ВВЕДЕНИЕ 3
1 Обзор статистики заболеваемости 4
2 Опухоли головного мозга 6
3 Предварительная обработка медицинских изображений 7
3.1 Фильтрация 7
3.1.1 Сглаживающие фильтры 8
3.3.1 Сегментация как предварительная обработка медицинских изображений. . 25
3.3.2 Сегментация на основе метода областей роста 26
3.3.3 Кластеризация 27
4 Машинное обучение 36
4.1 Применение машинного обучения в анализе медицинских изображений 36
4.2 Традиционные классификаторы машинного обучения 37
4.2.1 Метод опорных векторов (SVM) 37
4.2.2 Логистическая регрессия 38
4.2.3 Наивный Байес (Naive Bayes): 39
4.2.4 Дерево решений (Decision Tree): 39
4.2.5 Случайный лес (Random Forest): 39
Некоторые параметры: 40
4.2.6 Метод ближайших соседей (k-Nearest Neighbors): 40
6 Gray level co-occurrence matrix 40
7 Описание набора данных МРТ мозга 43
8 Эксперимент 1 44
8.1 Общий алгоритм классификации МРТ мозга по наличию опухолей в первом
эксперименте 44
8.2 Классификация с использованием традиционных алгоритмов машинного обучения46
Результаты эксперимента №1. приведены в таблицах 8.2.1 и рисунках 8.2.1 - 8.2.2 47
8.3 Сверточные нейронные сети 48
8.3.1 Базовая архитектура серточных нейронных сетей 48
8.3.2 Архитектура Resnet 50 53
8.3.3 Архитектура ResU-net 50 55
9 Эксперимент 2 57
9.1 Общий алгоритм классификации мрт мозга по наличию опухолей и их сегментации во втором эксперименте 57
9.3 Общий алгоритм семантической сегментации снимков МРТ головного мозга
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 64
ПРИЛОЖЕНИЕ А Обзор родственных работ 7
Основная цель настоящей работы заключается в создании моделей, способной предсказывать наличие опухоли на медицинских изображениях и производить их семантическую сегментацию. В первом эксперименте будет произведена предварительная сегментация изображения для выделения региона интереса (ROI) на изображении. В этом случае сегментация сосредотачивает внимание на конкретной области, улучшая точность дальнейшего извлечения признаков, повышает качество работы
классификатора. Во втором эксперименте сегментация будет самостоятельной задачей помимо классификации. Выбор набора данных также является важной задачей, было подобрано два набора данных для каждого из двух экспериментов. Также задача несет в себе, такую составляющую как, извлечение признаков. Мы попытаемся создать модель, которая может выполнять все основные и необходимые задачи для обнаружения и сегментации опухолей. Метод должен быть эффективный в плане точности, сегментировать изображения и обнаруживать опухоли головного мозга без участия человека. В заключении, необходимо будет сравнить экспериментальные результаты различных классических классификаторов в первом эксперименте и результаты нейросетевого классификатора из второго эксперимента, чтобы определить, какая модель обеспечивает лучшую производительность с точки зрения точности, чувствительности и других показателей, которые должны быть на уровне современных, а также получить метрики результатов семантической сегментации.
В первом эксперименте общий алгоритм такой: сначала для упрощения работы по классификации мы сегментируем изображение с использованием алгоритма кластеризации Fuzzy C-Means, потом извлекаем признаки при помощи GLCM (gray - level coocurence matrix) и передаем их классификатору.
Во втором эксперименте к изображению применяются фильтры Гаусса и повышения контраста перед передачей их нейросетевому классификатору на основе сверточной нейронной сети, предобученной на данных Imagenet, архитектуры Resnet 50, взятой с исключением последних слоев и добавлением слоя среднего пулинга, полносвязных слоев и слоев дропаута. Сегментируется изображение с помощью архитектуры ResU-net реализованной в библиотеке Keras. Данная архитектура включает в себя кодер и декодер на residual - блоках с добавлением скип - коннекций между соответствующими слоями. К сегментируемому изображению фильтры не применялись.
В соответствии с целью работы мы получили модели для автоматической классификации МРТ снимков головного мозга по наличию опухолей и их семантической сегментации. Данная работа показали результаты на уровне лучших среди современных, чем объясняется ее научная новизна. В тоже время проблема для помощи в решении которой была поставлена цель - опухолевые заболевания головного мозга крайне актуальна. С развитием технологий машинного и нейросетевого обучения со временем могут появиться стандартизированные методики для работы с этой проблемой, чему и была посвящена данная работа. Среди поставленных задач были выполнены обучение и сравнение различных классических моделей и нейросетевого классификатора на базе ResNet50, была обучена модель семантической сегментации архитектуры ResU-net. Были произведены эксперименты с участием двух разных наборов данных, апробирована предварительная обработка изображений при помощи двух фильтров и предварительной сегментации с использованием кластеризации нечетких C- средних для выделения области интереса, а также извлечение признаков при помощи матрицы GLCM (Gray-Level Co-Occurrence Matrix)
