基于計(jì)算智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的胃癌淋巴結(jié)檢測(cè)及淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移診斷方法研究.pdf

1、胃癌在全球惡性腫瘤死亡率中排名第二。淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移是影響胃癌預(yù)后的重要獨(dú)立因素，內(nèi)外科治療前需要盡可能準(zhǔn)確的了解淋巴結(jié)情況，以確定治療方案和評(píng)價(jià)預(yù)后。當(dāng)前，淋巴結(jié)主要采用影像學(xué)的手段檢測(cè)，并且從中提取多個(gè)診斷特征。然后利用一些特征提取方法提取出有效診斷特征后，對(duì)淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)診斷?；诖?，該問題可以分解為兩個(gè)子問題：（1）淋巴結(jié)檢測(cè)；（2）淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移診斷。本論文在國家自然科學(xué)基金、教育部博士點(diǎn)基金、北京市重點(diǎn)基金等項(xiàng)目的聯(lián)合資助下，通過綜合

2、利用解剖學(xué)，胃癌影像學(xué)，人工智能，模式識(shí)別，圖像處理，機(jī)器學(xué)習(xí)和進(jìn)化計(jì)算等領(lǐng)域的知識(shí)，深入研究了上述問題，并且提出了相應(yīng)的解決方案。所取得的創(chuàng)新性成果有：
　　（1）當(dāng)前主要依靠影像學(xué)的手段實(shí)現(xiàn)淋巴結(jié)的檢測(cè)。根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)，胃癌的淋巴結(jié)位于胃部周圍的脂肪組織內(nèi)。如果能夠有效地提取脂肪組織，將極大地降低淋巴結(jié)檢測(cè)的難度。由于胃部圖像的結(jié)構(gòu)和紋理較為復(fù)雜，自動(dòng)提取面臨很大的挑戰(zhàn)。而人工提取費(fèi)時(shí)費(fèi)力，導(dǎo)致放射師工作效率低下。相比之下，半自

3、動(dòng)方法，也就是交互式分割的方法能夠避免上述兩種方法的缺點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高放射師的工作效率，提出了一種基于目標(biāo)信息的交互式分割算法用于脂肪組織的提取。與傳統(tǒng)方法的區(qū)別是：該方法只需要在目標(biāo)區(qū)域輸入交互式信息，脂肪組織就能提取出來。與此同時(shí)，還將以上算法拓展到三維圖像，提出了基于目標(biāo)信息的交互式三維分割算法。該方法只需要在一幅或者多幅圖像輸入目標(biāo)的交互式信息，就可以提取出CT圖像中所有幀的脂肪組織。實(shí)驗(yàn)表明所提算法能夠有效地提取脂肪組織，并

4、且滿足淋巴結(jié)檢測(cè)的需要。
　?。?）在提取脂肪組織之后，將檢測(cè)淋巴結(jié)。根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)，提出了一種分層模型用于淋巴結(jié)的檢測(cè)。該模型包括四層：原始圖像層，脂肪組織層，疑似淋巴結(jié)層以及淋巴結(jié)層。在輸入原始圖像后，首先提取脂肪組織。由于脂肪組織中有一些臟器和淋巴結(jié)非常類似，因此首先檢測(cè)出疑似淋巴結(jié)，然后利用一些特有的特征檢測(cè)淋巴結(jié)。其中，脂肪組織層利用（1）中所述算法提取。對(duì)疑似淋巴結(jié)層，提出了一種稀疏動(dòng)態(tài)集成選擇算法用于疑似淋巴結(jié)的提取。

5、對(duì)淋巴結(jié)層，提出了一種基于證據(jù)推理的淋巴結(jié)檢測(cè)方法。實(shí)驗(yàn)表明，所提模型以及兩種算法能夠有效地檢測(cè)淋巴結(jié)。
　　（3）在檢測(cè)到淋巴結(jié)之后，將提取多個(gè)特征用于診斷淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移。如果采用較少特征依然能夠取得好的診斷結(jié)果，將極大的提高醫(yī)生的工作效率。與此同時(shí)，在當(dāng)前的研究中，醫(yī)學(xué)界對(duì)哪些特征對(duì)診斷淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移有效還未給出定論。為了解決這一問題，提出了一種新的基于相關(guān)性克隆選擇算法用于診斷特征的選擇。該方法將診斷特征選擇視為一個(gè)組合優(yōu)化問題，然

6、后利用所提算法通過優(yōu)化該問題實(shí)現(xiàn)特征選擇。相對(duì)于其他算法，本算法不僅能有效的選擇出診斷特征，還能在保證診斷性能的前提下，選擇更少的診斷特征。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，所提取的診斷特征不僅具有臨床價(jià)值，而且對(duì)診斷淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。
　?。?）在提取出有效的診斷特征后，將診斷淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移。通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研，當(dāng)前主要通過兩種方式診斷淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移：一種是只利用淋巴結(jié)特征；另一種是綜合利用腫瘤和淋巴結(jié)特征。由于目前醫(yī)學(xué)上對(duì)其尚沒有定

7、論，因而將從這兩個(gè)方面對(duì)淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移診斷展開研究。
　　對(duì)只采用淋巴結(jié)特征的情況，基于置信規(guī)則庫的方法，提出了一種新的雙層置信規(guī)則庫模型用于淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移診斷。該模型由兩個(gè)置信規(guī)則庫組成。與此同時(shí)，為了提高所提模型的性能，提出了一種新的克隆選擇優(yōu)化算法訓(xùn)練所提模型。實(shí)驗(yàn)研究表明所提模型能夠有效地實(shí)現(xiàn)淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的診斷，所提優(yōu)化算法能夠顯著提高診斷性能。
　　對(duì)同時(shí)利用淋巴結(jié)特征和腫瘤特征的情況，提出了一種新的協(xié)同置信規(guī)則庫模型。該模