CN108846327B - 一种色素痣与黑素瘤的智能判别系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种色素痣与黑素瘤的智能判别系统及方法:首先,将样本库中待训练色素痣与黑素瘤的病理照片在不同倍数下进行提取、分类,并处理为标准化像素矩阵作为训练样本;其次,分别搭建不同倍数下的多层网络化训练模型针对不同类别、不同倍数下的色素痣与黑素瘤训练样本进行在线智能学习及对多层网络化训练模型的优化,以达到预期的训练精度;最后,将多个训练好的网络化训练模型与不同倍数下的色素痣与黑素瘤训练样本权重进行融合,构建不同倍数下色素痣与黑素瘤的智能判别方法;本发明具有智能性强、精确度高的特点,提高了色素痣与黑素瘤的自主判别效率及精度,大大节省了人工成本。
Description
技术领域
本发明涉及人工智能领域,尤其涉及一种色素痣与黑素瘤的智能判别系统及方法。
背景技术
近年来,黑素瘤的发病率愈发增高,而色素痣与黑素瘤在外表上的相似性特征给皮肤科医师在临床诊断中带来了一定困难。传统的判别方法是根据经验医师通过对病理切片进行观察得到诊断结果,此方法虽然能够有效地解决临床的诊断问题,但是随着病人的增多,病理切片的数量也随之增多,有限的人力已经无法满足现在的就医问题。高强度的工作会给医生的临床诊断精度带来巨大影响,如何在现有的基础上,结合医师的经验并大大解放亲力亲为的状态,是亟需解决的一个关键问题。伴随着计算机技术的飞速发展,人工智能领域正处在蓬勃发展的时期。借助人工智能技术的自主性高、智能性强的优点,人脸检测、车牌识别、无人机等系统已经成为炙手可热的研究领域。现有文献所采用的技术大多通过化学实验与人工阅片的方式对病理图像进行处理与判别,近年来有相关研究利用计算机技术进行疾病的判别,如发表于《甘肃科技》杂志的“判别分析方法在疾病诊断中的应用”,其中采用Bayes判别法和马氏距离对疾病进行分类,但是对于黑素痣与黑素瘤的判别不仅不具有针对性,而且缺乏对数据样本的在线学习能力,在判别效率上存在极大的提升空间。亟需找到一个高效、准确的黑素痣与黑素瘤判别方法。
发明内容
本发明的技术解决问题是:针对色素痣与黑素瘤的判别,提供一种智能自主判别方法,在保证判别准确度前提下,提升了判别的自主性,大大节省了人工成本。
本发明的技术解决方案为:
本发明的一种色素痣与黑素瘤的智能判别系统,包括:
输入模块,接收病理图像,发送至判别模块;
判别模块,接收所述病理图像,分类为色素痣或黑素瘤,将分类结果发送至输出模块;
输出模块,输出所述病理图像的所述分类结果;
所述判别模块,包括:
样本收集与预处理模块,收集若干色素痣与黑素瘤的病理图像,在不同倍数下进行提取、分类,处理标准化像素矩阵作为不同倍数下的色素痣与黑素瘤训练样本;
模型训练模块,针对不同倍数下的色素痣与黑素瘤训练样本分别搭建不同倍数下的多层网络化训练模型,通过对样本图像数据的进行在线实时学习;根据输入样本图像的特征以及网络化模型的输出值迭代更新训练模型多层结构的连接权重,得到多个不同倍数下训练好的网络化训练模型;
模型融合模块,为多个不同倍数下训练好的网络化训练模型设定不同的可信度比重权重;将所述不同倍数下的色素痣与黑素瘤训练样本,利用不同倍数下训练好的网络化训练模型进行分类,得到不同的色素痣与黑素瘤分类概率结果;将不同的所述可信度比重权重与所述色素痣与黑素瘤分类概率结果进行融合,得到不同倍数下色素痣与黑素瘤的判别模型。
所述样本收集与预处理模块中所述不同倍数为20倍、100倍和400倍。此三个倍数是经过反复试验得出的判别倍数。在临床样本图像检测的过程中,色素痣与黑素瘤在这三个倍数下的性状特征具有比较明显的特征区别。
所述样本收集与预处理模块中所述标准化像素矩阵为标准化n*n像素的0~255灰度图像矩阵,n代表标准化图像的行或列像素个数。
所述模型训练模块中所述多层网络化训练模型为α层网络化训练模型,其中α≥3,包括输入层、输出层与至少一个中间层;所述输入层、所述中间层与所述输出层各层由n1,n2,n3个神经元组成,所述神经元包含赋权函数,每个所述神经元接收上一层所述神经元的输出值、通过所述神经元的赋权函数计算输出值、传递输出值到下一层的神经元中。
所述模型训练模块中所述训练模型为BP神经网络、卷积神经网络或径向基神经网络。
所述模型融合模块中20倍数下所述训练好的网络化训练模型的所述设定权重为0.3,100倍数下所述训练好的网络化训练模型的所述设定权重为0.3,400倍数下所述训练好的网络化训练模型的所述设定权重为0.4。
本发明的一种色素痣与黑素瘤的智能判别方法,包括以下步骤:
(1)收集若干色素痣与黑素瘤的病理图像,在不同倍数下进行提取、分类,处理标准化像素矩阵作为得到不同倍数下的色素痣与黑素瘤训练样本;
(2)针对不同倍数下的色素痣与黑素瘤训练样本分别搭建不同倍数下的多层网络化训练模型进行在线实时学习;根据输入样本图像的特征以及网络化模型的输出值迭代更新训练模型多层结构的连接权重,得到多个不同倍数下训练好的网络化训练模型;
(3)为多个不同倍数下训练好的网络化训练模型设定不同的可信度比重权重;将所述不同倍数下的色素痣与黑素瘤训练样本,利用不同倍数下训练好的网络化训练模型进行分类,得到不同的色素痣与黑素瘤分类概率结果;将不同的所述可信度比重权重与所述色素痣与黑素瘤分类概率结果进行融合,得到不同倍数下色素痣与黑素瘤的判别模型,用于色素痣与黑素瘤的智能判别。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)本发明色素痣与黑素瘤的智能判别方法针对色素痣与黑素瘤的判别问题,对不同倍数下的样本照片进行标准化,进而通过搭建智能在线学习分层网络,利用训练样本对网络进行优化;基于病理样本在不同放大倍数下特征不同的特质,利用不同放大倍数下的判别概率与可信程度相融合,将人工经验与电脑计算相结合,从而保证色素痣与黑素瘤的判别准确度;
(2)网络化训练模型通过对样本图像进行在线学习,自主调整模型连接权值以及结构,优化网络化模型配置,实现对学习样本特征智能化、自主化学习,同时结合新样本数据,更新已有的网络化训练模型。
(3)传统基于皮肤病诊断专家经验的人工阅片方式虽然也能取得较高的判别精度,但是不仅需要耗费大量的时间,在病理图片数据量快速增长的情况下,人工成本也极具增加。本方法通过人工智能方法,利用算法程序模拟疾病判别流程,为高效病理诊断分类提供了一条解决途径,大大降低了人工成本,并节省了时间。
附图说明
图1为本发明一种色素痣与黑素瘤的智能判别系统及方法流程图;
图2为色素痣与黑素瘤的智能判别方法多层网络模型图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示,本发明一种具有智能性强、精确度高的色素痣与黑素瘤的智能判别方法,包括以下步骤:首先,将样本库中待训练色素痣与黑素瘤的病理照片在不同倍数下进行提取、分类,并处理为标准化像素矩阵作为训练样本;其次,分别搭建不同倍数下的多层网络化训练模型针对不同类别、不同倍数下的色素痣与黑素瘤训练样本进行在线智能学习及对多层网络化训练模型的优化,以达到预期的训练精度;最后,将多个训练好的网络化训练模型与不同倍数下的色素痣与黑素瘤训练样本权重进行融合,构建不同倍数下色素痣与黑素瘤的智能判别系统以及判别方法。
具体实现步骤如下:
第一步,将色素痣与黑素瘤的病理照片在不同倍数下进行提取、分类,并处理为标准化50*50像素的0~255灰度图像矩阵作为训练样本;将每个灰度图像矩阵转化为250*1的列向量,并将对应的训练样本类别设置为0或1,与像素列向量进行配对。
第二步,根据临床样本图像检测的过程中,色素痣与黑素瘤在x20、x100、x400这三个倍数下的性状特征具有比较明显的特征区别。如x20倍数下,色素痣与黑素瘤的宏观形状与颜色比较明显,可以作为区分色素痣与黑素瘤的依据之一;x100倍数下,色素痣细胞、黑素瘤细胞与周围细胞的分布情况比较明显,可以作为区分色素痣与黑素瘤的依据之一;x400倍数下,色素痣细胞与黑素瘤细胞被放大程度较大,质壁状态区别比较明显,可以作为区分色素痣与黑素瘤的依据之一。
分别搭建x20、x100、x400倍数下的3层网络化训练模型,其中包括输入层、中间层和输出层,如图2中依次由从左至右第一个虚线框、第二个虚线框、第三个虚线框表示;训练模型可以由卷积神经网络、径向基神经网络与BP神经网络等构成,这里主要以BP神经网络构成为例。训练模型中每层网络由n1、n2、n3个神经元组成,如图2中第一个虚线框内为n1个、第二个虚线框内为n2个、第三个虚线框内为n3个(考虑硬件性能以及计算复杂度,这里取n1=5,n2=10,n1=3)每个神经元包含有三个部分功能:接收上一层神经元的输出信号、通过神经元所赋权函数计算输出值、输出计算值到下一层的神经元中。针对在第一步标准化的x20、x100、x400倍数下的色素痣与黑素瘤训练样本分别设计BP神经网络Σ1、Σ2、Σ3。利用Σ1对x20倍数下色素痣和黑素瘤的训练样本和进行在线智能学习及训练,取输入层到中间层的权重为ωij 1,中间层到输出层的权重为ωjk 1,权函数为Sigmoid函数其中x为图2中的输入变量xi,i=1,2,...,n。那么,中间层的输出为Hj 1,输出层的输出为Ok 1,其中Ok 1为图2中的输出变量Oj,j=1,2,...n。通过Ok 1与期望输出间的误差调整中间层与输出层的权重,使得误差降低到指定精度下。精度的设置需要考虑到解算时间与精度两个方面,精度太高,会导致解算时间过长,精度过低会导致样本匹配精度过低,无法满足预期要求,根据大量反复试验取10-4;同样地,利用Σ2对x100倍数下色素痣和黑素瘤的训练样本和进行在线智能学习及训练,取输入层到中间层的权重为ωij 2,中间层到输出层的权重为ωjk 2,权函数为Sigmoid函数那么,中间层的输出为Hj 2,输出层的输出为Ok 2,通过Ok 2与期望输出间的误差调整中间层与输出层的权重,使得误差降低到指定精度下。精度的设置需要考虑到解算时间与精度两个方面,精度太高,会导致解算时间过长,精度过低会导致样本匹配精度过低,无法满足预期要求,根据经验这里取10-4;利用Σ3对x400倍数下色素痣和黑素瘤的训练样本和进行在线智能学习及训练,取输入层到中间层的权重为ωij 3,中间层到输出层的权重为ωjk 3,权函数为Sigmoid函数那么,中间层的输出为Hj 3,输出层的输出为Ok 3,通过Ok 3与期望输出间的误差调整中间层与输出层的权重,使得误差降低到指定精度下。精度设置需要考虑到解算时间与精度两个方面,精度太高,会导致解算时间过长,精度过低会导致样本匹配精度过低,无法满足预期要求,根据经验这里取10-4。最终实现对学习样本特征智能化、自主化学习,同时结合新样本数据,更新已有的网络化训练模型。
第三步,根据临床经验,为x20、x100、x400倍数下放大得到的样本图像设定不同的可信度比重0.3、0.3、0.4,可信度比重可以根据具体情况实时调整,因为表示概率,所以只要三者加和为1即可;在不同放大倍数下,利用多层网络化训练模型对测试样本进行分类,得到分属色素痣与黑素瘤的概率结果p1、p2、p3;最终将不同倍数下的可信度比重与概率结果进行融合,构建色素痣与黑素瘤的智能判别方法,得到分类概率p=0.3p1+0.3p2+0.4p3,最终判断检测图像与色素痣或黑素瘤的相近程度,具体的,在x20倍数下放大的样本图像属于色素痣的概率p1=0.6,在x100倍数下放大的样本图像属于色素痣的概率p2=0.8,在x400倍数下放大的样本图像属于色素痣的概率p3=0.8,那么该样本属于色素痣的概率为p=0.3*0.6+0.3*0.8+0.4*0.8=0.74,属于黑素瘤的概率为0.26,则判定该样本为色素痣的样本。通过人工智能方法,利用算法程序模拟疾病判别流程,为高效病理诊断分类提供了一条解决途径,大大降低了人工成本,并节省了时间。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种色素痣与黑素瘤的智能判别系统,其特征在于,包括:
输入模块,接收病理图像,发送至判别模块;
判别模块,接收所述病理图像,分类为色素痣或黑素瘤,将分类结果发送至输出模块;
输出模块,输出所述病理图像的所述分类结果;
所述判别模块,包括:
样本收集与预处理模块,收集若干色素痣与黑素瘤的病理图像,在不同倍数下进行提取、分类,处理标准化像素矩阵作为不同倍数下的色素痣与黑素瘤训练样本;
模型训练模块,针对不同倍数下的色素痣与黑素瘤训练样本分别搭建不同倍数下的多层网络化训练模型,通过对样本图像数据进行在线实时学习;根据输入样本图像的特征以及网络化模型的输出值迭代更新训练模型多层结构的连接权重,得到多个不同倍数下训练好的网络化训练模型;
模型融合模块,为多个不同倍数下训练好的网络化训练模型设定不同的可信度比重权重;将所述不同倍数下的色素痣与黑素瘤训练样本,利用不同倍数下训练好的网络化训练模型进行分类,得到不同的色素痣与黑素瘤分类概率结果;将不同的所述可信度比重权重与所述色素痣与黑素瘤分类概率结果进行融合,得到不同倍数下色素痣与黑素瘤的判别模型。
2.根据权利要求1所述的色素痣与黑素瘤的智能判别系统,其特征在于:所述样本收集与预处理模块中所述不同倍数为20倍、100倍和400倍。
3.根据权利要求1所述的色素痣与黑素瘤的智能判别系统,其特征在于:所述样本收集与预处理模块中所述标准化像素矩阵为标准化n*n像素的0~255灰度图像矩阵,n代表标准化图像的行或列像素个数。
4.根据权利要求1所述的色素痣与黑素瘤的智能判别系统,其特征在于:所述模型训练模块中所述多层网络化训练模型为α层网络化训练模型,其中α≥3,包括输入层、输出层与至少一个中间层;所述输入层、所述中间层与所述输出层各层由n1,n2,n3个神经元组成,所述神经元包含赋权函数,每个所述神经元接收上一层所述神经元的输出值、通过所述神经元的赋权函数计算输出值、传递输出值到下一层的神经元中。
5.根据权利要求1或3所述的色素痣与黑素瘤的智能判别系统,其特征在于:所述模型训练模块中所述训练模型为BP神经网络、卷积神经网络或径向基神经网络。
6.根据权利要求2所述的色素痣与黑素瘤的智能判别系统,其特征在于:所述模型融合模块中20倍数下所述训练好的网络化训练模型的所述设定权重为0.3,100倍数下所述训练好的网络化训练模型的所述设定权重为0.3,400倍数下所述训练好的网络化训练模型的所述设定权重为0.4。
7.一种色素痣与黑素瘤的智能判别方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)收集若干色素痣与黑素瘤的病理图像,在不同倍数下进行提取、分类,处理标准化像素矩阵作为得到不同倍数下的色素痣与黑素瘤训练样本;
(2)针对不同倍数下的色素痣与黑素瘤训练样本分别搭建不同倍数下的多层网络化训练模型进行在线实时学习;根据输入样本图像的特征以及网络化模型的输出值迭代更新训练模型多层结构的连接权重,得到多个不同倍数下训练好的网络化训练模型;
(3)为多个不同倍数下训练好的网络化训练模型设定不同的可信度比重权重;将所述不同倍数下的色素痣与黑素瘤训练样本,利用不同倍数下训练好的网络化训练模型进行分类,得到不同的色素痣与黑素瘤分类概率结果;将不同的所述可信度比重权重与所述色素痣与黑素瘤分类概率结果进行融合,得到不同倍数下色素痣与黑素瘤的判别模型,用于色素痣与黑素瘤的智能判别。
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