CN111938569A - 基于深度学习的眼底多病种分类的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于深度学习的眼底多病种分类的检测方法,包括:获取眼底图像,按照独立同分布的条件选取训练集和测试集;对眼底图像进行预处理和增强,提取眼底彩照图像特征;搭建基于EfficientNet+Attention Module的卷积神经网络模型,并调整网络结构;使用迁移学习方式初始化网络参数;基于提取的眼底特征,在训练集上利用深度学习中的反向梯度传播方式进行检测模型的训练,并微调检测模型的参数,最终得到能区分正常眼底、高度近视、青光眼、黄斑病变、静脉阻塞、糖尿病性视网膜病变、高血压性视网膜病和其他病变共八种分类的检测模型。本发明实现对眼底疾病患者的多病种自动检测,精度高,速度快。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于深度学习的眼底多病种分类的检测方法,属于医学图像处理领域。
背景技术
近年来,眼底多病种疾病发病率高,危害严重。眼底彩照检查是发现眼底疾病的最简便有效的方法,通过医生使用专业眼底照相机对眼底图像进行采集后进行人工的诊断。眼底检查需要眼底专业医生和检查设备,设备投入较高,医生培养困难,而基层医院和查体中心有大量存在需求的人群,问题十分严峻。即便是仪器和医生人数充足,诊断也十分依赖医生的个人状态和经验。因此随着深度学习的不断发展,通过人工智能来协助医疗的诊断,为医生提供眼底多病种疾病的诊断建议,提高诊断的效率及准确性越发受到人们关注。
目前基于深度学习算法的眼底病种诊断方法中,普遍为对单病种进行是否患病的判断,且一般工作都集中在如糖尿病视网膜病变等常见病种中。所存在的多病种诊断方法中,也存在模型复杂,检测效率低的不足。
发明内容
发明目的:本发明目的在于针对现有技术的不足,提供一种基于深度学习的眼底多病种分类的检测方法,实现对眼底疾病患者的多病种自动检测,精度高,速度快。
技术方案:本发明所述基于深度学习的眼底多病种分类的检测方法,包括如下步骤:
(1)获取眼底图像,构建用于分类器训练的数据集,并进行训练、验证集的划分;
(2)对所述眼底图像进行图像预处理,对图像进行归一化操作及数据增强操作;
(3)构建基于EfficientNet+Attention Module的眼底多病种分类器,根据分类要求进行网络结构的调整,使模型产生八种分类的概率结果;
(4)对眼底病种分类器,采用改进的BCEWithLogitsLoss损失函数,根据各眼底病种的不平衡数据对该损失函数进行权重的调节,采用two-phase训练方法对该分类器进行训练;
(5)根据构建好的模型,在训练集上利用深度学习中的反向传播机制进行模型的训练,训练过程中引入标签平滑操作,并微调检测模型的参数,最终得到眼底多病种的检测模型。
进一步完善上述技术方案,所述步骤(1)的具体操作包括:对所述眼底图像建立数据集,对不同病种:正常眼底、高度近视、青光眼、黄斑病变、静脉阻塞、糖尿病性视网膜病变、高血压性视网膜病和其他病变共八种分类按照“0-7”设立不同标签;设立标签后,按照9∶1的比例进行独立同分布的训练/验证集的划分。
进一步地,所述步骤(2)的具体操作包括:对图像统一缩放到224×224的大小;进行归一化的操作,将图像高斯模糊处理后与原始图像反向叠加,并将像素色彩均值移动到128,公式如下:
Ie(x,y)=αI(x,y)+βGaussion(x,y,ρ)*I(x,y)+γ
其中,设I为输入图像,*表示卷积操作,Gaussion(x,y,ρ)表示标准差为ρ的高斯滤波器,参数α,β,γ和ρ为经验参数,在本文中设置α=4,β=-4,γ=128和ρ=10。
归一化后,对图像进行数据增强操作,并将图像与其标签输入神经网络。
进一步地,所述步骤(2)中所述数据增强操作是指对每一张训练样本进行以下操作:以百分之五十的概率进行水平翻转;以百分之五十的概率进行转置;随机gamma变换,gamma值限制在(50,150)之间;以百分之五十的概率随机改变图片的HUE、饱和度和值;以百分之五十的概率进行平移旋转操作;在以下组合中任选一项进行操作:限制对比度直方图均衡(CLAHE)算法;图像锐化后与自身重叠(IAASharpen)的算法;对图像执行某一程度浮雕操作,通过某一通道将结果与图像融合(IAAEmboss)的算法;随机亮度与对比度调节;随机模糊与增加高斯噪声处理。
进一步地,所述步骤(3)的具体操作包括:对眼底多病种分类器采用EfficientNet-b0作为特征提取网络,网络将输出7×7×1280的特征图。通过AttentionModule加强特征图,将特征图输入Attention网络学习重要特征位置,将输出结果与原特征图相乘后产生加强特征图,对加强后的特征图与Attention网络输出结果池化并进行堆叠,输出Attention Module的结果。将该结果与原始特征图经过单层卷积产生的结果平均后输入八个节点的Softmax分类层,用以输出输入图像患各病种的概率。
进一步地,所述步骤(3)中Attention网络结构可表示为C256-C128-C64-C1-C256,Ck表示该卷积层中有k个卷积核,每个卷积核的大小为1×1;五个卷积层的步长均为1;每个卷积层后使用ReLU作为激活函数;输出结果与加强后特征图采用的池化方式均为Generalized-mean pooling,其中参数p=3。
进一步地,所述步骤(4)中对眼底多病种分类器的八种分类,根据每个病种的样本数量分别对BCEWithLogitsLoss损失函数的权重进行调整,训练样本越多的病种赋予更小的权重,降低该病种的损失值对模型的影响。训练后期采用two-phase训练方法,冻结所有参数,解冻模型尾端的全连接层,使用不带权重的BCEWithLogitsLoss损失函数进行训练,弥补该权重对数据分布产生的影响。
进一步地,所述步骤(5)中训练分类模型时,微调的模型参数的学习率、dropconnect率、drop out率等参数;对训练标签进行标签平滑操作,平滑系数设置为0.15。
有益效果:本发明公开了一种基于深度学习的眼底多病种分类的检测方法,对输入图像设计并训练了一个基于深度学习方法的八分类模型,该模型的流程主要由三个部分组成:基于EfficientNet的特征提取部分,在图像输入端,对输入图像进行多层的特征提取,产生1280层特征层;基于Attention Module的特征增强部分,将特征层通过注意力机制加强对关键特征的提取,将增强后的特征与原特征进行结合;全连接分类层将结合后的特征进行识别与分类,判断该图像所属分类,输出检测结果。本发明将医学理论知识与深度学习方法相结合,根据眼底图像的病变特征,自动检测分类眼底图像所属病种,精度高,速度快,能有效为医生提供眼底多病种疾病的诊断建议,提高诊断的效率及准确性。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图;
图2从左至右分别为:原图、归一化后图像、数据增强后图像的示意图;
图3是完整分类模型的结构示意图;
图4是AttentionNet的结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施实例1:本发明提供的基于深度学习的眼底多病种分类的检测方法,首先对输入的眼底图像进行预处理和数据增强,提高网络的鲁棒性,之后通过EfficientNet进行特征提取与Attention Module进行特征增强,采用全连接层进行分类判断,最后输出各分类概率,如图1所示,基于深度学习的眼底多病种分类的检测方法包含以下步骤:
步骤一:选取数据集。本发明所使用数据集选自南京明基医院、江苏省省级机关医院以及江苏省人民医院提供的眼底彩照数据共36910张。其中各病种数据分别为:正常:17152张;高度近视:7475张;其他异常:3990张;糖尿病性视网膜病变:1732张;青光眼:1051张;黄斑病变:1030张;静脉阻塞:428张;高血压性视网膜病变:361张。对以上数据集进行9:1的独立同分布划分,产生共33219张训练集样本与3691张验证集样本。
步骤二:将图像统一缩放到224×224的大小;进行归一化的操作,将图像高斯模糊处理后与原始图像反向叠加,并将像素色彩均值移动到128;对图像进行数据增强操作,对每一张训练样本进行以下操作:以百分之五十的概率进行水平翻转;以百分之五十的概率进行转置;随机gamma变换,gamma值限制在(50,150)之间;以百分之五十的概率随机改变图片的HUE、饱和度和值;以百分之五十的概率进行平移旋转操作;在以下组合中任选一项进行操作:限制对比度直方图均衡(CLAHE)算法;图像锐化后与自身重叠(IAASharpen)的算法;对图像执行某一程度浮雕操作,通过某一通道将结果与图像融合(IAAEmboss)的算法;随机亮度与对比度调节;随机模糊与增加高斯噪声处理。处理后的结果如图2所示,从左至右依次为:未处理原图、归一化后图像、数据增强后图像。
步骤三:搭建神经网络模型,其完整示意图见图3。通过移除原始EfficientNet-b0网络的分类模块,得到基于EfficientNet的特征提取网络,其输出名为FE的特征图,其大小为7×7×1280。根据后续实验结果进行参数调整,最终EfficientNet的部分超参数调整为:dropconnect rate=0.4,dropout rate=0.3。构建AttentionNet对FE进一步特征提取,其结构示意图如图4所示。其产生的掩膜FA与FE进行相乘,得到强化后特征图。将该特征图与FA共同进行p=3的Generalized-mean池化中,并将结果进行堆叠,得到Attention Module的输出结果。该结果与FE经过单层卷积核为7×7的卷积层结果进行平均,共同输入FC全连接层中,并得到8种概率结果。
步骤四:对上述搭建好的模型进行训练。训练中学习率为0.00005,优化器选择为带预热的Adam,损失函数BCEWithLogitsLoss的权重设置值为:[1,2,14.4,50.4,14.2,8.6,3.8,41.4]。训练过程中使用kappa系数作为评价指标,每次迭代训练后使用测试集进行测试,若得到最佳kappa值则保存当前权重系数,若超过10次迭代未超过最佳kappa值则终止训练。训练终止后,冻结除全连接层的其余参数,使用不带权重的损失函数按上述条件进行训练,得到最终的网络模型。
实验硬件:中央处理器为3.6GHZ Intel i7-7700,图形处理器为英伟达GTX1080,显存为8GB。实验软件:操作系统为Windows10,程序设计语言版本为Python 3.7,深度学习框架为Pytorch 1.5。
本发明中出于局部特征提取和检测精度的目的,结合EfficientNet和AttentionModule进行特征提取:通过对原始特征图的增强,且在全连接层将增强前后特征图进行共同判断,相比于单一使用EfficientNet分类网络,本发明提出的方法能够取得更高的检测精度。
如上所述,尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明,但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下,可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (6)
1.基于深度学习的眼底多病种分类的检测方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)获取眼底图像,构建用于分类器训练的数据集,并进行训练、验证集的划分;
(2)对所述眼底图像进行图像预处理,对图像进行归一化操作及数据增强操作;
(3)构建基于EfficientNet+Attention Module的眼底多病种分类器,根据分类要求进行网络结构的调整,使模型产生八种分类的概率结果;
(4)对眼底病种分类器,采用改进的BCEWithLogitsLoss损失函数,根据各眼底病种的不平衡数据对该损失函数进行权重的调节,采用two-phase训练方法对该分类器进行训练;
(5)根据构建好的模型,在训练集上利用深度学习中的反向传播机制进行模型的训练,训练过程中引入标签平滑操作,并微调检测模型的参数,最终得到眼底多病种的检测模型。
2.根据权利要求1所述的基于深度学习的眼底多病种分类的检测方法,其特征在于:所述步骤(1)的具体操作包括:对所述眼底图像建立数据集,对不同病种按照“0-7”设立不同标签;设立标签后,按照9∶1的比例进行训练/验证集的划分。
3.根据权利要求1所述的基于深度学习的眼底多病种分类的检测方法,其特征在于:所述步骤(2)的具体操作包括:对图像统一缩放到224×224的大小;进行归一化的操作,将图像高斯模糊处理后与原始图像反向叠加,并将像素色彩均值移动到128;对图像进行数据增强操作,对每一张训练样本进行以下操作:以百分之五十的概率进行水平翻转;以百分之五十的概率进行转置;随机gamma变换,gamma值限制在(50,150)之间;以百分之五十的概率随机改变图片的HUE、饱和度和值;以百分之五十的概率进行平移旋转操作;在以下组合中任选一项进行操作:限制对比度直方图均衡(CLAHE)算法;图像锐化后与自身重叠(IAASharpen)的算法;对图像执行某一程度浮雕操作,通过某一通道将结果与图像融合(IAAEmboss)的算法;随机亮度与对比度调节;随机模糊与增加高斯噪声处理。
4.根据权利要求1所述的基于深度学习的眼底多病种分类的检测方法,其特征在于:所述步骤(3)的具体操作包括:对眼底多病种分类器采用EfficientNet-b0作为特征提取网络,网络将输出7×7×1280的特征图;通过Attention Module加强特征图,将特征图输入Attention网络学习重要特征位置,输出结果与原特征图相乘后产生加强特征图,对加强后的特征图与Attention网络输出结果池化并进行堆叠,输出Attention Module的结果;将该结果与原始特征图经过单层卷积产生的结果平均后输入八个节点的Softmax分类层,用以输出输入图像患各病种的概率。
5.根据权利要求1所述的基于深度学习的眼底多病种分类的检测方法,其特征在于:所述步骤(4)中对眼底多病种分类器的八种分类,根据每个病种的样本数量分别对BCEWithLogitsLoss损失函数的权重进行调整,训练样本越多的病种赋予更小的权重,降低该病种的损失值对模型的影响;训练后期采用two-phase训练方法,冻结所有参数,解冻模型尾端的全连接层,使用不带权重的BCEWithLogitsLoss损失函数进行训练,弥补该权重对数据分布产生的影响。
6.根据权利要求1所述的基于深度学习的眼底多病种分类的检测方法,其特征在于:所述步骤(5)中训练分类模型时,微调的模型参数的学习率、drop connect率、drop out率等参数;对训练标签进行标签平滑操作,平滑系数设置为0.15。
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