基于改進(jìn)的3DU-Net的肺結(jié)節(jié)檢測(cè)算法

摘 ?要：針對(duì)傳統(tǒng)方法對(duì)結(jié)節(jié)檢測(cè)不全，且誤檢率較高的問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)的3D U-Net肺結(jié)節(jié)檢測(cè)算法。根據(jù)肺結(jié)節(jié)的形態(tài)大小特性，將殘差網(wǎng)絡(luò)引入3D U-Net網(wǎng)絡(luò)框架中，并在3D U-Net的編碼結(jié)構(gòu)里引入了空洞卷積。利用改進(jìn)的3D U-Net肺結(jié)節(jié)檢測(cè)算法在中南民族大學(xué)認(rèn)知科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中完成一系列肺結(jié)節(jié)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的算法檢測(cè)敏感度達(dá)到92.30%，并且降低了誤診率和漏檢率。

關(guān)鍵詞：結(jié)節(jié)檢測(cè);3D U-Net;肺癌

中圖分類號(hào)：TP183;TP391.41 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）12-0066-04

Abstract：In order to solve the problem of incomplete detection and high false detection rate of traditional methods，an improved 3D U-Net lung nodule detection algorithm is proposed. According to the shape and size characteristics of pulmonary nodules，the residual network is introduced into the 3D U-Net network framework，and the hole convolution is introduced into the 3D U-Net coding structure. The improved 3D U-Net pulmonary nodule detection algorithm was used to complete a series of pulmonary nodule detection experiments in the Cognitive Science Laboratory of South-central University for Nationalities. The experimental results show that the accuracy of the proposed algorithm is 92.30%，and the rate of misdiagnosis and missed detection is reduced.

Keywords：nodule detection;3D U-Net;lung cancer

0 ?引 ?言

肺癌是危及人類生命健康的最嚴(yán)重疾病之一，其不僅發(fā)病率極高，而且死亡率也很高。因此，對(duì)肺癌的早期診斷的研究備受學(xué)者們的關(guān)注。肺癌的早期癥狀表現(xiàn)并不明顯，甚至無(wú)癥狀，而輕微癥狀通常僅表現(xiàn)為咳嗽，胸痛，聲音嘶啞等，容易使人與感冒混淆而被忽視。而當(dāng)肺癌惡化時(shí)，患者通常表現(xiàn)為全身發(fā)熱、咳血、呼吸困難等，并伴隨著其他疾病的發(fā)生，難以治愈，嚴(yán)重者會(huì)致死。早期肺癌的治愈率為55%，晚期肺癌的治愈率為17%[1]。因此，及時(shí)診斷肺癌是治愈肺癌中極其重要的一環(huán)。而肺結(jié)節(jié)作為肺癌的早期表現(xiàn)，檢測(cè)肺結(jié)節(jié)對(duì)預(yù)測(cè)肺癌有重大的意義。

1 ?相關(guān)研究

現(xiàn)有的肺結(jié)節(jié)檢測(cè)包括早期的傳統(tǒng)方法和現(xiàn)代的深度學(xué)習(xí)的方法[2]。傳統(tǒng)的肺結(jié)節(jié)檢測(cè)方法有閾值分割法[3]、區(qū)域生長(zhǎng)法[4]、形態(tài)學(xué)方法、聚類法[5]等，主要著力于CT圖像的基本特征來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，但仍然需要具有豐富經(jīng)驗(yàn)醫(yī)師的人工干預(yù)，從而導(dǎo)致這些方法的泛化能力低;然而深度學(xué)習(xí)方法，特別是基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Network，CNN）的肺結(jié)節(jié)檢測(cè)方法，能自動(dòng)提取胸腔CT圖中大量的圖像精細(xì)特征，實(shí)現(xiàn)肺結(jié)節(jié)的有效檢測(cè)，滿足了醫(yī)學(xué)信息處理智能的需求，因此成為肺結(jié)節(jié)檢測(cè)研究領(lǐng)域的重要手段。

2 ?U-Net卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

近年來(lái)，深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在很多視覺(jué)識(shí)別任務(wù)中皆獲得了卓著的成績(jī)。在圖像分類任務(wù)方面，圖像的輸出是單個(gè)標(biāo)簽，但在圖像分割領(lǐng)域，任務(wù)不僅僅要輸出圖像的類別，還需要輸出定位信息。普通的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在圖像分割領(lǐng)域表現(xiàn)并不好，通常的思路是通過(guò)滑窗的方法，根據(jù)像素點(diǎn)周圍的像素來(lái)對(duì)該像素進(jìn)行分類，但這種網(wǎng)絡(luò)要對(duì)每個(gè)窗體進(jìn)行訓(xùn)練，計(jì)算量太大，冗余性太高。

2015年，Ronneberger等人[6]以全卷積網(wǎng)絡(luò)（Fully Convolu-tional Network，F(xiàn)CN）為基礎(chǔ)架構(gòu)，提出了U-Net模型。該模型結(jié)構(gòu)包含一個(gè)用于捕捉語(yǔ)義的收縮途徑（contracting path）和一個(gè)用在準(zhǔn)確定位的對(duì)稱延伸途徑（expansive path）。收縮路徑是典型的卷積網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，先通過(guò)卷積和池化層進(jìn)行下采樣，每一次下采樣特征圖大小減半，通道數(shù)量加倍，對(duì)稱延伸途徑是上采樣特征圖放大階段，通過(guò)反卷積實(shí)現(xiàn)，并且將反卷積的結(jié)果與收縮路徑中對(duì)應(yīng)步驟的特征圖拼接起來(lái)，最后輸出與原圖尺寸相同的圖片。

普通卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)卷積層的特征圖都由上一層繼承而來(lái)，而U-Net中的expansive path則將多級(jí)特征組合，使局部信息的準(zhǔn)確性與語(yǔ)義的確定同時(shí)兼顧成為可能。這一網(wǎng)絡(luò)僅使用少量數(shù)據(jù)，便能夠訓(xùn)練出一個(gè)端對(duì)端網(wǎng)絡(luò)，而且性能極佳，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像分割領(lǐng)域。

由于在醫(yī)學(xué)圖像處理領(lǐng)域，立體影像數(shù)據(jù)是很常見(jiàn)的，比如CT、核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）等，而一層一層轉(zhuǎn)化成2D數(shù)據(jù)去標(biāo)注是不現(xiàn)實(shí)的，而且用整個(gè)3D影像的全部數(shù)據(jù)去訓(xùn)練既低效又容易過(guò)擬合。

2018年，?I?EK等人[7]首次提出3D U-Net網(wǎng)絡(luò)模型，該模型不僅解決了效率問(wèn)題，而且解決了數(shù)據(jù)的標(biāo)注問(wèn)題，即對(duì)塊狀圖分割時(shí)不要求數(shù)據(jù)全部標(biāo)注，而只需要標(biāo)注切片中的部分，即可進(jìn)行立體分割。

由于整個(gè)3D U-Net的模型是在之前U-Net（2D）的基礎(chǔ)上創(chuàng)建起來(lái)的，因此同樣包含了一個(gè)編碼部分和一個(gè)解碼部分。編碼部分用來(lái)分析三維圖像序列，并進(jìn)行特征提取與分析，包含四個(gè)重復(fù)的卷積層，每個(gè)卷積層里有兩個(gè)卷積塊，一個(gè)Batch Norm層和ReLU激活函數(shù)，而與之相對(duì)應(yīng)的解碼部分則與編碼階段類似，只是max-pooling換成了反卷積，即下采樣變成上采樣，增加特征圖的尺寸大小，中間的expansive path操作也與2D U-Net相同，最后生成分割好的圖像序列，即三維分割圖像。

3D U-Net同樣采用了數(shù)據(jù)增強(qiáng)（Data Augmentation）的手段，主要由rotation、scaling和將圖像設(shè)置為gray，與此同時(shí)在訓(xùn)練數(shù)據(jù)上和真實(shí)標(biāo)注的數(shù)據(jù)上運(yùn)用平滑的密集變形場(chǎng)（smooth dense deformation field）[8]，主要是通過(guò)從在一個(gè)正態(tài)分布的隨機(jī)向量樣本中選取標(biāo)準(zhǔn)偏差為4的網(wǎng)格，在每個(gè)方向上具有32個(gè)體素的間距，然后應(yīng)用B樣條插值（B-Spline Interpolation）[9]，B樣條插值法比較籠統(tǒng)的說(shuō)就是在原本地形狀上找到一個(gè)類似地形狀來(lái)近似（approximation）。之后就對(duì)數(shù)據(jù)開始進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練采用的是加權(quán)交叉熵?fù)p失函數(shù)（weighted cross-entropy loss function）以至于減少背景的權(quán)重并增加標(biāo)注到的圖像數(shù)據(jù)部分的權(quán)重以達(dá)到平衡的影響小管和背景體素上的損失。

3D U-Net的誕生在醫(yī)學(xué)影像分割，特別是對(duì)于立體圖像（volumetric images）的分割，都是有很大幫助的，因?yàn)樗艽蟪潭壬辖鉀Q了3D圖像一個(gè)個(gè)slice送入模型進(jìn)行訓(xùn)練的尷尬局面，也大幅度的提升訓(xùn)練效率，并且保留了FCN和U-Net本來(lái)具備的優(yōu)秀特征。

3 ?改進(jìn)的3D U-Net卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

肺結(jié)節(jié)區(qū)域檢測(cè)是典型的3D小目標(biāo)檢測(cè)。用2D的卷積網(wǎng)絡(luò)模型則需要將CT圖以Z軸切片為平面圖，再送入網(wǎng)絡(luò)模型中進(jìn)行訓(xùn)練（包括切片圖和標(biāo)注圖），這樣不僅使得預(yù)處理過(guò)程變得煩瑣，還丟失了CT圖里的Z軸的空間信息，訓(xùn)練出來(lái)的效果也是差強(qiáng)人意。

肺結(jié)節(jié)檢測(cè)流程圖如圖1所示，本文先是直接選用了3D U-Net模型進(jìn)行肺結(jié)節(jié)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，然后選用3D雙徑分類網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行假陽(yáng)性去除，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)結(jié)果圖像進(jìn)行可視化研究。采用的數(shù)據(jù)集是LUNA16，其中，70%用于訓(xùn)練，15%用來(lái)驗(yàn)證，15%用來(lái)測(cè)試，采用十折交叉驗(yàn)證方法進(jìn)行訓(xùn)練?；诰W(wǎng)絡(luò)輸入大小以及硬件條件的限制，這里先將預(yù)處理之后的圖片crop成96×96×96大小的cube，裁剪后的結(jié)果包含兩部分，70%的立方體是根據(jù)標(biāo)簽來(lái)裁剪，但肺結(jié)節(jié)并不在立方體中心，剩余30%部分是在整個(gè)肺部隨機(jī)裁剪的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，3D U-Net模型的敏感度達(dá)到了89.60%，F(xiàn)ROC（Free-Response Receiver Operating Characteristic，F(xiàn)ROC）曲線中AUC值為0.91，相較于LUNA16比賽中其他小組的算法，取得了不錯(cuò)的成績(jī)，根據(jù)上述分析發(fā)現(xiàn)，3D U-Net模型是端對(duì)端的U型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在收縮網(wǎng)絡(luò)部分，包含有卷積核大小為3×3的多個(gè)卷積層，且每個(gè)卷積層后均連接著修正單元（ReLU）與一個(gè)窗口大小是2×2，步長(zhǎng)是2的池化層。在池化層的操作下，圖像皆會(huì)被下采樣，而每次下采樣都會(huì)損失圖像中的信息。在肺部CT圖像中，肺結(jié)節(jié)的大小通常在2 mm到30 mm之間，屬于典型的小目標(biāo)。當(dāng)池化層下采樣的次數(shù)越多，圖像信息的丟失就越大，對(duì)于小的肺結(jié)節(jié)目標(biāo)的特征就幾乎得不到反映了，這樣就會(huì)影響模型訓(xùn)練的結(jié)果，造成網(wǎng)絡(luò)對(duì)小體積結(jié)節(jié)的檢測(cè)遺漏。為此，本文主要針對(duì)這些問(wèn)題改進(jìn)原有的網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)。

用ResNet網(wǎng)絡(luò)[10]替換3D U-Net里的主干網(wǎng)絡(luò)，有力聯(lián)系了兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，首先是殘差模型會(huì)簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，其次是在殘差單元中的shortcut連接和網(wǎng)絡(luò)的低層級(jí)與高層級(jí)二者間會(huì)推動(dòng)信息傳播而不會(huì)發(fā)生梯度丟失。設(shè)計(jì)的殘差結(jié)構(gòu)如圖2所示。

每一個(gè)殘差塊（Res.block）里包含三個(gè)殘差單元（Residual Unit），并在每一個(gè)3×3卷積核后面添加了BatchNorm層，進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化，提高了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性并大幅加快了收斂速度。然后借鑒Deeplab模型[11]的思想，將U-Net里加入空洞卷積層。設(shè)計(jì)出最終的改進(jìn)的3D U-Net檢測(cè)模型架構(gòu)圖如圖3所示。

用串行方法構(gòu)建空洞卷積（Atrous Convolution）結(jié)構(gòu)塊，復(fù)制Res.block的最后一個(gè)block，如圖3的Res.block4，并把復(fù)制后的blocks用串行方法級(jí)聯(lián)。其中，每個(gè)block內(nèi)存在三個(gè)卷積，除了最后一個(gè)block，其他的block步長(zhǎng)皆是2。其中，定義Multi_Grid=（r1，r2，r3）為block4～block7的三個(gè)卷積核的基礎(chǔ)空洞率（unit rates）。卷積核最終的空洞率（atrous rate）等于unit rate與對(duì)應(yīng)的rate的乘積。其中Multi_Grid=（1，2，4）block4中三個(gè)卷積層的rate為2，則最終的空洞率分別為（2，4，8），block5中的rate為4，最終的空洞率為（4，8，16），以此類推。此類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)建的目的，引進(jìn)的空洞卷積能比較輕易捕捉更深更大區(qū)域的信息。而人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)固定，引入全局信息能提高檢測(cè)的精度，并能有效地降低假陽(yáng)性。

此外，損失函數(shù)用dice_coef_loss概念，其中，兩個(gè)區(qū)塊的類似程度以DSC代表，A與B代表兩個(gè)輪廓區(qū)塊所囊括的點(diǎn)的集合，概念見(jiàn)式（1）。

DSC=（A，B）=2|A∩B|/（|A|+|B|） ? ? ?（1）

dice_coef_loss以式（2）呈現(xiàn)，并運(yùn)用Adam（Adaptive moment estimation，Adam）算法來(lái)訓(xùn)練。

dice_coef_loss=1-DSC ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

4 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 ?評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

肺結(jié)節(jié)檢測(cè)出來(lái)的疑似結(jié)節(jié)有兩種情況，真性結(jié)節(jié)和非真性結(jié)節(jié)（包含假陽(yáng)性結(jié)節(jié)和非結(jié)節(jié)），可以看成是一個(gè)二分類問(wèn)題，真性結(jié)節(jié)為正樣本，非真性結(jié)節(jié)為負(fù)樣本。為了評(píng)估本文提出的改進(jìn)的3D U-Net檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目尚行院头€(wěn)定性，文章使用混淆矩陣來(lái)進(jìn)行模型評(píng)估。二分類問(wèn)題中樣本只能為正類和負(fù)類。則檢測(cè)出來(lái)的會(huì)有四種情況：（1）被預(yù)測(cè)為正的正樣本;（2）被預(yù)測(cè)為負(fù)的正樣本;（3）被預(yù)測(cè)為正的負(fù)樣本;（4）被預(yù)測(cè)為負(fù)的負(fù)樣本。這四類情況如表1所示。

肺結(jié)節(jié)檢驗(yàn)系統(tǒng)之中，正類也就是標(biāo)記的肺結(jié)節(jié)區(qū)塊，負(fù)類是不包含肺結(jié)節(jié)區(qū)塊在內(nèi)的區(qū)塊。就相當(dāng)于正樣本數(shù)量是定了的，而負(fù)樣本是未知的。肺結(jié)節(jié)檢測(cè)第一步主要是為了查全，因此選取的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)為醫(yī)學(xué)較為常用的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)敏感度（Sensitivity），即數(shù)據(jù)中肺結(jié)節(jié)被檢出的占比，即式（3）。

Sensitivity= ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

此外，還有一個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，就是在平均每張CT影像中檢測(cè)出的結(jié)節(jié)的數(shù)量（Candidates/Scan）。

4.2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文提出的改進(jìn)的3D U-Net肺結(jié)節(jié)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)在LUNA16和天池醫(yī)療AI大賽的數(shù)據(jù)集進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，皆取得了突出的成效。文章提出的改進(jìn)的3D U-net網(wǎng)絡(luò)與參考文獻(xiàn)[12-15]中提到的相關(guān)算法的比較結(jié)果如表2所示。

表2中，ISICAD和M5L采用傳統(tǒng)方法，其中人工特征提取的方法候選結(jié)節(jié)數(shù)量很多，3D區(qū)域生長(zhǎng)法取得了不錯(cuò)的成績(jī)，Xie等和嚴(yán)忱君采用的是深度學(xué)習(xí)的方法，F(xiàn)RCNN和2D U-Net是目前比較流行的肺結(jié)節(jié)檢測(cè)模型。通過(guò)表格數(shù)據(jù)對(duì)比，采用3D U-Net模型能較好地分割出肺結(jié)節(jié)，本文的改進(jìn)取得了不錯(cuò)的效果，具有一定的理論和實(shí)際意義。

采用國(guó)際通用的模型評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)FROC曲線來(lái)驗(yàn)證該模型的性能，F(xiàn)ROC是ROC（Receiver Operating Characteristic curv，ROC）的一個(gè)變種，ROC曲線是針對(duì)二分類問(wèn)題的，F(xiàn)ROC曲線則對(duì)應(yīng)多目標(biāo)檢測(cè)問(wèn)題。縱坐標(biāo)為敏感度Sensitivity，橫坐標(biāo)為FPPS（False Positives Per Scan，F(xiàn)PPS），即平均每張CT中假陽(yáng)性樣本的個(gè)數(shù)，這里設(shè)置為FPPS= {0.125，0.250，0.500，1.000，2.000，4.000，8.000}，如圖4所示，是本文的算法與LUNA16肺結(jié)節(jié)挑戰(zhàn)賽中一些小組算法的對(duì)比結(jié)果。

由表內(nèi)數(shù)據(jù)能夠獲悉，文章給出的方式達(dá)到了最高的敏感度，而且生成的候選結(jié)節(jié)的均數(shù)最少。由圖可以看出，當(dāng)FPPS略低時(shí)，3D區(qū)域生長(zhǎng)法、3D U-Net和改進(jìn)的3D U-Net表現(xiàn)偏好，另外三組的敏感度偏低，當(dāng)FPPS大于2時(shí)，3D U-Net、FRCNN和本文的敏感度都超過(guò)了80%，但是當(dāng)FPPS小于0.500時(shí)，其敏感度要低于改進(jìn)的3D U-Net，綜合來(lái)看，本文提出的改進(jìn)的3D U-Net算法不管是哪個(gè)階段，表現(xiàn)力都優(yōu)于其他幾組。證明了改進(jìn)的3D U-Net網(wǎng)絡(luò)在候選結(jié)節(jié)檢驗(yàn)上獲得了突出的成果。

圖5為檢測(cè)之后的可視化結(jié)果圖，從圖中可以看出肺結(jié)節(jié)的大小和給出的預(yù)測(cè)概率，從圖中也可以看出，對(duì)于不同形態(tài)和大小的結(jié)節(jié)，用本文提出的檢測(cè)算法都能有效的檢測(cè)出來(lái)。

5 ?結(jié) ?論

本文選用了3D U-Net作為肺結(jié)節(jié)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。然后根據(jù)肺結(jié)節(jié)的形態(tài)不規(guī)則，體積偏小的形態(tài)特點(diǎn)，以及實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練過(guò)程中遇到的梯度爆炸模型不收斂問(wèn)題，引入了殘差結(jié)構(gòu)優(yōu)化了主干網(wǎng)絡(luò)，融合空洞卷積加深了U-Net結(jié)構(gòu)里的收斂途徑，獲得了更多的有效的特征信息。最后采用LUNA16數(shù)據(jù)集用來(lái)訓(xùn)練模型，得到的結(jié)果與其他方法進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，改進(jìn)的3D U-Net模型在一定情況下具有比其他方法更高的敏感度，即漏檢率更低，能盡可能全的分割出肺結(jié)節(jié)。

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作者簡(jiǎn)介：周晨芳（1995—），女，漢族，湖北孝感人，碩士研究生，研究方向：醫(yī)學(xué)圖像處理。