基于结构化随机森林的DME病灶分割

Learning layer-specific edges for segmenting retinal layers with large deformations

作者:S. P. K. KARRI
来源:2016 BOE
摘要:本文提出了一种结构化学习算法用于提升传统图论方法的分割效果,该算法同时检测独立的层和对应的边缘。算法基本原理是首先通过结构化随机森林获得层次边缘的概率图,之后使用图论方法进行精分割。实验中的数据来自于杜克大学公开的10个DME患者的110张两位专家标定过的OCT图像。最终实现的平均分割误差为1.38个像素,而目前最好的算法分割误差是1.68个像素。

Induction

  • 视网膜中层次的厚度与一些眼科疾病有关,因此需要更加具有鲁棒性的图像分割算法。
  • 近些年来,图论算法,特别是动态规划算法,由于其良好的性能、较低的复杂度以及对噪声的鲁棒性而得到广泛应用。
  • 然而,当视网膜出现病变时,其层次结构发生了较大的变化,此时传统的分割算法的效果很不理想。由于病变结构多种多样,分割难度较大。为了解决这个问题,出现了很多基于学习的方法。
  • 随机森林作为一种传统的学习分类方法,由于其实现简单、计算复杂度低、不容易过拟合等有点而被广泛使用。然而原始的随机森林为单值分类方法,不能用于2D图像块的分类。为了将其引入二维空间,出现了结构化学习方法,如结构化的SVM、结构化的随机森林,这些方法可以用于图像分割及图像的边缘检测。本文提出的算法即是使用结构化随机森林作为学习算法,输入的图像块的特征,输出的对该图像块的预测,如下图:

structured random forests

随机森林由多颗决策树组成,多个决策树的结果通过一定的规则运算得到随机森林的结果。传统的随机森林只能够进行标签的分类,而结构化随机森林能够对2D的图像块进行分类。训练时使用的数据为:特征图像块、标签图像块以及对应的边缘图像块。


决策树构建的过程中使用基尼不纯度作为衡量标准,叶子节点上的图像块代表该路径对应的分类结果。

Method:

本文方法流程图:


image-correction为图像归一化过程;
extracting the image intensity and gradient features:提取灰度特征、梯度特征以及HOG特征,考虑到图像可能发生尺度上的变化,提取特征时将图像缩小1/2。因此总的特征包括11个:原始尺度的灰度信息,两个尺度上的梯度信息、两个尺度4个方向上的HOG特征。
The ‘n’ layer selection process:选择某一层次的边界,生成该边界对应的Label image(BL)和contour image(BC):


guided sampling process:图像块提取过程;首先对BC进行膨胀,之后再膨胀后的白色区域位置对应的原始图像中选取32*32的图像块,单个像素生成的特征图像块为32*32*11,在训练时会将特征块展开为一维向量。然后按照这个规则,在Label image和contour image对应位置选取16*16的图像块。

数据:

来自杜克大学公开的DME数据集,包含10个DME患者的110张图像,其中每张图像含有两名专家标定的8条层次线。训练集为55张,测试集为55张。每个森林包含8课决策树。

实验分析:

三个衡量指标:
Metric 1: Mean absolute difference between the predicted contour and the expert contour along the column实验结果与金标准之间的平均绝对误差
Metric 2: Mean absolute difference in layer widths层次厚度的平均绝对误差

注:AN:传统图论方法;AD:kernel-guided graph approach

分割结果图片:

未来方向:

  1. 结构化学习时考虑相邻图片之间的信息
  2. 将层次分割与病变预测结合起来

不足之处:

HoG依赖于梯度,而图像中由于血管阴影的存在导致的梯度信息缺失会影响结果,目前的结构化随机森林能够处理少于16个像素宽度的梯度信息丢失。

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