细节信息，或者提取到很多无用的信息，白白浪费计算资源。不能做到快速，准确，自动的分割脑部mri肿瘤分割中的快速和准确，甚至可能会影响医生做出错误的判断。


技术实现要素：

[0004]
本发明所要解决的技术问题是一种基于脑部mri三维图像置信度的自适应变尺度卷积核方法。由于不同患者，不同仪器下得到的图像灰度范围不同，从而mri图像目标物的置信度也会不同，本发明提出的方法能够根据mri图像肿瘤的置信度自动的调节深度网络中卷积核的尺度。
[0005]
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0006]
一种基于脑部mri三维图像置信度的自适应变尺度卷积核方法，包含mri图像中目标区域置信度的计算和自适应变尺度卷积核的计算两部分；
[0007]
mri图像中目标区域置信度的计算，具体如下：
[0008]
步骤1：计算信噪比snr，具体如下：
[0009]
步骤1.1，在图像均匀性层上，分别从x，y，z方向对图像中心信号区域的测量兴趣区域mroi进行测量，进而得到信号强度s
x
,s
y
,s
z
；
[0010]
步骤1.2，再从模体外周围四角背景区域分别测量频率编码，相位编码，层面选择编码方向面积为100mm2的感兴趣区域roi信号强度的标准偏差进而计算出信噪比snr；
[0011][0012]
[0013][0014]
其中，当层厚d为10mm时，k＝1；当d<10mm时，
[0015]
步骤2，计算主磁场均匀度；
[0016]
步骤2.1，分别计算频率、相位和层面选择的线性梯度场g
x
,g
y
和g
z
；具体如下：
[0017][0018][0019][0020]
其中，γ为旋磁比，fov
x
,fov
y
和fov
z
分别是沿频率编码方向，相位编码方向和层面选择编码方向的有效视野(field of view)，bw
x
,bw
y
和bw
z
分别是沿频率编码方向，相位编码方向和层面选择编码方向的接收带宽；
[0021]
步骤2.2，计算在频率编码方向，相位编码方向和层面选择编码方向上因局部不均匀磁场δb0(x,y,z)引起的图像变形量：
[0022]
x'＝x+δb
0x
(x,y,z)/g
x
[0023]
y'＝y+δb
0y
(x,y,z)/g
y
[0024]
z'＝z+δb
0z
(x,y,z)/g
z
[0025]
步骤2.3，对于一定的球型体模磁场的均匀度用下式分别计算沿频率编码，相位编码，层面选择编码方向的主磁场均匀度：
[0026][0027][0028][0029]
其中，bw
x1
，bw
y1
，bw
z1
分别是较小的接收带宽；bw
x2
，bw
y2
，bw
z2
分别是较大的接收带宽，x'
1-x'2，y'
1-y'2，z'
1-z'2分别是在较小的带宽，较高的带宽2次扫描得到的图像在各自编码方向上的变形的位移差值；b0(t)是主磁场强度；
[0030]
步骤2.4，根据上述步骤分别计算出x，y，z轴上的置信度即计算对应mri的k空间频率编码方向，相位编码方向和层面选择编码方向的置信度；定义三个方向上的置信度为：
[0031]
p
x
＝βsnr
x
+(1-β)δb
0x
(ppm)
[0032]
p
y
＝βsnr
y
+(1-β)δb
0y
(ppm)
[0033]
p
z
＝βsnr
z
+(1-β)δb
0z
(ppm)
[0034]
其中，β是人为设置的权重参数，且β＝0.5；
[0035]
自适应变尺度卷积核的计算，具体如下：
[0036]
步骤3，根据计算出的目标物的置信度求出具体的多尺度的卷积核大小；
[0037]
步骤3.1，找出目标物置信度和卷积核尺度之间的关系；其中，三维卷积核的尺寸可表示为w，h，d；其中，w，h，d初始值均为3，记为w0，h0，d0；由于置信度的值是在0和1之间的小数，不适合直接作为卷积核尺度；所以由以下公式决定三维卷积核的尺寸：
[0038][0039]
对于上述三个式子中出现的小数部分，作向上取整处理；
[0040][0041]
基于上述两组式子可使得三维卷积核对于各种不同的目标物具有自适应能力，即能使得三维卷积核能根据不同目标物空间上的置信度和目标物出现的概率自动的调整三维卷积核的尺度。
[0042]
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0043]
本发明一种基于脑部mri图像置信度的自适应变尺度卷积核方法，能够根据mri的图像中肿瘤区域的置信度，自动实时的改变卷积核尺度，来更好地提取特征，如果肿瘤区的置信度高则提供大尺度的卷积核来提取特征，反之则使用小的卷积核提取特征，这样把计算资源都用在了关键位置，而且解决了不同患者，不同仪器下得到的mri图像灰度范围不同的问题，根据三维图像像素的置信度来实时改变卷积核的大小，能够更好分割mri肿瘤图像。
附图说明
[0044]
图1是本发明实施例的mri三维图像均匀性层示意图；
[0045]
图2是本发明实施案例的自适应变尺度卷积核示意图。
具体实施方式
[0046]
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0047]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0048]
本发明基于现有的人工智能技术，提出了一种基于脑部mri三维图像置信度的自适应变尺度卷积核方法。
[0049]
由于不同患者，不同仪器下得到的mri图像质量不同，图像中目标物的置信度也会
不同，为了能够更好的提取关键性的特征需要不同尺度的三维卷积核。
[0050]
实现本发明目的的技术解决方案为：基于脑部mri三维图像置信度的自适应变尺度卷积核方法，特别是用于一种能够根据mri三维图像中感兴趣区域置信度的值来实时的改变卷积核的大小的方法。
[0051]
模块一：mri图像置信度的计算方法如下：
[0052]
步骤1：计算信噪比(snr)。
[0053]
步骤1.1：在图像均匀性层上如图1所示,分别从x，y，z方向对图像中心信号区域的测量兴趣区域(mroi)进行测量(至少75％的一个居中规则几何区域)，得到信号强度：s
x
,s
y
,s
z
；
[0054]
步骤1.1.1：再从模体外周围四角背景区域分别测量频率编码，相位编码，层面选择编码方向面积为100mm2的感兴趣区域(roi)信号强度的标准偏差由以下公式计算出信噪比(snr):
[0055][0056][0057][0058]
其中当层厚d为10mm时，k＝1；当d<10mm时，
[0059]
步骤1.2：计算主磁场均匀度。
[0060]
步骤1.2.1：分别计算频率、相位和层面选择的线性梯度场g
x
,g
y
和g
z
；
[0061][0062][0063][0064]
其中γ为旋磁比，fov
x
,fov
y
和fov
z
分别是沿频率编码方向，相位编码方向和层面选择编码方向的有效视野(field of view)，bw
x
,bw
y
和bw
z
分别是沿频率编码方向，相位编码方向和层面选择编码方向的接收带宽。
[0065]
步骤1.2.2：计算在频率编码方向，相位编码方向和层面选择编码方向上因局部不均匀磁场δb0(x,y,z)引起的图像变形量
[0066]
x'＝x+δb
0x
(x,y,z)/g
x
[0067]
y'＝y+δb
0y
(x,y,z)/g
y
[0068]
z'＝z+δb
0z
(x,y,z)/g
z
[0069]
步骤1.2.3：对于一定的球型体模磁场的均匀度用下式分别计算沿频率编码，相位
编码，层面选择编码方向的主磁场均匀度：
[0070][0071][0072][0073]
其中bw
x1
，bw
y1
，bw
z1
分别是较小的接收带宽。bw
x2
，bw
y2
，bw
z2
分别是较大的接收带宽，(x'
1-x'2)，(y'
1-y'2)，(z'
1-z'2)分别是在较小的带宽，较高的带宽2次扫描得到的图像在各自编码方向上的变形的位移差值。b0(t)是主磁场强度。
[0074]
步骤1.2.4：根据上述步骤分别计算出x,y,z轴上的置信度即计算对应mri的k空间频率编码方向，相位编码方向和层面选择编码方向的置信度。本专利定义三个方向上的置信度为：
[0075]
p
x
＝βsnr
x
+(1-β)δb
0x
(ppm)
[0076]
p
y
＝βsnr
y
+(1-β)δb
0y
(ppm)
[0077]
p
z
＝βsnr
z
+(1-β)δb
0z
(ppm)
[0078]
其中β是人为设置的权重参数，本专利中设定β＝0.5。
[0079]
模块二：自适应变尺度卷积核的计算，具体如下：
[0080]
步骤1：根据模块一中计算出的目标物的置信度求出具体的多尺度的卷积核大小。首先要找出目标物置信度和卷积核尺度之间的关系。三维卷积核的尺寸可以表示为(w,h,d)，w,h,d初始值均为3,记为w0，h0，d0。由于置信度的值是在0和1之间的小数，不适合直接作为卷积核尺度。所以由以下公式决定三维卷积核的尺寸如下所示：
[0081][0082]
对于上述三个式子中出现的小数部分，作向上取整处理。
[0083][0084]
基于上述两组式子可以使得三维卷积核对于各种不同的目标物具有自适应能力，即能使得三维卷积核能根据不同目标物空间上的置信度和目标物出现的概率自动的调整三维卷积核的尺度。
[0085]
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中
的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0086]
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。