基于可解释卷积神经网络的胚胎血管新生时间模式研究

作者：吕雪倩; 赵沈佳; 李佩伦; 方路平; 宁钢民; 潘清^*

来源：中国生物医学工程学报, 2020, 39(05): 524-531.

• 血管新生
• 卷积神经网络
• 鸡胚胎卵黄膜
• 梯度加权的类激活映射

理解血管网络新生的时间模式,有助于生物体发育机制研究和肿瘤等疾病的生理病理研究。提出以可解释卷积神经网络(CNN)研究鸡胚胎卵黄膜的血管新生时间模式的方法。基于CNN建立受精3 d后(3dpf)和4 d后(4dpf)的鸡胚胎血管网络图像的分类模型,以梯度加权的类激活映射(Grad-CAM)技术解释发育过程中血管网络形态拓扑的变化模式,并以此分类模型分析3dpf～4dpf之间血管新生的时间特性。实验共计观察17枚受精卵,结果显示最优模型区分3dpf与4dpf的血管图像的准确率达到98.62%。通过Grad-CAM技术对不同时期血管图像的特征进行可视化,发现3dpf～4dpf的发育过程主要表现为毛细血管网的生长发育。这些鸡胚胎卵黄膜在3dpf～4dpf时间段内,前12 h血管新生较为剧烈,随后趋于平稳。这些结果可为血管新生研究提供新的技术手段,并辅助血管新生机制、肿瘤发病机理和器官衰老过程等的相关研究。

• 单位
  浙江工业大学; 浙江大学