北理工團隊在紅外靜脈血管智能識別領域取得新突破
發布日期：2022-07-22 供稿：光電學院
編輯：盛筠 審核：董立泉 閱讀次數：
近日，北京理工大學光電學院許廷發教授科研團隊在紅外靜脈血管醫學圖像處理領域取得新突破，相關研究成果以“SCANet: A Unified Semi-supervised Learning Framework for Vessel Segmentation”為題發表在醫學圖像處理領域的國際頂級期刊IEEE Transactions on Medical Imaging（IEEE TMI，IF="11.037)。IEEE" TMI是醫學圖像處理領域具有高影響力的國際學術刊物之一，在2021-2022年該領域270余種JCR期刊中排名前列，影響因子為11.037，中科院一區，主要發表和報道醫學圖像處理和分析、可視化和性能等領域的最新原創研究成果。該工作第一作者為北京理工大學光電學院博士研究生沈寧，通訊作者為北京理工大學光電學院李佳男特別副研究員和許廷發教授。
紅外靜脈血管穿刺技術（IR-Venipuncture）是利用近紅外光學儀器進行皮下血管自動成像，實現智能紅外靜脈血管穿刺的技術。然而，紅外靜脈血管智能識別和分割是此項技術的瓶頸難題。針對這一科學難題，科研團隊首次以血管分割效果和運行效率為雙準則，提出了基于半監督學習的全自動近紅外靜脈語義分割模型SCANet，突破了這一關鍵技術。
首先，針對紅外靜脈血管的分辨率低的難題，設計了多尺度遞歸神經網絡，將多個尺度的血管語義信息融合，實現了精準分割；構建和設計了重構一致性網絡，實現了遞歸神經網絡的編碼器的優化。針對細小血管受到噪聲強干擾的難題，設計了縮小血管預測結果和標簽之間的差異優化方法，提高了細小血管的精準分割。科研團隊開創性地將兩個輔助網絡引入到分割主體網絡中，在保證分割結果的高準確率的同時也保證了運行效率。
該模型單幅圖像的預測時間達到毫秒級。
圖1. 全自動近紅外靜脈語義分割模型SCANet
圖2. 靜脈血管分割結果對比
該分割模型不僅在靜脈血管影像上取得出色的表現，也在其他多個具有挑戰性的影像和皮膚病變影像數據集上都表現出明顯的性能優勢，通過在基準評價指標上的定性定量分析，證明了SCANet各組分結構的有效性。
圖3. 精細血管分割結果對比
此研究有助于更加準確快速地定位患者的皮下靜脈血管，尤其是在患者生理情況較差或穿刺環境不佳的情況下，對其智能診斷和治療干預更具有重要理論價值和實際意義。
論文詳情：N. Shen, T. Xu, Z. Bian, S. Huang, B. Huang, F. Mu, Y. Xiao and J. Li. " SCANet: A Unified Semi-supervised Learning Framework for Vessel Segmentation" in IEEE Transactions on Medical Imaging, doi: 10.1109/TMI.2022.3193150.
論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9837087
附作者簡介：
沈寧，北京理工大學光電學院2020級博士研究生，師從許廷發教授，研究方向是光學成像和醫學圖像處理。在IEEE Transactions on Medical Imaging、IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters等高水平期刊發表學術論文5篇，申請中國發明專利2項。
李佳男，博士，北京理工大學光電學院預聘助理教授（特別副研究員），新加坡國立大學博士后。研究方向為光電成像探測與識別、計算機視覺、嵌入式視頻處理等。近五年發表高水平學術論文40余篇，其中第一作者論文包括 IEEE TPAMI、TVCG、CVPR、ICLR等頂級期刊會議9篇，ESI高被引論文1篇。論文單篇最高被引近700次，谷歌學術總引2700余次。主持國自然青年科學基金、博士后科學基金面上（一等）等項目3項；參與國家自然科學基金重大科研儀器研制項目等5項。入選北京市科協青年人才托舉工程，曾獲得中國圖象圖形學學會優秀博士學位論文、王大珩高校學生光學獎等榮譽，獲得ImageNet大規模視覺識別挑戰賽（ILSVRC-2017）目標定位任務冠軍。指導團隊獲得ICCV 2021“反無人機跟蹤”挑戰賽冠軍及最佳論文獎。
許廷發，教授，博導，國家一級重點學科“光學工程”學科責任教授，光電成像技術與系統教育部重點實驗室副主任。北京理工大學重慶創新中心智能化和大數據技術實驗室主任。近年來帶領其科研團隊圍繞光電成像探測與識別、計算成像和醫學光電成像等方向不斷深化研究。主持承擔國家自然科學基金委重大科研儀器研制項目等40余項。在國際、國內等系列期刊發表學術論文135余篇，其中被SCI/EI收錄90余篇。以第一發明人申請國家發明專利45項，已授權和公示15項。指導研究生獲得中國圖象圖形學學會優秀博士學位論文，二人次獲得王大珩高校學生光學獎，二人次獲得全國光學與光學工程博士生學術聯賽全國百強等榮譽稱號。
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