肿瘤病变分割与静息态功能磁共振成像分类算法研究
1. 肿瘤病变分割
在肿瘤病变分割方面,有研究提出了一种仅依赖正电子发射断层扫描(PET)的全自动病变分割方法。该方法能够将异常病变活动与背景以及正常放射性示踪剂摄取的其他组织区域区分开来。
这是一种基于学习似然项引导的凸分割技术,学习过程基于一个在解剖和生理上有意义的线索训练的分类模型。使用凸公式和训练好的分类器来学习所有参数,避免了人类交互(如初始化和参数调整),并在新的测试图像(从具有不同重建参数的不同扫描仪获得)上产生完全可重现的结果。该方法优于最近发表的用于此应用的最先进方法,与专家用户相比,平均骰子相似系数(DSC)仅相差 4%。
以下是该方法的一些关键特点:
-
自动分割
:无需人工干预,实现病变的自动分割。
-
凸分割技术
:基于学习似然项引导,提高分割的准确性。
-
可重现性
:在不同的测试图像上能得到一致的结果。
2. 静息态功能磁共振成像分类算法
静息态功能磁共振成像(rfMRI)为大脑功能变化提供了有价值的信息,是神经退行性疾病生物标志物的有力候选者。然而,常用的 rfMRI 分析技术在用于分类时存在一些不理想的特征。
2.1 线性判别分析(LDA)
LDA 是一种经典的分类算法,当应用于两类问题时,其目标是将特征向量投影到一条直线上,使得投影后的组间均值差异除以投影后的组内方差之和最大化。LDA 寻求最大化以下目标函数:
[
J_{LDA} = \frac{[w^T(\mu_1 - \mu_2)]^2}{\sum_{s \in C_1} (w^T(x_s - \mu_1))^2 + \sum_{s \in C_2} (w^T(x_s - \mu_2))^2 + \lambda}
]
其中,(\mu_p) 是类 (C_p)((C_1) 为类 1,(C_2) 为类 2)的均值特征集,(\lambda) 是正则化项,且 (w^T w = 1)。该目标函数可重写为:
[
J_{LDA} = \frac{w^T S_B w}{w^T (S_W + \lambda I) w}
]
其中,(S_B = (\mu_1 - \mu_2) (\mu_1 - \mu_2)^T),(S_W) 是每个类的协方差矩阵之和,(I) 是单位矩阵。其解析解为:
[
w^* = (S_W + \lambda I)^{-1} (\mu_1 - \mu_2)
]
当每个样本的特征数量远多于样本数量时(如 MRI 数据),(S_W) 包含大量的零空间,其逆矩阵是病态的。为克服这一问题,在 (S_W) 的对角元素上添加一个常数 (\lambda) 进行正则化。
2.2 迭代双线性判别分析(Iterative Dual LDA,IDLDA)
为了克服 ICA 在分类中的不足,研究人员提出了一种基于 LDA 的新型监督学习算法——IDLDA。该算法不需要对数据进行任何分解或分割,也不需要用户应用潜在判别网络的先验知识。
算法的具体步骤如下:
1. 考虑一个经过去均值和方差归一化的 rfMRI 数据矩阵 (X_s),其中 (n_v) 是体素数量,(n_t) 是时间点数。
2. 定义两个向量 (w) 和 (v),分别对应两个不同脑区的空间图权重。对于受试者 (s),两个 rfMRI 时间进程之间的相似性可以表示为:
[
y_s = (w^T X_s) (v^T X_s)^T = w^T X_s X_s^T v
]
3. 对于两组受试者的 rfMRI 数据集,寻求最大化以下目标函数:
[
J_{IDLDA} = \frac{(\frac{1}{n_1} \sum_{s \in C_1} y_s - \frac{1}{n_2} \sum_{s \in C_2} y_s)^2}{\sum_{s \in C_1} (y_s - \frac{1}{n_1} \sum_{s \in C_1} y_s)^2 + \sum_{s \in C_2} (y_s - \frac{1}{n_2} \sum_{s \in C_2} y_s)^2 + \lambda}
]
4. 由于需要最大化两个向量,采用迭代方法。首先初始化 (v = m_0),然后使用 LDA 找到 (w)(定义为 (m_1)),接着固定 (w),使用 LDA 找到 (v)((v = m_2)),以此类推。
以下是 Iterative Dual LDA 算法的伪代码:
Algorithm 1. Iterative Dual LDA
1: for (i = 1 to k) do
2: xs = XsXT s mi−1 and SW = ∑p ∑s∈Cp(xs −µp)(xs −µp)T
3: mi = (SW + λInv)−1 (µ1 −µ2) and mi = (1 / ∥mi∥)mi
4: end for
5: w = mk and v = mk−1
2.3 实验数据
- 模拟数据 :模拟数据集包含 59 名健康受试者和 59 名疾病受试者,每个受试者的数据包含 91125 个体素和 180 个时间点。为模拟静息态连接,将体素平均分配到 27 个脑区,每个脑区有一个独特的、无自相关的内在时间进程。通过混合内在时间进程模拟脑区之间的连接。对于疾病情况,假设一个脑区的 25% 细胞死亡,导致该区域的内在时间进程信号和连接强度降低 25%。最后,为每个体素的时间进程添加高斯噪声。
- 帕金森病数据 :真实的 rfMRI 数据集由牛津帕金森病中心提供,包含 118 名受试者,其中 59 名是健康对照,59 名是帕金森病患者。数据使用回波平面成像(EPI)采集,空间分辨率为 3 × 3 × 3.5 mm,重复时间为 2 s,扫描时间为 6 分钟,共 180 个时间点。预处理包括注册到 2 mm MNI 152 标准空间、回归 24 个运动参数和使用 FIX 进行清理。
3. 实验结果
3.1 模拟数据结果
在模拟数据上,研究人员评估了算法在不同噪声水平下的性能。噪声水平用 (g) 表示,即高斯噪声的标准差 (\sigma(n)) 除以真实静息态时间进程的标准差 (\sigma(rs))。
当 (g = 5),(\lambda = 10^9),(m_0 = r) 时,算法能够清晰地识别出模拟受疾病影响的脑区体素,并在 (v) 图像中给予这些体素相对较高的权重。目标函数在所有情况下都随着迭代单调增加,对于 (g = 5) 的数据集,在 8 次迭代后收敛。
选择 (\lambda = 10^9) 的原因是,在该值附近,使用不同初始化向量运行算法得到的输出向量之间的皮尔逊相关系数接近 1。研究还发现,算法对初始化不敏感的 (\lambda) 值与体素数量有关。
通过留一法(LOO)交叉验证评估算法的分类性能,计算受试者操作特征(ROC)曲线下的面积(AUC)。结果表明,在低到中等噪声水平下,算法的分类准确率在 1 - 0.85 之间,表现良好。与 ICA + DR 方法相比,IDLDA 不需要手动选择判别组件,具有更好的性能。
以下是模拟数据实验的一些关键结果总结:
| 实验参数 | 结果 |
| ---- | ---- |
| 噪声水平 (g = 5),(\lambda = 10^9),(m_0 = r) | 算法能识别受疾病影响脑区体素,目标函数 8 次迭代后收敛 |
| 不同初始化向量 | (\lambda = 10^9) 时输出向量相关系数接近 1 |
| 分类性能(低到中等噪声水平) | AUC 在 1 - 0.85 之间 |
mermaid 流程图展示 Iterative Dual LDA 算法流程:
graph TD;
A[初始化 v = m0] --> B[使用 LDA 找到 w = m1];
B --> C[固定 w,使用 LDA 找到 v = m2];
C --> D{是否达到迭代次数 k};
D -- 否 --> B;
D -- 是 --> E[输出 w = mk,v = mk - 1];
综上所述,肿瘤病变分割方法和 Iterative Dual LDA 算法在各自的领域都展现出了良好的性能和应用潜力。肿瘤病变分割方法实现了 PET 图像的全自动病变分割,具有可重现性;Iterative Dual LDA 算法为 rfMRI 数据分类提供了一种新的有效方法,克服了传统方法的一些不足。未来,这些方法有望在医学研究和临床应用中发挥更大的作用。
肿瘤病变分割与静息态功能磁共振成像分类算法研究
4. 与其他方法对比分析
在静息态功能磁共振成像(rfMRI)数据分类方面,将 Iterative Dual LDA(IDLDA)算法与独立成分分析(ICA)结合双回归(DR)的方法进行了对比。ICA + DR 方法是一种常用的 rfMRI 分析技术,但它存在一些局限性。
ICA 需要事先任意设置独立成分的数量,并且用户需要主观选择用于判别的成分,而并不知道该成分的判别效果如何。虽然可以通过统计测试(如双回归)来辅助选择,但可能会出现多个成分都包含有用信息的情况,这使得创建判别式变得复杂。此外,ICA + DR 方法的结果可重复性较差。
而 IDLDA 算法不需要对数据进行任何分解或分割,也不需要用户应用潜在判别网络的先验知识。它可以直接将整个 rfMRI 数据集作为输入,通过迭代的方式学习判别信息。在模拟数据和帕金森病数据的实验中,IDLDA 算法都表现出了更好的性能和稳定性。
以下是两种方法的对比总结:
| 方法 | 优点 | 缺点 |
| ---- | ---- | ---- |
| ICA + DR | 可作为探索性工具,能发现潜在的独立成分 | 需要手动设置成分数量和选择判别成分,结果可重复性差 |
| IDLDA | 无需数据分解和先验知识,可直接处理全量数据,性能和稳定性好 | |
5. 实际应用与展望
5.1 肿瘤病变分割的应用
肿瘤病变分割方法在肿瘤诊断和治疗中具有重要的应用价值。通过全自动的病变分割,可以快速准确地确定肿瘤的位置和大小,为医生制定治疗方案提供重要的依据。此外,该方法的可重现性使得不同医院和不同扫描设备之间的结果具有可比性,有助于多中心研究和临床实践的标准化。
在实际应用中,医生可以将患者的 PET 图像输入到分割系统中,系统将自动输出病变的分割结果。医生可以根据分割结果进行进一步的分析和诊断,如计算肿瘤的体积、评估肿瘤的代谢活性等。
5.2 静息态功能磁共振成像分类算法的应用
Iterative Dual LDA 算法在神经退行性疾病的诊断和研究中具有广阔的应用前景。例如,在帕金森病的诊断中,该算法可以通过对患者的 rfMRI 数据进行分类,帮助医生早期发现疾病的迹象,从而及时采取治疗措施。此外,该算法还可以用于研究疾病的发病机制和进展过程,为开发新的治疗方法提供理论支持。
在实际应用中,研究人员可以将患者的 rfMRI 数据输入到分类系统中,系统将根据训练好的模型对数据进行分类,输出患者是否患有疾病的判断结果。医生可以根据分类结果进行进一步的诊断和治疗。
5.3 未来展望
未来,肿瘤病变分割方法可以进一步扩展到其他放射性示踪剂和肿瘤类型的研究中。同时,可以结合计算机断层扫描(CT)等其他影像学信息,提高分割的准确性和可靠性。
对于 Iterative Dual LDA 算法,可以进一步优化算法的性能,提高分类的准确率和稳定性。此外,可以将该算法应用到更多的神经退行性疾病和其他疾病的研究中,探索其在不同领域的应用潜力。
mermaid 流程图展示未来研究方向:
graph LR;
A[肿瘤病变分割方法] --> B[扩展到其他示踪剂和肿瘤类型];
A --> C[结合 CT 等影像学信息];
D[Iterative Dual LDA 算法] --> E[优化算法性能];
D --> F[应用到更多疾病研究];
6. 总结
本文介绍了肿瘤病变分割方法和 Iterative Dual LDA 算法在医学影像分析中的应用。肿瘤病变分割方法通过仅依赖 PET 实现了全自动的病变分割,具有可重现性和高准确性的优点。Iterative Dual LDA 算法为 rfMRI 数据分类提供了一种新的有效方法,克服了传统方法的一些不足,在模拟数据和真实数据的实验中都表现出了良好的性能。
这些方法和算法在医学研究和临床应用中具有重要的价值,未来有望在更多的领域得到应用和发展。同时,也需要进一步的研究和改进,以提高其性能和可靠性,为医学事业的发展做出更大的贡献。
以下是本文介绍的两种方法的关键要点总结:
-
肿瘤病变分割方法
:
- 基于学习似然项引导的凸分割技术。
- 无需人工干预,可在不同测试图像上得到可重现结果。
- 优于现有最先进方法,与专家用户平均 DSC 仅相差 4%。
-
Iterative Dual LDA 算法
:
- 基于 LDA 的新型监督学习算法。
- 无需数据分解和先验知识,可直接处理全量 rfMRI 数据。
- 在模拟数据和帕金森病数据实验中表现良好,优于 ICA + DR 方法。
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