低剂量的数字乳腺断层摄影方法、装置及乳腺成像设备

1.本发明属于生物医学工程技术领域，尤其涉及一种低剂量的数字乳腺断层摄影方法、装置及乳腺成像设备。


背景技术：

2.dbt(digital breast tomosynthesis，数字乳腺断层摄影)是一种新型乳腺成像设备，在多个国家的乳腺癌筛查指南中列为推荐手段。然而，dbt要采用类似ct(计算机断层成像)的x射线旋转扫描方式，对女性身体产生电离辐射伤害。根据乳腺癌筛查指南，40岁以上女性每年应接受1次检查，多年累积电离辐射伤害严重。
3.因此，在保持图像质量满足诊断要求的情况下，降低dbt扫描辐射剂量，减少电离辐射对患者的伤害将成为亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种低剂量的数字乳腺断层摄影方法、装置及乳腺成像设备，旨在解决现有技术中无法在保持图像质量满足诊断要求的情况下，降低dbt扫描辐射剂量的技术问题。
5.第一方面，本发明提供了一种低剂量的数字乳腺断层摄影方法，包括：
6.将数字乳腺断层摄影(dbt)原投影数据转换为具有几何结构关系的新投影数据；
7.对所述新投影数据进行数据插值得到插值投影数据；
8.采用人工智能算法对所述插值投影数据进行增强得到增强投影数据；
9.对所述新投影数据与所述增强投影数据进行图像重建及图像整合，构建dbt三维图像。
10.可选的，所述将dbt原投影数据转换为具有几何结构关系的新投影数据的步骤包括：
11.设定虚拟探测器，该所述虚拟探测器与射线源等中心同步旋转且垂直于每个投影角；
12.在每个投影角上将dbt原投影数据映射到所述虚拟探测器，得到具有几何结构关系的新投影数据。
13.可选的，所述对所述新投影数据与所述增强投影数据进行图像重建及图像整合，构建dbt三维图像的步骤包括：
14.采用图像重建算法对所述增强投影数据与所述新投影数据一起进行图像重建，得到三维图像；
15.采用像素合并、断层重排算法对所述三维图像进行图像整合，构建dbt三维图像。
16.可选的，所述采用人工智能算法对所述插值投影数据进行增强得到增强投影数据的步骤包括：
17.将所述插值投影数据输入至预先训练的深度学习模型中；
18.采用人工智能算法将所述插值投影数据在所述深度学习模型中进行运算，输出经过增强的增强投影数据。
19.可选的，所述方法还包括：
20.预先收集不同的投影数据及相应的插值投影数据；
21.采用人工智能算法将所述投影数据及相应的插值投影数据进行迭代运算，建立所述投影数据与插值投影数据之间的映射关系；
22.将所述映射关系确定为深度学习模型。
23.可选的，采用人工智能算法将所述投影数据及相应的插值投影数据进行迭代运算时，所述投影数据与所述插值投影数据以配对、部分配对或非配对的方式输入。
24.可选的，所述人工智能算法包括监督学习算法、半监督学习算法、非监督学习算法。
25.第二方面，本发明还提供了一种低剂量的数字乳腺断层摄影装置，包括：
26.数据转换模块，用于将dbt原投影数据转换为具有几何结构关系的新投影数据；
27.数据插值模块，用于对所述新投影数据进行数据插值得到插值投影数据；
28.数据增强模块，用于采用人工智能算法对所述插值投影数据进行增强得到增强投影数据；
29.图像重建模块，用于采用图像重建算法对所述新投影数据与所述增强投影数据进行图像重建，构建三维图像；
30.图像整合模块，用于采用像素合并、断层重排算法对所述三维图像进行图像整合，构建dbt三维图像。
31.第三方面，本发明还提供了一种乳腺成像设备，包括：
32.处理器；以及
33.与所述处理器通讯连接的存储器；其中，
34.所述存储器存储有可读性指令，所述可读性指令被所述处理器执行时实现如第一方面所述的方法。
35.第四方面，本发明提供了一种计算机可读性存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被执行时实现如第一方面的方法。
36.本发明提供的低剂量的数字乳腺断层摄影方法及装置、乳腺成像设备中，由于采用人工智能算法对经过数据插值后的插值投影数据进行增强，最终进行图像重建、图像整合后而构建dbt三维图像，在减少扫描曝光次数的同时，有效保证了图像质量。
附图说明
37.图1是根据实施例一示出的一种低剂量的数字乳腺断层摄影方法的实现流程图。
38.图2是根据实施例一示出的乳腺成像设备的一种成像结构图。
39.图3是根据实施例一示出的一种乳腺成像设备图。
40.图4是根据实施例一示出的一种低剂量的数字乳腺断层摄影方法中的一种虚拟探测器示意图。
41.图5是根据实施例一示出的一种低剂量的数字乳腺断层摄影方法中u-net算法的结构示意图。
42.图6是根据实施例一示出的一种低剂量的数字乳腺断层摄影方法中基于u-net算法的成像方法示意图。
43.图7是根据实施例一示出的一种低剂量的数字乳腺断层摄影方法中基于u-net算法的训练方法示意图。
44.图8是根据实施例一示出的一种低剂量的数字乳腺断层摄影方法中cyclegan算法的结构示意图。
45.图9是根据实施例一示出的一种低剂量的数字乳腺断层摄影方法中cyclegan算法的生成器结构示意图。
46.图10是根据实施例一示出的一种低剂量的数字乳腺断层摄影方法中基于cyclegan算法的成像方法示意图。
47.图11是根据实施例一示出的一种低剂量的数字乳腺断层摄影方法中基于cyclegan算法的训练方法示意图。
48.图12是根据实施例二示出的一种低剂量的数字乳腺断层摄影装置的框图。
具体实施方式
49.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
50.以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：
51.实施例一：
52.图1是实施例一示出的低剂量的数字乳腺断层摄影方法的实现流程图。实施例一示出的低剂量的数字乳腺断层摄影方法适用于乳腺成像设备中，乳腺成像设备中设置有处理器，在低剂量采集乳腺的投影数据后，采用人工智能算法对插值后的插值投影数据进行增强，在减少扫描曝光次数的同时，构建高精度的dbt三维图像。
53.步骤s110，将数字乳腺断层摄影(dbt)原投影数据转换为具有几何结构关系的新投影数据。
54.步骤s120，对新投影数据进行数据插值得到插值投影数据。
55.步骤s130，采用人工智能算法对插值投影数据进行增强得到增强投影数据。
56.步骤s140，对新投影数据与所述增强投影数据进行图像重建及图像整合，构建dbt三维图像。
57.dbt主要由x射线源、平板探测器、压迫器、扫描架、影像工作站组成，成像结构如图2所示，它利用小角度范围(30
°
～60
°
)内的有限次(9～25)投影，重建乳腺的准三维图像。与传统ct图像比，dbt重建中的断层(slice)较厚，平面(平行于探测器方向)分辨率高于深度(垂直于探测器方向)分辨率10倍以上。
58.dbt设备如图3所示。借助dbt图像，医生可以逐个断层查看病灶的大小、边界、位置等信息。因dbt具有较高的乳腺癌检出率且检查费用低，它已经成为乳腺癌筛查指南推荐的设备。
59.dbt是在数字乳腺x射线摄影(国内俗称“钼靶”，英文digital mammography，简称dm)的基础上发展而来，后者仅可获取二维摄影图像，存在三维组织在二维图像中重叠的问
题，影响诊断效果。dbt和dm均属于x射线成像技术，会对患者造成一定的电离辐射伤害。
60.女性乳腺是浅表器官，对辐射剂量敏感。亚洲女性乳腺多为致密型，对辐射剂量更加敏感。据文献报道，40岁以上女性应每年接受钼靶检查，dm的辐射剂量约3.5mgy/次，dbt的辐射剂量约5～8mgy/次。
61.研究估计：若40岁以上女性每年接受dm检查，每10万例中就会有86例因电离辐射患癌，其中11例死亡。据该研究推测：若40岁以上女性每年接受dbt+dm检查，每18.9～47.4人获救的同时，就会有1人因受辐射伤害而死亡。
62.可见，降低dbt扫描剂量，有利于减少女性在乳腺癌筛查中遭受的电离辐射伤害，便于产品推广应用。
63.然而，现有的dbt扫描过程中，x射线源在小角度圆弧上旋转(如从左到右)，探测器保持静止，这使得乳腺投影从平板探测器的右侧移动到左侧，移动方向与x射线源旋转方向相反。由于x射线源和平板探测器不是等中心同步旋转，相邻投影数据间没有直接的几何关系。
64.本方案中，预先将dbt原投影数据转换为具有几何结构关系的新投影数据。
65.具体的，如图4所示，设定一个虚拟探测器，该探测器与射线源等中心同步旋转且垂直于每个投影角度。根据投影原理，在每个投影角上将dbt原投影数据映射到虚拟探测器上，并经过插值得到具有几何结构关系的新投影数据(因映射位置不在虚拟探测器的像素位置，需要插值得到相应位置的像素值)。
66.在进行数据转换后，将对新投影数据进行数据插值得到插值投影数据，以便制作用于人工智能算法输入的图像数据。进行数据插值时，可以是线性插值方法，也可以是其他的数据插值方法。
67.例如，采用线性插值方法时，由于dbt扫描角度间隔是均匀的，则可利用相邻两个角度上的投影数据即可线性插值得到当前角度上的投影数据。
68.数据插值后，将采用人工智能算法对插值投影数据进行增强得到增强投影数据。
69.在采用人工智能算法对插值投影数据进行增强时，将插值投影数据输入至预先训练的深度学习模型中；然后采用人工智能算法将插值投影数据在深度学习模型中进行运算，输出经过增强的插值投影数据。
70.通过对插值投影数据进行数据增强，有效去除了噪声和伪影，在保持重建图像质量的情况下，降低了dbt扫描剂量。
71.在得到增强投影数据后，对所述新投影数据与所述增强投影数据进行图像重建及图像整合，构建dbt三维图像。
72.具体的，采用图像重建算法对所述增强投影数据与所述新投影数据一起进行图像重建，得到三维图像；然后采用像素合并、断层重排算法对所述三维图像进行图像整合，构建dbt三维图像。
73.图像重建算法、像素合并算、断层重排算法可以是常规算法，也可以是其他算法，在此不具体描述。
74.需要说明的是，在采用人工智能算法对插值投影数据进行增强前，需预先进行深度学习的训练。
75.人工智能算法又称“模型”或“网络”，内部包含大量参数，经过大量数据训练后，其
参数值得到优化、确定，最终达到预期功能。深度学习算法的参数量更大，对数据量的要求更高。
76.在进行深度学习的训练时，预先收集不同的投影数据及相应的插值投影数据；然后采用人工智能算法将投影数据及相应的插值投影数据进行迭代运算，建立投影数据与插值投影数据之间的映射关系；并将映射关系确定为深度学习模型。
77.本方案中，插值投影数据与投影数据(原始数据)分别来自源域、目标域，二者一起输入人工智能算法，经过多次迭代，算法内部参数逐步更新至最优值，建立起插值数据与原始数据之间的映射。人工智能算法经过训练之后，当输入插值数据后，就会输出类似原始数据的合成数据。
78.需要说明的是，人工智能算法包括监督学习算法、半监督学习算法、非监督学习算法，例如u-net、cyclegan等算法。采用人工智能算法将投影数据及相应的插值投影数据进行迭代运算时，投影数据与插值投影数据以配对、部分配对或非配对的方式输入。
79.例如，可采用u-net算法进行低剂量dbt成像。
80.u-net是一个经典的全卷积网络，采用u形结构，如图5所示。图5中，网络前半部分称为压缩路径(contracting path)，可视为编码器，由4个模块(block)组成，每个模块主要包含2个卷积层，对图像起到下采样作用；后半部分称为扩展路径(expansive path)，可视为解码器，由4个模块组成，每个模块主要包含反卷积层，对图像起到上采用作用。
81.基于u-net的低剂量dbt成像方案如图6所示，插值投影数据经u-net得到增强，与原始数据一起，经图像重建，得到三维重建图像。
82.采用配对数据训练u-net，属于监督学习，训练方式如图7所示。两组训练数据分别是插值数据、原始数据，二者以配对方式输入网络，即输入网络的数据以相同的序号分别读取自源域、目标域。
83.又例如，可基于cyclegan算法进行低剂量dbt成像。
84.cyclegan是在gan的基础上发展来的，后者由一个生成器和一个鉴别器组成。生成器的功能是合成能最大程度还原捕捉到的训练集特征的图像；鉴别器的作用是正确区分训练集中的真实图像和生成器合成的假图像，并将分类结果反馈给生成器，使生成器合成更接近真实数据的图像，由此构成博弈。cyclegan通过引入循环一致性，同时训练生成器g和f，确保转换到目标域y中的图像经生成器f可转换回与原始图像近似的图像，如图8所示。
85.图8中，x和y分别是源域、目标域对应的数据集，dx和dy表示鉴别器，分别用于鉴别生成器f和g合成的图像是否足够接近真实图像。
86.cyclegan的生成器主要由编码器，特征转换模块，解码器三部分组成，如图9所示。图中，conv表示卷积，deconv表示反卷积。
87.基于cyclegan的低剂量dbt成像方案如图10所示，插值数据经cyclegan得到增强，经图像重建，得到重建图像。
88.采用非配对数据训练cyclegan，属于非监督学习，训练方式如图11所示。两组训练数据分别是插值数据、原始数据，二者以非配对方式输入网络，即输入网络的数据序号分别随机读取自源域、目标域。
89.通过本方案的方法，大大降低了扫描次数，如原来扫描[1、2、3、
……
、15]编号角度，采用本方案后，只需扫描奇数编号角度[1、3、5、
……
、15]，而偶数编号角度上的投影数
据只需经相邻投影数据插值与人工智能算法即可得到。因扫描总体次数减少，降低电离辐射；并且由于采用了人工智能算法进行数据增强，有效保证了图像质量。从而用户只需要提供新款dbt的投影数据，经过少量数据训练后，就可以实现新款dbt低剂量成像。大大提高了方案的兼容性和可推广性。
[0090]
实施例二：
[0091]
图12是实施例二示出的低剂量的数字乳腺断层摄影装置的框图。该装置可执行上述任一所示的低剂量的数字乳腺断层摄影方法的全部或者部分步骤。该装置包括：
[0092]
数据转换模块10，用于将dbt原投影数据转换为具有几何结构关系的新投影数据；
[0093]
数据插值模块20，用于对新投影数据进行数据插值得到插值投影数据；
[0094]
图像重建模块30，用于采用人工智能算法对所述插值投影数据进行增强得到增强投影数据；
[0095]
图像重建模块40，用于采用图像重建算法对所述新投影数据与所述增强投影数据进行图像重建，构建三维图像；
[0096]
图像整合模块50，用于采用像素合并、断层重排算法对所述三维图像进行图像整合，构建dbt三维图像。
[0097]
实施例三：
[0098]
本发明实施例三提供了一种乳腺成像设备，该乳腺成像设备可执行上述任一所示的低剂量的数字乳腺断层摄影方法的全部或者部分步骤。该乳腺成像设备包括：
[0099]
处理器；以及
[0100]
与处理器通信连接的存储器；其中，
[0101]
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上述任一示例性实施例所述的方法，此处将不做详细阐述说明。
[0102]
在本实施例中，还提供了一种存储介质，该存储介质为计算机可读存储介质，例如可以为包括指令的临时性和非临时性计算机可读存储介质。该存储介质例如包括指令的存储器，上述指令可由服务器系统的处理器执行以完成上述低剂量的数字乳腺断层摄影方法。
[0103]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。