实验研究
基于多尺度卷积神经网络的糖尿病视网膜病变病灶检测算法及应用
中华实验眼科杂志, 2019,37(8) : 624-629. DOI: 10.3760/cma.j.issn.2095-0160.2019.08.007
摘要
目的

提出一种基于多尺度卷积神经网络(CNN)的眼底图像病灶检测算法,并探讨其在糖尿病视网膜病变(DR)中的应用。

方法

对比现有眼底病灶检测方法,提出一种基于CNN的眼底图像病灶检测算法。本算法不仅克服了基于阈值分割和形态学分割方法鲁棒性差的问题,同时在不依赖人工逐像素标注的前提下,采用多尺度图像块的检测思路,显著提升检测器对小病灶目标检测的性能。此外,提出的新型损失函数在弱标签、小数据集的条件下,实现多类型、高准确率的DR病灶检测。

结果

从病灶水平来看,该算法对硬性渗出病灶检测的敏感性和特异性分别为92.17%和97.17%;相较于单尺度方法,本研究中提出的多尺度方法的敏感性和准确率分别提升了7.41%和5.02%;在公开数据集IDRiD上较其他检测方法特异性提高了55.82%。本方法能够将眼底图像中的病变有效地检测出来,且能够给出病灶的基本范围,对于有大量病灶眼底图像的平均检测时间为1.59 s。

结论

基于多尺度CNN的眼底图像病灶检测算法能够快速、可靠地识别出眼底图像中的DR病灶并标注出病灶的位置信息,降低主观因素的影响,辅助临床医生更加高效、准确地进行DR病变筛查。

引用本文: 杨叶辉, 刘佳, 许言午, 等.  基于多尺度卷积神经网络的糖尿病视网膜病变病灶检测算法及应用 [J] . 中华实验眼科杂志, 2019, 37(8) : 624-629. DOI: 10.3760/cma.j.issn.2095-0160.2019.08.007.
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糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy,DR)是糖尿病严重的微血管并发症之一,其主要特征是视网膜屏障破坏所致的微血管瘤、硬性渗出物和出血等,早期发现和及时干预具有重要的临床意义[1]。对视网膜彩色照片上异常病灶进行分析是诊断DR的重要方法,但DR病变表现种类多样,病变复杂,且眼科医生对眼底图像判断存在主观因素多、效率低等问题[2]。眼底图像病灶检测技术是指对彩色眼底图像中出现的渗出、出血及微动脉瘤等常见病灶与正常眼底组织进行区分和识别,并能够精准定位病灶位置的人工智能(artificial intelligence,AI)技术[3]。目前DR眼底图像病灶检测方法主要包括基于阈值分割[4,5]、基于形态学分割[6,7]、基于分类[8,9]和基于深度学习[10,11,12]方法,但阈值法泛化能力很差,基于形态学分割的方法不能很好地区分渗出和反光干扰,基于分类的方法训练模型和检测的过程中计算量大且耗时。因此,传统的检测方法需要针对每种病变设计单独的检测算法,还需要人工设计特征,这些都导致算法的复杂度高、鲁棒性差。基于深度学习的方法,目前有很多研究是进行病灶的像素级分割,但由于该方法很难获得大量的像素级标注数据,训练数据少,常导致算法泛化能力和临床可推广性较差。针对目前算法存在的一系列问题,本研究中提出一种新的基于多尺度输入卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)的DR眼底图像病灶检测算法,同时探讨基于多尺度CNN的眼底图像病灶检测算法在DR诊断中的应用。

 
 
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