专利名称：一种用于诊断恶性黑素细胞肿瘤的多光谱皮肤镜图像自动分析仪器的制作方法
技术领域：
一种用于诊断恶性黑素细胞肿瘤的多光谱皮肤镜图像自动分析仪器技术领域[0001]本实用新型属于医疗器械领域，涉及一种多光谱皮肤镜图像自动分析技术及其 应用于皮肤恶性黑素瘤的非侵入性早期快速诊断仪器和方法。技术背景[0002]黑素细胞肿瘤(Melanocytic Tumor MT)，由良性和恶性黑素细胞肿瘤组成；目前，研究者关注最多的是恶性黑素细胞肿瘤，简称恶性黑素瘤或恶黑(Malignant Melanoma MM),多发生于皮肤，是一种恶性程度高、易转移、危险性大的皮肤首位致 死性疾病之一；近年，中国人的MM发病率以3%-8%的比例逐年上升，并且高达每10 年增加两倍，已成为日益关注的一个公共卫生问题；虽然中国MM发病率低于国外，但 近年由于空气污染，大气臭氧层破坏严重，使更多的紫外线辐射到地球，众所周知，日 光曝晒已被公认为是导致MM的最重要的危险因素之一 ；Dr.Marks认为可能与社会发展 中多种因素有关。[0003]色素痣，几乎每人都有，是一种含有痣细胞的良性肿瘤。经国内外研究证实， 大约半数MM患者发生于原先存在的皮肤色素痣，起源于痣细胞的MM患者多见于较年 轻人，生长迅速，恶性程度高，易早期转移；余下MM患者发生于原先外观似乎正常的 皮肤。[0004]目前最有效的治疗方法仍然是MM的早期诊断加积极有效手术切除原发灶，对 预后和降低死亡率起决定性作用。另外，籍于国情，除了加强科普知识教育提高大家的 防癌意识以外，更重要的是建立高危人群的普查制度，只有早期发现早期有效的治疗， 其生存率高达到了 92%，而发现较晚的MM的生成率不到5%。因此，预防和早期发 现、早期治疗对于降低MM的死亡率不仅完全可能，也是至关重要的。[0005]目前，临床MM的诊断主要依靠肉眼ABCDE准则判断(皮损具有不对称性、边 界不规则、界限不清楚、颜色不一致，直径大于0.6cm等)，其可靠性仅为60%-75%， 并且存在诸多问题其一，缺乏量化指标，受人为主观因素影响较大；其二，未考虑到 小于0.6cm的早期MM;其三，有些良性黑素瘤临床表现与MM相似；其四，虽然病理 活检是确诊MM的金标准，由于盲目地进行手术活检(需诊断报告时间较长，2-3天完 成)或外科手术切除治疗，尤其趾、指甲下病变会给患者带来许多不必要的痛苦和医源 性创伤，更严重的是MM患者易发生淋巴和因手术创伤所至的血行转移或因手术切除范 围而造成复发等危险，这些，无疑影响预后和增加死亡率[5]。[0006]国外于九十年代中期用计算机数字图像分析(CDIA)在皮肤病的形态学诊断中已 得到应用，按照临床MM早期诊断ABCD准则，将多家医院既往的MT彩色照片或幻灯 片汇总，经扫描仪或彩色CCD获取图像，进行大小、形状、颜色、质地及对称性等测量 分析，使MM的早期诊断准确率提高到85%。不足之处是这些回顾性MT的照片信息 受无法统一的光源、摄像条件等诸多人为因素干扰，直接影响测量精度和组间数据的可比性，所制订的良、恶性黑素瘤的诊断参数值难免存在偏差性。[0007]随着光电技术的发展，国外研制了一种电子皮肤镜检查技术对MT进行无创性 检查，在使用中首先向皮损表面滴加油脂等浸润液，然后用玻片将皮肤压平，以增加皮 肤的透光性，在普通光源照明下，借助特定放大镜观察到肉眼看不见的皮损形态特征， 1994年由Stolz等为了半定量描述MT的良性、可疑或恶性，首先提出皮肤镜诊断MT的 ABCD规则法，基于分析皮损的不对称性、边缘、颜色和不同的皮肤镜结构进行记分。 本法与肉眼诊断比较提高了 MT诊断的准确率，易掌握，特别适用于经验不足者操作， 但准确率不够理想。另外，Menzies打分法和七点检测列表法，提高了 MM诊断的敏感 性和早期诊断率。但是，这些方法也存在主观性，其诊断准确率与操作者与经验有关。[0008]Arthur J.Sober等作者将CDIA和电子皮肤镜两种方法结合起来，并在世界卫生 组织黑素瘤研究中心的有经验专家指导下应用于临床，使MM的早期诊断准确率提高到 90%。不足之处是既往采用的电子皮肤镜，受当时IT技术发展的限制，大多设计者所 采用的CCD模拟信号，线性差、分辨率低，采用普通光白炽光照明，易出现靶目标光照 强度不稳定、不均勻、光斑等现象，由于普通光对皮肤的穿透深度有限，使皮肤对光谱 的各种信息吸收与反射均受影响，作为皮表面形态的一般观察还尚可。由于，该方法所 获取的图像不能直接反映皮损的全层光谱信息，图像质量也一般等，这些均可直接影响 MT边界的分割和颜色与多种几何参数的精确测量与结果的重复性；另外，所用皮肤镜 的物镜镜头与靶目标接触处是固定的玻璃镜片，在使用时在镜片表面滴加油脂等浸润液 或有机溶液作介质，可防皮肤反射光干扰，有利于病灶观察，但是，多数介质有较强的 刺激性，易引起接触性皮炎，更不适合颜面部、口、眼等粘膜处的病灶的使用，由于， 皮肤镜的固定璃镜片不能做到专人使用，再加之介质不易清洗等问题，极易引起医源性 交叉感染等潜在危险。[0009]自九十年代以来，随着数字图像处理技术在皮肤黑素细胞瘤诊断中研究不断地 深入，此方面的文献报道也越来越多，无疑在辅助诊断MM上具发挥了重要价值，已为 大量的研究所证实。对于MM图像的处理与识别是决定MM自动诊断的关键，而MM图 像边界的确定直接影响MM的定量精度测量，目前已经有很多文献对白色人种黑素细胞 瘤图像的分割算法进行研究。但是，与黄色人种的皮肤镜图像相比，白色人种的黑素细 胞瘤目标与皮周和非皮损边界的图像信息远比黄色人种的反差大，在进行边界的确定与 分割时相对较容易。因此，两种肤色的黑素细胞瘤目标在分割方法和结果上存在较大差 异，适合于白色人种的皮肤镜图像分割方法并不能直接应用于黄色人种的皮肤镜图像分 割。由此，本研究针对黄色人种的皮肤镜图像，在跟踪国外最新研究动态的基础上，对 黑素细胞瘤图像的非监督分割技术进行研究，旨在实现黄色人种黑素细胞瘤图像的有效 分割，并与特征提取和识别等进行系统的分析和优化，提高黑素细胞瘤图像诊断系统的 分类识别率和自动化程度。该课题的研究可以将黄色人种的皮肤镜黑素细胞瘤图像分析 诊断系统提高到一个新的研究水平。[0010]近年，有研究者研制出“多重偏光皮肤镜”，优点是无需接触皮肤即观察病 灶，缺点由于采用多重偏光片而严重影响图像的透过率，至使图像的原始信息有所丢 失而影响图像质量。国内也有“电切换偏振光真皮镜头”的研究，可作为一般的皮表形 态的观察尚可，它主要采用普通仿白炽光照明和电切换偏振开关，缺点普通仿白炽光照明其透皮性差，不能完全将表皮内或真皮更深层的光学信息，尤其是MM大多是浸润 性生长的有价值光学图像信息进行反馈；另外，电切换偏振开关只能控制偏振和非偏振 两种状态及普通LED白炽光源，本方法不能实现在偏振和非偏振之间的其它偏振角度所 观察到的皮肤表面各层有价值的光学图像信息，包括其他多光谱或激光LED的不同波长 在皮肤中的吸收与反射的谱信息。[0011]恶性黑素瘤多发生于皮肤和皮肤粘膜处，按照肿瘤细胞在皮肤的侵袭程度分为 浅表性恶黑和侵袭性恶黑，前者是瘤细胞在表皮内水平方向生长称非侵袭性水平生长 期，预后好，很少发生转移，后者瘤细胞向真皮垂直方向生长称侵袭性垂直生长期，侵 袭越期预后差，易发生转移。表明恶黑深度Clark分级法I级黑素瘤细胞局限于表皮 基底膜以上；II级侵入真皮乳头层；III级侵入真皮乳头层下血管丛；IV级侵入真皮网状 层；V级侵入皮下脂肪层，这些与肿瘤的诊断、恶性程度和预期后有着密切关系。本方 法提出了，在皮肤镜观察过程中，如何处理好皮肤表面反射光系数、表皮和真皮组分的 光吸收系数、皮肤各层及MM皮损的光散射系数和厚度等问题，直接影响在体皮肤的微 细结构、形态、颜色的观察和图像信息的获取。因此，采用皮肤镜有序调整偏振片技术 结合压片组件(由高分子透明材料聚甲基丙烯酸甲酯制作，一次性使用，防交叉感染； 优点透光率比玻璃高，达到92%，机械强度高，易于加工，存本低)防皮肤杂光干扰 折射的方法，利用多光谱或激光LED光动力学在生物组织中的光穿透深度的原理，从波 长400nm至IOOOnm间跨越可见光和不可见红外光的多波段光谱作为皮损光动力光源，由 于，不同波长的光子可发出各自的光谱信息，它可以不同程度地穿透皮肤组织各层，使 皮肤组织的形态、颜色和纹理在MM生物代谢中所自发的光子信息等特征，均产生不同 程度的光谱吸收和反射，从而形成了皮肤各层次间的光学信息反差图像，经高灵敏度的 面阵CCD或COMS技术，分别记录或获取不同谱信息MM在皮肤生长期的侵袭深度各层 次的光学图像，进行三维重构、分割和定量分析，这些量化指标对MM的无创性早期诊 断和预后判断具有重要意义。[0012]综上所述，目前国内外尚未见到将多光谱成像技术应用于黄色人种的皮肤黑素 细胞肿瘤的皮肤镜图像的分割、特征提取和自动识别的报导及能够快速，准确的诊断在 体皮肤恶性黑素瘤的仪器。发明内容[0013]本实用新型提供了一种多光谱皮肤镜成像技术应用于黄色人种的皮肤黑素细胞 肿瘤的图像分割、特征提取和自动分析与识别的方法。该方法可以将皮肤黑素细胞肿瘤 进行自动识别，分为真阳性指皮肤恶性黑素细胞肿瘤或高度怀疑恶黑；真阴性；指皮 肤良性黑素细胞肿瘤。这一结果均先期经组织病理证实，认为具有较高的敏感度与特 度，由于该方法是无创性检测，自动化程度高和操作简单等优点，可以满足临床各级医 务人员操作。[0014]为实现该方法，本实用新型提供一种能够快速，准确诊断人体皮肤恶性黑素瘤 的仪器。[0015]本实用新型提供的用于诊断恶性黑素细胞肿瘤大多光谱皮肤镜图像自动分析仪 器，其特征在于，由多光谱皮肤镜成像装置(一)和图象分析装置(二)连接组成。[0016]其中，多光谱皮肤镜成像装置的结构为皮肤镜的光学镜头压片组件( 后面 依次连接起偏片(3)，多光谱或激光LED 0)、可自动变焦(11)及检偏片( 和安装有蓝 牙无线集电器(12)，蓝牙适配器(13)的面阵CCD或CMOS系统(8)，其中在装置的一 侧装有充电接口(6)，充电接口(6)和锂电池(7)相连并连接开关(9)；图象分析装置的 结构为安装有数据采集控制部件(14)，图像预处理部件(15)和自动分析软件包(17) 的微型计算机(16)，该微型计算机(16)通过数据线或蓝牙适配器(1 与面阵CCD或 CMOS系统(8)相连。[0017]本实用新型的各组件的组成和功能为(1)多光谱皮肤镜成像装置，包括皮肤 镜、偏振组件、压片组件(由高分子透明材料聚甲基丙烯酸甲酯制作，一次性使用，防 交叉感染)在压片组件与皮肤间滴加藕合剂可防皮肤反射光干扰的方法；多光谱或激光 LED照明系统、多光路同步控制器、自动变焦组件、图像校准、蓝牙无线传输组件、面 阵CCD或COMS系统、锂电池与充电接口；(2)微型计算机(系统工作站)，包括计算 机、显示器、数据采集控制系统、图像预处理和自动分析软件包组成。它们功能是① 当皮肤镜物镜侧对准靶目标或感兴趣区域时，根据皮损的解剖位置和病灶的需要调整偏 振片角度或选用压片组件，其功能是为了减少皮肤反射光的干扰；②多光谱或激光LED 照明系统，从波长400nm至IOOOnm间跨越可见光和不可见红外光，共由10组不同波长 的光子组件和一组白炽光光子组件组成，其功能是在多光路同步控制器的控制下对皮肤 表面和各层组织间进行照明；③自动变焦组件，是在数据采集控制系统的作用下对面阵 CCD或COMS系统的齐焦；④图像校准，参照标准白板进行图像校正；⑤面阵CCD或 COMS系统，是多光谱或激光LED照明系统所反馈的皮损各层信息的采集；⑥蓝牙传输 组件，包括蓝牙无线集电器和蓝牙适配器，是面阵CCD或COMS系统所采集的数据进行 无线传输；⑦在数据采集控制系统的作用下，进行图像校准，当计算机收到一组多光谱 皮损图像后，如果病灶伴有毛发时需要进行毛发去除和毛发遮档去除后的信息恢复，获 取理想的图像；⑧自动分析软件包，在获取理想的皮损图像后，进行图像聚类分割、特 征提取、组合神经网络分类器分类，自动识别黑素细胞肿瘤的性质，是真阴性(良性)或 真阳性(可疑恶性)，最后给出诊断报告输出。[0018]所述的多光谱皮肤镜成像装置，通过皮肤镜物镜侧对准靶目标或感兴趣区域， 根据皮损的解剖位置和病灶的需要有序调整检偏振片角度或选用压片组件；经多光路同 步控制器分别控制多光谱或激光LED，从波长400nm至IOOOnm间跨越可见光和不可见红 外光，共由10组不同波长的光子组件和一组白炽光光子组件组成的靶目标照明系统；经 面阵CCD或COMS系统的控制下进行图像校准和自动变焦，经齐焦后的图像与各自LED 波长照明与其同步获取靶目标的多幅图像，根据需要经蓝牙无线传输装置备有锂电池组 件或有线装置将图像输出给计算机工作站；[0019]所述的微型计算机(系统工作站)，包括数据采集控制系统组成。[0020]数据采集控制系统与皮肤镜成像装置经有线或蓝牙无线传输连接，有效地进行 图像采集控制；[0021]所述的微型计算机(系统工作站)，包括图像预处理功能。[0022]a、图像校正在多光谱或激光LED照明前的图像采集，先以白炽光光子组件 为照明条件下进行面阵CCD或COMS系统以标准白板作为背景进行图像校正；[0023]b、皮损中的毛发去除。将毛发作为被去除的对象，以欲檎先纵的策略。采用 数学形态学的Top-hat变换增强毛发在图像中的对比度，根据毛发的延伸性特征，定义了 一种延伸性函数，该函数能够准确描述条带状连通区域的延伸状态，可作为毛发检测的 工具，有效检测出毛发噪声的非监督去除。进而采用基于偏微分方程的图像修复技术来 非监督恢复被遮挡信息。[0024]所述的微型计算机(系统工作站)，包括自动分析软件包组成[0025]a、自适应聚类分割皮肤黑素细胞肿瘤图像自适应聚类分割，采用区域生长法 对图像进行粗分割，把每一个小的区域看作一个训练样本，定义包括颜色和空间特征在 内的节点属性，进而以自生成神经网络6GNN)为基本工具来实现黑素细胞瘤图像的聚 类。对自生成神经树6GNT)原有的连接规则进行了改进，并将其推广扩展为自生成神 经森林6GNF)，从而将基于SGNN的聚类问题转化为一个优化问题，运用改进的遗传算 法(IGAs)进行求解，有效实现了皮肤黑素细胞瘤图像自适应聚类分割。[0026]b、特征提取根据黄色人种皮肤黑素细胞瘤图像的特点，将黑素细胞瘤图像直 接分割为内皮损区、过渡区和背景皮肤区三个部分，并针对皮损目标(包括内皮损和过 渡区)在RGB彩色空间进行颜色、纹理、形状等特征的提取。实现黑素细胞瘤目标的特 征提取和优选。[0027]1)颜色特征提取①颜色均值和均方差；②三维直方图颜色数；③LUV直方 图距离；[0028]幻纹理特征提取统计图像的灰度共生矩阵，计算对比度、能量、相关性、熵 和局部均勻性等5个特征参数来量化黑素细胞瘤图像的纹理特征。[0029]3)形状特征提取[0030]①目标边界凹陷率Reaneave如下1 n RA[0031]Rcancave = -Σ -T^⑴η =ι Ii[0032]②过渡区辐射不均勻度[0033]di = mm(D(Pi,Pj)),pt eTouter’Pj €Tinner(2)[0034]则外边界像素点到内边界距离的平均值和均方差分别为[0035]m = — Σ d ,⑶η , = 1[0036]^ = /^y (d, - m)"(4)V “ Τ ι[0037]③形状不对称[0038]Asymmetry _ Rate = max{ —}(5)~A A[0039]④形状偏心率[0040]ε = (Mm -M2J1 ^Mu(6)(Aio2 + Μιο)[0041]4)特征的优选首先提取原始特征，在原始特征中优选出最优特征子集，采用 欧氏距离作为类别可分离性判据，采用遗传算法来实现最优特征组合的搜索问题，结合 相关性特征分析，实现最优特征子集的优选。7[0042]C组合神经网络分类器[0043]组合神经网络分类器按一定的法则集成多个相互独立的神经网络分类器，能够 得到比分类器集成中的每一个元素性能均好的结果。针对皮肤黑素细胞瘤目标的分类识 别问题，以BP神经网络和模糊神经网络作为基本学习分类器，将不同的特征组合作为 两种神经网络的输入矢量，采用Adaboost算法训练生成个体子网，并对个体子网分类器 的加权回归和优化，设计了适用于皮肤黑素细胞瘤分类的神经网络分类器的组合集成模 型。[0044]基于这些思想，我们以形状、颜色和纹理特征作为BP网络的特征输入矢量，以 颜色、纹理和边界凹陷率等作为模糊神经网络的特征输入矢量，采用投票法作为结论生 成方式，将组合BP神经网络、组合模糊神经网络和组合异构神经网络的合神经网络进行 集成，实现黑素细胞瘤的分类。为黄色人种的皮肤黑素细胞瘤的自动辅助诊断奠定了基 石出。
[0045]图1多光谱皮肤镜图像自动分析系统的组成示意图。[0046]图中所述靴目标⑴、压片组件(2)、起偏片(3)、多光谱或激光LED(4)、检 偏片(5)、充电接口(6)、锂电池(7)面阵CCD或CMOS系统(8)、开关(9)、多光路同 步控制器(10)、自动变焦(11)、蓝牙无线集电器(1 、蓝牙适配器(1 、数据采集控制 (14)、图像预处理(15)、微型计算机(系统工作站)(16)、自动分析软件包(17)、诊断报 告输出(18)。[0047]图2图像采集与图像预处理组成示意图。[0048]图中所述图像采集开始(19)、多光路同步控制器(10)、多光谱或激光 LED(4),白炽光LED05)、CCD或COMS(8)、自动变焦(11)、选择感兴趣区04)、 图像校准05)、蓝牙无线集电器(12)、微型计算机系统工作站(16)、毛发去除07)、毛 发噪声增强08)、二值化09)、毛发提取(30)、被遮挡信息的恢复(31)、获取理想图像 (32)。[0049]图3图像预处理中的毛发去除与被毛发遮挡后的信息恢复。[0050]图中所述靶目标原图(41)、闭top-hat变换(42)、二值化(29)、延伸性测度 毛发区域提取G3)、毛发去除与被毛发遮挡后的信息恢复结果图像04)。[0051]图4多光谱皮肤镜图像自动分析系统流程示意图。[0052]图中所述多光谱图像采集开始(33)、多光路同步控制器(10)、多光谱或激 光LED从400nm至IOOOnm共分成10组(4)、新图像10幅(34)，分别进行图像预处理 (35)、图像聚类分割(36)、图像特征提取(37)、组合神经网络分类器(38)，识别真阴性 (良性)(39)和真阳性(可疑恶性)(40)。[0053]图5多光谱皮肤镜图像在波长430nm下的恶黑图像聚类分割效果图。[0054]图6类别数指定为c时，基于改进遗传算法的SGNN聚类优化流程。[0055]图7多种组合神经网络的综合集成。
具体实施方式
[0056]本文所使用特定的术语，只是为了方便内容的说明，并不作为对本实用新型的 限制。此外，在图表中所描述的特征是以示意图的形式表示，
以下结合附图对本实用新 型的技术主案及原理进一步说明如下[0057]图1是本实用新型多光谱皮肤镜图像自动分析系统的组成实施图例。它有一 个靶目标(1)是皮肤镜物镜侧所针对的感兴趣区域，根据MT所发生的解剖位置和病灶 的需要选择起偏片(3)和检偏片(5)调整偏振片角度或选用压片组件(2)(由高分子透明 材料聚甲基丙烯酸甲酯制作，一次性使用，防交叉感染；优点透光率比玻璃高，达到 92%,机械强度高，易于加工，存本低)，在压片组件与皮损间滴加介质，其目的是减少 皮损反射光的干扰；启动开关(9)；经白炽光LEDG5)照明，面阵CCD或COMS系统 (22)开始工作，在数据采集控制系统(14)的作用下进行自动变焦(11)和标准白板图像校 准0 与图像齐焦；当图像校准完成后此时可进行靶目标(1)观察，选择感兴趣区04) 经由微型计算机(系统工作站)(16)与多光路同步控制器(10)共同控制多光谱或激光 LED组件(4)从波长400nm至IOOOnm间跨越可见光和不可见红外光的10组不同波长的 光子组件对靶目标(1)皮肤表面和各层组织间分别进行交替照明，使面阵CCD或COMS 系统(8)及时感应到靶目标(1)的光学信息；经数据采集控制系统(14)实时有线采集到 靶目标(1)的图像；或经蓝牙无线集电器(1 和蓝牙适配器(1 进行图像无线传输，由 锂电池(7)提供电源。当图像采集完成后，在微型计算机系统工作站(16)中进行图像预 处理(15)，包括毛发去除(XT)、毛发噪声增强08)、二值化09)、毛发提取(30)、被遮 挡信息恢复(31)、获取理想图像(3 。后由自动分析软件包(17)，进行图像聚类分割 (36)，图像特征提取(37)、组合神经网络分类器(38)分类，自动识别MT的性质真阴性 (良性)(39)和真阳性(可疑恶性)(40)，最后给出诊断报告输出(18)。[0058]图2、图3是本实用新型的图像采集与图像预处理的毛发去除与被毛发遮挡后的 信息恢复实施图例。图中所述由微型计算机系统工作站(16)、将靶目标原图Gl)采 用数学形态学的闭top-hat变换02)，经二值化09)增强毛发在图像中的对比度，根据延 伸性测度毛发区域提取定义了一种延伸性函数，该函数能够准确描述条带状连通区 域的延伸状态，可作为毛发检测的工具，有效检测出毛发噪声的非监督毛发去除；进而 采用基于偏微分方程的图像修复技术来非监督恢复被毛发遮挡后的信息恢G4)，获取理 想的图像。[0059]图4多光谱皮肤镜图像自动分析系统流程示意图。图中所述多光谱图像采集 开始(3；3)、由多光路同步控制器(10)有序控制多光谱或激光LED从400nm至IOOOnm共 分成10组(4)对靶目标进行照射，经面阵CCD或COMS系统(8)及时感应到靶目标(1) 的光学信息，获取新图像10幅(34)，分别按照各自采集顺序进行存储备用；对备用的图 像也称感兴趣区域(24)图像，先经图像预处理(3 后获取理想的图像。[0060]本实用新型自动分析软件包主要针对获取理想的图像进行图像聚类分割(36)、 图像特征提取(37)、组合神经网络分类器(38)，识别真阴性(良性)(39)和真阳性(可 疑恶性M40)的先后操作顺序进行。[0061]为了有效的进行自动识别，必须先进行图像聚类分割(36)，如，图5多光谱皮 肤镜图像在波长430nm下的恶黑图像聚类分割效果图。采用区域生长法对图像进行粗分 割，把每一个小的区域看作一个训练样本，定义包括颜色和空间特征在内的节点属性，进而以自生成神经网络6GNN)为基本工具来实现黑素细胞瘤图像的聚类。对自生成神 经树6GNT)原有的连接规则进行了改进，并将其推广扩展为自生成神经森林6GNF)， 从而将基于SGNN的聚类问题转化为一个优化问题，运用改进的遗传算法(IGAs)进行求 解，有效实现了皮肤黑素细胞瘤图像自适应聚类分割，具体描述[0062]1)自生成神经网络[0063]SGNN利用基于SGNT的竞争学习算法，在对样本的直接学习过程中自动生成一 棵神经树SGNT，并用该SGNT对数据进行聚类。以这种方法进行聚类，聚类的类别数 即是根节点的子节点数，整个聚类过程都是由算法自动确定的。从SGNN的组织结构和 算法功能可知，将图像的像素看作待聚类样本，各像素的颜色或位置信息代表样本的属 性，即可运用SGNN算法对其进行聚类分析。[0064]2)自生成神经森林[0065]SGNT的概念可以被进一步推广到SGNF。假设某图像要聚类为c个类属，则 SGNF生成算法的主要过程可以概括为[0066]①从像素样本集中随机抽取c个样本作为种子，并由其生成c个初始SGNT，这 样就形成了包括c个初始SGNT的初始SGNF ；[0067]②针对每一个剩余的待训练样本，对当前的SGNF进行搜索，找到当前SGNF中 与该样本具有最近距离的获胜节点η·；[0068]③按照节点连接规则将该训练样本连接到nwm所在的SGNT中，当样本集中所有 样本均被连接进入SGNF时，算法结束。[0069]最终生成的SGNF是由c个SGNT组成的森林。在此森林中，一棵树代表一个 类，每棵树中的叶节点就是相应类的元素。与SGNT不同，此时聚类的类别数是事先指 定的。[0070]3) SGNN聚类的进化寻优策略[0071]采用SGNF进行聚类的结果与建立初始森林的c个种子样本的分布有关。假设 样本集X被分为c个聚类X1, X2, Λ，Xc,各类的聚类中心为Vl，V2, Λ，vc,则各聚 类样本与其中心Vl，V2, Λ，Ve之间的误差平方总和为[0072]对于不同的C个种子样本，生成的SGNF结构也不同，也就有不同的聚类结果。 而对于不同的聚类，Je的值也不同，根据误差平方和聚类准则，使Je极小的聚类是误差平 方和准则下的最优结果。因此，建立初始森林的这c个种子样本的选取即为一个优化问题。[0074]采用进化式的聚类寻优策略，针对式(1)给出的目标函数，采用一种改进的遗 传算法来对c个种子样本进行搜索寻优，以主导和优化后续的聚类效果，实现基于SGNN 的进化寻优聚类。[0075]4)基于改进遗传算法的SGNN聚类优化[0076]在标准的遗传算法(GAs)中，种群规模是固定的。实际上，在进化的初期，种 群中个体是多样的，随着群体向最优状态进化，群体的多样性就会减弱，也会有大量的 重复个体出现。这些重复个体同时进入下一次的进化，往往会导致早熟现象，从而影响算法的全局收敛性，而如果将这些重复个体在进入下一次进化前进行必要的滤除，则可 以改善收敛效果，提高优化效率。[0077]采用一种改进的遗传算法(IGAs)，使种群规模动态化，并对交叉概率和变异 概率也进行动态调节，从而在一定程度上避免了早熟，保证了算法的全局收敛性，也 提高了优化效率。当类别数指定为c时，基于改进遗传算法的SGNN聚类优化算法 (CO-IGAs-SGNN)，图6类别数指定为c时，基于改进遗传算法的SGNN聚类优化流程。 见图6类别数指定为c时，基于改进遗传算法的SGNN聚类优化流程。[0078]5)基于改进遗传算法和SGNN的自适应聚类[0079]采用SD有效性函数来评估不同类别数目条件下的聚类质量。[0080]SD有效性函数是基于聚类平均散布性和聚类间总体分离性的一种相对度量方 法。令σ 00为数据集X的方差，ο (V1)为第i个聚类的方差，则聚类的平均散布性和 聚类间总体分离性分别定义为(2)[
权利要求1.一种用于诊断恶性黑素细胞肿瘤的多光谱皮肤镜图像自动分析仪器，其特征在 于，由多光谱皮肤镜成像装置(一)和图象分析装置(二)连接组成。
2.权利要求1的图像自动分析仪器，其特征在于，其中，多光谱皮肤镜成像装置 的结构为皮肤镜的光学镜头压片组件( 后面依次连接起偏片(3)，多光谱或激光 LED (4),可自动变焦(11)及检偏片( 和安装有蓝牙无线集电器(1 ，蓝牙适配器(13)的面阵CCD或CMOS系统(8)，其中在装置的一侧装有充电接口(6)，充电接口(6) 和锂电池(7)相连并连接开关(9)；图象分析装置的结构为安装有数据采集控制部件(14)，图像预处理部件(1 和自动分析软件包(17)的微型计算机(16)，该微型计算机 (16)通过数据线或蓝牙适配器(13)与面阵CCD或CMOS系统⑶相连。
专利摘要本实用新型提供一种多光谱皮肤镜图像自动分析仪器，由多光谱皮肤镜成像装置(一)和图像分析装置(二)连接组成，其中多光谱皮肤镜成像装置的结构为皮肤镜的光学镜头压片组件(2)后面依次连接起偏片(3)，多光谱或激光LED(4)、可自动变焦(11)及检偏片(5)和安装有蓝牙无线集电器(12)，蓝牙适配器(13)的面阵CCD或CMOS系统(8)，其中在装置的一侧装有充电接口(6)，充电接口(6)和锂电池(7)相连并连接开关(9)；图像分析装置的结构为安装有数据采集控制部件(14)，图像预处理部件(15)和自动分析软件包(17)的微型计算机(16)，该微型计算机(16)通过数据线或蓝牙适配器(13)与面阵CCD或CMOS系统(8)相连。
文档编号G06T5/00GK201806692SQ20092035221
公开日2011年4月27日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者姜志国, 孟如松, 谢凤英 申请人:中国人民解放军空军总医院