ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗОНЫ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ ПУЧКОМ В ТКАНЯХ СВИНОЙ ПЕЧЕНИ С ПОМОЩЬЮ НЕЙРОСЕТИ RESNET-18

Крохмаль Алиса,�аспирантка 4 г.о., Физический факультет МГУ,�кафедра акустики, лаборатория промышленного и медицинского ультразвука

Научный руководитель: Сапожников Олег Анатольевич

Преподаватель курса: Конюшок Илья

Курс «Нейронные сети и их применение в научных исследованиях»

ЧТО ТАКОЕ ГИСТОТРИПСИЯ

• Гистотрипсия – нетепловое, импульсное воздействие фокусированного ультразвукового пучка высокой интенсивности, разрушающее мягкие ткани ультразвуком на субклеточные фрагменты.

Цель исследования:

Численная оценка взаимосвязи между параметрами облучения и:

- объемом разрушения

- степенью разрушения

- типом ткани

ЗАДАЧА: СЕГМЕНТАЦИИ ОБЛАСТИ ПОРАЖЕНИЯ НА ГИСТОЛОГИИ

06.12.2021

область разрушения

здоровая ткань

Цель исследования:

• Оценить степень и объем области разрушения ткани после гистотрипсии в различных режимах

Сложности:

• Большое количество гистологических срезов
• Трудоемкость ручной сегментации из-за сложной границы области
• Большой размер изображений (10k^2 пикселей, ~400 Мб)

гистологический срез

маска для области разрушения

Разрушенная ткань

Частичное разрушение

Здоровая ткань и фон

БАЗА ДАННЫХ

06.12.2021

• Анализа требуют 89 гистологических срезов
• 15 из них были размечены вручную
• Для обучения было выбрано одно изображение с наиболее характерными разрушениями
• Исходное изображение разделялось на квадраты необходимого разрешения (80*80 пикселей или 200*200 микрон)
• 2 класса: метка «1» - площадь разрушения превышала 55%, метка «0» - остальное, «здоровая ткань»
• Критерии разметки по площади той или иной зоны определялись для достижения наибольшей точности по оценке площади разрушенной ткани

​

КЛАССИФИКАЦИЯ НЕЙРОСЕТЬЮ RESNET-18

• Размер пакета (batch size) варьировался от 100 до 1000 фрагментов
• Скорость обучения (learning rate) варьировалась от 0.1 до 0.001
• Использовался оптимизатор Adam
• В качестве функции потерь была выбрана CrossEntropyLoss
• Весь датасет разбивался на тренировочную и валидационную выборку случайным образом в пропорциях 80% : 20% от общего размера датасета
• Функция точности определялась как отношение правильно размеченных элементов датасета к общему числу элементов датасета
• Выполнение кода и обучение нейросети происходила с помощью графического ускорителя на базе сервиса Google Colab
• Обучение производилось на более чем 80 эпохах

​

06.12.2021

Источники ошибок:

• Некоторые участки здоровой ткани (жидкость внутри крупных сосудов) определяется как зона разрушения;

​

• Единичные фрагменты одного класса, окруженные фрагментами другого класса

Наибольшая точность (0.974) при

batch size = 100 и learning rate = 0.001

СОВМЕСТНОЕ ПРЕДСКАЗАНИЕ ДВУХ НЕЙРОСЕТЕЙ

• Для исправления ошибок была обучена аналогичная нейросеть, но для фрагментов размера 256*256 пикселей
• Классификация фрагментов была изменена: метка «0», если доля красной области составляла менее 1%
• Таким образом, крупные сосуды размечались как зоны здоровой ткани
• Наложение результатов предсказаний двух нейросетей, а также фильтрация от единичных ошибочных предсказаний составили итоговый результат разметки гистологий

06.12.2021

Предсказание нейросети с фрагментами 80*80 пкс

Предсказание нейросети с фрагментами 256*256 пкс

Результат разметки с помощью нейросетей

Ручная разметка

vs

ПОСТ-ОБРАБОТКА. BLOB-АНАЛИЗ

• Чтобы оценить площадь не разрушенных фрагментов внутри области разрушения, применялась пост-обработка в виде blob-анализа.

06.12.2021

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРЕДСКАЗАНИЙ

• Проанализированы предсказания для самого мощного и слабого протоколов облучения
• Точно определяется геометрия и площадь ткани, подвергшейся разрушению (ошибка в пределах 3% от площади изображения)
• Также точно определяется общая площадь облученной ткани

​

​

06.12.2021

ИТОГОВЫЙ РЕЗУЛЬТАТ – ОПТИМАЛЬНЫЙ ПРОТОКОЛ ОБЛУЧЕНИЯ

• Были обработаны все 89 гистологических срезов, соответствующих 10 различным протоколам облучения, найдены целевые объемы разрушений
• Ультразвуковые пучки различались по длительности импульса (от 1 до 10 мс) и по количеству импульсов за период (от 5 до 15)

06.12.2021

Как предполагалось, размер объемного разрушения зависит от длительности импульса и кол-ва импульсов за период

​

Для разрешения 200 микрон нет существенных отличий в качестве разрушения – соотношении недоразрушенного к разрушенному объему

Режим облучения с длительностью импульса 1 мс и частотой импульсов за период 5 обеспечивает наиболее быстрое воздействие на ткань

Найден оптимальный протокол облучения

06.12.2021

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!

ДАЛЬНЕЙШИЕ ПЛАНЫ

• Улучшение разрешения до 40 микрон – анализ фрагментов 16*16 пикселей
• Более точная оценка доли неразрушенной ткани в области разрушения
• Обучение нейросети для гистологий на других типах ткани (сердце, печень, почки, мышцы, ткани свиные, говяжьи, собачьи)

​

06.12.2021