本技术公开了一种结合MambaASPP和组合损失函数的冠状动脉分割方法。该方法包括以下几个步骤:1.通过非零数据裁剪和重采样调整,节省计算资源,使模型可以更好地处理不同分辨率的图像。2.在U‑Net模型的基础上,编码器和解码器中的每一块都加入残差结构,然后于瓶颈层中加入MambaASPP模块,增强局部边界定位和背景前景对比度,改善小血管分割准确性。3.在模型的U架构中,每一层都加入一个分割头,得到分割结果,通过损失函数对每一层的模块都进行监督,让模型提前学习细节信息。4.监督模型训练,按照3∶1∶2的权重组合交叉熵、Dice和cbDice,共同构成损失函数,从不同角度监督,提升分割效果。
背景技术
心血管疾病的发病率逐年上升,已成为全球最常见的死因之一,严重威胁人类健康。每年死于心血管疾病及其并发症的人数已超过所有癌症死亡人数的总和,其中冠心病致死率极高。冠心病的主要诱因是冠状动脉狭窄,冠状动脉负责为心脏供血,其异常时会危及生命。评估冠状动脉狭窄程度在冠状动脉疾病诊断中至关重要。
目前,计算机断层扫描血管造影(CTA)被认为是心脏冠状动脉的最佳成像方式,它提供非侵入性、高分辨率的3D图像,生成多个心脏切片。人工分析这些切片的狭窄程度既繁琐又耗时。此外,切片中还包含非冠状动脉结构,可能干扰对狭窄的判断。因此,自动分割CTA中的冠状动脉有助于专家更准确评估心血管状况,提高早期诊断和治疗效果。大多数冠状动脉分割方法仍依赖半自动方式,由专家引导算法并修正错误,这既费时又依赖专家经验。因此,迫切需要有效的自动分割算法来辅助心血管疾病的诊断。
随着深度学习的发展,通过深度神经网络学习CT图像中每个像素的类别来进行语义分割已广泛应用于冠状动脉分割。在医学图像分割领域,CNN和Transforme取得了突出的地位。CNN模型例如U-Net,FCN能够有效提取局部特征,大程度提取感兴趣的区域结构,广泛用于医学图像分割。Transformer最初是为了自然语言处理设计的,但是已经成功应用于图像处理领域,例如用于图像分类、识别的Vision Transformer,用于各种视觉任务的通用骨干网络Swin Transformer,它擅长捕捉全局信息。由于这两种模型的互补的特性,在许多研究中,会将两者混合起来,共同对图像进行处理,例如UNETR,SwinUNETR, nnFormer。然而,Transformer的时间开销与输入图像大小成平方关系,高分辨率医学图像处理代价高昂。因此,如何有效增强CNN中的捕获全局信息的能力,同时又不让开销变得过大,这是一个需要解决的问题。最近,状态空间序列模型(SSM),特別是结构化状态空间序列模型(S4),被视为构建高效深度学习网络的有效模块。Mamba通过选择机制进一步改进S4,并结合硬件感知技术,减少了时间开销。Mamba已成功应用于图像处理,如Vision Mamba,EfficientVMamba,并取得了良好效果。
然而,冠状动脉分割面临一些挑战:一方面,冠状动脉的不同分支由于解剖结构差异,血管直径不同,传统的损失函数如Dice损失更倾向于大血管,导致对小血管的识别不够敏感。CT图像通常对比度低,使得冠状动脉与周围组织之间的边界变得模糊,增加了分割任务的难度;此外,伪影干扰影响局部连通性的判断,而连通性对血流分析和病变检测非常重要。
实现思路