MICCAI2021 Contest : GAMMA任务一:<基于多模态眼底影像的青光眼分级>官方Baseline代码解释

任务介绍

任务一:基于多模态眼底影像的青光眼分级

在本任务中,我们的目的是分析2D眼底图像和3D OCT扫描体数据两种模态的临床数据,根据视觉特征将样本分级为无青光眼、早期青光眼、中或晚期青光眼三个类别。

官方baseline地址

基于paddle实现的baseline

网络结构

网络的backbone由两个ResNet组成,一个负责提取2D模态图像特征,一个负责提取3D模态图像特征,经过卷积层后,将提取到的多维特征压成一维,通过concat合并为一个一维数组,最后输出分类结果。
网络结构

网络输入

数据格式[batch, channel, height, width],3D图像使用opencv读入是3通道的,需要转换成单通道灰度图。
数据图像

Code

这里只解释一些非常规的代码,常规代码看paddle官方文档即可

import


import os
import numpy as np
import cv2
import matplotlib.pyplot as plt
import pandas as pd
from sklearn.model_selection import train_test_split
# 评估函数
from sklearn.metrics import cohen_kappa_score

import paddle
import paddle.nn as nn
import paddle.nn.functional as F
from paddle.vision.models import resnet34
# 这个transforms是一个自行实现的文件,不是第三方库
import transforms as trans

import warnings

DataLoader

dataset类
class GAMMA_sub1_dataset(paddle.io.Dataset):
    """
    getitem() output:
    
    	fundus_img: RGB uint8 image with shape (3, image_size, image_size)
        
        oct_img:    Uint8 image with shape (256, oct_img_size[0], oct_img_size[1])
    """

    def __init__(self,
                 img_transforms,
                 oct_transforms,
                 dataset_root,
                 label_file='',
                 filelists=None,
                 num_classes=3,
                 mode='train'):

        self.dataset_root = dataset_root
        self.img_transforms = img_transforms
        self.oct_transforms = oct_transforms
        self.mode = mode.lower()
        self.num_classes = num_classes
        
        if self.mode == 'train':
            label = {row['data']: row[1:].values 
                        for _, row in pd.read_excel(label_file).iterrows()}

            self.file_list = [[f, label[int(f)]] for f in os.listdir(dataset_root)]
        elif self.mode == "test":
            self.file_list = [[f, None] for f in os.listdir(dataset_root)]
        
        if filelists is not None:
            self.file_list = [item for item in self.file_list if item[0] in filelists]

    def __getitem__(self, idx):
        real_index, label = self.file_list[idx]

        fundus_img_path = os.path.join(self.dataset_root, real_index, real_index + ".jpg")
        # 这里有个问题就是图片读入是乱序的不是按照序号0到255读入
        oct_series_list = sorted(os.listdir(os.path.join(self.dataset_root, real_index, real_index)), 
                                    key=lambda x: int(x.strip("_")[0]))
		
        fundus_img = cv2.imread(fundus_img_path)[:, :, ::-1] # BGR -> RGB
        oct_series_0 = cv2.imread(os.path.join(self.dataset_root, real_index, real_index, oct_series_list[0]), 
                                    cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
        oct_img = np.zeros((len(oct_series_list), oct_series_0.shape[0], oct_series_0.shape[1], 1), dtype="uint8")
		
        for k, p in enumerate(oct_series_list):
            oct_img[k] = cv2.imread(
                os.path.join(self.dataset_root, real_index, real_index, p), cv2.IMREAD_GRAYSCALE)[..., np.newaxis]
		# 如果对应图像数据transforms不为空,则对数据进行transforms
        if self.img_transforms is not None:
            fundus_img = self.img_transforms(fundus_img)
        if self.oct_transforms is not None:
            oct_img = self.oct_transforms(oct_img)
 
        # normlize on GPU to save CPU Memory and IO consuming.
        # fundus_img = (fundus_img / 255.).astype("float32")
        # oct_img = (oct_img / 255.).astype("float32")
        
		# 眼底图片改变通道顺序
        fundus_img = fundus_img.transpose(2, 0, 1) # H, W, C -> C, H, W
        # oct图像去掉最后一维
        oct_img = oct_img.squeeze(-1) # D, H, W, 1 -> D, H, W

        if self.mode == 'test':
            return fundus_img, oct_img, real_index
        if self.mode == "train":
            label = label.argmax()
            return fundus_img, oct_img, label

    def __len__(self):
        return len(self.file_list)
进行的transforms
# 训练集眼底图片进行的transforms
img_train_transforms = trans.Compose([
	# 随机resize裁剪
    trans.RandomResizedCrop(
        image_size, scale=(0.90, 1.1), ratio=(0.90, 1.1)),
    # 随机水平翻转
    trans.RandomHorizontalFlip(),
    # 随机垂直翻转
    trans.RandomVerticalFlip(),
    # 随机角度翻转0~30度
    trans.RandomRotation(30)
])
# 训练集oct图片进行的transforms
oct_train_transforms = trans.Compose([
	# 对图片进行中央剪裁
    trans.CenterCrop([256] + oct_img_size),
    trans.RandomHorizontalFlip(),
    trans.RandomVerticalFlip()
])
# 验证集眼底图片进行的transforms
img_val_transforms = trans.Compose([
	# 裁剪中央正方形
    trans.CropCenterSquare(),
    trans.Resize((image_size, image_size))
])
# 验证集oct图片进行的transforms
oct_val_transforms = trans.Compose([
    trans.CenterCrop([256] + oct_img_size)
])

NetWork

网络模型从paddle.vision.models import了resnet34,只要init的时候num_classes设置为0,网络结构就不含有末端全连接层

class Model(nn.Layer):
    """
    simply create a 2-branch network, and concat global pooled feature vector.
    each branch = single resnet34
    """
    def __init__(self):
        super(Model, self).__init__()
        # 带pretrained代表使用paddle的预训练模型,做Transfer Learning
        self.fundus_branch = resnet34(pretrained=True, num_classes=0) # remove final fc
        self.oct_branch = resnet34(pretrained=True, num_classes=0) # remove final fc
        self.decision_branch = nn.Linear(512 * 1 * 2, 3) # ResNet34 use basic block, expansion = 1
        
        # replace first conv layer in oct_branch
        # 对oct提取特征的resnet34的第一层卷积层进行修改,修改通道跟oct图像的输入通道一致,都是256
        self.oct_branch.conv1 = nn.Conv2D(256, 64,
                                        kernel_size=7,
                                        stride=2,
                                        padding=3,
                                        bias_attr=False)
	# 网络组网
    def forward(self, fundus_img, oct_img):
        b1 = self.fundus_branch(fundus_img)
        b2 = self.oct_branch(oct_img)
        # 将图像压成一维
        b1 = paddle.flatten(b1, 1)
        b2 = paddle.flatten(b2, 1)
        # 将两个一维tensor concat在一起,再通过一个全连接层,最后做softmax处理获得分类结果
        logit = self.decision_branch(paddle.concat([b1, b2], 1))

        return logit

评估指标

以下为该任务的评估指标,评估函数使用sklearn库的cohen_kappa_score函数计算
评估指标

Train & Val
def train(model, iters, train_dataloader, val_dataloader, optimizer, criterion, log_interval, eval_interval):
    iter = 0
    model.train()
    # 储存平均loss和平均kappa的list
    avg_loss_list = []
    avg_kappa_list = []
    best_kappa = 0.
    while iter < iters:
        for data in train_dataloader:
            iter += 1
            if iter > iters:
                break
            # 输入图片int32转float32
            fundus_imgs = (data[0] / 255.).astype("float32")
            oct_imgs = (data[1] / 255.).astype("float32")
            labels = data[2].astype('int64')
			# 模型输入眼底和oct图像
            logits = model(fundus_imgs, oct_imgs)
            # 计算loss
            loss = criterion(logits, labels)
            # acc = paddle.metric.accuracy(input=logits, label=labels.reshape((-1, 1)), k=1)
            for p, l in zip(logits.numpy().argmax(1), labels.numpy()):
                avg_kappa_list.append([p, l])
			
            loss.backward()
            optimizer.step()

            model.clear_gradients()
            avg_loss_list.append(loss.numpy()[0])

            if iter % log_interval == 0:
            	# 计算平均loss, list转ndarray再求均值
                avg_loss = np.array(avg_loss_list).mean()
                # list转ndarray
                avg_kappa_list = np.array(avg_kappa_list)
                # 计算平均kappa
                avg_kappa = cohen_kappa_score(avg_kappa_list[:, 0], avg_kappa_list[:, 1], weights='quadratic')
                # 对两个list进行清空
                avg_loss_list = []
                avg_kappa_list = []
                print("[TRAIN] iter={}/{} avg_loss={:.4f} avg_kappa={:.4f}".format(iter, iters, avg_loss, avg_kappa))

            if iter % eval_interval == 0:
            	# 进行验证操作, 获得验证集的avg_loss和avg_kappa 
                avg_loss, avg_kappa = val(model, val_dataloader, criterion)
                print("[EVAL] iter={}/{} avg_loss={:.4f} kappa={:.4f}".format(iter, iters, avg_loss, avg_kappa))
                # 储存指标最优模型
                if avg_kappa >= best_kappa:
                    best_kappa = avg_kappa
                    paddle.save(model.state_dict(),
                            os.path.join("best_model_{:.4f}".format(best_kappa), 'model.pdparams'))
                model.train()

def val(model, val_dataloader, criterion):
    model.eval()
    avg_loss_list = []
    cache = []
    with paddle.no_grad():
        for data in val_dataloader:
            fundus_imgs = (data[0] / 255.).astype("float32")
            oct_imgs = (data[1] / 255.).astype("float32")
            labels = data[2].astype('int64')
            
            logits = model(fundus_imgs, oct_imgs)
            for p, l in zip(logits.numpy().argmax(1), labels.numpy()):
                cache.append([p, l])

            loss = criterion(logits, labels)
            # acc = paddle.metric.accuracy(input=logits, label=labels.reshape((-1, 1)), k=1)
            avg_loss_list.append(loss.numpy()[0])
    cache = np.array(cache)
    kappa = cohen_kappa_score(cache[:, 0], cache[:, 1], weights='quadratic')
    avg_loss = np.array(avg_loss_list).mean()

    return avg_loss, kappa

训练模型超参数

学习率在baseline是个固定值,batch_size和iteration根据自己实际情况而定,在这里就不写了

KeyValue
优化器Adam
loss函数CrossEntropyLoss

其他的一些说明

测试集和验证集的划分

使用的是sklearn的train_test_split函数,进行测试集合验证集的划分

from sklearn.model_selection import train_test_split
val_ratio = 0.2 # 80 / 20
# 省略filelists生成
train_filelists, val_filelists = train_test_split(filelists, test_size=val_ratio, random_state=42)

结果文件生成

# cache为val操作生成的变量
submission_result = pd.DataFrame(cache, columns=['data', 'dense_pred'])
submission_result['non'] = submission_result['dense_pred'].apply(lambda x: int(x[0] == 0))
submission_result['early'] = submission_result['dense_pred'].apply(lambda x: int(x[0] == 1))
submission_result['mid_advanced'] = submission_result['dense_pred'].apply(lambda x: int(x[0] == 2))
# 最后生成提交结果文件
submission_result[['data', 'non', 'early', 'mid_advanced']].to_csv("./submission_sub1.csv", index=False)

优化方向

  1. 使用更优的预训练backbone替代resnet34
  2. 两种模态数据直接使用concat合并太直接,设计一个self-attention模块,让网络自行学习两者的比重
  3. 对oct图像进行降噪等处理
  4. 先把眼底图片的视盘分割出来再进行分类
  5. 官方提供的训练集为小样本,训练一个GAN去生成更多的样本
<think>嗯,用户想了解如何基于深度学习实现眼科疾病的智能辅助诊断系统,涉及实现方案、模型选择、数据集处理和医疗AI相关的问题。首先,我需要明确这个系统的核心组成部分,包括数据、模型、算法和应用场景。 首先,数据集处理是关键。眼科数据通常包括眼底照片、OCT影像等,这些数据可能来自不同的设备,格式和分辨率可能不致。所以预处理步骤需要标准化,比如调整图像尺寸到统大小,比如224x224或512x512,可能还需要归化处理,比如将像素值缩放到0-1之间。数据增强也很重要,尤其是医疗数据通常量不大,通过旋转、翻转、调整亮度等方法可以增加数据的多样性,防止过拟合。 然后,标注数据的质量控制。医疗数据的标注需要专业眼科医生参与,确保标签的准确性。可能需要多次标注和交叉验证,比如三位医生独立标注,取多数结果作为最终标签,这样可以减少人为误差。另外,数据隐私也是需要考虑的,比如使用匿名化处理,去除患者的个人信息,符合HIPAA或者其他数据保护法规。 接下来是模型选择。常用的深度学习模型在图像分类方面有CNN系列,比如ResNet、DenseNet、EfficientNet。对于眼科影像,可能需要更深的网络来捕捉细微病变,比如ResNet-50或ResNet-101。如果是处理OCT这样的三维数据,可能需要3D CNN或者结合2D切片处理。另外,分割任务可能需要U-Net或其变体,比如用于视网膜血管分割或病变区域定位。 多模态数据融合也是个重点。比如,眼底图像可能结合患者的病历数据,包括年龄、病史、实验室结果等。这时候需要设计多模态模型,比如将图像输入CNN,文本或结构化数据输入全连接网络,然后在中间层进行融合。或者使用Transformer架构来处理不同模态的数据,比如Vision Transformer加上嵌入层处理其他数据。 模型训练方面,迁移学习是常用的方法,特别是在医疗数据量有限的情况下。可以使用在ImageNet上预训练的模型,然后微调最后的几层。优化器选择Adam或SGD,学习率需要适当调整,可能使用学习率衰减策略。损失函数方面,分类任务常用交叉熵,如果数据不平衡,可以加权重或者用Focal Loss。分割任务则常用Dice Loss或交叉熵结合Dice系数。 评估指标方面,分类任务需要准确率、灵敏度、特异性、AUC-ROC曲线。分割任务则用Dice系数、IoU、Hausdorff距离等。交叉验证很重要,尤其是数据量小的时候,可以使用五折交叉验证来评估模型稳定性。 在系统集成方面,需要考虑如何将模型部署到实际医疗环境中。可能需要开发个前端界面供医生上传影像,后端调用模型进行推理,返回结果。实时性要求高的场景可能需要模型优化,比如使用TensorRT加速,或者模型量化减小体积。同时,系统需要与医院的PACS系统集成,确保数据流的顺畅。 可解释性也是医疗AI的重要部分。医生需要了解模型做出诊断的依据,所以可以使用Grad-CAM生成热力图,显示模型关注的区域,帮助医生验证结果的合理性。此外,模型自身的透明度也很重要,可能需要选择可解释性较强的模型,或者在后期添加解释性模块。 合规性和伦理问题也不能忽视。系统需要通过医疗器械的认证,比如FDA或CE认证。数据隐私必须严格保护,确保患者信息不被泄露。此外,伦理方面要考虑模型的偏差问题,比如在不同种族、性别间的泛化能力,避免产生歧视性结果。 最后,实际应用中的挑战包括数据获取的困难,模型泛化到不同设备或医院的能力,以及医生和患者对AI系统的接受度。需要与临床医生紧密合作,进行临床试验,验证系统的有效性和安全性,逐步推进落地应用。</think>### 基于深度学习实现眼科疾病智能辅助诊断系统的研发方案 #### 、核心实现方案 1. **多模态数据融合架构** 结合眼底图像、OCT影像、病历文本和患者基本信息(如年龄、病史),通过深度学习模型实现跨模态特征提取与融合[^4]。例如: - **图像分支**:使用卷积神经网络(CNN)处理眼底照片 - **文本分支**:使用自然语言处理技术解析病历记录 - **数据融合层**:在中间特征层进行注意力机制加权融合 2. **系统架构设计** $$系统架构 = \underbrace{数据预处理}_{\text{标准化/增强}} \rightarrow \underbrace{多模态模型}_{\text{特征提取}} \rightarrow \underbrace{决策融合}_{\text{可解释性分析}} \rightarrow \underbrace{临床接口}_{\text{诊断报告生成}}$$ #### 二、模型选择与优化 | 任务类型 | 推荐模型 | 优化要点 | |----------------|-----------------------------|-----------------------------| | 图像分类 | ResNet-101/EfficientNet-B7 | 迁移学习+领域自适应 | | 病灶分割 | U-Net++/TransUNet | 结合Transformer增强全局感知 | | 多模态融合 | 多任务学习框架 | 动态权重调整策略 | #### 三、数据集处理关键技术 1. **数据预处理流程** ```python # 示例:眼底图像标准化处理 def preprocess_retinal_image(img): img = cv2.resize(img, (512, 512)) img = CLAHE.apply(img) # 对比度受限直方图均衡化 img = normalize(img, mean=0.456, std=0.224) return img ``` 2. **数据增强策略** - 几何变换:随机旋转(±15°)、镜像翻转 - 光度变换:亮度调整(±20%)、高斯噪声注入 - **特殊处理**:模拟常见成像伪影(如运动模糊) 3. **标注质量控制** 采用三级眼科医生交叉验证机制,确保标注致性,Kappa系数需>0.85[^1] #### 四、医疗AI系统实现要点 1. **可解释性设计** - 使用Grad-CAM生成热力图显示病灶关注区域 - 集成Shapley值分析特征重要性 2. **部署注意事项** - 模型压缩:使用知识蒸馏技术将参数量降低至原模型30% - 实时性要求:单次推理时间<3秒(满足临床实时需求)[^5] 3. **合规性保障** - 数据匿名化处理符合HIPAA标准 - 模型通过医疗器械软件认证(如FDA 510(k)) #### 五、典型应用场景 1. **糖尿病视网膜病变分级** 使用EfficientNet-B4模型实现国际临床分级标准(ICDR)自动分类,准确率达92.3%[^3] 2. **青光眼早期筛查** 结合视盘杯盘比自动测量与RNFL厚度分析,AUC值可达0.94 3. **AMD病灶量化分析** 基于改进U-Net的渗出物分割算法,Dice系数达0.87
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