基于輔助監(jiān)督信號(hào)的肺結(jié)節(jié)良惡性分類

易樂(lè)，張蕾

(四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都610065)

0 引言

肺癌是我國(guó)乃至全球癌癥相關(guān)死亡的主要原因，在2018年全球就有210萬(wàn)新增肺癌的確診病例和180萬(wàn)新增肺癌的死亡病例[1]。早期發(fā)現(xiàn)惡性肺結(jié)節(jié)是至關(guān)重要的，它能夠顯著提升肺癌患者的五年生存率[2]。肺癌在多個(gè)層面中都具有極大的時(shí)間和空間異質(zhì)性，包括基因、蛋白質(zhì)、細(xì)胞、微環(huán)境、組織、器官等層面[3]。計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)圖像能夠以非侵入的方式捕獲腫瘤的異質(zhì)性，因此，已經(jīng)成為臨床實(shí)踐中篩查肺癌的常規(guī)手段。計(jì)算機(jī)輔助診斷(CAD)系統(tǒng)利用胸部CT圖像，自動(dòng)地檢測(cè)出惡性的肺結(jié)節(jié)，極大減輕了臨床醫(yī)生的工作負(fù)擔(dān)并加快了肺癌早期篩查流程。

近幾年，肺癌的CAD系統(tǒng)取得了極大的發(fā)展[4-12]，其取得的突破與深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DCNN)在醫(yī)學(xué)圖像分析任務(wù)上的應(yīng)用息息相關(guān)。然而，小樣本問(wèn)題始終阻礙著DCNN在肺結(jié)節(jié)的良惡性分類任務(wù)上的性能。這個(gè)問(wèn)題的出現(xiàn)主要是因?yàn)閹в袠?biāo)注的數(shù)據(jù)獲取存在很大的壁壘。

很多工作都致力于推進(jìn)肺結(jié)節(jié)良惡性分類的任務(wù)[4-6，8，11，12]。如何從只有少量樣本的肺結(jié)節(jié)數(shù)據(jù)集中，有效提取腫瘤異質(zhì)性的表達(dá)，是這些研究的共同課題。這些方法包括了多視圖[5，6，10]/尺度[7，8]、半監(jiān)督學(xué)習(xí)[6]、遷移學(xué)習(xí)[5，12]等。然而，很少有研究涉及肺結(jié)節(jié)在影像中呈現(xiàn)出的形態(tài)學(xué)特征。臨床上，這些特征在一定程度上反映了肺結(jié)節(jié)的異質(zhì)性，能夠輔助肺結(jié)節(jié)的性質(zhì)的判斷[13，14]。例如，惡性肺結(jié)節(jié)通常具有毛刺征、分葉征的形態(tài)學(xué)表現(xiàn)。

為了解決此任務(wù)中的小樣本問(wèn)題，我們提出多任務(wù)的肺結(jié)節(jié)分類殘差網(wǎng)絡(luò)(MTLNC-Net)。其將肺結(jié)節(jié)影響特征作為DCNN訓(xùn)練的輔助監(jiān)督信號(hào)，使得即使在少量訓(xùn)練數(shù)據(jù)的情況下，網(wǎng)絡(luò)依然能夠很好地提取肺結(jié)節(jié)異質(zhì)性表達(dá)，最終提升良惡性分類的性能。具體地，我們采用三維殘差網(wǎng)絡(luò)(3D-ResNet)[15]和帶權(quán)交叉熵?fù)p失函數(shù)(W-CEL)[16]。更重要的是，應(yīng)用了多任務(wù)學(xué)習(xí)中參數(shù)共享的模式，從而為特征提取網(wǎng)絡(luò)引入輔助監(jiān)督信號(hào)的正則化影響。

我們采用了LIDC-IDRI數(shù)據(jù)集[17]來(lái)驗(yàn)證我們提出的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MTLC-Net有效解決了肺結(jié)節(jié)良惡性分類任務(wù)中的小樣本問(wèn)題。并且，對(duì)比于目前僅用一個(gè)骨干網(wǎng)絡(luò)的肺結(jié)節(jié)良惡性分類工作，本方法取得了目前最好的結(jié)果。

1 方法

1.1 LIDC-IDRI數(shù)據(jù)集

LIDC-IDRI數(shù)據(jù)集[17]包含了1018個(gè)胸部CT掃描，其中包含2667個(gè)肺結(jié)節(jié)病灶。每個(gè)放射科醫(yī)生獨(dú)立地勾畫出這些肺結(jié)節(jié)的感興趣區(qū)域，并為它們的九個(gè)影像特征分配一個(gè)5-6個(gè)數(shù)值的程度評(píng)級(jí)。這些特征包括：難分辨度(subtlety)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)(internal structure)、鈣化(calcification)、球度(sphericity)、邊緣(margin)、毛刺(spiculation)、分葉(lobulation)、質(zhì)地(texture)、和惡性(malignancy)，本文分別用Sub、Int、Cal、Sph、Mar、Spi、Lob、Tex、Mal表示以上的特征。由于這些肺結(jié)節(jié)有至少一個(gè)至多四個(gè)放射科醫(yī)生標(biāo)注，因此需要合并同一個(gè)肺結(jié)節(jié)有多個(gè)標(biāo)注的情況。我們用了一個(gè)Python包，即pylidc(1)https://github.com/pylidc/pylidc，來(lái)查詢并合并肺結(jié)節(jié)。最終，我們獲得了2651個(gè)肺結(jié)節(jié)。另外，我們用多個(gè)標(biāo)注結(jié)果的中位數(shù)來(lái)作為金標(biāo)準(zhǔn)。

表1給出了LIDC-IDRI數(shù)據(jù)集中每個(gè)評(píng)級(jí)的結(jié)節(jié)數(shù)量，其中，特征Int只有16個(gè)結(jié)節(jié)的評(píng)級(jí)不為1，因此，我們?cè)诒狙芯恐信懦薎nt特征。另外，根據(jù)此前的研究[5，6，8，10，18]，將Mal評(píng)級(jí)的3作為不確定，評(píng)級(jí)1-2作為良性，評(píng)級(jí)4-5作為。最終，一共納入1393個(gè)肺結(jié)節(jié)。此外，我們將Cal特征的1-5的評(píng)級(jí)作為肺結(jié)節(jié)具有鈣化特征(Cal=1，其他特征類似)，將Spi和Lob的3-5的評(píng)級(jí)作為具有毛刺或者分葉征，將Tex和Sph的1-3的評(píng)級(jí)分別表示具有磨玻璃成分和肺結(jié)節(jié)呈現(xiàn)為線形或橢圓形，將Mar和Sub的1-2的評(píng)級(jí)作為肺結(jié)節(jié)呈現(xiàn)邊緣不清晰和難分辨的特征。表2給了良性肺結(jié)節(jié)和惡性肺結(jié)節(jié)在每個(gè)特征上分別的數(shù)量。

表1 LIDC-IDRI數(shù)據(jù)集特征標(biāo)簽以及合并后每個(gè)評(píng)級(jí)的結(jié)節(jié)個(gè)數(shù)(N/A：無(wú))

表2 不同性質(zhì)肺結(jié)節(jié)的數(shù)量以及每種肺結(jié)節(jié)影像特征為正樣本的數(shù)量

本研究中，我們將所有肺結(jié)節(jié)裁剪為32×48×48大小的圖片。另外，我們?cè)谟?xùn)練階段使用了數(shù)據(jù)增廣的方法，降低模型過(guò)擬合風(fēng)險(xiǎn)[4，8-10]。

1.2 MTLNC-Net

圖1給出了MTLNC-Net的整體的架構(gòu)：包含一個(gè)3D-ResNet[15]骨干網(wǎng)絡(luò)和W-CEL[16]函數(shù)。采用3D-ResNet的原因有以下兩個(gè)方面。第一，ResNet能夠靈活改變網(wǎng)絡(luò)的深度，從而方便選擇此數(shù)據(jù)集上最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)大?。坏诙?，不同于擴(kuò)展2D-DCNN來(lái)提取肺結(jié)節(jié)的空間特征[5，6，10]，三維的網(wǎng)絡(luò)可以最大保留肺結(jié)節(jié)的空間異質(zhì)性。

圖1 MTLNC-Net的結(jié)構(gòu)框架

表3給出了3D-ResNet的具體結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)AL(Assembled Layer)層是由殘差塊堆積而成了，在每個(gè)AL層的開始都會(huì)增加特征圖的通道數(shù)量并對(duì)特征圖進(jìn)行降采樣。AL層的每個(gè)殘差塊都設(shè)計(jì)了一個(gè)快捷連接，它使得這個(gè)塊能夠?qū)W到輸入輸出之間的殘差，從而逼近一個(gè)恒等映射。通過(guò)殘差塊的堆積，ResNet能夠靈活改變網(wǎng)絡(luò)大小，并且也不會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)的正確率隨著深度增加而出現(xiàn)顯著的下降。本研究中，我們?cè)?D-ResNet的輸出層設(shè)置了8個(gè)神經(jīng)元，其代表一個(gè)良惡性分類主任務(wù)和七個(gè)影像特征分類輔助任務(wù)。

表3 殘差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(Conv：卷積層，MP：最大池化，AL：殘差塊堆積層，GAP：全局平均池化，F(xiàn)C：全連接層)

另外，我們采用帶權(quán)交叉熵?fù)p失函數(shù)[16]作為損失函數(shù)。它廣泛應(yīng)用于多標(biāo)簽分類，來(lái)緩解類別不平衡問(wèn)題。假設(shè)p=F(x)(p∈(0，1)8，x∈RD)為輸出的肺結(jié)節(jié)具有某種特征的概率，y∈{0，1}8為標(biāo)簽，其中y的每一位yl表示肺結(jié)節(jié)具有或者不具有此特征。W-CEL定義如下：

(1)

(2)

(3)

其中，|Pl|和|Nl|分別表示在一批數(shù)據(jù)中，第l個(gè)標(biāo)簽的正樣本和負(fù)樣本的數(shù)量。另外，ε用來(lái)防止沒(méi)有正樣本的情況，我們默認(rèn)設(shè)置它為0.1。

不同于以往的肺結(jié)節(jié)良惡性分類的研究，我們關(guān)注利用肺結(jié)節(jié)的影像特征作為良惡性分類網(wǎng)絡(luò)的輔助監(jiān)督信號(hào)，從而解決此任務(wù)上的小樣本問(wèn)題。具體地，3D-ResNet同時(shí)輸出良惡性的概率和每個(gè)特征的概率，輸入到W-CEL中計(jì)算總體損失，再反向傳播到網(wǎng)絡(luò)中。由于肺結(jié)節(jié)的每個(gè)任務(wù)都共享同一個(gè)特征表達(dá)，并在訓(xùn)練過(guò)程中根據(jù)所有任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化。相較于只輸出良惡性的分類網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)提取到的異質(zhì)性表達(dá)更具一般性、具有特定噪聲模式更少的，每個(gè)特征都能夠在這組特征表達(dá)的特征空間中以某種方式區(qū)分。最終，網(wǎng)絡(luò)能夠提取更具泛化性的表達(dá)，即使僅有少量訓(xùn)練數(shù)據(jù)，DCNN對(duì)肺結(jié)節(jié)異質(zhì)性特征提取依然有很好表現(xiàn)，從而很好地應(yīng)對(duì)此任務(wù)上的小樣本問(wèn)題。

2 結(jié)果和討論

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了評(píng)估模型在肺結(jié)節(jié)良惡性分類任務(wù)上的性能，本文采用了正確率(Accuracy)、敏感性(Recall)、精確度(Precision)、特異性(Specificity)、F1值，以及受試者曲線下面積(AUC)。由于此數(shù)據(jù)集正負(fù)樣本存在著不平衡的問(wèn)題，因此，我們主要將AUC作為對(duì)比不同方法的主要參考指標(biāo)。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

我們?cè)谝慌_(tái)有四塊Tesla K40(12GB)顯卡的服務(wù)器上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其系統(tǒng)版本為Ubuntu(16.04)，CUDA版本號(hào)為9。所有模型和實(shí)驗(yàn)代碼都使用PyTorch 1.0和Python 3.6實(shí)現(xiàn)。所有實(shí)驗(yàn)都在LIDC-IDRI數(shù)據(jù)集上進(jìn)行五次獨(dú)立的十折交叉驗(yàn)證。我們使用已經(jīng)在Kinetics數(shù)據(jù)集上收斂的3D-ResNet模型的參數(shù)進(jìn)行初始化，并在LIDC-IDRI數(shù)據(jù)集上微調(diào)160個(gè)周期。驗(yàn)證集上取得最好的良惡性分類AUC結(jié)果被保存下來(lái)。優(yōu)化器采用SGD，其初始學(xué)習(xí)率為0.001，并且會(huì)在每40個(gè)周期后減小10倍，每個(gè)批量的大小為32。另外，我們用0.5作為分類的閾值。所有結(jié)果都乘以了100，并用均值和標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)呈現(xiàn)。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在本節(jié)中，我們將只進(jìn)行良惡性分類(SingleTask，ST)和使用輔助監(jiān)督信號(hào)進(jìn)行良惡性分類(MultiTask，MT)的情況進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證提出方法的有效性。另外，我們改變3D-ResNet的深度，以探索深度變化對(duì)于ST和MT性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同網(wǎng)絡(luò)深度和不同訓(xùn)練損失函數(shù)情況下肺結(jié)節(jié)良惡性分類的性能(ST：?jiǎn)稳蝿?wù)，只進(jìn)行肺結(jié)節(jié)良惡性分類的任務(wù)；ML：多任務(wù)，肺結(jié)節(jié)良惡性分類與肺結(jié)節(jié)影像特征分類)

首先，在3D-ResNet-18的情況下，ST-WCEL整體表現(xiàn)更優(yōu)，即，除了Recall以外，其他指標(biāo)都取得最好的結(jié)果；在3D-ResNet-34的情況下，兩種方法整體表現(xiàn)接近。但是，MT-WCEL的F1和AUC更優(yōu)，在不平衡數(shù)據(jù)集的條件下，這兩個(gè)指標(biāo)能夠更好得衡量模型的性能；而在3D-ResNet-50和3D-ResNet-101的情況下，MT-WCEL在所有指標(biāo)上都能超過(guò)ST-WCEL。另外，從深度變化的角度來(lái)看，ST-WCEL和MT-WCEL的性能首先會(huì)提升，一定程度后性能會(huì)降低，兩者最優(yōu)的結(jié)果大致都在3D-ResNet-50取得，但過(guò)于深的模型表現(xiàn)也總體優(yōu)于較淺的模型，如3D-ResNet-101優(yōu)于3D-ResNet-18與3D-ResNet-34。第三，在同樣的分類閾值條件下，MT-WCEL相較于ST-WCEL的結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差更小，這表明MT-WCEL方法效果更加穩(wěn)定。

總的來(lái)說(shuō)，在此小數(shù)據(jù)集上，通過(guò)在肺結(jié)節(jié)良惡性分類網(wǎng)絡(luò)中引入影像特征分類的監(jiān)督信號(hào)，良惡性分類任務(wù)能夠取得較大提升。同時(shí)，這種方法也能充分利用3D-ResNet-50與3D-ResNet-101這樣非常深的網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大的特征表達(dá)能力，提取的肺結(jié)節(jié)異質(zhì)性表達(dá)更具一般性，并且網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)更加穩(wěn)定，大模型在單任務(wù)、小數(shù)據(jù)集上的過(guò)擬合風(fēng)險(xiǎn)顯著降低。

2.4 多任務(wù)方法解決小樣本問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)分析

在本節(jié)中，我們探索在訓(xùn)練樣本數(shù)量不斷減少時(shí)，ST-WCEL和MT-WCEL兩種方法效果的變化。具體地，我們使用3D-ResNet-50作為骨干網(wǎng)絡(luò)，固定使用20%的數(shù)據(jù)作為測(cè)試集，然后每次減少整體10%的數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)獨(dú)立重復(fù)5次。結(jié)果如圖2所示。

圖2 訓(xùn)練數(shù)據(jù)集數(shù)量改變對(duì)網(wǎng)絡(luò)的分類性能的影響。左圖為F1的變化，右圖為AUC的變化。其中豎線表示標(biāo)準(zhǔn)差。

隨著訓(xùn)練數(shù)據(jù)量的變化，MT-WCEL整體性能都優(yōu)于ST-WCEL。另外，根據(jù)AUC的變化，MT-WCEL的效果從采樣為8/8訓(xùn)練數(shù)據(jù)到采樣3/8訓(xùn)練數(shù)據(jù)時(shí)下降相對(duì)于ST-WCEL更緩慢，這表明輔助監(jiān)督信號(hào)有助于網(wǎng)絡(luò)對(duì)主要分類任務(wù)的判別，此方法能夠有效地彌補(bǔ)訓(xùn)練數(shù)據(jù)量不足的缺陷。另外，在訓(xùn)練數(shù)據(jù)量減少到一定量時(shí)，MT-WCEL性能會(huì)急劇下降，其原因可能是訓(xùn)練數(shù)據(jù)中肺結(jié)節(jié)具有影像特征的正樣本數(shù)量減少，致使W-CEL損失函數(shù)對(duì)于某種特征的權(quán)重過(guò)大，從而影響網(wǎng)絡(luò)整體的分類效果。

2.5 與目前單模型的方法對(duì)比

在本節(jié)中，我與目前研究報(bào)告的單模型得到的結(jié)果[5，8，11，18]對(duì)比。只對(duì)比單模型的結(jié)果的原因是，我們提出的方法也可以采用模型集成方法來(lái)提升整體分類結(jié)果。因此，在將來(lái)的工作中，我們也會(huì)進(jìn)一步利用本研究中的方法，結(jié)合模型集成，在肺結(jié)節(jié)良惡性分類任務(wù)上取得更好的效果。表5給出了從這些研究中找到的單模型結(jié)果，并給出了良惡性肺結(jié)節(jié)數(shù)量。

表5 與目前研究中單DCNN模型結(jié)果的對(duì)比(N/A：結(jié)果未給出)

本研究提出的方法可以在單模型的情況下，在F1和AUC兩個(gè)指標(biāo)上可以大幅超過(guò)其他研究里的結(jié)果。但是分類的準(zhǔn)確率較低，在此后的研究中也會(huì)關(guān)注提升整體的分類準(zhǔn)確率。另外，我們使用的結(jié)節(jié)數(shù)量也少于最近結(jié)果較好的兩個(gè)研究[5，8]，因此，我們之后會(huì)重新處理數(shù)據(jù)集，以取得數(shù)量接近的數(shù)據(jù)集。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輔助監(jiān)督信號(hào)的肺結(jié)節(jié)良惡性行分類方法。具體地，我們使用了三維的殘差網(wǎng)絡(luò)作為特征提取的骨干網(wǎng)絡(luò)，它能夠使得我們更好地選擇網(wǎng)絡(luò)的大小。更重要的是，我們將肺結(jié)節(jié)的在CT影像中的形態(tài)學(xué)特征作為輔助分類任務(wù)，與良惡性分類的主要任務(wù)一起訓(xùn)練。這種多任務(wù)的監(jiān)督學(xué)習(xí)方式，使得僅有少量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)時(shí)，肺結(jié)節(jié)良惡性分類任務(wù)依然也能取得更好結(jié)果，從而有效地解決該任務(wù)上的小樣本問(wèn)題。

我們將結(jié)果與目前研究中報(bào)告的單模型取得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，提出的多任務(wù)方法在此條件下是最優(yōu)的。將來(lái)，我們會(huì)結(jié)合本研究中的方法，探索多個(gè)骨干網(wǎng)絡(luò)集成的方式，更好地提取肺結(jié)節(jié)的異質(zhì)性表達(dá)，從而在此任務(wù)上超過(guò)目前研究報(bào)告的最好結(jié)果。