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HRCT影像下的肺结节自动检测CAD方法提升肺癌诊断准确性
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更新于2024-08-28
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本文档探讨了一种针对肺结节的计算机辅助检测(CAD)方法,特别是在高分辨率CT影像(HRCT)上进行的自动检测。作者贾同、赵大哲、杨金柱和王旭来自东北大学信息科学与工程学院,沈阳,他们针对肺癌这一全球健康威胁,提出了一个重要的早期诊断工具。 肺癌的早期诊断对于提高患者生存率至关重要。该研究方法主要分为以下几个步骤: 1. 肺实质分割:首先,通过自适应阈值分割技术对肺部图像进行处理,将肺实质与背景区分,这是后续结节检测的基础。 2. 感兴趣区域(ROI)识别:对分割后的肺实质进一步细化,识别出可能包含结节的区域,即感兴趣区域,这有助于减少计算量和误检的可能性。 3. 肺结节特征提取与分类:利用数学形态学和偏微分方程等算法,从ROI中提取肺结节的特征,如形状、大小、纹理等。这些特征是区分正常组织和潜在结节的关键依据,然后通过分类算法将其归类为良性或恶性。 4. 三维可视化显示:将处理和分析的结果以三维形式展示出来,便于医生直观理解,提高了诊断的准确性和效率。 通过在多组肺癌患者CT影像上的实际测试,该CAD方法展示了显著的优势,能够帮助医生提高肺癌诊断的准确性。这种自动化方法的应用减少了人为因素的影响,使得肺结节的早期检测更为可靠。 本文的研究被归类在计算机辅助诊断(Computer-aided Diagnosis, CAD)领域,关键词包括肺结节检测、肺实质分割、CT影像,以及文章的中图分类号TP391,文献标识码A,文章编号1004-731X(2008)14-3849-04。这一成果对于推动肺癌筛查技术的发展和提高公众健康水平具有重要意义。
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第 20 卷第 14 期
系 统 仿 真 学 报©
Vol. 20 No. 14
2008 年 7 月 Journal of System Simulation Jul., 2008
·3849·
一种基于 HRCT 影像的肺结节计算机辅助检测方法
贾 同,赵大哲,杨金柱,王 旭
(东北大学信息科学与工程学院,沈阳 110179)
摘 要:肺癌是威胁人类生命的第一杀手,如果肺癌能在早期被发现、诊断和治疗,将大大提高肺
癌患者的生存率。提出了一种自动的基于高分辨率 CT 影像(HRCT)的肺结节计算机辅助检测(CAD)
方法,可以分为肺实质分割、感兴趣区域(ROI)识别、肺结节特征提取与分类、三维可视化显示几
个步骤,综合采用了自适应阈值分割、数学形态学、偏微分方程与不变矩分析等算法。通过对多
组肺癌患者 CT 影像的测试,该方法可以帮助医生有效的提高对于肺癌疾病的诊断准确率。
关键词:计算机辅助诊断;肺结节检测;肺实质分割;CT 影像
中图分类号:TP 391 文献标识码:A 文章编号:1004-731X (2008) 14-3849-04
Computer-aided Detection Scheme for Lung Nodule Based on HRCT Images
JIA Tong, ZHAO Da-zhe, YANG Jin-zhu, WANG Xu
(College of Information Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110179, China)
Abstract: Lung cancer is the most common fatal malignancy in both men and women, early detection and treatment of lung
cancer can greatly improve the survival rate of patient. An automatic computer-aided detection (CAD) scheme was proposed
that could identify the lung nodule at an early stage from high resolution CT images (HRCT). The work is separated to
several steps: the segmentation of lung parenchyma, the detection of region of interests (ROI), the feature extraction and
classification, 3D visualization, which use adaptive threshold segmentation, math morphologic, Gaussian filter, Hessian
matrix and moment algorithm. Though clinical trials, the computer-aided detection scheme can help physician improve the
diagnosis efficiency.
Key words: computer-aided diagnosis; lung nodule detection; lung parenchyma segmentation; CT image
引 言
1
随着经济水平的快速发展,人类对于自身健康的关注程
度也不断提高,对于癌症的早期发现、早期诊断、早期治疗
已经日益成为全社会共同关注的目标
[1,2]
。如果肺癌能在早
期被诊断和治疗,患者 5 年生存率将从 14%上升到 49%。
由于 CT 影像能够提供高清晰度的影像,并且为影像中各组
织提供很高的对比度,通常应用于肺部疾病的诊断。随着多
排螺旋 CT 的发展,医生可以获取更高分辨率的影像
(HRCT),通过一次检测获得更多的患者影像信息,进一步
拓展了 CT 影像的应用。但同时也造成了医院放射科医生每
天阅片负担的增加,导致漏诊和不确定性检查经常发生,即
使对于这个领域内的资深专家而言也在所难免。因此,肺癌
计算机辅助检测(CAD)得到了大量的研究和应用
[3]
。
肺癌在 CT 影像中是以肺结节的形式表现的
[4]
,目前肺
结节计算机辅助检测的方法有多种:如 Lee、Fiebich
[5,6]
等
人以胸部螺旋 CT 影像为研究对象,影像层厚在 5-10mm 之
间。这类检测方法敏感性和特异性较低,如文献[5]报告肺结
节检测敏感性为 38%,对于每个肺癌患者平均有 6 个假阳性
结节。这主要是由于肺结节直径比 CT 层厚小,引起体数据
收稿日期:2007-03-21 修回日期:2007-07-18
基金项目:国家自然科学基金 (60671050)
作者简介:贾同(1975-), 男, 沈阳市人, 博士, 研究方向为模式识别、医
学图像处理;赵大哲(1960-), 女, 沈阳市人, 博士, 教授, 研究方向为模
式识别、医学图像处理。
内部局部容积效应造成的,其检测结果无法满足临床应用中
对于肺癌 CAD 系统敏感性的要求;西门子公司研发的肺癌
CAD 系统采用人机交互的方法对肺结节进行检测,这类方
法操作一般比较复杂,需要较高的计算机操作和医学诊断专
业知识,对用户能力要求较高;Gray
[7]
等人采用模式分类的
方法需要基于大量的样本数据进行训练,而且需要提取多个
特征,算法处理时间较长,无法满足 CAD 系统在临床应用
中对实时性的要求。
本文提出一种新的自动的肺结节计算机辅助检测方法,
主要工作有: (1) 以 HRCT 影像作为研究对象,这也是目前
国内大多数医院都已经能够获取的影像资源,影像层厚小于
等于 2mm,可以实现对微小结节的检测(该类结节多发于肺
癌早期阶段),并且充分利用了 CT 序列影像的三维信息,减
少了局部容积效应; (2) 采用了一种改进的自适应阈值分割
算法分割肺实质,该算法充分考虑了肺实质边缘的梯度分布
情况,预留出边缘过渡区域,然后采用数学形态学算法,以
达到精确检测肺实质边缘结节的目的,避免漏检; (3) 由于
肺结节在 CT 断面影像上通常表现为类似“圆”的形状,因此
采用了一种高斯滤波、基于 Hessian 矩阵的圆点滤波器与不
变矩分析相结合的方法识别医生感兴趣区域,同时滤掉血管
等“线”状组织的干扰; (4) 肺结节特征提取和分类不需要大
量的先验知识,检测实时性较好。
1 肺结节检测关键技术
通过本文方法所构建的肺癌 CAD 系统采用算法流程如
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