1、西 北 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年 月，第 卷 第 期，（）收 稿 日 期：基 金 项 目：国 家 自 然 科 学 基 金（）；陕 西 省 教 育 厅 科 研 计 划 项 目（）第 一 作 者：冯 筠，女，陕 西 西 安 人，博 士，教 授，从 事 智 能 信 息 处 理 研 究，。医 疗 与 人 工 智 能 融 合 改 进 变 分 自 编 码 器 与 影 像 组 学 的 光 片 肺 部 疾 病 筛 查 算 法冯 筠，牛 怡，杨 晨 希，沈 聪，郭 佑 民（西 北大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院，陕 西 西 安；西安 交通 大 学第 一附 属 医院 医学 影像科，陕 西
2、西 安）摘 要 计 算 机 辅 助 技 术 在 肺 部 疾 病 筛 查 方 面 已 经 取 得 显 著 成 效，然 而 现 有 研 究 大 多 面 向已 知 类 型 的 疾 病 进 行 建 模，对 未 知 类 型 疾 病 极 易 带 来 误 诊 及 漏 诊 风 险，且 主 要 以 追 求 高 准确 率 为 目 标，对 误 诊 及 漏 诊 未 加 以 约 束，导 致 其 难 以 应 用 于 实 际 临 床 场 景。针 对 以 上 问题，该 文 提 出 更 适 用 于 临 床 的 计 算 机 辅 助 肺 部 疾 病 筛 查 目 标，即 保 证 零 漏 诊 率 的 同 时 降 低误 诊 率。为 完
3、成 上 述 肺 部 疾 病 筛 查 目 标，该 文 基 于 单 类 别 分 类 思 想 提 出 改 进 变 分 自 编 码网 络 对 肺 部 疾 病 初 筛，并 提 取 光 片 图 像 的 深 度 编 码 特 征，接 着，融 合 基 于 医 生 经 验 的 影像 组 学 特 征 以 及 深 度 学 习 特 征 之 间 的 互 补 优 势，构 建 一 个 集 成 学 习 模 型，最 终 完 成 肺 部 疾病 的 筛 查。在 仅 有 正 常 光 片 图 像 参 与 训 练 的 情 况 下，提 升 了 所 构 建 模 型 的 分 类 效 果，降 低 了 模 型 的 漏 诊 率。实 验 结 果 值 为
4、.，漏 诊 率 为 时，误 诊 率 降 低至.，证 明 该 方 法 可 以 有 效 达 到 该 文 的 肺 部 疾 病 筛 查 目 标。与 此 同 时，对比 了 所 构 建 的 集 成 模 型 以 及 单 独 的 深 度 学 习 模 型 的 筛 查 效 果，发 现 集 成 模 型 明 显 优 于 深度 学 习 模 型，进 一 步 凸 显 了 融 合 医 生 经 验 的 有 效 性。关 键 词 肺 部 疾 病 筛 查；胸 部 光 片；影 像 组 学；单 类 别 分 类；集 成 学 习中 图 分 类 号：.：，（，；，），：，.，；肺 部 疾 病 以 其 发 病 率 高、起 病 隐 匿、病 死 率
5、 高等 特 点 为 社 会 及 国 民 经 济 带 来 沉 重 负 担。常见 的 肺 部 疾 病 包 含 肺 炎、肺 癌、肺 结 核、慢 性 阻 塞性 肺 疾 病 等。据 世 界 卫 生 组 织 年 发 布 的 全球 健 康 估 计 显 示，慢 性 阻 塞 性 肺 疾 病、肺 炎 以及 肺 癌 等 多 项 肺 部 疾 病 仍 属 于 全 球 十 大 高 病 死 率疾 病。此 外，世 界 卫 生 组 织 发 布 的 年 全 球结 核 病 报 告 中 指 出，仅 年 全 球 肺 结 核 发病 人 数 高 达 万 例，并 且 仍 是 世 界 上 最 大 的传 染 性 疾 病 之 一。同 时，近 几
6、年 一 直 持 续 的 新 冠肺 炎 疫 情 更 是 近 百 年 来 传 播 速 度 最 快、感 染 范 围最 广、防 控 难 度 最 大 的 突 发 公 共 卫 生 事 件。诸多 实 例 及 数 据 警 示 我 们，对 肺 部 疾 病 的 高 效 筛 查对 于 保 障 人 民 健 康 生 活 起 着 至 关 重 要 的 作 用。胸 部 光 片 具 有 易 获 取、低 成 本、低 辐 射 等特 点，已 成 为 肺 部 疾 病 筛 查 的 主 要 手 段。同时，随 着 体 检 需 求 量 的 逐 年 增 加，胸 部 光 片 检查 作 为 健 康 体 检 的 必 要 检 查 项 目，其 产 出 量
7、 也 成倍 增 加，影 像 科 医 生 的 工 作 负 担 也 越 来 越 重。当前 影 像 科 医 生 仍 主 要 以 肉 眼 阅 片 作 为 主 要 观 测 手段。但 受 人 的 视 觉 疲 劳 或 诊 断 水 平 等 因 素 干 扰，繁 重 的 阅 片 任 务 容 易 使 医 生 产 生 观 察 偏 差，从 而降 低 诊 断 准 确 率。据 不 完 全 统 计，通 过 医 生 肉 眼阅 片 的 错 误 发 生 率 在 不 同 疾 病 及 不 同 影 像 上 呈 现 不 等。同 时，医 生 肉 眼 阅 片 仍 然 存在 阅 片 速 度 有 限 以 及 专 业 医 生 缺 口 大 的 问 题
8、。越 来 越 多 的 研 究 者 们 尝 试 采 用 计 算 机 手 段 辅助 医 生 进 行 疾 病 筛 查，进 而 引 入 计 算 机 辅 助 检 测或 诊 断（，）系 统 来 助 力 医 疗 服 务。计 算 机 以 其 强 大 的 计 算 及存 储 能 力 可 以 对 影 像 信 息 进 行 快 速、全 面 且 精 确的 计 算，进 而 辅 助 医 生 进 行 病 灶 的 检 出 及 诊 断，在保 证 筛 查 结 果 准 确 率 的 情 况 下 极 大 减 轻 医 生 工 作负 担。早 期，等 人 通 过 对 肺 实 质 进 行 分 割 进一 步 提 取 肺 部 弥 漫 性 纹 理 特
9、征，并 采 用 方 法实 现 肺 结 核 疾 病 的 筛 查。等 人 利 用 滤 波 技 术 从 光 片 中 提 取 肺 部 区 域 并 提 取其 形 状 和 纹 理 特 征，使 用 模 型 得 到 较 为 优 异的 分 类 效 果。随 着 深 度 学 习 方 法 在 医 学 图 像分 析 方 面 的 发 展，等 人 提 出 层 卷 积神 经 网 络 完 成 肺 炎 的 分 类，并 使 用 类 激活 图 对 分 类 结 果 进 行 可 视 化 解 释。等 人提 出 了 一 种 类 别 级 残 差 注 意 学 习 框 架，以 端 到 端的 方 式 学 习 多 标 签 分 类 的 鉴 别 特 征，
10、并 在 数 据 集 上 取 得 了 优 越 结 果。等 人 使 用 对 胸 部 光 片 进 行 肺 实 质 分 割，并 采 用 种 预 训 练 的 分 类 模 型 进 行 集 成 学 习 来 实现 肺 结 核 疾 病 的 筛 查。等 人 提 出 基 于 通道、元 素 以 及 尺 度 级 别 的 三 重 注 意 力 机 制 实 现 常见 的 种 肺 部 疾 病 的 分 类，并 且 取 得 先 进 的 实 验效 果。等 人 以 作 为 主 干 网 络 并 嵌 入注 意 力 机 制 进 行 特 征 提 取，同 时，部 署 了 一 组 具 有不 同 扩 张 率 的 跳 跃 连 接 扩 张 卷 积，实
11、现 高 级 语 义和 低 级 形 态 信 息 的 充 分 融 合，促 进 了 新 冠 肺 炎 的辅 助 诊 断 效 果。然 而，目 前 肺 部 疾 病 筛 查 相 关 研 究 主 要 以 追求 筛 查 结 果 的 准 确 率 为 目 标，寻 找 敏 感 性 与 特 异性 的 折 中 点，进 一 步 给 出 疾 病 诊 断 结 果。对 于 影像 科 医 生 来 说，该 诊 断 结 果 对 误 诊 及 漏 诊 现 象 未加 以 约 束，因 此 仍 需 医 生 再 次 复 核，反 而 增 加 了 疾病 诊 断 时 间。此 外，当 前 研 究 大 多 面 向 某 几 类 常见 疾 病 进 行 建 模，
12、进 而 完 成 该 疾 病 的 分 类。但 现实 生 活 中 肺 部 疾 病 类 别 往 往 难 以 穷 尽 且 影 像 征 象复 杂 多 变，若 临 床 应 用 中 存 在 未 知 类 型 疾 病，则 极 西 北 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷容 易 产 生 误 诊 及 漏 诊 现 象。针 对 以 上 导 致 当 前 研 究 难 以 应 用 于 实 际 临 床场 景 的 问 题，本 文 认 为 计 算 机 辅 助 诊 断 重 点 在 于为 医 生 提 供“第 二 参 考 意 见”来 辅 助 医 生 的 诊 断决 策，而 非 代 替 医 生 给 出 诊 断 结 果。因 此，本 文
13、对医 生 的 阅 片 诊 断 流 程 进 行 分 析，如 图 所 示，将 其梳 理 为 以 下 几 个 环 节：首 先，进 行 初 步 的 疾 病 筛查，排 除 无 需 再 次 核 查 的 正 常 影 像；其 次，对 于 有可 能 患 病 的 影 像 进 行 更 加 细 粒 度 的 病 灶 检 测 以 及征 象 辨 识；最 后，确 定 疾 病 种 类。图 医 生 诊 断 流 程 遵 从 医 生 的 阅 片 诊 断 流 程，本 文 的 筛 查 任 务主 要 聚 焦 在 第 个 环 节。具 体 地，本 文 并 不 代 替医 生 进 行 疾 病 类 型 的 诊 断，而 是 辅 助 医 生 在 筛 查
14、过 程 中 排 除 无 需 再 次 核 查 的 正 常 影 像，进 而 减 轻医 生 及 后 续 任 务 的 工 作 量。因 此，本 文 肺 部 疾 病的 筛 查 目 标 为 保 证 零 漏 诊 率 的 同 时 降 低 误 诊 率。大 量 研 究 表 明，单 类 别 分 类（，）作 为 一 种 特 殊 的 分 类 情 况，在 无 监督 异 常 检 测、开 集 识 别 以 及 新 颖 点 检 测 等 任 务 上展 现 了 明 显 优 势。单 类 别 分 类 模 型 在 训 练 过程 中 只 有 一 类 样 本 参 与，并 且 学 习 目 标 是 使 分 类器 能 够 在 推 理 过 程 中 正
15、确 识 别 学 习 到 的 正 类 样 本进 而 完 成 分 类。受 此 思 想 启 发，若 模 型 训 练 时 只对 正 常 的 光 片 进 行 建 模，使 所 学 习 到 的 分 类 器在 推 理 过 程 中 能 正 确 识 别 正 常 的 光 片，对 于 其他 未 知 的 光 片 将 其 统 一 划 分 为 异 常，这 样 可 以有 效 降 低 因 未 知 疾 病 误 分 所 带 来 的 漏 诊 现 象。目 前 仅 有 部 分 面 向 胸 部 光 片 的 异 常 检 测任 务 采 用 了 上 述 单 类 别 分 类 的 思 想 来 完 成。等 人 在 仅 有 正 常 样 本 的 情 况
16、下 训 练 生 成 对 抗 网 络对 胸 部 光 片 进 行 重 构，在 推 理 过 程 中 通 过 衡 量重 构 图 像 与 原 始 图 像 间 的 差 异 来 区 分 正 常 样 本 和异 常 样 本。此 假 设 模 型 在 推 理 阶 段 对 学 习 过的 正 常 样 本 具 有 较 好 的 重 构 效 果，对 未 学 习 过 的异 常 样 本 具 有 比 较 差 的 重 构 效 果。等 人 同样 基 于 上 述 假 设，通 过 图 像 在 隐 空 间 的 编 码 进 行重 构 转 换，学 习 正 常 数 据 中 的 翻 译 一 致 性 特 征，并基 于 图 像 转 换 前 后 所 得
17、编 码 差 异 进 行 分 类。目 前 这 类 研 究 相 对 较 少，且 大 多 采 用 深 度 学 习 模型 来 实 现。一 方 面，单 类 别 分 类 模 型 训 练 时 只 有正 常 类 别 样 本 参 与，难 以 学 习 到 区 别 于 非 正 常 类别 样 本 的 特 征，容 易 造 成 肺 部 疾 病 筛 查 结 果 不 理想；另 一 方 面，深 度 学 习 模 型 在 下 采 样 过 程 中 容 易遗 漏 图 像 底 层 细 微 的 视 觉 特 征，同 时，未 结 合 医 生先 验 知 识 容 易 造 成 具 有 微 小 病 灶 的 疾 病 漏 诊。在 此，针 对 单 类 别
18、分 类 方 法 难 以 学 习 区 别 于非 正 常 类 别 样 本 特 征 导 致 筛 查 结 果 不 理 想 的 问题，本 文 提 出 改 进 变 分 自 编 码 生 成 对 抗 网 络 用 于肺 部 疾 病 的 初 筛，并 提 取 图 像 的 深 度 编 码 特 征。进 一 步 受 到 影 像 组 学 工 作 的 启 发，针 对 具 有 微 小病 灶 疾 病 容 易 漏 诊 的 问 题，融 合 基 于 医 生 经 验 的影 像 组 学 特 征 以 及 深 度 学 习 特 征 间 的 互 补 优 势，构 建 一 个 集 成 学 习 模 型 实 现 本 文 的 肺 部 疾 病 筛 查目 标。
19、光 片 肺 部 疾 病 筛 查 算 法本 文 肺 部 疾 病 筛 查 算 法 的 框 架 如 图 所 示，整 体 流 程 分 为 数 据 预 处 理、特 征 提 取、特 征 分 组 及选 择、分 类 模 型 构 建 个 阶 段。其 中：数 据 预 处 理部 分 主 要 实 现 光 片 图 像 肺 实 质 的 分 割；特 征 提取 阶 段 包 括 影 像 组 学 特 征 的 提 取 以 及 图 像 深 度 学习 特 征 的 提 取，深 度 学 习 特 征 的 提 取 采 用 所 提 出的 改 进 变 分 自 编 码 网 络 来 实 现；特 征 分 组 及 选 择阶 段 对 特 征 依 据 类 别
20、 及 左 右 肺 区 域 进 行 分 组 并 获取 最 佳 特 征 子 集；分 类 模 型 构 建 部 分 用 于 构 建 最终 肺 部 疾 病 筛 查 的 分 类 模 型。需 要 强 调 的 是，本文 的 模 型 训 练 过 程 均 仅 使 用 正 常 光 片 图 像 来完 成。第 期 冯 筠，等：融 合 改 进 变 分 自 编 码 器 与 影 像 组 学 的 光 片 肺 部 疾 病 筛 查 算 法图 本 文 研 究 框 架 图.改 进 变 分 自 编 码 网 络 模 型 构 建 网 络 框 架本 研 究 提 出 了 一 种 改 进 变 分 自 编 码 生 成 对 抗网 络 用 于 肺 部
21、疾 病 的 初 筛，同 时 提 取 胸 部 光 片的 深 度 学 习 特 征。在 本 文 的 学 习 场 景 中，给 定 训练 集（，），。其 中：为 训练 集 样 本 数 量，为 正 常 的 胸 部 光 片 图 像，为对 应 的 标 签（，）。测 试 集（，），。其 中：为 测 试 集 样 本 数 量，为 测 试 集 图 像 对 应 的 标 签，包 含 正 常（）和 异 常（）两 类。在 此 基 于 一 个 假 设：在 训 练时，模 型 仅 学 习 对 正 常 图 像 的 重 构 生 成，在 推 理 过程 中 对 正 常 图 像 会 有 较 好 的 重 构 效 果，而 对 其 他未 学 习
22、过 的 异 常 图 像 其 重 构 效 果 较 差，因 此，推 理过 程 中 可 根 据 原 图 和 重 构 后 图 像 之 间 的 差 异 大 小进 行 分 类。基 于 上 述 假 设 所 提 出 的 改 进 变 分 自 编码 网 络 框 架 如 图。图 改 进 变 分 自 编 码 网 络 结 构 图 具 体 地，模 型 共 包 含 两 个 编 码 器、一 个 解码 器、一 个 鉴 别 器 以 及 一 个 隐 层 编 码 分 类器。其 中，第 一 个 编 码 器 用 于 对 原 始 图 像 进行 编 码。隐 层 编 码 分 类 器 用 来 代 替 变 分 自 编 码 西 北 大 学 学 报（
23、自 然 科 学 版）第 卷器 中 的 散 度，进 而 促 使 训 练 过 程 中 原 始 图像 的 编 码 特 征 尽 可 能 符 合 标 准 高 斯 分 布（），且（，），即 正 常 样 本 所 得 编 码 特 征 符 合 高斯 分 布。解 码 器 用 于 对 隐 层 特 征 进 行 解 码 生 成 图像。记（）（）（）（）（）（）同 时，鉴 别 器 主 要 用 于 区 分 原 始 图 像、重 构图 像 以 及 从 标 准 高 斯 分 布 中 采 样 特 征 所 生 成的 图 像。在 此，希 望 原 始 图 像 其 编 码 特 征 经 过重 构 后 所 得 重 构 图 像 与 原 始 图 像
24、 尽 可 能 相 近，并 且 希 望 重 构 图 像 以 及 生 成 图 像 尽 可 能 欺 骗鉴 别 器。第 个 编 码 器 用 于 对 重 构 图 像 进 行 编码，并 且 与 第 个 编 码 器 权 重 共 享。在 此，原 始 图像 和 重 构 图 像 在 输 入 编 码 器 后 经 过 相 同 的 函数 变 换，并 在 训 练 过 程 中 强 制 二 者 所 得 浅 层 风 格特 征 以 及 深 层 语 义 特 征 都 能 尽 可 能 一 致。.损 失 函 数 及 训 练 过 程本 文 的 损 失 函 数 主 要 包 括 图 像 重 构 损 失、特 征 图 一 致 性 损 失、编 码
25、一 致 性 损 失、隐层 编 码 对 抗 损 失、图 像 对 抗 损 失，具体 损 失 函 数 定 义 如 下。图 像 重 构 损 失 采 用 原 始 图 像 及 重 构 图像 间 的 距 离 度 量 二 者 间 的 相 似 度，（）（）（）特 征 图 一 致 性 损 失 采 用 距 离 度 量 原始 图 像 及 重 构 图 像 经 过 编 码 器 所 提 取 到 的 特征 图 之 间 的 相 似 度，（）（）（）式 中，代 表 编 码 器 第 层 输 出。编 码 一 致 性 损 失 采 用 距 离 度 量 原 始图 像 及 重 构 图 像 经 过 编 码 器 所 得 编 码 特 征 的相 似
26、 度，（）（）（）隐 层 编 码 对 抗 损 失 采 用 对 抗 学 习 思路 将 其 建 模 为 真 实 图 像 编 码 特 征 与 从 标 准 高 斯分 布 采 样 特 征 分 类 的 二 元 交 叉 熵 损 失，（）（）（）（）（）图 像 对 抗 损 失 同 样 采 用 对 抗 学 习 思路，定 义 为（）（）（）（）（）（）编 码 器、解 码 器、鉴 别 器 以 及 隐 层编 码 分 类 器 依 照 表 所 示 步 骤 依 次 被 训 练。表 改 进 变 分 自 编 码 网 络 训 练 过 程 方 法 改 进 变 分 自 编 码 网 络 训 练 过 程初 始 化：初 始 化 网 络 参
27、 数，超 参 数，赋 值执 行 次 迭 代 训 练：）随 机 采 集 个 训 练 样 本，）从 编 码 器 中 得 到 每 个 原 始 图 像 对 应 的 编 码 特 征，（）同 时，从 编 码 器 得 到 每 个 原 始 图 像 第 层 对 应 的 特 征 图，（）从 标 准 高 斯 分 布（）中 采 样 个 特 征，）从 解 码 器 生 成 每 个 原 始 图 像 的 重 构 图 像，（）从 解 码 器 得 到 个 生 成 图 像，（）从 编 码 器 得 到 每 个 重 构 图 像 对 应 的 编 码 特 征，（）同 时，从 编 码 器 得 到 每 个 重 构 图 像 第 层 对 应 的
28、特 征 图，（）依 据 公 式（）、（）、（）、（）、（）依 次 计 算、）梯 度 下 降 依 次 更 新 网 络 参 数（）（）返 回：更 新 后 的 网 络 参 数、第 期 冯 筠，等：融 合 改 进 变 分 自 编 码 器 与 影 像 组 学 的 光 片 肺 部 疾 病 筛 查 算 法.推 理 过 程在 推 理 过 程 中，基 于 原 始 图 像 和 重 构 后 图 像间 的 像 素 差 异 以 及 二 者 经 过 编 码 器 所 提 取 到 特 征间 的 差 异 作 为 异 常 分 数 对 测 试 样 本 进 行 分 类。异常 分 数（，式 中 简 记 为）定 义 为（）（）（）（）式
29、 中：、分 别 表 示 原 始 图 像 和 重 构 图 像 之 间的 像 素 差 异 以 及 特 征 差 异 在 整 体 异 常 分 数 中 所 占的 权 重。并 且，、的 参 数 选 择 依 据 验 证 集 分 类结 果 的 最 佳 值 进 行 选 取。将 得 到 的 异 常 分 数 作 为 后 续 集 成 模 型 中 的 一个 基 分 类 结 果 来 构 建 最 终 的 筛 查 模 型。此 外，由于 训 练 时 强 制 正 常 样 本 的 编 码 特 征 分 布 拟 合 标 准高 斯 分 布，因 此，在 推 理 过 程 中 正 常 样 本 的 编 码 特征 更 符 合 标 准 高 斯 分
30、布，而 异 常 样 本 编 码 特 征 分布 更 离 散，二 者 具 有 一 定 区 分 性 且 相 比 底 层 视 觉特 征 包 含 的 语 义 性 更 强。所 以，训 练 好 的 编 码 器所 提 取 的 图 像 隐 空 间 特 征 将 作 为 图 像 深 度 学 习 特征，与 基 于 医 生 经 验 的 影 像 组 学 特 征 一 起 构 建 后续 的 分 类 模 型。.影 像 组 学 特 征 集 构 建.特 征 提 取从 影 像 科 专 家 的 角 度 来 看，异 常 的 胸 部 光片 往 往 表 现 出 形 状 不 规 则、大 小 或 结 构 不 寻 常、纹理 复 杂 或 混 浊 等
31、 异 常 的 特 征。因 此，在 本 研 究 中共 综 合 收 集 了 如 表 所 示 的 个 影 像 组 学 特征，其 中，包 括 几 何 形 状 特 征 个、一 阶 统 计 量 特征（，即 强 度 特征）个、灰 度 共 生 矩 阵（，）纹 理 特 征 个。在 此 使 用 纹 理 特 征 的 关 键 动 机 是 它 能 够 在 不 同 的 方 向上 捕 获 具 有 预 定 义 灰 度 强 度 的 像 素 对 的 空 间 关 系和 预 定 义 距 离，并 且 是 医 学 图 像 分 析 领 域 广 泛 接受 的 纹 理 特 征 编 码 方 式。表 提 取 特 征 汇 总 特 征 类 别 数 量
32、 特 征 名 称一 阶 统 计 量 特 征 均 值、方 差、最 大 值、最 小 值、偏 度、峰 度、中 值、四 分 位 范 围、能 量、熵、平均 绝 对 差、均 方 根、均 匀 性灰 度 共 生 矩 阵 特 征 对 比 度、相 异 性、同 质 性、能 量、自 相 关、能 量、集 群 突 出、集 群 阴 影、集 群 趋 势、联 合 平 均、联 合 能 量、联 合 熵、最 大 概 率、差 平 均、差 熵、差 方差、逆 差 距、归 一 化 逆 差 距、逆 差、归 一 化 逆 差、逆 方 差、和 平 均、和 熵、和方 差、相 关 信 息 测 度、相 关 信 息 测 度 几 何 形 状 特 征 左 右
33、肺 网 格 面、左 右 肺 像 素 面、左 右 肺 周 长、左 右 肺 周 长 比、左 右 肺 高 度差、肺 部 宽 高 比、心 胸 比、左 右 肺 肋 膈 角、上 下 纵 隔 宽 度 已 有 基 于 医 生 经 验 的 研 究 表 明，弥 漫 性 肺 等异 常 会 直 接 导 致 胸 部 光 片 成 像 中 肺 部 的 宽 度或 高 度 出 现 异 常；心 脏 肥 大 会 导 致 心 胸 比 的 异常，胸 腔 积 液 会 导 致 肋 膈 角 变 钝，纵 隔 的 宽 度 在 正常 影 像 和 患 有 肺 结 核 疾 病 的 影 像 中 存 在 一 定 差异。因 此，本 文 方 法 所 提 取
34、的 几 何 形 状 特 征 中除 了 影 像 组 学 中 常 见 网 格 面、像 素 面、周 长 以 及 周长 比 等 特 征 外，还 补 充 提 取 了 左 右 肺 高 度 差、肺 部宽 高 比、心 胸 比、左 右 肺 肋 膈 角 以 及 上 下 纵 隔 宽 度特 征。此 外，为 了 提 取 更 细 粒 度 样 本 强 度 特 征，本文 对 分 割 后 的 肺 部 区 域 采 用 医 学 中 常 用 的 肺 部 分区 方 式，将 其 纵 向 分 为 内、中、外 带，横 向 分 为 上、中、下 野（见 图）。进 一 步 分 别 对 左 右 肺 部 的 个 分 区 以 及 完 整 的 左 右 肺
35、 部 提 取 一 阶 统 计 量 特征。同 时，分 别 基 于、这 个 方 向提 取 每 个 个 体 的 左 右 肺 灰 度 共 生 矩 阵 特 征。图 肺 部 分 区 结 果.特 征 分 组 及 选 择在 此，依 据 图 像 左 右 肺 部 区 域 划 分 及 特 征 类别 将 所 提 取 到 的 特 征 划 分 为 几 何 形 状 特 征、深 度 西 北 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷学 习 特 征、左 肺 强 度 特 征、右 肺 强 度 特 征、左 肺 纹理 特 征 以 及 右 肺 纹 理 特 征 共 组，后 续 基 于 每 一组 进 行 特 征 选 择。为 了 寻 找 最
36、优 特 征 子 集，尽 可 能 剔 除 不 相 关或 冗 余 特 征，分 别 基 于 单 变 量 分 析 和 多 变 量 分 析进 行 特 征 选 择 及 抽 取。其 中，单 变 量 分 析 方 法 采用 检 验、互 信 息 以 及 基 于 单 个 变 量 分 类 结 果 的敏 感 性 和 特 异 性 对 特 征 进 行 重 要 性 评 估，筛 去 低于 阈 值 的 特 征。需 要 说 明 的 是，单 变 量 分 析 方 法需 要 正 常 与 异 常 两 类 样 本 对 比 评 估，而 本 研 究 训练 集 只 存 在 正 常 样 本 一 个 类 别，因 此，上 述 特 征 选择 方 法 均
37、在 验 证 集 上 完 成。此 外，考 虑 到 可 能 存在 多 个 特 征 共 同 作 用 影 响 分 类 结 果，采 用 因 子 分析 方 法 进 行 多 变 量 分 析，提 取 多 个 变 量 的 共 因 子进 行 分 类。最 后，通 过 对 以 上 几 种 特 征 选 择 及 特 征 抽 取方 法 进 行 排 列 组 合，并 且 以 验 证 集 分 类 结 果 的 值 作 为 评 价 准 则，选 取 得 到 最 优 的 组 特 征子 集。.分 类 模 型 构 建融 合 深 度 学 习 特 征 及 基 于 医 生 经 验 的 影 像 组学 特 征，完 成 如 图 所 示 的 集 成 机
38、器 学 习 模 型 的构 建。其 中，基 模 型 和 元 模 型 均 采 用 分类 器 实 现。这 是 由 于 本 研 究 模 型 训 练 时 仅 对单 独 的 正 常 样 本 进 行 建 模，完 成 单 类 别 分 类 任 务，而 模 型 作 为 单 类 别 分 类 的 经 典 模 型 在 多个 单 类 别 分 类 场 景 中 取 得 优 异 成 就。该 模 型将 与 负 类 对 应 的 支 持 向 量 定 义 为 坐 标 系 原 点，目标 是 寻 找 一 个 离 原 点 最 远 的 超 平 面，并 且 保 证 正样 本 数 据 存 在 于 超 平 面 的 正 半 空 间，以 此 来 完 成
39、单 类 别 分 类。具 体 地，对 正 常 图 像 经 过 上 述 分 组 及 特 征 选择 后 所 得 的 组 特 征 分 别 构 建 模 型，得到 每 组 的 初 步 预 测 结 果，将 筛 查 结 果 中 各 样 本 到超 平 面 的 距 离 作 为 当 前 组 的 异 常 分 数。接 着，将这 组 异 常 分 数 以 及.节 所 得 深 度 学 习 异 常分 数 作 为 后 续 元 模 型 的 输 入 特 征，构 建 模 型，进 一 步 得 到 最 终 分 类 结 果。实 验 评 估 与 分 析.数 据 集 及 评 价 指 标本 研 究 所 使 用 的 胸 部 光 片 数 据 数 据
40、集 来 源 于 国 内 某 三 甲 医 院，共 采 集 张 胸 部 正 位 光 片 图 像，其 中，张 图 像为 不 包 含 任 何 疾 病 的 正 常 图 像，张 图 像 伴 有多 种 肺 结 核 疾 病。采 集 图 像 为 格 式，图 像分 辨 率 在 至 像 素 之 间。数 据 的 所 有 标 注 工 作 均 由 名 专 业 影 像 科 医 生 完成，对 于 有 异 议 的 标 注 结 果 则 由 人 投 票 确 定 最终 标 注。此 外，对 所 有 的 图 像 依 次 完 成 数据 脱 敏 工 作，并 将 位 灰 度 值 的 图 像 映射 至 位 灰 度 值，并 以 无 损 压 缩 类
41、 型 格 式 保存 图 像。对 该 数 据 集 依 次 划 分，张 正 常 图 像 作 为训 练 集，张 正 常 图 像 及 张 异 常 图 像 作 为验 证 集，剩 余 图 像 均 用 作 测 试 集。为 了 模 拟 体 检数 据 集 进 行 测 试，每 次 进 行 组 测 试，每 组 测 试随 机 从 测 试 集 中 抽 取 张 正 常 样 本 以 及 张异 常 样 本 进 行 测 试，保 持 异 常 占 比 不 到。采 用 分 类 实 验 的 指 标 进 行 评 估，包 括（）用 于 衡 量 分 类 器 优 劣；假 阳性 率（，）表 示 误 诊 率；假 阴 性率（，）表 示 漏 诊 率。
42、.数 据 预 处 理为 精 准 提 取 肺 部 区 域 特 征 并 排 除 肺 部 以 外 区域 对 筛 查 结 果 的 影 响，对 肺 部 区 域 的 有 效 分 割 是整 个 筛 查 过 程 中 必 不 可 少 的 环 节。近 年 来，深 度神 经 网 络 在 医 学 图 像 分 割 上 取 得 了 优 异 的 效 果，其 中，无 疑 是 较 为 成 功 的 成 果 之 一。在 众 多 改 进 模 型 中，拥 有 同 一 样 适 用 于 小 样 本 数 据 训 练 的 优 点，同 时，其 方 法 可 有 效 抑 制 图 像 的 无 关 区域，并 突 出 特 定 区 域 的 显 著 特 征，
43、进 一 步 提 高 模 型灵 敏 度 和 预 测 精 度。因 此，本 文 采 用 模 型 对 肺 实 质 区 域 进 行 自 动 分 割，无 需 医 生进 行 手 动 勾 勒，可 减 轻 大 量 工 作 负 担。具 体 地，分 割 模 型 使 用 数 据集 进 行 训 练，该 数 据 集 包 含 来 自 美 国 蒙 哥 马 利县 共 张 胸 部 正 位 光 片，其 中，张 正 常，张 伴 有 肺 结 核 疾 病，每 张 影 像 存 在 与 之 对 应 的 分割 掩 膜 二 值 图。为 增 强 模 型 的 泛 化 性 能，分 别 对训 练 集 胸 部 光 片 和 与 之 对 应 的 分 割 掩
44、膜 同 时进 行 旋 转、平 移、裁 剪 以 及 水 平 翻 转 操 作，进 一 步扩 充 训 练 样 本 多 样 性。最 终，训 练 好 的 模 型 以 胸部 光 片 图 像 作 为 输 入，模 型 对 图 像 的 每 一 个 像素 进 行 分 类 得 到 其 对 应 的 分 割 掩 膜 二 值 图 作 为 输出。为 避 免 模 型 可 能 会 将 部 分 其 他 小 的 组 织 预 测 第 期 冯 筠，等：融 合 改 进 变 分 自 编 码 器 与 影 像 组 学 的 光 片 肺 部 疾 病 筛 查 算 法为 肺 部 区 域，对 预 测 所 得 的 分 割 掩 膜 进 行 连 通 区域 检
45、 测，仅 保 留 图 像 中 最 大 的 两 个 联 通 区 域 即 左右 肺 区 域，进 一 步 得 到 最 终 肺 部 区 域 的 分 割 掩 膜。根 据 分 割 掩 膜 可 以 从 原 图 中 裁 剪 出 肺 部 区 域，用于 后 续 的 特 征 提 取 部 分。本 文 将 该 模 型 应 用 于 数 据 集 进行 肺 部 区 域 分 割，其 对 应 分 割 结 果 如 图 所 示，可以 看 到，该 模 型 在 数 据 集 上 取 得 较 为优 秀 的 分 割 效 果，该 分 割 结 果 可 以 更 好 地 应 用 于后 续 特 征 提 取 环 节。图 肺 部 区 域 分 割 结 果 图
46、.实 验 设 置本 研 究 所 有 实 验 在.操 作 系 统 下完 成，所 有 深 度 学 习 实 验 均 使 用 框 架 实 现。对 于 基 于 改 进 变 分 自 编 码 网 络 的 肺 部 疾 病 初筛 及 深 度 学 习 特 征 提 取 部 分，设 置 编 码 器 包 含 个 卷 积 核 大 小 为 且 步 长 为 的 卷 积 层，除 第 层 外 每 层 后 均 包 含 个 批 量 归 一 化 层 以 及 激 活 层。解 码 器 包 含 个 卷 积 核 大 小为 且 步 长 为 的 反 卷 积 层，除 最 后 层 外 每层 后 均 包 含 个 批 量 归 一 化 层 以 及 激 活
47、层。其 中，解 码 器 最 后 一 层 卷 积 层 后 添 加 激 活 层。隐 空 间 中 编 码 特 征 大 小 为。鉴别 器 采 用 的 思 想 实 现。隐 层 编 码 分类 器 由 个 全 连 接 层 组 成。在 训 练 过 程 中，将 训练 期 数 设 置 为，批 处 理 大 小 为，学 习 率 为，输 入 图 像 大 小 为。使 用 优化 器 迭 代 更 新 网 络 权 值，其 中，动 量.，.。推 理 过 程 中 异 常 分 数 的、分 别 设 置为 和。在 影 像 组 学 特 征 集 构 建 过 程 中 经 特 征 分 组 和 西 北 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷选
48、 择 后 共 得 到 几 何 形 状 特 征 个、左 肺 强 度 特 征 个、右 肺 强 度 特 征 个、左 肺 纹 理 特 征 个、右 肺 纹 理 特 征 个、深 度 学 习 特 征 个 用 于 模型 构 建。.实 验 结 果 分 析.改 进 变 分 自 编 码 网 络 对 比 实 验为 了 衡 量 所 提 出 的 改 进 变 分 自 编 码 生 成 对 抗网 络 的 初 筛 效 果，本 文 与 采 用 生 成 对 抗 思 想 的 自 编码 器 进 行 对 比，同 时，与、等基 于 单 类 别 分 类 思 想 的 先 进 方 法 进 行 比 较。实 验结 果 如 表 所 示，可 以 看 到，
49、本 文 提 出 的 改 进 变 分自 编 码 网 络 相 比 其 他 方 法 其 指 标 具 有 明 显提 升，并 且 方 差 存 在 明 显 降 低，同 时，也 取 得 了 较低 的 误 诊 率 和 漏 诊 率。说 明 本 文 的 模 型 分 类 效 果存 在 明 显 提 升，且 模 型 预 测 结 果 也 更 加 稳 定。表 基 于 单 独 正 常 图 像 分 类 的 深 度 学 习 模 型 对 比 实 验 结 果 方 法.本 文 方 法.然 而，通 过 上 述 实 验 可 以 看 到 本 文 方 法 虽 然相 比 其 他 方 法 分 类 效 果 存 在 明 显 提 升，但 是 仍 然无
50、法 达 到 零 漏 诊 率 的 筛 查 目 标。本 文 认 为 深 度 学习 模 型 缺 乏 医 生 经 验 的 指 导，同 时，当 只 有 正 常 图像 一 个 类 别 参 与 模 型 训 练 时，所 学 习 到 的 特 征 容易 遗 漏 微 小 病 灶 信 息，因 此，当 推 理 过 程 中 患 病 图像 病 灶 区 域 较 小 时，也 会 取 得 与 正 常 图 像 同 等 的重 构 效 果，进 而 难 以 对 其 进 行 区 分。在 此，也 进 一步 验 证 了 本 文 后 续 融 合 基 于 医 生 经 验 的 影 像 组 学特 征 进 行 筛 查 的 必 要 性。.参 数、对 初
