CN116612087A - 一种基于YOLOv5-LA的冠脉CTA狭窄检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于YOLOv5‑LA的冠脉CTA狭窄检测方法,通过设计更轻量的LA网络来替代YOLOv5的主干特征提取网络。该方法分为两个阶段。第一阶段,通过分离可卷积和残差连接以降低计算复杂度,同时增强模型的感受野。第二阶段,引入轻量级注意力机制ECA,以建模通道之间的关系。然后,通过1×1的卷积进行通道重排,以增加特征之间的交互性,提高网络的表达能力,并减少模型对某些特定通道的依赖,从而防止过拟合。该改进方法可避免由于冠脉CTA图像分辨率较高和YOLOv5参数量较大而导致的低效率问题,在检测医学图像病变部位时更为准确和高效。
Description
技术领域
本发明涉及医学图片目标检测技术领域,具体涉及一种基于YOLOv5-LA的冠脉CTA狭窄检测方法。
背景技术
CTA是一种无创技术,可以准确诊断冠状动脉狭窄。在实际应用中,由于图片的复杂性、诊断者的经验差异和大量阅片工作量,人工检测血管狭窄非常耗时且效率低下。因此,使用人工智能辅助筛查可以提高工作效率。YOLOv5是一种人工智能算法,通过对医学图片数据进行训练,可以自动识别冠状动脉狭窄部位。然而,在实际应用中,其精度和效率仍有提高的空间。由于医学图像分辨率较高且YOLOv5模型较为复杂,运行效率不高,因此需要特定的算法进行处理和优化。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足,提供了一种使用更轻量的LA网络替换YOLOv5主干特征提取网络C3,实现网络模型的轻量化的冠脉CTA狭窄检测方法。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是:
一种基于YOLOv5-LA的冠脉CTA狭窄检测方法,包括如下步骤:
a)将冠状动脉CTA图片灰度化处理后进行缩放处理,得到图片D,D∈RC×H×W,R为实数空间,C为图片的通道数,H为图片的高度,W为图片的宽度;
b)将图片D依次输入到卷积层、BN层中,输出得到特征图D1;
c)建立轻量级的LA网络,将特征图D1输入到轻量级的LA网络中,输出得到张量D1_LA1;
d)将张量D1_LA1输入到卷积层中,输出得到特征图D2,将特征图D2替代步骤c)中的特征图D1后重复执行步骤c),得到张量D1_LA2;
e)将张量D1_LA2输入到卷积层中,输出得到特征图D3,将特征图D3替代步骤c)中的特征图D1后重复执行步骤c),得到张量D1_LA3;
f)将张量D1_LA3入到卷积层中,输出得到特征图D4;
g)将特征图D4输入到YOLOv5网络中的SPP模块中,得到特征图D4_SPP;
h)将特征图D4_SPP替代步骤c)中的特征图D1后重复执行步骤c),得到张量D4_LA1,将张量D4_LA1输入到卷积层中,输出得到特征图D5;
i)将特征图D5输入到上采样层中,输出得到特征图D5′,将特征图D5′与张量D1_LA3通过concat()函数进行融合操作,得到融合的特征图D1_Concat1;j)将特征图D1_Concat1替代步骤c)中的特征图D1后重复执行步骤c),得到张量D1_LA5,得到张量D1_LA5输入到卷积层中,输出得到特征图D6;k)将特征图D6输入到上采样层中,输出得到特征图D6′,将特征图D6′与张量D1_LA2通过concat()函数进行融合操作,得到融合的特征图D1_Concat2;
l)将特征图D1_Concat2替代步骤c)中的特征图D1后重复执行步骤c),得到张量D1_LA6,将张量D1_LA6输入到Yolov5网络的头部网络Head中,输出得到预测结果Head1;
m)将张量D1_LA6输入到卷积层中,输出得到特征图D1_LA6′,将特征图D1_LA6′与特征图D6通过concat()函数进行融合操作,得到融合的特征图D1_Concat3,将融合的特征图D1_Concat3替代步骤c)中的特征图D1后重复执行步骤c),得到张量D1_LA7,将将张量D1_LA7输入到Yolov5网络的头部网络Head中,输出得到预测结果Head2;
n)将张量D1_LA7输入到卷积层中,输出得到特征图D1_LA7′,将特征图D1_LA7′与特征图D5通过concat()函数进行融合操作,得到融合的特征图D1_Concat4,将融合的特征图D1_Concat4替代步骤c)中的特征图D1后重复执行步骤c),得到张量D1_LA8,将将张量D1_LA8输入到Yolov5网络的头部网络Head中,输出得到预测结果Head3;
o)将预测结果Head1、预测结果Head2、预测结果Head3通过concat()函数进行融合操作后输入到全连接层中,输出得到预测结果Result,预测结果Result为0-1之间分布,当预测结果Result大于等于0.5时定义为冠脉狭窄。
优选的,步骤a)中将灰度化后的冠状动脉CTA图片尺寸缩放为640×640。
优选的,步骤b)中卷积层的卷积核大小为3×3。
进一步的,步骤c)包括如下步骤:
c-1)轻量级的LA网络由第一卷积层、W-Mish函数、第一深度可分离卷积层、第二深度可分离卷积层、第二卷积层、ECA模块、第三卷积层构成;
c-2)将特征图D1输入到轻量级的LA网络的第一卷积层中,输出得到特征图D1′;
c-3)将特征图D1′通过W-Mish函数利用公式D1_1=D1′*tanh(ln(1+eD1′))计算得到特征图D1_1,式中e为自然常数;
c-4)将特征图D1_1输入到轻量级的LA网络的第一深度可分离卷积层中,输出得到H×W个大小为1×1的矩阵D1_1_slice1;
c-5)将各个矩阵D1_1_slice1输入到轻量级的LA网络的第二深度可分离卷积层中,输出得到H×W个大小为1×1的矩阵D1_1_slicel2;
c-6)将各个矩阵D1_1_slicel2输入到轻量级的LA网络的第二卷积层中,输出得到特征图D1_2;
c-7)将特征图D1进行残差连接操作后得到特征图D1_residual,将特征图D1_residual与特征图D1_2进行相加操作,得到特征图D1_out1;
c-8)轻量级的LA网络的ECA模块由全局平均池化层、全连接层、Sigmoid函数层、一维卷积层构成,将特征图D1_out1输入到ECA模块的全局平均池化层中,输出得到特征图D1_out1_gap,将特征图D1_out1_gap依次输入到全连接层、Sigmoid函数层中,输出得到注意力向量Q,将注意力向量Q与特征图D1_out1相乘操作,得到新特征图D1_out1_1,将新特征图D1_out1_1输入到ECA模块的一维卷积层中,输出得到新特征图D1_out2;
c-9)将新特征图D1_out2输入到轻量级的LA网络的第三卷积层中进行分组卷积,对通道分组,得到通道X和通道Y;
c-10)将通道X和通道Y分别进行shuffle操作,得到打乱特征通道顺序的通道X和打乱特征通道顺序的通道Y;
c-11)将打乱特征通道顺序的通道X和打乱特征通道顺序的通道Y沿着通道方向交错连接起来,得到张量D1_LA1。
优选的,步骤c-2)中轻量级的LA网络的第一卷积层的卷积核大小为1×1,步骤c-4)中轻量级的LA网络的第一深度可分离卷积层的卷积核大小为1×3,步骤c-5)中轻量级的LA网络的第二深度可分离卷积层的卷积核大小为1×3,步骤c-6)中轻量级的LA网络的第二卷积层的卷积核大小为1×1,步骤c-9)中轻量级的LA网络的第三卷积层的卷积核大小为1×1。
优选的,步骤d)中卷积层的卷积核大小为3×3,步骤e)中卷积层的卷积核大小为3×3,步骤f)中卷积层的卷积核大小为3×3。
优选的,步骤h)中卷积层的卷积核大小为3×3,步骤j)中卷积层的卷积核大小为3×3,步骤k)中卷积层的卷积核大小为3×3,步骤m)中卷积层的卷积核大小为3×3,步骤n)中卷积层的卷积核大小为3×3。
本发明的有益效果是:通过设计更轻量的LA网络来替代YOLOv5的主干特征提取网络。该方法分为两个阶段。第一阶段,通过分离可卷积和残差连接以降低计算复杂度,同时增强模型的感受野。第二阶段,引入轻量级注意力机制ECA,以建模通道之间的关系。然后,通过1×1的卷积进行通道重排,以增加特征之间的交互性,提高网络的表达能力,并减少模型对某些特定通道的依赖,从而防止过拟合。该改进方法可避免由于冠脉CTA图像分辨率较高和YOLOv5参数量较大而导致的低效率问题,在检测医学图像病变部位时更为准确和高效。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明做进一步说明。
一种基于YOLOv5-LA的冠脉CTA狭窄检测方法,包括如下步骤:
a)将冠状动脉CTA图片灰度化处理后进行缩放处理,得到图片D,D∈RC×H×W,R为实数空间,C为图片的通道数,H为图片的高度,W为图片的宽度。
b)将图片D依次输入到卷积层、BN层中,输出得到特征图D1。
c)建立轻量级的LA网络,将特征图D1输入到轻量级的LA网络中,输出得到张量D1_LA1。
d)将张量D1_LA1输入到卷积层中,输出得到特征图D2,将特征图D2替代步骤c)中的特征图D1后重复执行步骤c),得到张量D1_LA2。
e)将张量D1_LA2输入到卷积层中,输出得到特征图D3,将特征图D3替代步骤c)中的特征图D1后重复执行步骤c),得到张量D1_LA3。
f)将张量D1_LA3入到卷积层中,输出得到特征图D4。
g)将特征图D4输入到YOLOv5网络中的SPP模块中,得到特征图D4_SPP。
h)将特征图D4_SPP替代步骤c)中的特征图D1后重复执行步骤c),得到张量D4_LA1,将张量D4_LA1输入到卷积层中,输出得到特征图D5。
i)将特征图D5输入到上采样层中,输出得到特征图D5′,将特征图D5′与张量D1_LA3通过concat()函数进行融合操作,得到融合的特征图D1_Concat1。
j)将特征图D1_Concat1替代步骤c)中的特征图D1后重复执行步骤c),得到张量D1_LA5,得到张量D1_LA5输入到卷积层中,输出得到特征图D6。
k)将特征图D6输入到上采样层中,输出得到特征图D6′,将特征图D6′与张量D1_LA2通过concat()函数进行融合操作,得到融合的特征图D1_Concat2。
l)将特征图D1_Concat2替代步骤c)中的特征图D1后重复执行步骤c),得到张量D1_LA6,将张量D1_LA6输入到Yolov5网络的头部网络Head中,输出得到预测结果Head1。
m)将张量D1_LA6输入到卷积层中,输出得到特征图D1_LA6′,将特征图D1_LA6′与特征图D6通过concat()函数进行融合操作,得到融合的特征图D1_Concat3,将融合的特征图D1_Concat3替代步骤c)中的特征图D1后重复执行步骤c),得到张量D1_LA7,将将张量D1_LA7输入到Yolov5网络的头部网络Head中,输出得到预测结果Head2。
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o)将预测结果Head1、预测结果Head2、预测结果Head3通过concat()函数进行融合操作后输入到全连接层中,输出得到预测结果Result,预测结果Result为0-1之间分布,当预测结果Result大于等于0.5时定义为冠脉狭窄。
本发明设计了轻量级的LA网络用于替换YOLOv5主干特征提取网络C3。该网络分两个阶段实现。第一阶段:首先通过1x1卷积层将输入特征的通道数降低,减少模型的参数数量和计算量。然后经过Wmish函数和两个连续的1x3深度可分离卷积层,后跟一个1x1卷积,降低计算复杂度。接着通过1x1卷积层将输入特征的通道数增加,增加模型的表达能力。与此同时,对原始输入特征使用残差连接,与升维后的特征图进行加和。第二阶段,在残差连接之后,使用ECA模块增强特征表达能力。该模块通过对特征进行全局平均池化、全连接和sigmoid激活,得到重要性权重,进而将权重与特征相乘以加强其表达能力。然后通过1x1卷积层对输入特征进行通道分组,得到特征图组。对每个特征图组内的特征进行Shuffle操作。最后将通道分组后的特征进行Concat操作,得到新的特征图。改进的YOLOv5在特征提取、生成预测结果时计算量减少,提高了检测冠脉狭窄的效率。
实施例1:
步骤a)中将灰度化后的冠状动脉CTA图片尺寸缩放为640×640。步骤b)中卷积层的卷积核大小为3×3。
实施例2:
步骤c)包括如下步骤:
c-1)轻量级的LA网络由第一卷积层、W-Mish函数、第一深度可分离卷积层、第二深度可分离卷积层、第二卷积层、ECA模块、第三卷积层构成。
c-2)将特征图D1输入到轻量级的LA网络的第一卷积层中,输出得到特征图D1′。通过1×1卷积使得通道为原来的1/4,降维的目的是减少模型的参数数量和计算量。
c-3)将特征图D1′通过W-Mish函数利用公式D1_1=D1′*tanh(ln(1+eD1′))计算得到特征图D1_1,式中e为自然常数。W-Mish函数可以提高神经网络的非线性表达能力。
c-4)将特征图D1_1输入到轻量级的LA网络的第一深度可分离卷积层中,输出得到H×W个大小为1×1的矩阵D1_1_slice1。
c-5)将各个矩阵D1_1_slice1输入到轻量级的LA网络的第二深度可分离卷积层中,输出得到H×W个大小为1×1的矩阵D1_1_slicel2。连续的两个深度可卷积分离层可以降低计算复杂度的同时,增强模型的感受野(3x3深度可分离卷积的卷积核大小比1x1卷积要大,因此它能够更好地捕捉图像中的空间信息,增强模型的感受野)。
c-6)将各个矩阵D1_1_slicel2输入到轻量级的LA网络的第二卷积层中进行逐点卷积操作,升维得到特征图D1_2,通道扩充4倍,保证特征通道数和特征图D1一样。
c-7)将特征图D1进行残差连接操作后得到特征图D1_residual,将特征图D1_residual与特征图D1_2进行相加操作,得到特征图D1_out1。
c-8)轻量级的LA网络的ECA模块由全局平均池化层、全连接层、Sigmoid函数层、一维卷积层构成,将特征图D1_out1输入到ECA模块的全局平均池化层中,输出得到特征图D1_out1_gap,将特征图D1_out1_gap依次输入到全连接层、Sigmoid函数层中,输出得到注意力向量Q,这个向量中的每个元素都在[0,1]的范围内,可以用来表示每个通道的注意力权重。将注意力向量Q与特征图D1_out1相乘操作,得到新特征图D1_out1_1,将新特征图D1_out1_1输入到ECA模块的一维卷积层中,输出得到新特征图D1_out2。这个特征图可以用来增强特征图的表达能力,提高模型的性能。
c-9)将新特征图D1_out2输入到轻量级的LA网络的第三卷积层中进行分组卷积,对通道分组,得到通道X和通道Y。这个卷积层的输出通道数是原始特征的一半,因为后面的操作需要将通道分成两组进行shuffle操作。
c-10)将通道X和通道Y分别进行shuffle操作,得到打乱特征通道顺序的通道X和打乱特征通道顺序的通道Y。shuffle操作的目的是打乱特征通道的顺序,增加模型的随机性和非线性能力。
c-11)将打乱特征通道顺序的通道X和打乱特征通道顺序的通道Y沿着通道方向交错连接起来,得到张量D1_LA1。张量D1_LA1通道内的特征已经被打乱了顺序。
实施例3:
步骤c-2)中轻量级的LA网络的第一卷积层的卷积核大小为1×1,步骤c-4)中轻量级的LA网络的第一深度可分离卷积层的卷积核大小为1×3,步骤c-5)中轻量级的LA网络的第二深度可分离卷积层的卷积核大小为1×3,步骤c-6)中轻量级的LA网络的第二卷积层的卷积核大小为1×1,步骤c-9)中轻量级的LA网络的第三卷积层的卷积核大小为1×1。步骤d)中卷积层的卷积核大小为3×3,步骤e)中卷积层的卷积核大小为3×3,步骤f)中卷积层的卷积核大小为3×3。步骤h)中卷积层的卷积核大小为3×3,步骤j)中卷积层的卷积核大小为3×3,步骤k)中卷积层的卷积核大小为3×3,步骤m)中卷积层的卷积核大小为3×3,步骤n)中卷积层的卷积核大小为3×3。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于YOLOv5-LA的冠脉CTA狭窄检测方法,其特征在于,包括如下步骤:
a)将冠状动脉CTA图片灰度化处理后进行缩放处理,得到图片D,D∈RC×H×W,R为实数空间,C为图片的通道数,H为图片的高度,W为图片的宽度;
b)将图片D依次输入到卷积层、BN层中,输出得到特征图D1;
c)建立轻量级的LA网络,将特征图D1输入到轻量级的LA网络中,输出得到张量D1_LA1;
d)将张量D1_LA1输入到卷积层中,输出得到特征图D2,将特征图D2替代步骤c)中的特征图D1后重复执行步骤c),得到张量D1_LA2;
e)将张量D1_LA2输入到卷积层中,输出得到特征图D3,将特征图D3替代步骤c)中的特征图D1后重复执行步骤c),得到张量D1_LA3;
f)将张量D1_LA3入到卷积层中,输出得到特征图D4;
g)将特征图D4输入到YOLOv5网络中的SPP模块中,得到特征图D4_SPP;
h)将特征图D4_SPP替代步骤c)中的特征图D1后重复执行步骤c),得到张量D4_LA1,将张量D4_LA1输入到卷积层中,输出得到特征图D5;
i)将特征图D5输入到上采样层中,输出得到特征图D5′,将特征图D5′与张量D1_LA3通过concat()函数进行融合操作,得到融合的特征图D1_Concat1;
j)将特征图D1_Concat1替代步骤c)中的特征图D1后重复执行步骤c),得到张量D1_LA5,得到张量D1_LA5输入到卷积层中,输出得到特征图D6;
k)将特征图D6输入到上采样层中,输出得到特征图D6′,将特征图D6′与张量D1_LA2通过concat()函数进行融合操作,得到融合的特征图D1_Concat2;
l)将特征图D1_Concat2替代步骤c)中的特征图D1后重复执行步骤c),得到张量D1_LA6,将张量D1_LA6输入到Yolov5网络的头部网络Head中,输出得到预测结果Head1;
m)将张量D1_LA6输入到卷积层中,输出得到特征图D1_LA6′,将特征图D1_LA6′与特征图D6通过concat()函数进行融合操作,得到融合的特征图D1_Concat3,将融合的特征图D1_Concat3替代步骤c)中的特征图D1后重复执行步骤c),得到张量D1_LA7,将将张量D1_LA7输入到Yolov5网络的头部网络Head中,输出得到预测结果Head2;
n)将张量D1_LA7输入到卷积层中,输出得到特征图D1_LA7′,将特征图D1_LA7′与特征图D5通过concat()函数进行融合操作,得到融合的特征图D1_Concat4,将融合的特征图D1_Concat4替代步骤c)中的特征图D1后重复执行步骤c),得到张量D1_LA8,将将张量D1_LA8输入到Yolov5网络的头部网络Head中,输出得到预测结果Head3;
o)将预测结果Head1、预测结果Head2、预测结果Head3通过concat()函数进行融合操作后输入到全连接层中,输出得到预测结果Result,预测结果Result为0-1之间分布,当预测结果Result大于等于0.5时定义为冠脉狭窄。
2.根据权利要求1所述的基于YOLOv5-LA的冠脉CTA狭窄检测方法,其特征在于:步骤a)中将灰度化后的冠状动脉CTA图片尺寸缩放为640×640。
3.根据权利要求1所述的基于YOLOv5-LA的冠脉CTA狭窄检测方法,其特征在于:步骤b)中卷积层的卷积核大小为3×3。
4.根据权利要求1所述的基于YOLOv5-LA的冠脉CTA狭窄检测方法,其特征在于,步骤c)包括如下步骤:
c-1)轻量级的LA网络由第一卷积层、W-Mish函数、第一深度可分离卷积层、第二深度可分离卷积层、第二卷积层、ECA模块、第三卷积层构成;
c-2)将特征图D1输入到轻量级的LA网络的第一卷积层中,输出得到特征图D1′;c-3)将特征图D1′通过W-Mish函数利用公式D1_1=D1′*tanh(ln(1+eD1′))计算得到特征图D1_1,式中e为自然常数;
c-4)将特征图D1_1输入到轻量级的LA网络的第一深度可分离卷积层中,输出得到H×W个大小为1×1的矩阵D1_1_slice1;
c-5)将各个矩阵D1_1_slice1输入到轻量级的LA网络的第二深度可分离卷积层中,输出得到H×W个大小为1×1的矩阵D1_1_slicel2;
c-6)将各个矩阵D1_1_slicel2输入到轻量级的LA网络的第二卷积层中,输出得到特征图D1_2;
c-7)将特征图D1进行残差连接操作后得到特征图D1_residual,将特征图D1_residual与特征图D1_2进行相加操作,得到特征图D1_out1;
c-8)轻量级的LA网络的ECA模块由全局平均池化层、全连接层、Sigmoid函数层、一维卷积层构成,将特征图D1_out1输入到ECA模块的全局平均池化层中,输出得到特征图D1_out1_gap,将特征图D1_out1_gap依次输入到全连接层、Sigmoid函数层中,输出得到注意力向量Q,将注意力向量Q与特征图D1_out1相乘操作,得到新特征图D1_out1_1,将新特征图D1_out1_1输入到ECA模块的一维卷积层中,输出得到新特征图D1_out2;
c-9)将新特征图D1_out2输入到轻量级的LA网络的第三卷积层中进行分组卷积,对通道分组,得到通道X和通道Y;
c-10)将通道X和通道Y分别进行shuffle操作,得到打乱特征通道顺序的通道X和打乱特征通道顺序的通道Y;
c-11)将打乱特征通道顺序的通道X和打乱特征通道顺序的通道Y沿着通道方向交错连接起来,得到张量D1_LA1。
5.根据权利要求1所述的基于YOLOv5-LA的冠脉CTA狭窄检测方法,其特征在于:步骤c-2)中轻量级的LA网络的第一卷积层的卷积核大小为1×1,步骤c-4)中轻量级的LA网络的第一深度可分离卷积层的卷积核大小为1×3,步骤c-5)中轻量级的LA网络的第二深度可分离卷积层的卷积核大小为1×3,步骤c-6)中轻量级的LA网络的第二卷积层的卷积核大小为1×1,步骤c-9)中轻量级的LA网络的第三卷积层的卷积核大小为1×1。
6.根据权利要求1所述的基于YOLOv5-LA的冠脉CTA狭窄检测方法,其特征在于:步骤d)中卷积层的卷积核大小为3×3,步骤e)中卷积层的卷积核大小为3×3,步骤f)中卷积层的卷积核大小为3×3。
7.根据权利要求1所述的基于YOLOv5-LA的冠脉CTA狭窄检测方法,其特征在于:步骤h)中卷积层的卷积核大小为3×3,步骤j)中卷积层的卷积核大小为3×3,步骤k)中卷积层的卷积核大小为3×3,步骤m)中卷积层的卷积核大小为3×3,步骤n)中卷积层的卷积核大小为3×3。
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