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1、基于乳腺X线成像的计算机辅助诊断技术研究进展童振蒲立新曲建明摘要 乳腺癌是严重影响妇女身心健康甚至危及生命的最常见的恶性肿瘤之一，近50年来乳腺癌己经成 为全球性的健康问题，虽说近年来研究发现其发病率正在下降，但是其高致死率仍不能忽视。早期诊断已 经成为治疗乳腺癌最为有效的方式。计算机辅助诊断系统(Computer-Aided Diagnosis systems, CAD)在乳 腺癌的早期检测中扮演着越来越柬要的角色，同时降低了患病女性的致死率。本文主要针对近儿年来的 CAD系统的发展综述一下与之相关的一些关键技术和研究进展。首先，详细的论述了和乳腺癌检测和诊断 相关的概念及原理；然后，重点分
2、析了近年来在乳腺癌诊断方面颇具应用前景的一些关键CAD技术，包括 乳腺X线图像肿块检测，乳腺癌微钙化点检测，乳腺双边不对称性检测，乳腺X线图像结构化变形检测， 乳腺X线图像增强和复原技术。关键词 乳腺癌，计算机辅助诊断(CAD), CAD关键技术，乳腺X线成像Computer-Aided Diagnosis of Breast Cancer With Mammography: Recent Advances /TONG Zhen, PU Li-xin, QU Jian-ming/China Digital Medicine.Abstract Breast cancer is one of th
3、e most common and leading cause of the health and life-threatening cancer among women. It has become a global health issue over the past 50 years, and it has been discovered that the incidence has decreased in recent years, but the high death rate that cannot be ignored. Early detection is one of th
4、e most effective ways to treat the breast cancer. Computer-aided diagnosis (CAD) systems play an important role in the early detection of breast cancer, at the same time the application of CAD systems can reduce the death rate of women who suffer from breast cancer. The main purpose of this essay is
5、 to provide an overview of recent advances of CAD systems and some related techniques. At first, we detailed the basic concepts and principles related to the detection and diagnosis of breast cancer, and then we emphasize on some key CAD techniques which have a wide application prospect in the area
6、of breast cancer detection and diagnosis in recently, including detection of masses, detection of calcifications in Mammograms, detection of bilateral asymmetry, detection of architectural distortion, image enhancement, and image retrieval based on Content-Based Image Retrieval (CBIR).Keywords Breas
7、t cancer, Computer-aided diagnosis (CAD), Key CAD techniques, Mammography.1简介乳腺癌作为一种恶性肿瘤，是现代妇女的主要死亡原因之一。乳腺癌严重影响着妇女的 身心健康甚至危及着她们的生命，乳腺癌在全球癌病的发病率高居第二，在中国女性中居 第一。根据己经发布的统计数据显示，在过去50年，乳腺癌己经成为威胁女性健康的最为 严重的癌症之一。在2008年，美国癌症协会(American Cancer Society, ACS)就曾预估有 184,450例乳腺癌病例被确诊。但是根据2009年3月在瑞士圣加达(St. Gallen)
8、召开的国际 早期乳腺癌治疗研讨会公布的数据显示，很多西方国家的乳腺癌发病率开始下降，但是其%1 电子科技大学自动化工程学院，6II73L成都市高新西区西源大道2006号%1 成都金盘电子科大多媒体技术有限公司，610054,成都市高新西区天辰路88号 高致死率仍不能忽视。bl前，由于尚未找到乳腺癌的病因，所以一直还没有找到有效的方法 来预防乳腺癌。但是，对乳腺癌早期的有效诊断能增加患者痊愈的几率，因此，对乳腺癌早 期的检测在提高乳腺癌治愈率上扮演了很重要的角色。计算机辅助诊断系统(CAD)主要是利用计算机技术来检测乳腺X线图像的异常，同时将 检测结果传送给放射科医师，来辅助其对病人的病情做出更
9、为合理而准确的诊断，它在早期 的乳腺癌的检测中起到了很重要的作用，能够降低患乳腺癌患者的致死率也这篇文章的主要H的就是针对应用于早期乳腺癌诊断的CAD系统和近几年来发展起来 的与之相关的一些关键技术和研究进展做一下综述。本文内容是这样安排的，第二部分详细 介绍了基于乳腺X线图像的乳腺癌检测与诊断的基本概念；第三部分简单介绍了几款已经 商用的CAD系统；第四部分详细论述了 CAD系统采用的一些关键技术和最新算法，包括 乳腺X线图像肿块检测，乳腺癌微钙化点检测，乳腺双边不对称性检测，乳腺X线图像结 构化变形检测，乳腺X线图像增强和复原技术；最后一部分内容探讨了 CAD系统的发展趋 势，同时对全文做
10、了总结。2基于乳腺X线图像的乳腺癌检测与诊断按照目前医学成像技术的发展现状，有多种乳腺成像技术来检测乳腺癌，包括磁共振成 像术(Magnetic Resonance Imaging, MRI),超声成像术(Ultrasound Imaging)和乳腺 X 线成像术 (Mammography)o乳腺X线成像术作为种无创、微辐射的检杳手段，也是目前最为有效 的检测乳腺癌的方法，患者使用较少剂量的药剂就能对其乳腺进行X线成像，因而得到了 广泛的应用。美国癌症协会(ACS)建议年龄在40-49岁的妇女，在40岁起就应该每隔一到两 年做一次乳腺X线的常规检测。在临床防治工作中，乳腺癌的早期诊断技术已经成
11、为研究重点，因为这是增加乳腺癌治 愈机会的关键性工作。乳腺X线诊断的目的就是进一步确诊那些已经在临床上确认乳腺上 有疑似不正常组织的患者，现在有很多方法来提高一次性检出率，一种简单而有效的方法就 是同时将获取的乳腺X线图像交由两个医师来阅片，这种方法能有效的降低漏检率，但是 无形之中却增加了医师的工作量，同时增加了与之相关的费用支出。Brern61等人通过实验论 证得到，采用CAD系统后能够提高乳腺X线的一次检出率，同时将放射科医师检测乳腺癌 病变的检出率提高21.2%,并且降低诊断医师的工作量。3乳腺癌的计算机辅助检测与诊断CAD系统综合运用了计算机图形诊断学，数字图像处理技术，模式识别和人
12、工神经网 络技术，CAD系统的应用可以为放射科医师在检测乳腺癌病变时提供另一种选择。在最 近儿年，由于CAD系统具有很好的临床应用前景，科学家和放射科医师都对其产生了浓厚 的兴趣，同时包括几大医疗设备制造商。bl前，在美国业界己经通过美国FDA认证并己商 II的有R2公司的The Image Checker DX系统和iCAD公司的TotalLook系统和Kodak公司 的CAD软件。尤其是随着数字化影像设备市场份额增加，CAD系统越来越多的与其他设备 配套设计出售。但是，要想让CAD系统广泛应用于临床的乳腺癌检测之中还有很长的路要 走，最主要的问题就是要验证引入CAD系统后确实能够提高乳腺癌
13、病变的检出率。根据最 近的研究表明俱bl前已经商用的CAD系统的性能还需要做一些技术上的改进，才能达到 医院和放射治疗中心的应用要求。因此，提高CAD系统的性能仍然是未来研究的一个热门 课题。4 CAD系统的一些关键技术CAD系统中采用怎样的技术和核心算法都将大大影响CAD系统的性能,尽管到目前为 止，己经有很多新技术和新算法应用到了 CAD系统之中，但是相对于CAD系统功能的完 善来说，这仍然是一个热门的研究课题，不断的有研究者提出一些新的更为有效的方法来提 高CAD系统检测乳腺癌病变的假阳性率。综合近几年来各个国家，各个研究机构研究者的 研究成果，对CAD系统的研究主要集中在以下讨论的几个
14、方面。4.1乳腺X线图像肿块检测 乳腺肿块是诊断为乳腺癌的最为明显的特征，但是在乳腺X 线图像中，肿块与乳腺周围组织极为相似，因而很难辨认，但是通过一系列的图像处理方法 就能够很好的分辨出来，达到自动检测的目的。对乳腺肿块的检杏方法主要是基于像素的方 法和基于区域的方法。Chen Chii.Jen回提出了基于图像配准框架的方法实现对3维乳腺肿块图像进行分类，由 于乳腺肿块会随着超声波的压力产生变形，作者运用了非刚性的图像配准方法来消除这种影 响，来实现对乳腺肿块的分割,最后综合应用支持向量机(S叩port Vector Machine, SVM)算 法和受试者操作特性分析(Receiver O
15、perating Characteristic analysis, ROC)曲线来评估采用这 种算法的系统的鲁棒性o Gao,(),等人综合运用形态学组件分析和新的同轴层判据这两种相似 的肿块检测算法，有效的降低了乳腺肿块检测的假阳性率。Gautam11 人改进了基于乳腺 肿块轮廊的蛇形算法，对乳腺疑似肿块进行检测，通过对处理后图像的统计学分析得到了这 神算法能够很好的将乳腺肿块特征提取出-来。4.2乳腺癌微钙化点聚类检测 微钙化点是乳腺X线图像中的那些明亮并且呈颗粒状的钙 化物，对钙化点的聚类能很好的预测乳腺癌，同时乳腺X线图像中的钙化点也是放射科医 师阅片过程中最容易遗漏的病灶。由于在乳腺
16、X线图像中，微钙化点相对于乳腺组织具有更高的对比度，所以可以通过 图像增强的方法将微钙化点凸现出来。Alolfe,21等人运用特征选择的方法检测乳腺X线图像 的微钙化点，他们分四个步骤来完成这个过程，(1)感兴趣区域的选择，(2)基于小波分解 的特征提取；(3)特征选择；(4)运用K近邻分类器和支持矢量积的方法区分良恶性微钙 化点。Wang1131等人运用了特征选择的方法提取出乳腺X线图像的微钙化点特征，然后应用 人工神经网络分类器，聚类判据以及二者联合的方法对微钙化点进行分类，最后还应用神经 网络分类器的方法来评价这种联合算法的性能。Farhang,4等人提出一种基于模糊理论的方 法用于聚类检测乳腺图像的微钙化点，对比分析结果可以得到90.5%的正阳性率和每幅图像 1.3个假阳性钙化点，检测效果比较理想。4.3乳腺双边不对称性检查左右乳腺的双边不对称性是放射科医师诊断乳腺癌的主要特 征之一。BI-RADS,61将双边不对称定义为，某一边的乳腺组织
