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苏黎世大学 AI 新研究:仅用少量样本生成高质量光声图像

作者:李雨晨
2019/10/03 12:46

苏黎世大学 AI 新研究:仅用少量样本生成高质量光声图像

雷锋网消息,近日,苏黎世联邦理工学院和苏黎世大学的科学家宣布,可以利用机器学习方法来改善光声成像,成果发表在Nature Machine Intelligence上(点击查看论文链接

“光声成像”是近年来发展起来的一种非入侵式和非电离式的新型生物医学成像方法,可用于血管可视化、研究脑活动、表征皮肤病变和诊断乳腺癌等应用。但是,渲染图像的质量很大程度上取决于设备上的传感器数量和分布:传感器的数量越多,图像质量就越好。

苏黎世联邦理工学院的研究人员开发了一种新方法,可以在不放弃最终图像质量的情况下大幅减少传感器的数量,进而降低设备成本,提高成像速度或改善诊断。

图像失真校正

光声学在某些方面与超声成像相似。

在超声成像中,探头将超声波发送到体内,并被组织反射。探头中的传感器检测返回的声波,随后生成人体内部的图像;在光声成像中,取而代之的是将非常短的激光脉冲发射到组织中,然后被吸收并转换成超声波。类似于超声成像,声波被检测并转换为图像。

由苏黎世联邦理工学院和苏黎世大学生物医学成像教授Daniel Razansky领导的团队探索了一种方法,来提高仅拥有少量超声传感器的低成本光声设备的图像质量。

为了实现这一目标,他们首先使用了一种自行开发的高端光声扫描仪,这种扫描仪有512个传感器,可以提供高质量的图像。他们通过人工神经网络对这些图片进行了分析,从而能够学习高质量图像的特征。

接下来,研究人员拿掉了大多数传感器,只剩下128个或32个传感器,这对图像质量产生了不利影响。由于缺乏数据,图像中出现了被称为条纹型伪影的失真。

然而,事实证明,先前训练的神经网络能够在很大程度上校正这些失真,从而使图像质量更接近使用所有512个传感器获得的测量结果。

雷锋网了解到,在光声技术中,图像质量不仅随所用传感器的数量而提高,而且当从尽可能多的方向捕获信息时,图像质量也会提高:传感器围绕物体布置的扇区越大,质量越好。研究人员开发的机器学习算法还成功地改善了仅在有限范围内记录的图像的质量。

Razansky说:“这对于临床应用特别重要,因为激光脉冲无法穿透整个人体,因此成像区域通常只能从一个方向进入。”

促进临床决策

科学家们强调,他们的方法并不局限于光声成像。由于该方法是对重建图像进行处理,而不是对原始记录数据进行处理,因此也适用于其他成像技术。“你基本上可以用同样的方法从任何稀疏数据中生成高质量的图像,”拉赞斯基说。他解释说,医生经常面临的挑战是如何解读来自病人的低质量图像。“我们证明,这种图像可以通过人工智能方法得到改善,从而更容易获得更准确的诊断。”

对于Razansky来说,这项研究工作很好地说明了现有的人工智能方法可以用于什么。他说:“许多人认为人工智能可以代替人类的智能。至少在当前可用的人工智能技术方面,这可能被夸大了。它不能取代人类的创造力,但可能使我们摆脱一些繁琐而重复的任务。”

在他们目前的研究中,科学家使用了为小动物量身定制的光声断层扫描设备,并用小鼠的图像训练了机器学习算法。Razansky说,下一步将是将该方法应用于人类患者的光声图像。

揭示组织功能

与光声学不同,许多成像技术如超声、X射线或MRI,主要适用于可视化的人体解剖变化。为了获得额外的功能信息,例如关于血流或代谢变化的信息,患者必须在成像前使用造影剂或放射性示踪剂。

与此相反的是,光声学方法可以在不引入造影剂的情况下可视化功能和分子信息。一个例子是组织氧合的局部变化-一种可用于早期诊断的重要癌症标志。血管中的脂质含量是另一种潜在的疾病标记,可帮助及早发现心血管疾病。

据雷锋网(公众号:雷锋网)了解,由于用于光声成像的光波与其他光波不同,不能完全穿透人体,因此这种方法只适用于研究皮肤下几厘米深的组织。

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