【摘 要】
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眼部肿瘤不仅影响视力和容貌、致盲致残,而且具有较高的死亡率。传统眼部肿瘤病理诊断依赖病理图片的图形图像特征,但病理图片具有类间差距小和类内差距大的特点,属于细粒度图像,传统方法无法做到高效精准的诊断且泛化能力差。人工智能辅助病理诊断是通过计算机对数字病理图像完成自动化分析,在降低人力成本、提高诊断总体准确率、减少人为错误等方面具有显著优势。本文使用深度学习技术对眼部肿瘤的辅助诊断系统展开研究,实现
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眼部肿瘤不仅影响视力和容貌、致盲致残,而且具有较高的死亡率。传统眼部肿瘤病理诊断依赖病理图片的图形图像特征,但病理图片具有类间差距小和类内差距大的特点,属于细粒度图像,传统方法无法做到高效精准的诊断且泛化能力差。人工智能辅助病理诊断是通过计算机对数字病理图像完成自动化分析,在降低人力成本、提高诊断总体准确率、减少人为错误等方面具有显著优势。本文使用深度学习技术对眼部肿瘤的辅助诊断系统展开研究,实现对眼部三种恶性肿瘤和正常组织病理图片的细粒度分类,并利用U-Net系列网络实现病灶区域的自动定位分割。本文主要研究工作如下:(1)针对眼部肿瘤全视野病理数据集小、Patch级别样本多样性少的问题,调研了不同的数据集扩增方法,采用随机组合增强拼接数据扩增方式对眼部肿瘤病理图像进行扩增,扩增后的数据集分类准确率为67.6%,比没扩增时提高了3%,该方法能够提升Patch级别样本的多样性,使数据集更均衡。(2)针对眼部肿瘤病理图片总分类准确率不高,类别之间相似性高的问题,将眼部肿瘤病理图片分类视为细粒度分类,提出了注意力剪裁细微特征残差网络(Watching Smaller Attention Crop Resnet,WSAC-Resnet)。该网络使用了注意力机制、骨干网络注意力裁剪模块(Backbone Attention Crop Model,BACM)、双层嵌套注意力残差结构(Double Attention Resblock,DARes-block),修改了输入模块,并且融合了多尺度特征。该网络在眼部肿瘤病理图片四分类任务上的准确率为86.46%,比没有使用WSAC-Resnet提升了18.86%。(3)针对WSAC-Resnet网络对睑板腺癌和恶性黑色素瘤分类的准确率比其他两类低的问题,即困难样本分类的问题,提出了多尺寸注意力剪裁网络(Multi-Scale Attention Crop Resnet,MSAC-Resnet),该网络在WSAC-Resnet的基础上使用Focal Loss损失函数和STcoswarmup学习率调整策略,准确率提高至90.23%,比使用WSAC-Resnet时提高了3.7%,睑板腺癌和恶性黑色素瘤的准确率分别提升了9.6%和6.77%。同时针对小型网络在眼部肿瘤病理数据集上分类效果较差的问题,运用知识蒸馏方法将MSAC-Resnet作为教师网络,Resnet50作为学生网络,设计教师注意力损失函数(Teacher Attention Loss,TAL),实现了学生网络在该数据集上分类准确率达到78.63%,比未使用知识蒸馏准确率提升了11%。(4)针对一张病理图片只含一种疾病,同一U-Net分割多种疾病效果差的问题,制作眼部肿瘤病理图片的全视野缩略图和Mask,首次将具有全局信息的眼部肿瘤病理缩略图用于病灶区域分割。使用不同的U-Net++分割不同疾病,三种疾病分割MIOU都达到79%以上,分割准确率都在90%以上。
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