基于AS-OCT图像的角膜边界分割与伤口分析

发布时间：2020-05-14 12:40

【摘要】：角膜是人眼最外层薄且透明的组织结构,容易遭受各种外伤,其术后伤口的愈合,瘢痕的消除,对人眼正常视物起着关键作用。因此,角膜术后伤口的对合形态和恢复情况的分析对角膜术后的诊断与治疗具有积极的临床意义。而目前针对角膜的研究主要集中在角膜分层和角膜组织细胞的研究,对角膜伤口定量分析的研究还比较缺乏。基于以上目的,本文设计了一种基于眼前节光相干断层成像(Anterior Segment Optical Coherence Tomography,AS-OCT)图像的角膜边界分割与伤口分析的方法。该方法主要包括四个步骤:第一,采用灰度变换和形态学操作对眼前节设备上采集到的角膜图像进行预处理;第二,使用改进的Mini-Unet卷积神经网络分割角膜并提取角膜边界;第三,使用边界分割的中间结果提取角膜灰度、厚度和纹理共62个特征训练随机森林分类器,并检测角膜上的伤口位置,使用K-Means聚类方法对伤口检测的结果进行后处理;第四,使用光密度、厚度差和伤口面积三个指标分析多时间点下角膜伤口的变化,判断角膜术后的恢复情况。基于Mini-Unet的角膜边界分割的方法在39张测试集上,区域分割的结果与金标准的相似度高达95%,无符号上下边界距离误差平均1.29 ± 1.16个像素。随机森林分类器在21773个样本测试集上,查准率(Precision)、查全率(Recall)、均误率(MFE)和均方误率(MSFE)分别是90.91%,99.86%,1.06%,13.69%。本文设计的角膜伤口分析算法有助于医生判断手术的成功率,及时发现影响角膜愈合的不良因素,调整治疗方案,对病人术后角膜的恢复具有重要意义。
【图文】：

截面图,角膜,基质层,上皮层

周边部较扁平，中央角膜厚度约为５２０ｙｍ，向外围逐渐增厚至６５0Ａ？ｎ，该厚逡逑度分布会影响角膜的局部组织和生物力学行为［１］。从微观上解剖，角膜包含了邋３个逡逑功能不同和５个形态不同的层，如图１．１所示。逡逑基底膜逡逑＇ｉ：邋－邋ｖ邋Ｂ—ｍ逡逑－￣＞邋ｒ逦＼逡逑：媝ｉｉ厂逡逑？一一七：《一广二邋＾邋：逦？二／＾＾邋Ｄｅｓｃｅｍｅｔ邋膜逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１．１角膜结构图。（ａ）角膜宏观结构图；（ｂ）角膜微观解剖截面图。逡逑从功能来看，角膜拥有两个极限膜（上皮层和内皮层）和坚韧的胶原基质层。从逡逑形态上来看，角膜可以分为５层，由外至内分别是：上皮细胞层、前弹力层（Ｂｏｗｍａｎ）、逡逑基质层、后弹力层（Ｄｅｓｃｅｍｅｔ）、内皮细胞层。其中角膜的基质层构成了角膜４／５的逡逑体积结构。上皮层是一种紧密的、具有保护性、扁平的鳞状层，通常由５－７层的细胞逡逑组成，并牢固地附着在基质层上，用于将细胞输送到外界环境中。前弹力层近似为基逡逑质层的一层上薄膜结构，与基质层不可分，，损伤后不能恢复会留下疤痕，角膜神经通逡逑过该层到达上皮层。基质层是一个无血管、无细胞的致密结缔组织，由胶原蛋白和蛋逡逑白多糖组成，构成了角膜９０％的厚度用于承受角膜内肿胀压力。后弹力层是内皮层的逡逑产生物

角膜,伤口,图像,设备

眼前节运动的影响、多眼前节结构同时成像等优势，可以观察到角膜、前房角、虹膜逡逑等结构，还具备了角膜厚度测量、前房角角度测量等功能，是一种有效的临床医疗设逡逑备［５］。图１．２展示了邋ＡＳ－ＯＣＴ设备采集到的正常角膜和存在角膜裂伤的横截面图。光逡逑学相干断层成像的原理是通过低相干干涉光的反射去获取探测图像的结构，是一种非逡逑接触式的成像技术。目前主流ＯＣＴ包括以下两种：时域ＯＣＴ（ＴＤ－ＯＣＴ）和频域ＯＣＴ逡逑（ＳＤ－ＯＣＴ）。时域ＯＣＴ通过变化参考臂的位置来产生截面图像，它能够采集到比频逡逑２逡逑
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.41;R772.2

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