CN109493330A - 一种基于多任务学习的细胞核实例分割方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于计算机视觉、医学图像处理领域,具体为一种基于多任务学习的细胞核实例分割方法。该方法包括:构建多分支神经网络;多任务联合训练;多分支联合预测。本发明有效地解决了细胞核实例分割中的错漏问题,提高了细胞核实例分割的准确率。
Description
技术领域
本发明属于计算机视觉,深度学习,医学图像处理领域,具体为一种基于多任务学习的细胞核实例分割方法。
背景技术
细胞实例分割是细胞跟踪、细胞分裂检测的基础,在医学图像处理、分析领域占据重要的地位。与细胞分割不同,细胞实例分割不仅要求识别图像中每个像素点的类别,还要求不同细胞之间不能有重叠。细胞图像中,细胞经常发生粘连,如何将粘连在一起的不同细胞实例区分开来是极具挑战性的课题。
近年来,深度学习在图像处理领域发挥着日益重要的作用。细胞核实例分割的一种方法是,利用全卷积网络(FCN)等语义分割网络生成二进制掩码,再利用分水岭算法等后处理方法将重叠的掩码分开,这种方法往往准确率较低。另外一种典型的实例分割方法是Mask-RCNN,这种方法把目标检测任务和语义分割任务结合到一起,能够高效地解决实例重叠问题。Mask-RCNN在自然图像领域取得了很大的成功,但是应用在细胞实例分割中往往会漏掉部分细胞。这是因为Mask-RCNN在测试阶段,先生成目标检测框,再对检测框里的每一个实例进行分割,一些比较小或者比较模糊的细胞实例在目标检测过程中就被漏掉了。我们提出了一种基于多任务学习的细胞核实例分割方法,能够有效地解决实例分割中的错漏问题,提高了细胞核实例分割的准确率。
发明内容
针对上述存在问题或不足,为了减少细胞实例分割中的错漏问题,本发明提出了一种基于多任务学习的细胞核实例分割方法。
本发明采用的技术方案是:
(1)构建多分支神经网络,包括特征提取网络、区域提议网络(RPN)、感兴趣区域层(ROI)、边框分支、掩码分支、全局掩码分支。
(2)包括区域提议网络(RPN)、边框分支、掩码分支、全局掩码分支的多任务联合训练。
(3)利用多分支进行联合预测,在全局掩码分支的分割结果上对重叠实例进行二次预测。
所述步骤(1)中的多分支神经网络具体包括:
(11)所述特征提取网络为去掉全连接层的ResNet50,特征提取网络最后一层的输出作为feature-map。
(12)所述区域提议网络(RPN)包括两条分支,边框回归分支和边框分类分支,输入为(11)中特征提取网络生成的feature-map,输出为边框的偏移量和边框所属类别的概率,利用边框的偏移量修正初始边框的坐标,利用边框所属类别的概率筛选出概率较大的边框,删除超出原图边界的边框,通过非极大值抑制删除重叠度较大的边框后按边框所属类别的概率由大到小排序,取前N个边框得到候选边框。
(13)所述感兴趣区域层(ROI),输入为(11)中特征提取网络生成的feature-map和(12)中区域提议网络(RPN)生成的候选边框,输出为固定长宽为7*7的采样特征。
(14)所述边框分支包括边框回归和边框分类,输入为(13)中感兴趣区域层(ROI)生成的固定长宽的采样特征,输出为边框的偏移量和边框所属类别的概率,利用边框的偏移量进一步修正初始边框的坐标,利用边框所属类别的概率筛选出概率较大的边框,删除超出原图边界的边框,通过非极大值抑制删除重叠度较大的边框后按边框所属类别的概率由大到小排序,取前n个边框得到前景边框。
(15)所述掩码分支,是对(13)中感兴趣区域层(ROI)生成的固定长宽的采样特征进行逐像素分类,得到语义分割掩码。
(16)所述全局掩码分支,是对(11)中特征提取网络生成的feature-map进行两倍上采样,与(11)中ResNet50的第四个block的输出相加,其和经过两倍上采样与第三个block的输出相加,其和经过两倍上采样与第二个block的输出相加,最后再上采样到特征提取网络的输入尺寸,通过逐像素分类得到整张输入图片的语义分割掩码。
所述步骤(2)中的多任务联合训练具体包括:
(21)按不同长宽比和不同尺寸在每个像素点上生成k种初始化边框。
(22)使用随机梯度下降法进行训练,Lrpn_cls为区域提议网络的边框分类损失,Lrpn_reg为区域提议网络的边框回归损失,Lbox_cls为边框分支的分类损失,Lbox_reg为边框分支的回归损失,Lmask为掩码分支的逐像素分类损失,Lglobal_mask为全局掩码分支的逐像素分类损失,Ltotal为总损失,采用的损失函数计算公式如下:
Ltotal=Lrpn_cls+Lrpn_reg+Lbox_cls+Lbox_reg+Lmask+Lglobal_mask
Lglobal_mask=cross_entropy-log(jaccard_approximation)
cross_entropy=-∑(ytruelogypred+(1-ytrue)log(1-ypred))
所述步骤(3)中的多分支进行联合预测具体包括:
(31)将待测试图片输入网络,全局掩码分支输出的逐像素分类结果记为掩码A,边框分支输出的一组前景边框记为B,掩码分支输出的一组掩码记为C。
(32)提取掩码A中的连通区域,删除掉面积较小的部分,遍历剩下的连通区域,若B中与当前连通区域相交的前景边框不只一个,则删掉当前连通区域,用C中对应区域的掩码替代。
本发明的有益效果是:
本发明提出了一种基于多任务学习的细胞核实例分割方法,先利用全局掩码分支进行预测,预测结果中重叠的细胞核再利用边框分支和掩码分支进行修正,这样就避免了Mask-RCNN方法中一些比较小或者比较模糊的细胞实例在目标检测过程中就被漏掉了的问题,有效地解决了实例分割中的错漏问题,提高了细胞核实例分割的准确率。
附图说明
图1是待预测的细胞图像
图2是多分支联合预测的实例分割结果
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细描述。
本发明公开了一种基于多任务学习的细胞核实例分割方法,具体实施步骤包括:
(1)构建多分支神经网络,包括特征提取网络、区域提议网络(RPN)、感兴趣区域层(ROI)、边框分支、掩码分支、全局掩码分支。
(2)包括区域提议网络(RPN)、边框分支、掩码分支、全局掩码分支的多任务联合训练。
(3)利用多分支进行联合预测,在全局掩码分支的分割结果上对重叠实例进行二次预测。
所述步骤(1)中的多分支神经网络具体包括:
(11)所述特征提取网络为去掉全连接层的ResNet50,特征提取网络最后一层的输出作为feature-map。
(12)所述区域提议网络(RPN)包括两条分支,边框回归分支和边框分类分支,输入为(11)中特征提取网络生成的feature-map,输出为边框的偏移量和边框所属类别的概率,利用边框的偏移量修正初始边框的坐标,利用边框所属类别的概率筛选出概率较大的边框,删除超出原图边界的边框,通过非极大值抑制删除重叠度较大的边框后按边框所属类别的概率由大到小排序,取前N个边框得到候选边框。
(13)所述感兴趣区域层(ROI),输入为(11)中特征提取网络生成的feature-map和(12)中区域提议网络(RPN)生成的候选边框,输出为固定长宽为7*7的采样特征。
(14)所述边框分支包括边框回归和边框分类,输入为(13)中感兴趣区域层(ROI)生成的固定长宽的采样特征,输出为边框的偏移量和边框所属类别的概率,利用边框的偏移量进一步修正初始边框的坐标,利用边框所属类别的概率筛选出概率较大的边框,删除超出原图边界的边框,通过非极大值抑制删除重叠度较大的边框后按边框所属类别的概率由大到小排序,取前n个边框得到前景边框。
(15)所述掩码分支,是对(13)中感兴趣区域层(ROI)生成的固定长宽的采样特征进行逐像素分类,得到语义分割掩码。
(16)所述全局掩码分支,是对(11)中特征提取网络生成的feature-map进行两倍上采样,与(11)中ResNet50的第四个block的输出相加,其和经过两倍上采样与第三个block的输出相加,其和经过两倍上采样与第二个block的输出相加,最后再上采样到特征提取网络的输入尺寸,通过逐像素分类得到整张输入图片的语义分割掩码。
所述步骤(2)中的多任务联合训练具体包括:
(21)按不同长宽比和不同尺寸在每个像素点上生成k种初始化边框。
(22)使用随机梯度下降法进行训练,Lrpn_cls为区域提议网络的边框分类损失,Lrpn_reg为区域提议网络的边框回归损失,Lbox_cls为边框分支的分类损失,Lbox_reg为边框分支的回归损失,Lmask为掩码分支的逐像素分类损失,Lglobal_mask为全局掩码分支的逐像素分类损失,Ltotal为总损失,采用的损失函数计算公式如下:
Ltotal=Lrpn_cls+Lrpn_reg+Lbox_cls+Lbox_reg+Lmask+Lglobal_mask
Lglobal_mask=cross_entropy-log(jaccard_approximation)
cross_entropy=-∑(ytruelogypred+(1-ytrue)log(1-ypred))
所述步骤(3)中的多分支进行联合预测具体包括:
(31)将待测试图片输入网络,全局掩码分支输出的逐像素分类结果记为掩码A,边框分支输出的一组前景边框记为B,掩码分支输出的一组掩码记为C。
(32)提取掩码A中的连通区域,删除掉面积较小的部分,遍历剩下的连通区域,若B中与当前连通区域相交的前景边框不只一个,则删掉当前连通区域,用C中对应区域的掩码替代。
待预测的细胞图像如图1所示,多分支联合预测的实例分割结果如图2所示。实验结果表明,本发明能有效地解决细胞核实例分割中的错漏问题,提高细胞核实例分割的准确率。
Claims (4)
1.一种基于多任务学习的细胞核实例分割方法,其特征在于,所述方法包括:
(1)构建多分支神经网络,包括特征提取网络、区域提议网络(RPN)、感兴趣区域层(ROI)、边框分支、掩码分支、全局掩码分支;
(2)包括区域提议网络(RPN)、边框分支、掩码分支、全局掩码分支的多任务联合训练;
(3)利用多分支进行联合预测,在全局掩码分支的分割结果上对重叠实例进行二次预测。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(1)中具体包括:
(11)所述特征提取网络为去掉全连接层的ResNet50,特征提取网络最后一层的输出作为feature-map;
(12)所述区域提议网络(RPN)包括两条分支,边框回归分支和边框分类分支,输入为(11)中特征提取网络生成的feature-map,输出为边框的偏移量和边框所属类别的概率,利用边框的偏移量修正初始边框的坐标,利用边框所属类别的概率筛选出概率较大的边框,删除超出原图边界的边框,通过非极大值抑制删除重叠度较大的边框后按边框所属类别的概率由大到小排序,取前N个边框得到候选边框;
(13)所述感兴趣区域层(ROI),输入为(11)中特征提取网络生成的feature-map和(12)中区域提议网络(RPN)生成的候选边框,输出为固定长宽为7*7的采样特征;
(14)所述边框分支包括边框回归和边框分类,输入为(13)中感兴趣区域层(ROI)生成的固定长宽的采样特征,输出为边框的偏移量和边框所属类别的概率,利用边框的偏移量进一步修正初始边框的坐标,利用边框所属类别的概率筛选出概率较大的边框,删除超出原图边界的边框,通过非极大值抑制删除重叠度较大的边框后按边框所属类别的概率由大到小排序,取前n个边框得到前景边框;
(15)所述掩码分支,是对(13)中感兴趣区域层(ROI)生成的固定长宽的采样特征进行逐像素分类,得到语义分割掩码;
(16)所述全局掩码分支,是对(11)中特征提取网络生成的feature-map进行两倍上采样,与(11)中ResNet50的第四个block的输出相加,其和经过两倍上采样与第三个block的输出相加,其和经过两倍上采样与第二个block的输出相加,最后再上采样到特征提取网络的输入尺寸,通过逐像素分类得到整张输入图片的语义分割掩码。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(2)中具体包括:
(21)按不同长宽比和不同尺寸在每个像素点上生成k种初始化边框;
(22)使用随机梯度下降法进行训练,Lrpn_cls为区域提议网络的边框分类损失,Lrpn_reg为区域提议网络的边框回归损失,Lbox_cls为边框分支的分类损失,Lbox_reg为边框分支的回归损失,Lmask为掩码分支的逐像素分类损失,Lglobal_mask为全局掩码分支的逐像素分类损失,Ltotal为总损失,采用的损失函数计算公式如下:
Ltotal=Lrpn_cls+Lrpn_reg+Lbox_cls+Lbox_reg+Lmask+Lglobal_mask
Lglobal_mask=cross_entropy-log(jaccard_approximation)
cross_entropy=-∑(ytruelogypred+(1-ytrue)log(1-ypred))
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(3)中具体包括:
(31)将待测试图片输入网络,全局掩码分支输出的逐像素分类结果记为掩码A,边框分支输出的一组前景边框记为B,掩码分支输出的一组掩码记为C;
(32)提取掩码A中的连通区域,删除掉面积较小的部分,遍历剩下的连通区域,若B中与当前连通区域相交的前景边框不只一个,则删掉当前连通区域,用C中对应区域的掩码替代。
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