基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的甲狀腺影像診斷研究

李立 董現(xiàn)玲 劉會(huì)玲

摘? 要：隨著卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療圖像領(lǐng)域的成功應(yīng)用，進(jìn)一步推動(dòng)了醫(yī)學(xué)影像設(shè)備性能的提升。通過利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，對(duì)甲狀腺影像進(jìn)行系統(tǒng)的分析，有效預(yù)測患者的病情發(fā)展態(tài)勢(shì)，切實(shí)保障診斷效率的提高，整體看具有較為顯著的臨床應(yīng)用價(jià)值。鑒于此，該文通過分析卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)、工作機(jī)制、基本特點(diǎn)，探討基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的甲狀腺影像識(shí)別方法，并為甲狀腺影像診斷提出幾點(diǎn)思考，以期有效推動(dòng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在甲狀腺影像診斷中的應(yīng)用改革進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：甲狀腺疾病? 醫(yī)學(xué)影像? 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)? 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

Abstract： With the successful application of convolutional neural network in the field of medical imaging， the performance of medical imaging equipment is further improved. Through the use of convolution neural network method， systematic analysis of thyroid imaging can effectively predict the development trend of the patient's condition and effectively ensure the improvement of diagnosis efficiency， which has a more significant clinical application value. In view of this， this paper analyzes the basic structure， working mechanism and basic characteristics of convolutional neural network， discusses the thyroid image recognition method based on convolutional neural network， and puts forward some thoughts for thyroid imaging diagnosis in order to effectively promote the application and reform process of convolutional neural network in thyroid imaging diagnosis.

Key Words： Thyroid disease; Medical imaging; Convolutional neural network; Neural network model

1? 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由輸入層、卷積層、池化層、全連接層、輸出層等組成的，其組織結(jié)構(gòu)比較固定。

其中，該方法的運(yùn)用需要明確以下事項(xiàng)：卷積層的每一層均包含著各種可學(xué)習(xí)的參數(shù)，同時(shí)相當(dāng)于一個(gè)濾波器，便于獲取相關(guān)物體的邊緣與顏色特征;池化層一般在卷積層的后面，具有減少網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練參數(shù)、降低輸出結(jié)果維度、對(duì)輸入做采樣與降維等作用;激活函數(shù)位于卷積層與池化層之間，同時(shí)也是解決神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中非線性問題的關(guān)鍵，Tanh、Sigmoid、ReLUd等是較為常用的激活函數(shù)。

1.2 工作機(jī)制

一是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反向傳播算法。其本質(zhì)與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法基本一致，主要區(qū)別在于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反向求導(dǎo)需要明確參數(shù)連接的各個(gè)神經(jīng)元。

二是梯度下降法。朝著目標(biāo)函數(shù)梯度反向上更新模型參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)最小化目標(biāo)函數(shù)，即該方法機(jī)制的基本思想。其中，批量梯度下降與隨機(jī)梯度下降是較常見的兩種方法，后者可依據(jù)樣本訓(xùn)練數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，便于高效求解模型參數(shù)。

1.3 基本特點(diǎn)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有局部感知、權(quán)值共享、多卷積核等顯著特性，在降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度、減少訓(xùn)練參數(shù)個(gè)數(shù)、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等方面所起到的作用較為突出。

具體而言，局部感知的特點(diǎn)在于通過對(duì)物體進(jìn)行局部的感知，匯總局部感知信息來認(rèn)知全局;權(quán)值共享是指利用同一個(gè)卷積核對(duì)整個(gè)圖像進(jìn)行卷積，等同于實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)圖像進(jìn)行濾波，便于有效固定各個(gè)卷積核對(duì)應(yīng)的參數(shù);卷積審計(jì)網(wǎng)絡(luò)具備的多卷積核特點(diǎn)，在圖像識(shí)別領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)較明顯，卷積核個(gè)數(shù)越多，提取的圖像特征則越多。

2? 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的甲狀腺影像識(shí)別

結(jié)合卷積審計(jì)網(wǎng)絡(luò)的基本原理，在甲狀腺影像識(shí)別中運(yùn)用卷積審計(jì)網(wǎng)絡(luò)方法的效果較好。為了進(jìn)一步深入驗(yàn)證，特選取該院收治的甲狀腺疾病患者臨床資料進(jìn)行探究分析，具體探討基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的甲狀腺影像識(shí)別成效。

2.1 數(shù)據(jù)收集分類

選取2018年2月至2020年2月在該院接受治療的709例甲狀腺疾病患者，其中男性368例、女性341例，年齡16～78歲。所有患者影像數(shù)據(jù)收集自甲狀腺病例原始影像檢查報(bào)告，臨床資料的選用已獲得患者及其家屬同意。將影像數(shù)據(jù)主要分成6大類，具體包括正常、甲狀腺腫大、攝取功能減低、亞急性甲狀腺炎、甲狀腺功能亢進(jìn)、甲狀腺部位有結(jié)節(jié)。為了便于準(zhǔn)確歸類，對(duì)應(yīng)數(shù)量統(tǒng)計(jì)除正常類99例患者外，其他5類患者數(shù)量均為122例。此外，甲狀腺部位的結(jié)節(jié)尺寸處于0.10 cm×0.15 cm×0.05 cm～6.5 cm×5.5 cm×5.8 cm范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.0 cm×3.8 cm×3.5 cm。

2.2 數(shù)據(jù)處理

通過分類患者影像數(shù)據(jù)，從中發(fā)現(xiàn)非對(duì)稱性特點(diǎn)較為突出，相關(guān)典型癥狀的識(shí)別率僅在50%左右。傳統(tǒng)影像增強(qiáng)方法的運(yùn)用，產(chǎn)生新數(shù)據(jù)的重點(diǎn)在于改變空間剛性變換等方面，在此基礎(chǔ)上提出卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的應(yīng)用設(shè)想，有利于降低模型泛化誤差，加強(qiáng)甲狀腺影像識(shí)別準(zhǔn)確度。具體而言，根據(jù)已有的709例患者影像資料，使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型生成新的高分辨率的類似影像，采用深度學(xué)習(xí)方法準(zhǔn)確識(shí)別人體甲狀腺細(xì)胞影像紋理數(shù)據(jù)，并對(duì)6大類影像數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注，最終準(zhǔn)確獲得識(shí)別交叉影像特征的結(jié)果。

2.3 軟硬件工具分析

軟件工具以Python為主、Matlab為輔，用于進(jìn)行開發(fā)語言、部分運(yùn)算等工作;深度學(xué)習(xí)框架使用Python開發(fā)軟件，便于快速搭建卷積審計(jì)網(wǎng)絡(luò)模型，直觀展現(xiàn)影像數(shù)據(jù)變化過程。硬件工具使用搭載Windows 10版本的計(jì)算機(jī)，主頻達(dá)到2.8 GHz，4核8線程處理器。

2.4 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的運(yùn)用

采用基于卷積審計(jì)網(wǎng)絡(luò)的甲狀腺影像識(shí)別方法，又被稱之為深度學(xué)習(xí)分類模型，主要由卷積層、池化層等結(jié)構(gòu)組成，包含激活函數(shù)、卷積、池化等操作。主要內(nèi)容如下。

第一，通過對(duì)709例甲狀腺疾病患者原始影像進(jìn)行數(shù)字圖像處理，選擇較為清晰的圖像片層并刪除冗余圖像。針對(duì)圖像數(shù)據(jù)特征進(jìn)行濾波處理，減輕噪音對(duì)圖像質(zhì)量的影響。經(jīng)過一系列處理辦法，形成甲狀腺影像信息的子圖像，從而更加明確圖像特征。

第二，結(jié)合所有患者影像數(shù)據(jù)分類結(jié)果，設(shè)計(jì)甲狀腺疾病分類卷積審計(jì)網(wǎng)絡(luò)，主要以激活函數(shù)的選取、卷積結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、池化結(jié)構(gòu)的構(gòu)建為主，進(jìn)一步分層次挖掘所研究的樣本特征。

其中，激活函數(shù)能夠深度提取甲狀腺疾病特征，提高圖像特征表達(dá)能力。Tanh、Sigmoid、ReLUd是常見的梯度彌散型函數(shù)，前兩項(xiàng)函數(shù)具有梯度飽和的缺陷。選用ReLUd作為激活函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為，相較適用于甲狀腺疾病分類情況，且計(jì)算速度更快。

在此設(shè)計(jì)的甲狀腺影像診斷卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型包含多個(gè)卷積操作，對(duì)圖像特征提取起到關(guān)鍵作用。通過從原始影像中提取低級(jí)特征，繼而借助多次迭代擬合形成高級(jí)特征，并對(duì)圖像分類輸出實(shí)施改進(jìn)。此外，在卷積過程中同樣需要利用激活函數(shù)的矩陣運(yùn)算，其實(shí)質(zhì)則是卷積核的內(nèi)積操作，便于促進(jìn)卷積層與其他網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)作。

甲狀腺影像通過卷積層操作輸出取均值，轉(zhuǎn)而進(jìn)入池化層結(jié)構(gòu)，形成具有不重疊矩形區(qū)域特性的圖像，從而完成對(duì)影像特征的采樣統(tǒng)計(jì)。池化層的數(shù)學(xué)表達(dá)公式為，其中為權(quán)重系數(shù);為最大池化函數(shù)。采用平均采樣與最大采樣等方法，在卷積層特征提取后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算與篩選歸納，選取圖像區(qū)域的平均值與最大值，用以描述卷積特征并保持其均勻性。

3? 結(jié)果與分析

3.1 模型測試結(jié)果

通過設(shè)置卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練參數(shù)，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行測試訓(xùn)。明確初始學(xué)習(xí)率為0.1，共計(jì)迭代訓(xùn)練300次，交叉訓(xùn)練后學(xué)習(xí)率轉(zhuǎn)變?yōu)?.001，其變化曲線較為明顯。由訓(xùn)練結(jié)果可知，訓(xùn)練迭代次數(shù)的增加，模型驗(yàn)證損失逐漸降低，其精度隨之不斷提高，證實(shí)了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練效果較好，且在甲狀腺影像識(shí)別中的運(yùn)用也達(dá)到了預(yù)期成效。

3.2 模型效果驗(yàn)證

通過對(duì)測試的709例甲狀腺疾病患者影像進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)一步驗(yàn)證卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的穩(wěn)定性。對(duì)照實(shí)際診斷報(bào)告結(jié)論，將所有患者影像分成單一特征影像與交叉特征影像。統(tǒng)計(jì)6類甲狀腺影像數(shù)據(jù)識(shí)別結(jié)果：正確識(shí)別數(shù)量總計(jì)649例、正確識(shí)別率達(dá)到91.5%;正常、甲狀腺腫大、攝取功能減低、亞急性甲狀腺炎、甲狀腺功能亢進(jìn)、甲狀腺部位有結(jié)節(jié)的正確識(shí)別數(shù)量及識(shí)別率，分別對(duì)應(yīng)為90（90.9%）、110（90.1%）、112（91.8%）、113（92.6%）、116（95.0%）、108（88.5%）。

通過分析6類甲狀腺影像數(shù)據(jù)識(shí)別結(jié)果，發(fā)現(xiàn)甲狀腺功能亢進(jìn)的識(shí)別率達(dá)到最高，甲狀腺部位有結(jié)節(jié)的正確識(shí)別效果則是最差的。究其成因，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的甲狀腺影像識(shí)別，甲狀腺功能亢進(jìn)的影像表征較為明顯，甲狀腺部位顏色與其他部位相比較深;甲狀腺部位結(jié)節(jié)的影像表征存在顯著的區(qū)別，每一結(jié)節(jié)的位置、大小、顏色、深度均有所差異，癥狀識(shí)別準(zhǔn)確度較低。由此可見，傳統(tǒng)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)仍然存在有待改進(jìn)之處，尤其是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練測試方面，提高甲狀腺疾病癥狀識(shí)別進(jìn)精度則顯得至關(guān)重要。

3.3 統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果

設(shè)定召回率、精確率、特異度作為評(píng)價(jià)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法性能的指標(biāo)，比較基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的甲狀腺影像識(shí)別效果。在此需要明確兩項(xiàng)指標(biāo)的核心內(nèi)容。召回率又被稱之為靈敏度或命中率，主要是指正確預(yù)測樣本數(shù)量與總樣本數(shù)量的比率;特異度是指正確預(yù)測陰性樣本與總陰性樣本的比率。此外，各項(xiàng)性能指標(biāo)評(píng)價(jià)公式，分別對(duì)應(yīng)為召回率=TP/TP+FN、精確率=TN/FP+TN、特異度=TN/FP+TN，其中TP為樣本呈正陽性;TN為樣本呈真陰性;FP為樣本呈假陽性;FN為樣本呈假陰性。

根據(jù)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的分類結(jié)果，對(duì)比甲狀腺腫大、攝取功能減低、亞急性甲狀腺炎、甲狀腺功能亢進(jìn)、甲狀腺部位有結(jié)節(jié)5類甲狀腺影像數(shù)據(jù)，召回率分別為95.7%、94.7%、95.8%、96.8%、92.6%，精確率分別為97.7%、94.7%、98.4%、97.8%、96.6%，特異度分別為94.7%、94.6%、96.6%、95.7%、97.6%，結(jié)果表明卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)甲狀腺影像癥狀有較高的識(shí)別率。

4? 結(jié)語

綜上所述，借助卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行甲狀腺影像診斷，便于準(zhǔn)確識(shí)別正常、甲狀腺腫大、攝取功能減低、亞急性甲狀腺炎、甲狀腺功能亢進(jìn)、甲狀腺部位有結(jié)節(jié)6類甲狀腺疾病影像，具有很好的臨床應(yīng)用價(jià)值。

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