融合上下文和多尺度特征的胸部多器官分割

目的肿瘤周围高危器官的准确分割是图像引导放射治疗中的关键步骤,也是对抗肺癌和食道癌,规划有效治疗策略的重要组成部分。为了解决不同患者之间器官形状和位置的复杂变化情况以及计算机断层扫描(computed tomography, CT)图像中相邻器官之间软组织对比度低等问题,本文提出了一种深度学习算法对胸部CT图像中的高危器官进行细分。方法以U-Net神经网络结构为基础,将冠状面下的3个连续切片序列即2.5D(2.5 dimention)数据作为网络输入来获取切片联系,同时利用高效全局上下文实现不降维的跨通道交互、捕获单视图下切片序列间的长距离依赖关系、加强通道联系和融合空间全局上下文信息。在编码部分使用金字塔卷积和密集连接的集成提取多尺度信息,扩大卷积层的感受野,并将解码器与编码器每层进行连接来充分利用多尺度特征,增强特征图的辨识度。考虑到CT图像中多器官形状不规则且紧密相连问题,加入深度监督来学习不同层的特征表示,从而精准定位器官和细化器官边界。结果在ISBI(International Symposium on Biomedical Imaging)2019 Seg THOR(segmentation of thoracic organs at risk in CT images)挑战赛中,对40个胸部多器官训练样本进行分割,以Dice系数和HD(Hausdorff distance)距离作为主要评判标准,该方法在测试样本中食道、心脏、气管和主动脉的Dice系数分别达到0.855 1、0.945 7、0.923 0和0.938 3,HD距离分别为0.302 3、0.180 5、0.212 2和0.191 8。结论融合全局上下文和多尺度特征的算法在胸部多器官分割效果上更具竞争力,有助于临床医师实现高效的诊断与治疗。