ETH的研究人員利用人工智能來提高一種相對較新的生物醫(yī)學(xué)成像方法所記錄的圖像的質(zhì)量。這為更準確的診斷和更經(jīng)濟的設(shè)備鋪平了道路。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zurich)和蘇黎世大學(xué)(University of Zurich)的科學(xué)家使用機器學(xué)習(xí)方法來改善光聲成像。這種相對年輕的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)可以用于血管的可視化、大腦活動的研究、皮膚病變的表征和乳腺癌的診斷。然而，渲染圖像的質(zhì)量很大程度上取決于設(shè)備使用的傳感器的數(shù)量和分布:傳感器越多，圖像質(zhì)量越好。ETH研究人員開發(fā)的新方法允許大量減少傳感器的數(shù)量，同時又不放棄產(chǎn)生的圖像質(zhì)量。這使得降低設(shè)備成本、提高成像速度或改善診斷成為可能。

光聲學(xué)在某些方面與超聲波成像相似。在后者中，探頭向體內(nèi)發(fā)射超聲波，超聲波被組織反射。探測器上的傳感器檢測返回的聲波，隨后生成人體內(nèi)部的圖像。在光聲成像中，非常短的激光脈沖被送入組織，在那里它們被吸收并轉(zhuǎn)換成超聲波。與超聲波成像類似，聲波被探測到并轉(zhuǎn)換成圖像。

圖像失真校正

由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zurich)和蘇黎世大學(xué)(University of Zurich)生物醫(yī)學(xué)成像教授丹尼爾?拉贊斯基(Daniel Razansky)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，探索了一種提高低成本光聲學(xué)設(shè)備成像質(zhì)量的方法，這種設(shè)備只有少量超聲波傳感器。

為了實現(xiàn)這一目標，他們首先使用了一種自行開發(fā)的高端光聲掃描儀，這種掃描儀有512個傳感器，可以提供高質(zhì)量的圖像。他們讓人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析這些圖片，這樣就能了解高質(zhì)量圖像的特征。

接下來，研究人員丟棄了大部分傳感器，只剩下128或32個傳感器，這對圖像質(zhì)量造成了不利影響。由于缺乏數(shù)據(jù)，圖像中出現(xiàn)了被稱為條紋型人工制品的扭曲。然而，結(jié)果證明，之前訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠在很大程度上糾正這些失真，從而使圖像質(zhì)量更接近所有512個傳感器的測量值。

在光聲學(xué)中，圖像質(zhì)量不僅隨著傳感器數(shù)量的增加而提高，而且當信息從盡可能多的方向被捕獲時也會提高:傳感器在物體周圍布置的區(qū)域越大，質(zhì)量越好。所開發(fā)的機器學(xué)習(xí)算法也成功地提高了圖像的質(zhì)量，這些圖像只記錄在一個狹窄的有限區(qū)域內(nèi)?！斑@對臨床應(yīng)用尤其重要，因為激光脈沖不能穿透整個人體，因此成像區(qū)域通常只能從一個方向進入，”拉贊斯基說。

促進臨床決策

科學(xué)家們強調(diào)，他們的方法并不局限于光聲成像。由于該方法是對重建圖像進行處理，而不是對原始記錄數(shù)據(jù)進行處理，因此也適用于其他成像技術(shù)。“你基本上可以用同樣的方法從任何稀疏數(shù)據(jù)中生成高質(zhì)量的圖像，”拉贊斯基說。他解釋說，醫(yī)生經(jīng)常面臨的挑戰(zhàn)是如何解讀來自病人的低質(zhì)量圖像?！拔覀冏C明，這種圖像可以通過人工智能方法得到改善，從而更容易獲得更準確的診斷?！?/p>

對于拉贊斯基來說，這項研究工作是一個很好的例子，說明現(xiàn)有的人工智能方法可以用于什么?！霸S多人認為人工智能可以取代人類智能。至少就目前可用的人工智能技術(shù)而言，這可能有些夸張，”他表示?！八荒苋〈祟惖膭?chuàng)造力，但可能會讓我們從一些費力、重復(fù)的工作中解脫出來?！?/p>

在他們目前的研究中，科學(xué)家們使用了一種專為小動物定制的光聲斷層掃描設(shè)備，并用老鼠的圖像訓(xùn)練機器學(xué)習(xí)算法。拉贊斯基說，下一步將是把這種方法應(yīng)用于病人的光聲圖像。

揭示組織功能

與光聲學(xué)(也稱為光聲學(xué))不同，許多成像技術(shù)，如超聲、x射線或MRI，主要適用于可視化的人體解剖變化。為了獲得額外的功能信息，例如關(guān)于血流或代謝變化的信息，患者必須在成像前使用造影劑或放射性示蹤劑。與此相反，光聲學(xué)方法可以在不引入造影劑的情況下可視化功能和分子信息。一個例子是組織氧合的局部變化，這是癌癥的一個重要標志，可用于早期診斷。血管內(nèi)的脂質(zhì)含量是另一種潛在的疾病標志物，有助于心血管疾病的早期發(fā)現(xiàn)。

然而，應(yīng)該指出的是，由于用于光聲成像的光波與其他光波不同，不能完全穿透人體，因此這種方法只適用于研究皮膚下幾厘米深的組織。