CN109886320B - 一种人体股骨x光片智能识读方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种人体股骨X光片智能识读方法,包括下列步骤,对骨骼X光片进行除噪预处理,使图像平滑,并通过图像锐化,增强图像对比度;通过自适应辐射梯度法快速提取X光片中股骨关节这一关键部位的轮廓特征;利用尺度不变特征转换算法对骨骼X光片图像进行特征提取;通过改进的BP神经网络进行特征匹配,输出诊断结果,完成人体股骨X光片的智能识读。本发明的方法具有较强的鲁棒性和自适应迭代的特点,利用尺度不变特征转换算法和改进的BP神经网络技术对人体骨骼X光片进行智能识读,准确高效,最大程度降低X光片诊断对医师人工识读的依赖。
Description
技术领域
本发明涉及一种人体骨骼X光片智能识读***及方法,属于图像识别、神经网络、医学应用领域。
背景技术
随着当今医疗流程的标准化,拍“平片”(X光片)成为临床诊断不可或缺的一环,拍片数量的快速增长而坐诊医师数量却相对稳定,因而提供高效的诊断成为医院临床应用的迫切需求。目前患者所拍X光片几乎全靠医师的人工识读,费时费力并且准确度受医师临床经验的影响很大。
当前借助计算机辅助识读方法由于X光片图像噪声较多,对于图像轮廓分割不清晰将导致提取的特征点不够充足,从而影响特征的自动判断,并且需要借助专业的设备来完成,在实际应用中效果十分有限。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种人体骨骼X光片智能识读***及方法。
为解决上述技术问题,本发明的一种人体股骨X光片智能识读方法,包括下列步骤,
S1:对骨骼X光片进行除噪预处理,使图像平滑,并通过图像锐化,增强图像对比度;
S2:通过自适应辐射梯度法快速提取X光片中股骨关节这一关键部位的轮廓特征;
S3:利用尺度不变特征转换算法对骨骼X光片图像进行特征提取;
S4:通过改进的BP神经网络进行特征匹配,输出诊断结果,完成人体股骨X光片的智能识读。
作为进一步的限定,S1中对骨骼X光片进行除噪预处理时,首先对骨骼X光片图像进行二值化处理,以便后续快速进行特征的分割、提取和识别。
作为进一步的限定,S2中通过自适应辐射梯度法提取股骨关节轮廓特征时,利用最小二乘法拟合出一条近似的股骨体中轴线,股骨头位于股骨最上端,类似于球形,通过股骨头区域的各边界点坐标,用最小二乘法拟合一个股骨头的近似圆形,求出圆形半径。
作为进一步的限定,S3中,骨骼X光片图像的二维高斯函数为:
其中,σ2是高斯方差,通过图像与高斯函数进行卷积处理得到不同尺度下的尺度空间:
L(x,y,σ)=G(x,y,σ)*g(x,y),
其中,g(x,y)是经过步骤S1处理后得到的图像,σ是高斯标准差,即空间尺度因子,利用高斯差函数建立尺度空间:
D(x,y,σ)=[G(x,y,Kσ)-G(x,y,σ)]*g(x,y)=L(x,y,Kσ)-L(x,y,σ),
其中,K是固定的系数,将高斯差图像中的每个像素与其邻域以及对应尺度空间的邻域进行比较,选取灰度值最大或最小者,记录其坐标位置和尺度空间作为候选特征点,设立极值点为Wmax,将其高斯差函数进行泰勒展开:
其中,W=(x,y,σ)T,T是转置矩阵,对
作为进一步的限定,S4中将股骨X片经S1,S2,S3步骤的处理得到各样本的特征作为样本集,并根据样本划分为训练集、测试集和验证集,结果集由临床中所有的诊断结果构成,以此来训练有导师学习神经网络。
作为进一步的限定,激活函数、隐含层等要素做如下设置:
输入层:股骨X平片的特征点X={X1,X2,…,Xq},q>50,
连接权值:输入层与隐含层各连接权值为ωij,隐含层与输出层各连接权值为ωjt;
阈值:隐含层神经元阈值为θj,j为隐含层神经元计数;输出层神经元阈值为bt,t为输出层神经元计数;
误差:在本发明所述的多分类背景下,为了加快神经网络的收敛速度,采用如下方法计算误差,其中δ表示输出的***误差,表示输出层第t个神经元的预测输出,zt表示输出层第t个神经元对应的实际结果,表示预测输出与实际结果由差异的数量,确定了以上网络结构,即可根据典型BP神经网络的迭代过程展开训练。
本发明还涉及一种人体股骨X光片智能识读***,包括X光机***,X光机***连接主控计算机,主控计算机一方面用于操控X光机***工作,另一方面对X光机***拍摄的X光片图像进行处理、存储、分析,智能识读X光片并生成诊断结果,所述主控计算机上运行权利要求1-6所述的人体股骨X光片智能识读方法的智能识读软件。
作为进一步的限定,所述主控计算机通过网络连接到路由设备,路由设备通过业务交换机连接到医院的内网;
所述业务交换机通过内网连接到核心交换机,核心交换机还连接有本地服务器,本地服务器上存储有X光片的影像及确诊结果历史记录;
所述核心交换机通过网闸及网络安全设备连接到云服务器上,云服务器按照业务逻辑分为业务层、数据层、服务层和接口层,其中业务层用来提供用户身份认证、权限管理和交互信息的获取等;数据层用于对数据信息进行存储、安全加密和报表服务等;服务层用来提供扩展服务,包括提供接口服务、数据二次分析、响应式业务处理等;接口层用于对第三方***提供API接口、数据流、web服务以及其它个性化接口等;
主控计算机、本地服务器或云服务器运行上述的人体股骨X光片智能识读方法的智能识读软件。
作为进一步的限定,所述主控计算机、本地服务器或云服务器上的智能识读软件不断优化和迭代智能识读模型,任何一个设备迭代出新一代的模型,都会同步到其它设备。
本发明的方法具有较强的鲁棒性和自适应迭代的特点,利用尺度不变特征转换算法和改进的BP神经网络技术对人体骨骼X光片进行智能识读,准确高效,最大程度降低X光片诊断对医师人工识读的依赖。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是人体骨骼X光片智能识读***模型图。
图2是人体骨骼X光片智能识读方法流程图。
图3是骨骼X光片智能识读方法框图。
图4是股骨轮廓结构图。
图5是原股骨X平片。
图6是经处理得到股骨轮廓特征点后的效果图。
图7是改进的BP神经网络结构图。
具体实施方式
本发明的人体股骨X光片智能识读***包括:
X光机***1,利用X射线的穿透作用,显示出人体各部不同密度的阴影,获得骨骼X光片;X光机***1通过线缆,包括但不限于网线、串口线、光纤等或无线方式连接主控计算机2,主控计算机2一方面用于操控X光机***工作;另一方面对X光机***拍摄的X光片图像进行处理、存储、分析,智能识读X光片并生成诊断结果;
主控计算机2通过网络连接到路由设备3,路由设备3通过业务交换机4连接到医院的内网;路由设备3还连接有胶片打印机5,可打印X光片胶片;路由设备3还可连接普通打印机6,用来打印诊断结果;路由设备3还可连接综合打印机7,既可以打印胶片又可显示和打印诊断结果;
业务交换机4通过内网连接到核心交换机9,核心交换机9还连接有本地服务器8,本地服务器8上存储有X光片的影像及确诊结果历史记录,其上运行有智能识读基础软件,该智能识读软件不断调用本地服务器8上所存储的影像及确诊结果作为训练样本数据,不断优化和迭代智能识读模型;
核心交换机9通过网闸及网络安全设备10连接到云服务器11上,云服务器11按照业务逻辑分为业务层、数据层、服务层和接口层,其中业务层用来提供用户身份认证、权限管理和交互信息的获取等;数据层用于对数据信息进行存储、安全加密和报表服务等;服务层用来提供扩展服务,包括提供接口服务、数据二次分析、响应式业务处理等;接口层用于对第三方***提供API接口、数据流、web服务以及其它个性化接口等;
终端设备12,包括但不限于PC电脑、手机等移动终端设备,通过公网连接到云服务器11,个人用户通过管理***软件查看影像及诊断结果。
如图1是人体骨骼X光片智能识读***架构图。
该***的智能识读软件可运行在***框架内任何具有处理能力的设备上,包括但不限于主控计算机2,本地服务器8,云服务器11,终端设备12;上述具有处理能力的各设备都在不断优化和迭代智能识读模型,任何一个设备迭代出新一代的模型,都会同步到其它设备。
具体步骤可参照图2的人体骨骼X光片智能识读方法流程图。
人体骨骼X光片智能识读方法包括:
S1:对骨骼X光片进行除噪预处理,使图像平滑,并通过图像锐化,增强图像对比度;
构建骨骼x光片智能识读方法流程,如图3所示。首先对骨骼X光片图像进行二值化处理,以便后续快速进行特征的分割、提取和识别。二值化阈值的选取直接关系到图像二值化效果以及对骨骼特征点的准确定位。
计算样本X光片图像在去掉背景后灰度级i对应的灰度级平均值μi为:
其中,yi是图像直方图上灰度级为i所对应的像素总数,yj为背景直方图灰度级为j所对应的像素总数,s为背景灰度级最大值;X光片图像灰度级最大取值为n,例如b为位图灰度级最大值n=2b;
利用上述平均值计算得到最优化的二值化阈值m:
j=0,1,…,p,表示灰度级;m是j在上式取得最大值时的对应值,即二值化阈值,这样得到的阈值将最大限度将各灰度级的像素均匀的二值化。
利用上述阈值产生二值图像:
其中,f(x,y)是图像的灰度函数,(x,y)是像素坐标,1(x,y)表示二值处理的上限值,0(x,y)表示二值处理的下限值,在实际应用中,这两个值的取值方法为:所对应的灰度能够产生明显的对比,例如在位图中可用1(x,y)=255,0(x,y)=0等来产生明显的对比效果。
通过二值化阈值将骨骼X光片图像进行二值化,但背景区域产生一些孤立噪声点,因此需要通过中值滤波法进行除噪。首先确定一个奇数像素的窗口W,将各像素按灰度值进行排序,用窗口中其他点灰度值的中值作为窗口中心点的灰度值:
g(x,y)=med{f(x-k,y-l),(k,l∈W)}
其中,f(x,y),g(x,y)分别是原始图像和处理后的图像,med表示取中位值,k,l是邻域内各点到该点的距离。通过中值滤波去除二值图像背景的孤立噪声点,使图像平滑,但经过中值的图像轮廓变得模糊,因此需要通过拉普拉斯滤波器对图像进行锐化处理:
从而增强图像的对比度,有利于边缘特征点的提取。
图3是骨骼x光片智能识读方法框图。
S2:通过自适应辐射梯度法来快速提取X光片中股骨关节这一关键部位的轮廓特征;
对X光片图像预处理后需要提取骨骼轮廓特征(以股骨为实施例,如图4所示),方便进行诊断。计算骨骼边界点像素坐标系列(xLi,yLi)、(xRi,yRi)的中点坐标序列:
利用最小二乘法拟合出一条近似的股骨体中轴线y=kx+b:
股骨头位于股骨最上端,类似于球形,通过股骨头区域的各边界点坐标,用最小二乘法拟合一个股骨头的近似圆形,设立所求的圆形为:
(x-x0)2+(y-y0)2=R2
其中,(x0,y0)是圆心的坐标,R是半径。设立某圆形与股骨头的差异度为:
其中,(xc,yc)是某圆形的圆心坐标,r是某圆形的半径,M是边界点数量。差异度越小,该圆形与股骨头越近似。
自适应辐射梯度法包括:
①通过确定类圆形内的某个点,以该点为中心向四周发射辐射线;
②利用灰度梯度最大差值估计类圆形的边缘。
通过自适应辐射梯度法可以准确分割出股骨头的外部轮廓,对于类圆形图像的分割精度较高,相较于其他方法对噪声敏感度低,可以抗拒周围骨骼带来的影响。根据X光片图像拍摄的位置得到股骨头的中心点Pc,以中心点为起点,每隔45度角引出辐射线,并在每条辐射线上搜索相邻辐射线同一位置像素点灰度梯度值之差最大的像素点,即股骨边缘点。更正类圆形的中心点:
其中,xe1是0度辐射线所确定的边缘点的横坐标,xe5是180度辐射线所确定的边缘点的横坐标,ye3是90度辐射线所确定的边缘点的纵坐标,ye7是270度辐射线所确定的边缘点的纵坐标。若修正后的中心点与之前的中心点之间的距离大于距离阈值,则继续修正;否则计算中心点到每个边缘点距离的均值作为股骨头的均半径R′:
其中,Pei是修正后中心点到第i条辐射线所确定的边缘点,D是距离。一条辐射线确定一个边缘点,将边缘点依次连接,组成的闭合区域即为股骨头,提取股骨头轮廓,同样可以得到股骨颈、大粗隆、小粗隆等其他部位的轮廓。参见图4股骨轮廓结构图。
S3:经S1和S2步骤处理后,利用尺度不变特征转换(SIFT)算法对骨骼X光片图像进行特征提取;
SIFT算法是在图像尺度空间寻找极值点,提取图像尺度和旋转变化具有不变性,对光照变换和图像变形具有较强适应性的特征点及其特征描述。
骨骼X光片图像的二维高斯函数为:
其中,σ2是高斯方差。通过图像与高斯函数进行卷积处理得到不同尺度下的尺度空间:
L(x,y,σ)=G(x,y,σ)*g(x,y)
其中,g(x,y)是经过步骤S1处理后得到的图像,σ是高斯标准差,即空间尺度因子。利用高斯差函数建立尺度空间:
D(x,y,σ)=[G(x,y,Kσ)-G(x,y,σ)]*g(x,y)=L(x,y,Kσ)-L(x,y,σ)
其中,K是固定的系数。将高斯差图像中的每个像素与其邻域以及对应尺度空间的邻域进行比较,选取灰度值最大或最小者,记录其坐标位置和尺度空间作为候选特征点。设立极值点为Wmax,将其高斯差函数进行泰勒展开:
其中,W=(x,y,σ)T,T是转置矩阵。对
式求导并令其等于0便可求出极值点的偏移度,选择极值点偏移值较小的一侧像素作为候选特征点,重复计算S3步骤,得到精确位置,替换所有尺度的候选特征点位置,得到骨骼轮廓特征点。图6所示为经过S1,S2,S3步骤处理并得到骨骼轮廓特征点的处理效果。
S4:通过改进的BP神经网络进行特征匹配,输出诊断结果,完成人体骨骼X光片的智能识读。
从图6可知,经过S1,S2,S3步骤处理后得到的单幅股骨X平片的特征点,会产生少数的新噪声特征点,在本发明中不需要特别处理这类噪声,而是利用S4步骤神经网络的泛化性能,在大样本量的背景下,这类噪声会被自然的过滤掉。
将医院本地服务器8上存储的所有股骨X片经S1,S2,S3步骤的处理得到各样本的特征作为样本集,并根据样本划分为训练集、测试集和验证集,结果集由临床中所有的诊断结果构成,以此来训练有导师学习神经网络。
本实施例采用改进的BP神经网络作为智能识读的模型,如图7所示。
在应用中,可由骨平片判断的症状有多种,因此X光片的智能识读方法可归结为一个多分类问题。在本实施例所述的多分类问题中,若采用一般性BP神经网络,在实际应用中随着训练的深入,将会经常性的面临“梯度消失”和“输入饱和”的问题,导致模型的各层权值无法更新。
基于以上问题,本实施例将从激活函数、隐含层等要素做如下设置:
输入层:股骨X平片的特征点X={X1,X2,…,Xq},q>50,
连接权值:输入层与隐含层各连接权值为ωij,隐含层与输出层各连接权值为ωjt。
阈值:隐含层神经元阈值为θj,j为隐含层神经元计数;输出层神经元阈值为bt,t为输出层神经元计数。
误差:在本发明所述的多分类背景下,为了加快神经网络的收敛速度,采用如下方法计算误差,其中δ表示输出的***误差,表示输出层第t个神经元的预测输出,zt表示输出层第t个神经元对应的实际结果,表示预测输出与实际结果由差异的数量。
确定了以上网络结构,即可根据典型BP神经网络的迭代过程展开训练。
(1)信号的前向传递:参考图7所示网络结构,信号由输入层输入经过隐含层各神经元的输出yi=fi(XT·Wi-θi),其中yi为隐含层第i个神经元的输出,fi为隐含层第i个神经元的激活函数,Wi=[w1i,w2i,…,wni];隐含层信号再经过输出层输出其中表示输出层第t个神经元的预测输出,YT表示隐含层神经元的输出向量,Wt=[w1t,w2t,…,wmt];最后,经输出层神经元输出后,计算***误差
(2)误差的反向传递及连接权值的修正:
连接权值修正:
经以上计算,就完成了一次神经网络的迭代,计算误差,若不符合要求则重复上述两个过程,若符合要求则停止迭代,神经网络模型训练完毕。
将拍摄的股骨X光片输入到模型中,神经网络将自动输出诊断结果,为最大限度避免误诊信息,***还利用专家法将不同位置特征点以及点间特征匹配结果集中相应的诊断结果,例如:股骨中轴线产生偏移、股骨头上某段特征点产生偏移可能存在骨肿瘤、骨关节间隙与股骨长度比值的大小产生的专家判断结果等相比对,选取特征匹配相似度最高的三个诊断结果作为***智能识读的最终结果。
将诊断结果与患者挂号信息关联,并以可识别的编码,包括但不限于条形码、二维码等方式嵌入X光片底部,患者凭借身份证或病历卡到自助打印设备打印X光片,并扫描X光片上的可识别编码获得自己的诊断信息;还可以借助个人终端设备,包括但不限于PC电脑、手机、平板电脑等终端设备上的管理软件登录来查看诊断影像及结果,实现人体骨骼X光片的智能识读。该***中只要有处理能力的节点均可运行该方法。
综上所述,便完成了本发明所述的一种人体股骨X光片智能识读***及方法。以上仅为本方法的较佳实施例,该方法具有较强的鲁棒性和自适应迭代的特点,利用尺度不变特征转换算法和改进的BP神经网络技术对人体骨骼X光片进行智能识读,准确高效,最大程度降低X光片诊断对医师人工识读的依赖。
Claims (7)
1.一种人体股骨X光片智能识读方法,其特征在于:包括下列步骤,
S1:对骨骼X光片进行除噪预处理,使图像平滑,并通过图像锐化,增强图像对比度;
S2:通过自适应辐射梯度法快速提取X光片中股骨关节这一关键部位的轮廓特征;
S3:利用尺度不变特征转换算法对骨骼X光片图像进行特征提取;
S4:通过改进的BP神经网络进行特征匹配,输出诊断结果,完成人体股骨X光片的智能识读;
其中,在S1中对骨骼X光片进行除噪预处理时,首先对骨骼X光片图像进行二值化处理,以便后续快速进行特征的分割、提取和识别;
计算样本X光片图像在去掉背景后灰度级i对应的灰度级平均值μi为:
其中,yi是图像直方图上灰度级为i所对应的像素总数,yj为背景直方图灰度级为j所对应的像素总数,s为背景灰度级最大值;X光片图像灰度级最大取值为n,b为位图灰度级最大值n=2b;
利用上述平均值计算得到最优化的二值化阈值m:
j=0,1,…,p,表示灰度级;m是j在上式取得最大值时的对应值,即二值化阈值,这样得到的阈值将最大限度将各灰度级的像素均匀的二值化;
利用上述阈值产生二值图像:
其中,f(x,y)是图像的灰度函数,(x,y)是像素坐标,1(x,y)表示二值处理的上限值,0(x,y)表示二值处理的下限值;
确定一个奇数像素的窗口W,将各像素按灰度值进行排序,用窗口中其他点灰度值的中值作为窗口中心点的灰度值:
g(x,y)=med{f(x-k,y-l),(k,l∈W)}
其中,f(x,y),g(x,y)分别是原始图像和处理后的图像,med表示取中位值,k,l是邻域内各点到该点的距离;
通过拉普拉斯滤波器对图像进行锐化处理:
从而增强图像的对比度,有利于边缘特征点的提取;
S4中激活函数、隐含层等要素做如下设置:
输入层:股骨X平片的特征点X={X1,X2,…,Xq},q>50,
连接权值:输入层与隐含层各连接权值为ωij,隐含层与输出层各连接权值为ωjt;
阈值:隐含层神经元阈值为θj,j为隐含层神经元计数;输出层神经元阈值为bt,t为输出层神经元计数;
2.按照权利要求1所述的人体股骨X光片智能识读方法,其特征在于:S2中通过自适应辐射梯度法提取股骨关节轮廓特征时,利用最小二乘法拟合出一条近似的股骨体中轴线,股骨头位于股骨最上端,类似于球形,通过股骨头区域的各边界点坐标,用最小二乘法拟合一个股骨头的近似圆形,求出圆形半径。
3.按照权利要求1所述的人体股骨X光片智能识读方法,其特征在于:S3中,骨骼X光片图像的二维高斯函数为:
其中,σ2是高斯方差,通过图像与高斯函数进行卷积处理得到不同尺度下的尺度空间:L(x,y,σ)=G(x,y,σ)*g(x,y),
其中,g(x,y)是经过步骤S1处理后得到的图像,σ是高斯标准差,即空间尺度因子,利用高斯差函数建立尺度空间:
D(x,y,σ)=[G(x,y,Kσ)-G(x,y,σ)]*g(x,y)=L(x,y,Kσ)-L(x,y,σ),
其中,K是固定的系数,将高斯差图像中的每个像素与其邻域以及对应尺度空间的邻域进行比较,选取灰度值最大或最小者,记录其坐标位置和尺度空间作为候选特征点,设立极值点为Wmax,将其高斯差函数进行泰勒展开:
4.按照权利要求1所述的人体股骨X光片智能识读方法,其特征在于:S4中将股骨X片经S1,S2,S3步骤的处理得到各样本的特征作为样本集,并根据样本划分为训练集、测试集和验证集,结果集由临床中所有的诊断结果构成,以此来训练有导师学习神经网络。
5.一种人体股骨X光片智能识读***,其特征在于:包括X光机***,X光机***连接主控计算机,主控计算机一方面用于操控X光机***工作,另一方面对X光机***拍摄的X光片图像进行处理、存储、分析,智能识读X光片并生成诊断结果,所述主控计算机上运行权利要求1-4任一项 所述的人体股骨X光片智能识读方法的智能识读软件。
6.按照权利要求5所述的人体股骨X光片智能识读***,其特征在于:
所述主控计算机通过网络连接到路由设备,路由设备通过业务交换机连接到医院的内网;
所述业务交换机通过内网连接到核心交换机,核心交换机还连接有本地服务器,本地服务器上存储有X光片的影像及确诊结果历史记录;
所述核心交换机通过网闸及网络安全设备连接到云服务器上,云服务器按照业务逻辑分为业务层、数据层、服务层和接口层,其中业务层用来提供用户身份认证、权限管理和交互信息的获取等;数据层用于对数据信息进行存储、安全加密和报表服务等;服务层用来提供扩展服务,包括提供接口服务、数据二次分析、响应式业务处理等;接口层用于对第三方***提供API接口、数据流、web服务以及其它个性化接口等;
主控计算机、本地服务器或云服务器运行权利要求1-4任一项 所述的人体股骨X光片智能识读方法的智能识读软件。
7.按照权利要求6所述的人体股骨X光片智能识读***,其特征在于:所述主控计算机、本地服务器或云服务器上的智能识读软件不断优化和迭代智能识读模型,任何一个设备迭代出新一代的模型,都会同步到其它设备。
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