EngMedicine | 滕皋军/张毅团队:多尺度拓扑感知学习的脑血管分割方法研究

文摘   2024-08-21 09:15   江苏  

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    导读    

脑血管疾病对人类生命构成严重威胁。在脑血管疾病的诊断和治疗中,准确提取脑血管结构至关重要。然而,脑血管结构复杂,成像对比度低,给血管分割带来了巨大挑战。因此,我们提出了一种基于拓扑学习的多尺度注意力网络,通过提取血管图像的多尺度连通性特征,从血管造影图像中准确提取血管结构,如图1所示。

图1. 所提方法框架图

背 景

所提多尺度注意力网络(MAN)基于UNet架构构建,由对称编码器(降采样路径)和解码器(升采样路径)组成。该方法采用多尺度挤压注意力(MSA)模块(见图2)进行通道式注意力学习,提取多尺度注意力特征图,有效建立不同尺度注意力图之间的长距离依赖关系。为了保持血管分割的连续性,应用可微分骨架化操作来得出预测的血管骨架,并采用拓扑感知损失函数监督血管预测结果,提高血管连通性和分割准确性。

图2. 多尺度挤压注意力模块示意图

结 果

我们在一个公开的脑血管数据集上对所提出的方法进行了实验分析。结果表明,所提出的方法在脑血管分割方面的灵敏度得分为 0.8507,Dice 得分为 0.8669,能够准确、完整地提取血管结构,其分割结果如图3所示。

图3. 所提方法在脑血管造影图像中的血管分割结果。(a)-(d)分别为脑血管图像、预测分割结果与原图像叠加显示、预测的血管分割结果和标注血管结构。

结 论

此外,该方法还扩展到冠状动脉造影图像中进行实验。图4结果表明,提出的方法能准确提取冠状动脉结构,这证明了它在其他血管分割任务中的广泛适用性。

图4 所提方法在冠脉造影图像中的血管分割结果。(a)-(d)分别为冠脉图像、预测分割结果与原图像叠加显示、预测的血管分割结果和标注血管结构。

    总结与展望    

本文介绍了一种基于多尺度挤压注意力模块的多尺度注意力网络,该网络结合了拓扑约束损失函数,用于血管造影图像中的血管分割。未来,我们计划进一步将提出的方法应用到血管介入机器人的智能算法模块中,基于血管分割的图像信息,为介入手术机器人提供智能化的手术规划和操作建议,最大程度地减少手术风险和并发症的发生。

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Website:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2950489924000046

DOI: 

https://doi.org/10.1016/j.engmed.2024.100004

通讯作者


滕皋军,中国科学院院士,主任医师、教授、博士生导师,现任东南大学附属中大医院院长兼介入诊疗中心主任。从事医学影像与介入治疗临床工作近40年,个人完成各类介入手术2万余例,发明多项介入新技术与新器械,获国家科技进步二等奖3项,发表论文200余篇。担任中国医师协会介入医师分会会长、亚太介入放射学会前任主席。

共同通讯


张毅,中大医院本部介入与血管外科主任助理,江北院区脑血管病中心主任兼介入与血管外科主任,亚太心血管与介入放射学会执行委员。从事神经介入诊疗临床及科学研究工作,主要研究方向为神经介入诊疗。

第一作者


韩涛,东南大学与横乐医疗科技有限公司联合培养博士后,博士毕业于北京理工大学,主要从事医学图像分割、病变分析、手术路径规划等研究,主要涉及领域为计算机视觉、深度学习、医学图像处理等。

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官方网站

https://www.sciencedirect.com/journal/engmedicine

期刊投稿:

https://www2.cloud.editorialmanager.com/engmed/default2.aspx

创刊主编: 

滕皋军国科学院院士、东南大学附属中大医院)

执行编辑: 

祁小龙(国家高层次人才、东南大学附属中大医院)

联系合作: 

engmedicine@seu.edu.cn


EngMedicine 创刊词 | 滕皋军院士:打造医工交叉新生态!

来源:EngMedicine 医工交叉

撰稿:韩   涛

排版:李登明

美编:   天

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