基于条件生成对抗网络和约束规则的微血管树生成方法技术

本发明专利技术提供了一种基于条件生成对抗网络和约束规则的微血管树生成方法，该方法基于条件生成对抗网络，通过条件生成对抗网络建立的微血管树新生模型，利用上一级分叉弱化的条件来生成下一级分叉。该模式只需要给出入口分叉，逐级生长就能生成微血管树。同时在生长过程中加入了血管密度、分叉角度的优化条件，能够细致的对生长角度进行矫正，能够在生长过程中得到血管密度更均匀的微血管树，这也更符合了微血管网络在输送氧气及代谢营养物质过程的生理需求，使得生成的微血管树既符合了形态学特性也间接的符合了部分的生理学特性。

【技术实现步骤摘要】
基于条件生成对抗网络和约束规则的微血管树生成方法
本专利技术涉及一种基于条件生成对抗网络和约束规则的微血管树生成方法，属于生物医学领域。
技术介绍
血管新生(Angiogenesis)是血管网络发育的一个重要环节。是一个血管从无到有乃至在血流、新陈代谢，物质交换等一系生理需求的作用下生长发育为血管树及血管网络的过程，同时亦是为生物体进一步发育生长提供氧气和营养物质并排出代谢产物的一个重要过程。研究血管网络新生机制对诸多研究领域具有重要的意义。但是血管网络新生是涉及多时间尺度的生理过程，动物实验较难通过控制实验条件来同时观察较短和较长时程上的生理过程，且获得真实的微血管网络的过程较为困难和复杂。传统方法多基于统计和分形理论生成微血管树，所生成的微血管树具有较高的同质性，不能反映具有高度异质性的真实微血管树结构。因此，研究者尝试模拟生成微血管树结构。如何生成符合实际生理结构与拓扑特性的微血管树具有重要的研究价值。
技术实现思路
条件生成式对抗网络(CGAN)是对原始GAN的一个扩展，生成器和判别器都增加额外信息y为条件,y可以是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于条件生成对抗网络和约束规则的微血管树生成方法，其特征在于，包括以下步骤：/na.从血管网络中提取微血管分叉对，所述微血管分叉对为一组母系和子系血管分叉，所述子系血管分叉为母系血管分叉中的一分支为主分支的血管分叉。将所有母系和子系血管分叉共同的血管分支的管径和长度进行分类，并将每个共同的血管分支的分类信息作为对应子系血管分叉的母系血管分叉条件标签。将子系血管分叉数据与母系血管分叉条件标签组成真实样本，其中，子系血管分叉数据包括子系主分支节点坐标及管径信息、子系左分支节点坐标及管径信息、子系右分支节点坐标及管径信息。/nb.构造包含生成器和判别器的条件深度卷积生成对抗网络；其中，生成器...

【技术特征摘要】
1.一种基于条件生成对抗网络和约束规则的微血管树生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.从血管网络中提取微血管分叉对，所述微血管分叉对为一组母系和子系血管分叉，所述子系血管分叉为母系血管分叉中的一分支为主分支的血管分叉。将所有母系和子系血管分叉共同的血管分支的管径和长度进行分类，并将每个共同的血管分支的分类信息作为对应子系血管分叉的母系血管分叉条件标签。将子系血管分叉数据与母系血管分叉条件标签组成真实样本，其中，子系血管分叉数据包括子系主分支节点坐标及管径信息、子系左分支节点坐标及管径信息、子系右分支节点坐标及管径信息。
b.构造包含生成器和判别器的条件深度卷积生成对抗网络；其中，生成器采用深度卷积神经网络结构，输入为母系血管分叉条件标签和随机获取的均匀分布的噪声，输出为生成的一组多个子系血管分叉数据；判别器也采用深度卷积神经网络，用于区分输入数据是来自真实样本还是生成器生成的假样本，判别器的输入为该真实的母系微血管分叉条件标签对应的真实样本以及该真实的母系血管分叉条件标签和由生成器生成的子系血管分叉组合的假样本。
c.利用条件深度卷积生成对抗网络对带条件的真实样本进行训练，最后通过损失函数的博弈，获得能够通过上级母系血管分叉条件标签生成下级子系血管分叉的生成器模型；
d.根据步骤c中获得的训练好的生成器模型，逐级生成子系血管分叉同时进行微血管分叉树生长，具体包括如下子步骤：
d1获取1个主分支管径最大的微血管分叉作为待生成的血管树的入口分叉，即微血管树的第0级分叉，并把该入口分叉作为上级母系血管分叉；
d2将母系血管分叉的左、右分支按照血管管径值的大小排序，分叉生长顺序由粗到细。
d3先挑选出血管管径最粗的分支，并进行是否生长的判断，若此分支管径大于生长管径阈值，则可以生长，将该分支作为生长分支，并依据管径和长度进行分类，作为母系血管分叉条件标签，和噪声z级联后输入训练好的生成器，生成器运行O轮，获得包含O×P个子系血管分叉的子系血管分叉库，其中，P为生成器输出层的批尺寸。
d4计算步骤d3生成的子系血管分叉库中所有子系血管分叉主分支的管径D、分支长度L以及卷曲度T，并计算每个子系血管分叉主分支与该级母系血管分叉对应生长分支的管径D1、分支长度L1以及卷曲度T1的差异构成相似度差异集F：
F＝{F1,F2,F3,...,Fi,...,FI},Fi＝λ1(D1-Di)+λ2(L1-Li)+λ3(T1-Ti)
其中，i表示子系血管分叉库中子系血管分叉的索引，I＝O×P；λ1，λ2，λ3为加权系数，λ1+λ2+λ3＝1。
d5将d4得到的差异最小的子系血管分叉作为生长分叉并将该分叉主分支的端点平移至上一级母系血管分叉结点位置，然后以上一级母系血管分叉结点位置为原点，将子系血管分叉依照优化后的生长角度进行旋转，最后将母系血管分叉的生长分支替换为旋转后的子系血管分叉的主分支完成拼接。其中，优化后的生长角度通过如下方法进行优化矫正：
计算生长分支与x轴正半轴的夹角θa，并根据适合生长的方向角度的集合C进行判断：
若夹角θa在集合C的范围内，则该角度即为最终生长角度；若夹角θa不在集合C的范围内，则进行矫正直到矫正后的角度在集合C的范围内，矫正公式为：θr＝θa±random(30°～60°)
集合C表示为：C＝{(δ-60°，δ+60°)∩(ε-90°，ε+90°)}∪360°
其中，ε为母系血管分叉中的主分支与正半轴的夹角，δ为根据未生长前的初始微血管树图中，以生长结点旋转θa后为中心点提取的矩形ROI区域中血管密度分布的质心点与x轴正半轴的夹角。
d6对拼接后的微血管树的所有分支进行是否相交检测，若无相交则拼接的子系血管分叉为最终匹配生长的子系血管分叉，否则重新在步骤d3得到的子系分叉库中逐一选择差异递增的子系血管分叉，再重复d5步骤，直到生长的微血管树分叉之间不发生碰撞；
d7再将母系微血管分叉的生长分支替换为管径第二大的分支，重复d3-d6步骤完成基于此分支的微血管树子系血管分叉的生长，至此则完成第一级微血管树的生长过程。
d8将生长获得的子系血管分叉作为下一级微血管树生长的母系血管分叉，再重复d2-d7步骤完成下一级微血管树的生长，逐级生长，直至微血管树所有生长分支的管径小于设定的最小生长管径阈值，停止生长，获得完整的血管树。


2.根据权利要求1所述的一种基于条件生成对抗网络和约束规则的微血管树生成方法，其特征在于，所述步骤a具体包括以下子步骤：
a1从原始微血管网络中分离出微动脉树。在微动脉树数据的微血管分叉中挑选微血管分叉对。所述微血管分叉对为一组母系和子系血管分叉，其中，母系血管分叉数据包括母系血管分叉的母系主分支节点坐标及管径信息、母系...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘清，赖碧云，方路平，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33