基于深度學(xué)習(xí)的視網(wǎng)膜分支動脈阻塞分割

郭超 張格致 周寧浩

摘 要：視網(wǎng)膜疾病如視網(wǎng)膜動脈阻塞等的早期診斷和治療是預(yù)防永久性視力損傷的關(guān)鍵。為輔助臨床眼科醫(yī)生更快、更準(zhǔn)確地診斷視網(wǎng)膜疾病，提出一種基于深度學(xué)習(xí)的視網(wǎng)膜分支動脈阻塞分割的方法。首先，將三維視網(wǎng)膜光學(xué)相干斷層掃描圖像轉(zhuǎn)換為二維B超掃描圖像，通過二值化、仿射變換等方法提取視網(wǎng)膜區(qū)域作為感興趣區(qū)域;然后將感興趣區(qū)域送入條件生成對抗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，實現(xiàn)BRAO病變區(qū)域分割;最后，采用腐蝕、閉運算等形態(tài)學(xué)運算排除假陽性。在20張來自20雙眼睛、包含BRAO急性期和萎縮期視網(wǎng)膜OCT圖像上進(jìn)行四折交叉驗證，平均正確率、真陽性率、假陽性率分別為94.7%、92.1%、5.0%，表明BRAO分割方法有效。

關(guān)鍵詞：視網(wǎng)膜分支動脈阻塞;光學(xué)相干斷層掃描;深度學(xué)習(xí);條件生成對抗網(wǎng)絡(luò)

Abstract： Early？diagnosis？and？treatment？of？retinal？diseases？such？as？retinal？artery？occlusion are the？key？to？prevent？permanent？visual？impairment. To assist ophthalmologists to diagnose retinal diseases quickly and accurately， a segmentation method based on deep learning for branch retinal artery occlusion （BRAO） is proposed. First， three-dimensional retinal optical coherence tomography （OCT） image is transformed into two-dimensional B-scan images. Second， the retinal region is extracted as the region of interest （ROI） using binarization and affine transformation. Third， conditional generative adversarial networks （CGANs） are trained to segment the lesion region of BRAO. Finally， morphological operations such as erosion and closing operations are used to exclude false positives. The method was tested on 20 retinal OCT images from 20 eyes， including both acute and atrophic phases. 4-fold cross validation criterion was used. The average accuracy， true positive rate， false positive rate were 94.7%， 92.1%， 5.0%， respectively. The results shows that the proposed method is effective for the segmentation of BRAO.

Key Words：branch retinal artery occlusion; optical coherence tomography; deep learning; conditional generative adversarial network

0 引言

視網(wǎng)膜分支動脈阻塞（Retinal Artery Occlusion，RAO）是一種眼科急癥，由血栓、動脈痙攣等原因造成視網(wǎng)膜動脈血流中斷，從而引起相應(yīng)視網(wǎng)膜組織缺血、缺氧、變性壞死，導(dǎo)致視細(xì)胞迅速死亡，造成不同程度的視力損害[1-2]。研究表明，視網(wǎng)膜動脈阻塞在發(fā)生97分鐘之后，會對視網(wǎng)膜感覺層造成不可逆的損傷， 因此及時發(fā)現(xiàn)病癥并進(jìn)行治療對患者尤為重要[3]。

近年來，光學(xué)相干斷層掃描（Optical Coherence Tomography，OCT）作為一種實時、高分辨率、無創(chuàng)、無接觸的新型活體成像方法，廣泛用于各種視網(wǎng)膜疾病的輔助診斷和治療。光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)是一種三維成像技術(shù)[4-5]，主要利用邁克爾遜干涉原理，依靠光源時間相干性，將光分為兩束，最終，使反射后的兩束光產(chǎn)生干涉。

但目前在臨床中，基于OCT圖像對于視網(wǎng)膜分支動脈阻塞（Branch Retinal Artery Occlusion，BRAO）病變區(qū)域的分析主要是定性的，或借助手工測量或標(biāo)記，費時、費力、具有主觀性，但視網(wǎng)膜分支動脈阻塞治療時采用的藥物劑量需要根據(jù)病變區(qū)域的大小定量制定。 因此，一種能夠自動檢測、定量分割視網(wǎng)膜分支動脈阻塞區(qū)域的算法對于臨床診斷尤為重要。

目前，國內(nèi)外關(guān)于視網(wǎng)膜動脈阻塞的研究大多基于臨床分析，也有一些基于醫(yī)學(xué)影像自動分析的技術(shù)。Chen等[6]提出一種基于三維SD-OCT圖像中的視網(wǎng)膜中央動脈阻塞各個視網(wǎng)膜層次的光密度定量分析方法;Leung等[7]通過視神經(jīng)頭附近視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層視網(wǎng)膜的黃斑厚度及靈敏度，研究BRAO患者的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系;Asefzaden & Ninyo[8]分析了RAO視盤周圍神經(jīng)纖維厚度的縱向眼底改變;郭靜云等[9]提出了一種結(jié)合AdaBoost分類器和圖搜-圖割算法提出了一種自動分類和分割BRAO的方法。這些方法需要提取特征，速度較慢，且由于BRAO病變區(qū)域的邊界非常模糊，分割正確率有待進(jìn)一步提升。

本文提出一種基于深度學(xué)習(xí)的視網(wǎng)膜分支動脈阻塞分割的方法，其流程如圖1所示。首先，將三維OCT圖像轉(zhuǎn)換為二維B掃描圖像;接著，初步提取視網(wǎng)膜區(qū)域作為感興趣區(qū)域;隨后，將感興趣區(qū)域送入條件對抗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練;最后，采用腐蝕、閉運算等形態(tài)學(xué)運算進(jìn)行后處理，實現(xiàn)分支動脈阻塞病變區(qū)域分割。

3 結(jié)語

本文使用二值化、開運算、凸包算法、仿射變換對圖像進(jìn)行初分割，提取視網(wǎng)膜區(qū)域為感興趣區(qū)域;然后，使用條件對抗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，對二維B掃描圖像中病變區(qū)域進(jìn)行分割;最后，通過腐蝕算法對測試后的結(jié)果進(jìn)行腐蝕，實驗真陽性率為92.1%、正確率為94.7%、交并比為66.6%。

但是，本文方法也存在一些不足：①本文方法是基于二維B掃描圖像的分割，未從三維角度進(jìn)行分析，未充分利用到圖像空間關(guān)聯(lián)信息;②本文方法對于病變區(qū)域較小的部位判別度較低。今后研究重點是基于三維圖像的BRAO分割，充分利用圖像前后幀的空間關(guān)聯(lián)信息，以進(jìn)一步提高分割準(zhǔn)確率。

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（責(zé)任編輯：江 艷）