蔡亞潔 李暢 杜悅 黃道斌

摘要：腺體病變引起的疾病如結(jié)腸腺癌、乳腺癌等的發(fā)病率逐年增高，病理檢查是臨床診斷的“金標(biāo)準(zhǔn)”，從病理圖像中準(zhǔn)確分割病灶范圍對(duì)疾病的診療至關(guān)重要，然而這是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作，同時(shí)與病理醫(yī)生的水平與經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。近年來，計(jì)算機(jī)輔助診斷系統(tǒng)和深度學(xué)習(xí)（Deep learning）在醫(yī)學(xué)圖像處理領(lǐng)域快速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用，為進(jìn)一步減輕醫(yī)生的工作負(fù)擔(dān)，采用經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)腺體病理圖像進(jìn)行區(qū)域分割，并使其能夠適用于更加廣泛的腺體分割，在腺體病理圖像中取得較好的分割效果，為輔助早期診斷及減小誤診概率提供可能。

關(guān)鍵詞：腺體;病理圖像;計(jì)算機(jī)輔助診斷;深度學(xué)習(xí);卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP183? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）23-0089-03

Abstract：The incidence of diseases caused by glandular lesions such as colon adenocarcinoma and breast cancer is increasing year by year. Pathological examination is the ' gold standard ' for clinical diagnosis. Accurate segmentation of lesion range from pathological images is essential for the diagnosis and treatment of diseases. However， this is a time-consuming and laborious work， which is related to the level and experience of pathologists. In recent years， computer aided diagnosis system and deep learning （Deep learning） has been developed rapidly and widely used in the field of medical image processing. In order to further reduce the heavy work of doctors， the classical neural network is used to segment the gland pathological images， and it can be applied to more extensive gland segmentation. Effective segmentation results are achieved in the gland pathological images， which provide the possibility for early diagnosis and reducing the probability of misdiagnosis.

Key words：glands ; pathological images ; computer aided diagnosis ; deep learning ; convolutional neural network

1引言

腺體包含管腔、細(xì)胞質(zhì)和上皮層，是病理圖像中的關(guān)鍵組織結(jié)構(gòu)，H&E染色的病理切片中，部分呈橢圓形，由黑色細(xì)胞核環(huán)繞腺體基質(zhì)以及透明空腔構(gòu)成。傳統(tǒng)上，病理學(xué)家常采用手動(dòng)分割腺體，然而這種方法主要通過人眼觀察顯微鏡系統(tǒng)下的組織進(jìn)行判識(shí)，其處理質(zhì)量與可靠程度可能會(huì)受到不同醫(yī)生的影響，不僅效率較低，主觀因素引起的誤差大[1]。在惡性情況下，腺體的結(jié)構(gòu)被破壞，盡管良性病例通常具有圓形結(jié)構(gòu)，但惡性腺卻顯示出不規(guī)則的形狀，因此，與良性結(jié)構(gòu)相比，惡性病例的自動(dòng)分割具有挑戰(zhàn)性。

乳腺癌是來自乳腺終末導(dǎo)管小葉單位的上皮性惡性腫瘤，自從20世紀(jì)70年代末，乳腺癌的發(fā)病率緩慢上升，并且有年輕化的趨勢(shì)，我國(guó)每年女性乳腺癌發(fā)病人數(shù)達(dá)16.9萬，占全球總發(fā)病數(shù)的12.25%，僅次于美國(guó)。由中國(guó)腫瘤登記中心統(tǒng)計(jì)，乳腺癌是城市女性最常見的癌癥，是農(nóng)村女性第四大常見癌癥[2-3]。胃癌在我國(guó)各種惡性腫瘤中發(fā)病率第一[4]，胃腺癌的發(fā)生率占胃惡性腫瘤的95%。前列腺癌在男性常見的惡性腫瘤中排名第二，僅次于肺癌[5]，我國(guó)前列腺癌呈明顯高發(fā)趨勢(shì)。

現(xiàn)在對(duì)腺體病變的診斷主要依賴病理、超聲、鉬靶、核磁共振等，通常先使用鉬靶進(jìn)行篩查，若無法定性，則進(jìn)行超聲和核磁共振檢查，出現(xiàn)疑似情況，將進(jìn)行病理穿刺檢查，并對(duì)是否癌變，惡性程度以及分子分型做出判斷[6]。組織病理學(xué)檢查作為腺體病變?cè)\斷的“金標(biāo)準(zhǔn)”，對(duì)于早期診斷至關(guān)重要。然而這項(xiàng)工作并不是十分容易，必須面對(duì)腺體在形狀、大小、位置、紋理等方面的多變性帶來的影響，因此，探尋合適的腺體病理圖像處理方法，對(duì)于降低死亡率、減輕醫(yī)生負(fù)擔(dān)以及提高患者生活質(zhì)量等方面具有重要意義。

近些年隨著技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字化病理系統(tǒng)的出現(xiàn)使得病理資源數(shù)字化，網(wǎng)絡(luò)化。醫(yī)生可以通過電腦完成閱片工作，同時(shí)便于更好地分析與交流，打破時(shí)間和空間的限制，數(shù)字化病理為疾病的精準(zhǔn)醫(yī)療以及計(jì)算機(jī)輔助診斷提供了良好的基礎(chǔ)。

2方法

2.1深度學(xué)習(xí)與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

深度學(xué)習(xí)的概念由 Hinton 等人于2006年首次提出[7]，是機(jī)器學(xué)習(xí)算法中的一項(xiàng)新興技術(shù)，通過構(gòu)建多層網(wǎng)絡(luò)，以及高層次特征表示數(shù)據(jù)的抽象語(yǔ)義信息，獲得良好的特征魯棒性。傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)圖像分割算法包含區(qū)域的分割方法、邊緣的分割方法、圖論的分割方法和泛函的圖像分割方法等[8]。由于計(jì)算機(jī)視覺相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展迅速，醫(yī)學(xué)圖像分割與深度學(xué)習(xí)的結(jié)合性研究取得顯著的成果[9]，深度學(xué)習(xí)正在成為通用成像和計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的領(lǐng)先機(jī)器學(xué)習(xí)工具[10]。然而，多層感知器引入了更大的參數(shù)量，導(dǎo)致神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)難以正常完成訓(xùn)練，為解決此問題，Krizhevsky等人[11]提出了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Networks，CNN），采用局部連接和權(quán)值共享的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)輸入，避免傳統(tǒng)算法中繁瑣的特征提取和數(shù)據(jù)重建過程[12-13]，減少了權(quán)值的數(shù)量使得網(wǎng)絡(luò)易于優(yōu)化、模型更加簡(jiǎn)便，同時(shí)也減少了過擬合發(fā)生的幾率，使其在醫(yī)學(xué)圖像處理過程中有很大的優(yōu)勢(shì)[14]。