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🔥 内容介绍
一、引言：肺癌早筛困境，呼唤 “机器医生” 登场
1.1 肺癌早诊的临床刚需
肺癌，无疑是全球医疗健康领域的 “头号公敌”。世界卫生组织国际癌症研究机构（IARC）发布的数据显示，肺癌长期霸占全球癌症发病率和死亡率的榜首。仅在 2020 年，全球就新增肺癌病例约 220 万，死亡人数超 180 万，这意味着平均每分钟就有 3 - 4 人因肺癌失去生命 。
肺癌的早期症状极其隐匿，多数患者在疾病初期毫无察觉。当出现咳嗽、咯血、胸痛等明显症状时，病情往往已进展到中晚期。据统计，早期肺癌患者的 5 年生存率可达 80% 以上，但中晚期患者的 5 年生存率却骤降至 20% 以下，巨大的差距凸显早期诊断的关键意义。
传统的肺癌检测主要依赖医生人工阅片，医生需在大量的肺部 CT 影像中仔细甄别肺结节等病变。然而，这一方式存在诸多痛点。一方面，人工阅片效率低下，一名经验丰富的医生每天也只能处理数十例影像，面对日益增长的体检和筛查需求，可谓杯水车薪；另一方面，人工诊断高度依赖医生个人经验和专业水平，不同医生对同一影像的判断可能存在差异，主观性强。同时，对于直径小于 5 毫米的微小结节，由于其在影像上表现不明显，漏诊率高达 30% - 40%，严重影响肺癌的早期发现与干预。
1.2 计算机视觉：打开肺癌智能检测的新大门
在医疗科技飞速发展的时代，计算机视觉技术犹如一颗璀璨新星，为肺癌检测带来了新的曙光。计算机视觉旨在模拟人类视觉系统，让计算机具备对图像和视频的理解、分析与处理能力。在肺癌检测领域，它聚焦于肺部 CT 等医学影像，通过一系列复杂而精妙的算法，实现对影像中肺结节的精准定位、大小测量以及良恶性判断。
以卷积神经网络（CNN）为代表的深度学习算法，是计算机视觉在肺癌检测中的核心技术支撑。CNN 能够自动学习肺部影像中的多层次特征，从简单的边缘、纹理，到复杂的结节形态、结构。通过对海量标注影像数据的学习，模型可以不断优化参数，提升对肺结节的识别准确率。例如，当输入一张肺部 CT 影像时，CNN 模型会逐层分析影像信息，快速定位出可能存在的结节区域，并根据学习到的特征模式，给出结节为良性或恶性的概率判断，为医生提供极具价值的诊断参考。
计算机视觉技术的引入，有望打破传统肺癌检测的效率与准确性瓶颈。它不仅能够实现肺癌筛查的自动化，大幅提升检测效率，还能借助标准化的算法流程，减少人为因素导致的误差，为肺癌早筛提供更可靠、更稳定的技术保障，开启肺癌智能检测的全新时代。
二、技术解码：计算机视觉如何 “看懂” 肺部影像？
计算机视觉在肺癌检测领域的神奇表现，离不开其背后一系列复杂而精妙的技术支撑。从对肺部影像的初步处理，到关键特征的提取、精准分割以及智能分类，每一个环节都蕴含着前沿科技的智慧，共同构建起肺癌智能检测的技术大厦。
2.1 核心技术底座：从图像预处理到特征提取
2.1.1 图像预处理：为影像 “去噪焕新”
肺部 CT 影像在采集过程中，不可避免地会受到各种因素干扰，产生噪声、光照不均等问题，这些 “瑕疵” 如同迷雾，严重影响后续的分析精度。图像预处理便成为了揭开迷雾的关键第一步。
去噪是预处理环节的重要任务之一。高斯滤波是常用的去噪手段，它基于高斯分布原理，通过对图像中每个像素及其邻域像素进行加权平均，有效平滑图像，去除高频噪声 。以一幅含有椒盐噪声的肺部 CT 图像为例，经过高斯滤波处理后，噪声点明显减少，图像变得更加平滑，肺部的轮廓也更加清晰。中值滤波同样表现出色，它将像素邻域内的像素值进行排序，取中间值作为该像素的新值，对于去除椒盐噪声这类离散型噪声效果显著，能够很好地保留图像的边缘信息，避免在去噪过程中丢失关键细节。
对比度增强也是不可或缺的步骤。直方图均衡化技术通过重新分配图像的灰度值，拉伸图像的灰度范围，使图像的细节更加突出。在一些肺部 CT 影像中，由于不同组织间的灰度差异较小，导致病灶难以分辨。经过直方图均衡化处理后，肺部组织与周围背景的对比度增强，原本模糊的病灶边界变得清晰可见，为医生的诊断提供了更直观的信息。
归一化操作则是将图像的像素值统一映射到一个特定的范围，如 [0, 1] 或 [-1, 1]。这不仅消除了不同设备采集图像时因参数差异导致的像素值不一致问题，还能加快后续算法的收敛速度，提升模型的训练效率与稳定性。在深度学习模型训练中，归一化后的图像数据能够使模型更快地学习到图像特征，减少训练时间，提高模型的泛化能力。
Matlab 等专业图像处理工具为优化预处理方案提供了强大支持。在 Matlab 的图像处理工具箱中，集成了丰富的函数和算法，研究人员可以通过调整参数、组合不同的预处理方法，对肺部 CT 图像进行反复试验与优化，找到最适合的预处理流程，为后续的肺癌检测分析奠定坚实的数据基础。
2.1.2 特征提取：捕捉肺癌的 “视觉指纹”
经过预处理的肺部影像，宛如一座蕴含丰富宝藏的矿山，而特征提取就是从中挖掘出肺癌病灶关键特征的 “淘金术”。这些特征如同肺癌的 “视觉指纹”，是判断肺部是否存在病变以及病变性质的关键线索。
形态学特征是最直观的特征之一。结节的大小是重要的判断依据，通常，直径大于 8 毫米的结节恶性概率相对较高；结节的形状也暗藏玄机，良性结节多呈圆形或椭圆形，边界清晰，而恶性结节则可能形状不规则，有分叶、毛刺等特征 。边缘特征同样不容忽视，恶性结节的边缘往往模糊、不连续，呈现出浸润性生长的态势，而良性结节的边缘较为光滑、锐利。
纹理特征则从微观层面揭示了肺结节的内部结构信息。它反映的是图像中灰度分布的规律，不同性质的肺结节具有不同的纹理特征。良性结节的纹理通常较为均匀，灰度变化平缓；而恶性结节的纹理则更加复杂，灰度分布不均，可能存在条索状、斑片状等异常纹理。通过灰度共生矩阵等方法，可以定量地提取纹理特征，如对比度、相关性、能量和熵等参数，这些参数能够更精确地描述结节的纹理特性，为肺癌的诊断提供客观的数据支持。
传统的特征提取方法依赖人工设计特征，不仅效率低下，而且难以捕捉到复杂的图像特征。深度学习算法的出现，为特征提取带来了革命性的变化。以卷积神经网络（CNN）为代表的深度学习模型，具备强大的自动特征学习能力。CNN 通过多层卷积层和池化层的组合，能够自动从肺部影像中提取从低级到高级、从简单到复杂的特征。在早期的卷积层中，模型主要学习图像的边缘、线条等简单特征；随着层数的加深，逐渐学习到结节的形状、纹理等复杂特征，最终实现对肺结节的精准识别与分类，突破了人工设计特征的局限性，大大提升了肺癌检测的准确性与效率。
2.2 关键分割技术：分水岭算法的精准 “划界”
2.2.1 分水岭算法的原理与优势
在肺癌检测中，准确分割出肺结节所在区域是至关重要的环节，它直接关系到后续对结节特征的分析与诊断。分水岭算法作为一种基于拓扑理论的数学形态学分割方法，在肺部影像分割领域展现出独特的优势。
分水岭算法的核心思想是将肺部影像看作是一个三维的地形图，其中每个像素的灰度值代表该点的海拔高度。当我们模拟在这个地形图上浸水或降水的过程时，水会从海拔较高的区域流向海拔较低的区域，最终汇聚到局部极小值点，形成一个个 “集水盆”。而不同集水盆之间的边界，就构成了分水岭，这些分水岭恰好对应着图像中不同区域的边界，也就是我们想要分割的肺结节与周围正常组织的边界。
与传统的阈值分割方法相比，分水岭算法不需要预先设定固定的阈值，它能够根据图像的灰度分布自动确定分割边界，对于灰度变化复杂的肺部影像具有更好的适应性。阈值分割方法在处理灰度不均匀的肺部 CT 图像时，容易出现分割不准确的情况，可能会将部分正常组织误判为结节，或者遗漏部分结节区域。而分水岭算法能够充分考虑图像的局部特征和空间关系，更准确地识别出肺结节的边界。与边缘检测算法相比，分水岭算法不仅能够检测到明显的边缘，还能对微弱边缘做出响应，形成连续、封闭的轮廓，这对于完整分割肺结节至关重要。在实际的肺部影像中，肺结节的边缘并不总是清晰锐利的，有些结节的边缘较为模糊，传统的边缘检测算法可能无法准确捕捉这些微弱边缘，导致分割结果不完整。而分水岭算法通过模拟水流的汇聚过程，能够将这些微弱边缘连接起来，形成完整的分割轮廓，更贴合肺部组织复杂的立体结构特征。
2.2.2 标记分水岭算法：解决过度分割难题
然而，传统的分水岭算法并非完美无缺，它在实际应用中常常受到噪声和图像局部灰度变化的影响，导致过度分割的问题。所谓过度分割，就是将原本属于同一目标的区域分割成多个小块，使得分割结果过于细碎，无法准确反映肺结节的真实形态。
为了解决这一难题，标记分水岭算法应运而生。该算法引入了内部标记和外部标记的概念。内部标记用于标记目标区域，也就是肺结节；外部标记则用于标记背景区域。通过准确设定这些标记，可以引导分水岭算法的分割过程，使其只在标记区域之间进行分割，从而避免对目标内部的过度分割。在处理肺部 CT 图像时，我们可以先通过一些预处理方法，如形态学操作、区域生长等，初步确定肺结节和背景的大致区域，然后将这些区域作为内部标记和外部标记输入到分水岭算法中。结合平滑滤波等预处理手段，进一步减少噪声对分割结果的影响。在进行标记之前，对图像进行高斯平滑滤波，去除图像中的高频噪声，使图像的灰度变化更加平缓，这样可以有效减少因噪声导致的局部极小值点，从而降低过度分割的风险。
通过引入标记和优化预处理过程，标记分水岭算法能够精准界定肺结节与正常组织的边界，大大提升了肺部分割的精度。在临床实践中，准确的肺部分割结果为医生提供了更清晰的影像信息，有助于他们更准确地评估肺结节的大小、形状、位置等特征，为肺癌的早期诊断和治疗方案制定提供有力支持。
2.3 智能分类模型：给肺结节 “判读性质”
在完成对肺结节的特征提取和精准分割后，接下来的关键任务就是判断肺结节的性质，即区分其是良性还是恶性。这一过程犹如一场紧张的 “诊断考试”，而智能分类模型则是这场考试中的 “超级判卷官”。
基于提取的形态学、纹理等特征，研究人员构建了各种机器学习和深度学习分类器。支持向量机（SVM）是一种经典的机器学习分类算法，它通过寻找一个最优的分类超平面，将不同类别的样本分隔开来。在肺结节分类中，SVM 能够根据结节的特征向量，准确判断其属于良性还是恶性。随机森林则是通过构建多个决策树，并将它们的预测结果进行综合，来提高分类的准确性和稳定性。每棵决策树都基于不同的样本子集和特征子集进行训练，这样可以充分利用数据的多样性，减少过拟合的风险。
深度学习领域的卷积神经网络（CNN）在肺结节分类任务中更是表现卓越。CNN 通过多层卷积和池化操作，自动学习肺结节的深层次特征，能够捕捉到传统方法难以发现的细微差异。在一些先进的 CNN 模型中，还引入了注意力机制，使模型能够更加关注结节的关键区域，进一步提升分类的准确性。研究人员利用 LUNA16 等公开的肺部影像数据集对这些分类模型进行训练和验证。LUNA16 数据集包含了大量标注好的肺部 CT 影像，其中明确标记了肺结节的位置和性质，为模型的训练提供了丰富而准确的数据支持。通过在这些数据集上的反复训练和优化，部分模型在肺结节良恶性判别的准确率上可达到 95% - 97%，展现出强大的诊断能力。
这些智能分类模型的出现，为肺癌的早期诊断提供了高效、准确的辅助工具。医生在面对复杂的肺部影像时，可以借助这些模型的判断结果，更快速、更准确地做出诊断决策，为患者争取宝贵的治疗时间，提高肺癌的治愈率和患者的生存率。
⛳️ 运行结果
Image
📣 部分代码
peningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)
% This function has no output args, see OutputFcn.
% hObject handle to figure
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
% varargin command line arguments to main (see VARARGIN)
% Choose default command line output for main
handles.output = hObject;
% Update handles structure
guidata(hObject, handles);
% UIWAIT makes main wait for user response (see UIRESUME)
% uiwait(handles.figure1);
% --- Outputs from this function are returned to the command line.
function varargout = main_OutputFcn(hObject, eventdata, handles)
% varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT);
% hObject handle to figure
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
% Get default command line output from handles structure
varargout{1} = handles.output;
% --- Executes on button press in pushbutton1.
function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to pushbutton1 (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
global I
clc
[filename, pathname] = uigetfile('*.jpg', 'Pick an Image');
if isequal(filename,0) | isequal(pathname,0)
🔗 参考文献
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