1.基于多特征提取的CNN医学CT图像去噪方法,具体步骤如下:步骤1)构建医学CT图像模型;
1.1构建医学CT电信号模型;
医学CT图像的模型主要由两部分组成,既有效的人体组织反射信号和无效的噪声信号,而噪声信号则包括乘性噪声和加性噪声,其中加性噪声相对于乘性噪声来说对CT图像的影响非常微小;所以考虑乘性噪声,CT电信号的通用模型s(x,y)表示为:s(x,y) = r(x,y)n(x,y) (1)其中,(x,y)分别代表图像的横纵坐标,r(x,y)表示无噪声信号,n(x,y)表示相乘噪声;
1.2构建医学CT图像噪声数学模型;
在H的方式下,引入n(x,y);
f(x,y)表示在二维空间的能量分布,n(x,y)表示为噪声;得到含噪声图像g(x,y);数学表达式为:g(x,y) = H[f(x,y)] + n(x,y) (2)数学简单表达式为:
Y = X + V (3)其中X理解为不含噪声的干净图像,V为图像噪声,Y为实际含噪声图像;
1.3对医学CT图像中高斯噪声进行仿真实验处理;
在低强度发射电流情况下会产生过量的高斯噪声,使得CT投影图像质量产生严重的退化;高斯噪声概率密度函数服从正态分布,即为高斯随机变量z概率密度函数:μ表示为数学期望,σ表示为标准差;
步骤2)构建网络模型;
21.构建网络层结构;
构建网络层,分别为输入层、隐藏层、输出层;输入层是图像的输入,隐藏层深度L设为
16;大量神经元相互连接构成网络层,节点之间相互联接构成网络层,节点即神经元,神经元分成不同的层次,每个神经元与相邻层的其它神经元相连;每一层神经元都有输入和输出;
22.构建隐藏层;
隐藏层第一层实现多特征提取,在第2层到第L层中采用尺寸大小均为3×3的卷积滤波器,并且数量均设置为64;在每层卷积操作之后进行批归一化处理(BN);再经过激活函数PReLU处理;
提取多特征:
多特征提取过程中,设置不同尺寸大小卷积滤波器对输入图像进行多特征信息提取;
第一层图像特征提取为浅层特征提取;设置三种尺寸大小的卷积滤波器,分别为3×3,5×
5,7×7,并且三种卷积滤波器的数量分别为32个、20个、12个;经过卷积操作后得到64特征映射图;三种尺寸大小均为奇数,均有一个中心点;每种尺寸卷积滤波器对图像进行特征提取;在卷积操作过程中三种卷积滤波器的中心点重叠在一起;将三种卷积滤波器得到的图像特征信息串联;得到的特征信息再输入到下一层神经网络中;
实现多特征提取后再经过PReLU激活函数处理;隐藏层均使用PReLU激活函数处理;
PReLU激活函数公示如下:
f(x)表示输入的PReLU函数,x表示输入值;
在激活函数中引入一个参数a;在网络实际训练过程中,网络的性能得到提升,同时加快PReLU的收敛速度;在隐藏层中每一层经过卷积操作之后,再经过归一化处理(BN),再经过激活函数PReLU函数处理;在网络模型中最后一层使用1个大小为3×3×64的卷积滤波器实现图像重建输出;
隐藏层中批归一化处理(BN),在网络训练的过程中某个batch数据是{x1,x2,...xn},batch数据是批块数据;这个数据可以是输入也可以是网络中间的某一层输出;将每批数据进行运算处理,使其分布等于全部训练数据的数据分布;每一层批归一化处理中得到数据均值为μβ,标准差为 归一化处理后数据为 数据重构得到yi′,公式如下:γ和β是网络中学习的参数值,在网络训练中学习得到,并不断更新;
步骤3)训练网络和更新参数;
网络模型采用的训练数据集为标记好的医学CT图像数据集;数据集来源为The Cancer Imaging Archive中407张CT图像;构建训练数据集和测试数据集分别占源数据集比例为
80%和20%;
数据集中的医学CT图像为灰度图像,修改图像的尺寸大小;对图像进行裁剪构造多个图像块用于网络训练;网络模型中噪声的水平σ设置在[0,55]之间;
网络模型中权重参数初始化采用MSRA初始化,该初始化是均值为0,方差为2/n的高斯分布;
网络模型针对噪声V学习,获得残差R(v)来近似噪声;在噪声学习中实现多特征提取;
提升网络模型的训练效率和网络模型的去噪能力;
更新参数:
网络模型中采用反向传播算法(BP算法),对网络中权重和偏置进行参数更新;分为正向传播和反向传播;训练迭代过程中利用损失函数完成权值的更新;
训练迭代过程中,损失函数L(Θ)公式为:
Θ代表训练参数,N代表训练集中图片数量,yi代表一张含有噪声的图片,xi代表不含噪声的干净图片,R(yi;Θ)代表估计的噪声残差,(yi‑xi)代表图片中真实噪声;
损失函数L(Θ)中期望值通过R(yi;Θ)与(yi‑xi)间的平方误差计算;
步骤4)对医学CT图像进行去噪处理;
网络模型训练好后得到医学CT图像去噪模型,向模型中输入测试集中含噪声的医学CT图像,网络输出去除噪声的医学CT图像。