基于深度學(xué)習(xí)的醫(yī)學(xué)圖像識(shí)別研究進(jìn)展

劉 飛 張俊然 楊 豪

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610065)

引言

醫(yī)學(xué)圖像識(shí)別是綜合醫(yī)學(xué)影像、數(shù)學(xué)建模、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科的交叉領(lǐng)域，在醫(yī)學(xué)圖像大數(shù)據(jù)時(shí)代，海量而復(fù)雜的圖像數(shù)據(jù)帶來(lái)兩個(gè)方面的新問(wèn)題：一方面要處理的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)維數(shù)更高，要求有更強(qiáng)學(xué)習(xí)適應(yīng)能力的模型；另外一方面醫(yī)學(xué)圖像大數(shù)據(jù)更加分散破碎，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，常常需要整合不同的信息[1]。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法常常不能滿足人們的要求，因此在醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)時(shí)代，如何從海量醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)中挖掘出有用信息，已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。

深度學(xué)習(xí)[2]是機(jī)器學(xué)習(xí)[3]中的新領(lǐng)域，旨在通過(guò)模擬人腦自動(dòng)地學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)各個(gè)層次的抽象特征，從而更好地反映數(shù)據(jù)的本質(zhì)特征[4]。自2006年，Hinton[2]提出一種基于概率圖模型的多層受限波爾茲曼機(jī)(restricted Boltzmann machine，RBM)后，深度學(xué)習(xí)已成為圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的主導(dǎo)工具。近年來(lái)，深度學(xué)習(xí)在圖像識(shí)別[5]、語(yǔ)音識(shí)別[6-7]、自然語(yǔ)言處理[8-9]、計(jì)算機(jī)視覺[10-11]等領(lǐng)域取得了巨大的成功，并引發(fā)了更多領(lǐng)域利用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和分析的熱潮，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也引起相應(yīng)專家及公司的重視，如研發(fā)出AlphaGo的Google子公司Deep Mind宣布DeepMind Health健康[12]；IBM公司提出Watson for Oncology[13]，通過(guò)學(xué)習(xí)大量數(shù)據(jù)分析病人的腫瘤影像信息，從而為醫(yī)生制定可靠的醫(yī)療方案提供幫助。

首先介紹深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的分類方式、常見的3種深度學(xué)習(xí)模型及深度學(xué)習(xí)的訓(xùn)練過(guò)程；然后介紹深度學(xué)習(xí)在疾病檢測(cè)與分類和病變識(shí)別中的應(yīng)用；最后分析深度學(xué)習(xí)方法應(yīng)用在醫(yī)學(xué)圖像識(shí)別中面臨的問(wèn)題并對(duì)未來(lái)進(jìn)行展望。

1 深度學(xué)習(xí)方法

深度學(xué)習(xí)從人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來(lái)，20世紀(jì)80年代用于人工神經(jīng)網(wǎng)路的BP算法的提出，開啟了基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的機(jī)器學(xué)習(xí)熱潮，但在隨后的訓(xùn)練過(guò)程發(fā)現(xiàn)，BP算法存在收斂速度慢、易陷入局部最小等缺陷[14]。20世紀(jì)90年代，各種淺層機(jī)器學(xué)習(xí)模型如boosting[15]、SVM[16-17]等被提出，這些模型在理論上和應(yīng)用中都獲得了巨大的成功，但由于訓(xùn)練方法需要很多經(jīng)驗(yàn)和技巧，使得淺層的機(jī)器學(xué)習(xí)長(zhǎng)時(shí)間處于平靜期。直到2006年深度信任網(wǎng)絡(luò)的提出[4]，開啟了對(duì)深度學(xué)習(xí)研究的新篇章，其中2012年Hinton采用CNN模型贏得ImageNet圖像分類的冠軍，準(zhǔn)確率比第二名提高10%以上[18]，在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域取得了突破性的進(jìn)展。此后隨著用于序列數(shù)據(jù)建模的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(recurrent neural networks, RNN)[19-20]、自然語(yǔ)言處理和音素識(shí)別的深度條件隨機(jī)場(chǎng)(deep-structured conditional random fields, DCRF)[21-22]、圖像處理的深層殘差網(wǎng)絡(luò)(deep residual networks, DRN)[23-24]等模型的出現(xiàn)和各種深度學(xué)習(xí)算法的提出及GPU計(jì)算能力的提升，使得深度學(xué)習(xí)在圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別等眾多領(lǐng)域取得了巨大的成功，2016年Goole Alpha與李世石的人機(jī)圍棋大賽使得深度學(xué)習(xí)技術(shù)廣為人知。

深度學(xué)習(xí)的目的在于通過(guò)構(gòu)建多層隱層的機(jī)器學(xué)習(xí)模型和海量訓(xùn)練數(shù)據(jù)來(lái)學(xué)習(xí)更有用的特征，從而提高分類或預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性[25]。與傳統(tǒng)的淺層學(xué)習(xí)相比，深度學(xué)習(xí)具有如下特點(diǎn)：一是特征學(xué)習(xí)，深度學(xué)習(xí)方法能夠根據(jù)不同的應(yīng)用自動(dòng)從海量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)到所需的高級(jí)特征表示，更能表達(dá)數(shù)據(jù)的內(nèi)在信息。二是深層結(jié)構(gòu)，深度學(xué)習(xí)模型結(jié)構(gòu)深，通常擁有5層甚至更多層的隱層節(jié)點(diǎn)，包含更多的非線性變換，使得擬合復(fù)雜模型的能力大大增強(qiáng)。三是無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)，輸入的數(shù)據(jù)只有本身數(shù)據(jù)信息，沒(méi)有標(biāo)簽信息，深度學(xué)習(xí)未標(biāo)記數(shù)據(jù)的模式；通過(guò)數(shù)據(jù)內(nèi)在的一些特征和聯(lián)系將數(shù)據(jù)自動(dòng)分類。通過(guò)在訓(xùn)練過(guò)程中加入無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)作為預(yù)訓(xùn)練，使得深度學(xué)習(xí)模型相比人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更好的分類能力。

1.1 深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的分類

深度學(xué)習(xí)是通過(guò)多層非線信息處理方法來(lái)構(gòu)建深層網(wǎng)絡(luò)[26]，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同分為如下3類[27]：生成式深層網(wǎng)絡(luò)、有監(jiān)督(判別式)深層網(wǎng)絡(luò)、混合深層網(wǎng)絡(luò)。

1)生成式深層網(wǎng)絡(luò)：通過(guò)學(xué)習(xí)觀測(cè)數(shù)據(jù)高階相關(guān)性，或觀測(cè)數(shù)據(jù)和關(guān)聯(lián)類別之間的統(tǒng)計(jì)特征分布來(lái)實(shí)現(xiàn)模式分類的一類深層結(jié)構(gòu)[28]，用于在沒(méi)有目標(biāo)類標(biāo)簽信息的情況下捕捉觀測(cè)到的或可見數(shù)據(jù)的高階相關(guān)性。常見的生成式模型是深層玻爾茲曼機(jī)(deep Boltzmann machine，DBM)[29]、和積網(wǎng)絡(luò)(sum-product network，SPN)[30]、遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(recurrent neural networks，RNN)[19-20]等。

2)有監(jiān)督(判別式)深層網(wǎng)絡(luò)：描述在可見數(shù)據(jù)條件下的類別后驗(yàn)分布[31]，目標(biāo)類別標(biāo)簽以直接或者間接的形式給出，因此，有監(jiān)督深度網(wǎng)絡(luò)也稱為判別式深度網(wǎng)絡(luò)。深度堆疊網(wǎng)絡(luò)(deep stacking network，DSN)[32]、深度結(jié)構(gòu)條件隨機(jī)場(chǎng)(deep-structured conditional random fields, DCRF)[33-34]是典型的有監(jiān)督學(xué)習(xí)深度網(wǎng)絡(luò)。

3)混合深層網(wǎng)絡(luò)：將生成式深層結(jié)構(gòu)與判別式深層結(jié)構(gòu)相結(jié)合的一類深層結(jié)構(gòu)。通常情況下，數(shù)據(jù)被用于作為預(yù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重，以加快監(jiān)督階段學(xué)習(xí)過(guò)程，無(wú)監(jiān)督深度網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果作為重要輔助[35]，預(yù)訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(pre-trained deep nerual networks，PDNN)[36]是一種混合深度網(wǎng)絡(luò)。

1.2 深度學(xué)習(xí)模型

深度學(xué)習(xí)方法的模型種類較多，其中比較常用的模型是深度自編碼網(wǎng)絡(luò)(deep auto-encoder network，DAN)、深度信念網(wǎng)絡(luò)(deep belief network，DBN)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolution neural network，CNN)，近年來(lái)還出現(xiàn)了許多新的深度模型，如循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(recurrent neural nets，RNN)[37]、張量堆疊網(wǎng)絡(luò)模型(tensor deep stacking network，TDSN)[38]，本節(jié)介紹常見的3種深度學(xué)習(xí)模型及其構(gòu)建方法。

1.2.1深度自動(dòng)編碼器DAE

Bengio等通過(guò)改進(jìn)原型自動(dòng)編碼器結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，產(chǎn)生了深度自編碼器(deep auto-encoder，DAE)[39]，深度自編碼器的基本元件是AE，AE包含一個(gè)輸入層、一個(gè)隱層、一個(gè)輸出層，AE主要用于學(xué)習(xí)壓縮的或過(guò)完備的特征表示，當(dāng)自編碼器包含多個(gè)隱層時(shí)就形成了DAE。DAE是一類經(jīng)過(guò)無(wú)監(jiān)督逐層貪心預(yù)訓(xùn)練和系統(tǒng)性參數(shù)優(yōu)化的多層非線性網(wǎng)絡(luò)，從無(wú)標(biāo)簽數(shù)據(jù)中提取高維輸入數(shù)據(jù)的分層特征，并得到原始數(shù)據(jù)的分布式特征表示的深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[40]。

圖1 原型自動(dòng)編碼器[41]Fig.1 Prototype Automatic Encoder[41]

DAE的構(gòu)建主要有兩步：第一步，改進(jìn)原型自動(dòng)編碼器，通過(guò)增加隱含層和神經(jīng)元的數(shù)量、調(diào)整隱含層的節(jié)點(diǎn)分布、改變權(quán)值的分享方式等途徑構(gòu)建DAE的基本結(jié)構(gòu)；第二步，根據(jù)不同的任務(wù)選取合適的代價(jià)函數(shù)及優(yōu)化策略、隱含層品質(zhì)因數(shù)、系統(tǒng)性參數(shù)優(yōu)化的性能指數(shù)等確定DAE的訓(xùn)練方案[41]。編碼器在輸入數(shù)據(jù)中加入含有一定統(tǒng)計(jì)特性的噪聲，構(gòu)成基于統(tǒng)計(jì)理論的DAE，在原型自動(dòng)編碼器的代價(jià)函數(shù)表達(dá)式中加入解析性收縮懲罰因子，就構(gòu)成了基于魯棒理論的DAE。

1.2.2深度信念網(wǎng)絡(luò)DBN

2006年，Hinton提出DBN[4]，開啟了機(jī)器學(xué)習(xí)第二次浪潮——深度學(xué)習(xí)。將多個(gè)限制玻爾茲曼機(jī)(restricted Boltzmann machine，RBM)堆疊得到深度波爾茲曼機(jī)(deep Boltzmann machine，DBM)，如果靠近數(shù)據(jù)層的部分層之間的連接為有向連接，即為DBN[42]，如圖2所示。DBN的基本單元是RBM，單個(gè)RBM包含一個(gè)由隨機(jī)的隱單元構(gòu)成的隱層(一般是伯努利分布)和一個(gè)由隨機(jī)的可見單元構(gòu)成的可見層(一般是伯努利分布或高斯分布)：其中隱層和可見層之間是雙向連接，隱單元兩兩之間、可見單元兩兩之間無(wú)連接；RBM采用對(duì)比梯度算法(contrastive divergence，CD)對(duì)無(wú)標(biāo)簽樣本進(jìn)行訓(xùn)練，屬于無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)算法；DBN通過(guò)組合許多RBM，把上一層RBM的特征激勵(lì)作為下一層的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，從而可以對(duì)隱層的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行高效的學(xué)習(xí)[35]。

圖2 深度信念網(wǎng)絡(luò)[43]Fig.2 Deep belief network[43]

DBN的構(gòu)建步驟如下：

步驟1，首先充分訓(xùn)練第一個(gè)RBM，將訓(xùn)練得到的權(quán)重和偏移量固定，并將隱層作為第二個(gè)RBM的輸入向量。

步驟2，采用同樣的方法訓(xùn)練第二個(gè)RBM，并將第二個(gè)RBM堆疊在第一個(gè)RBM的上方。

1.2.3卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN

CNN是受生物學(xué)上的感受野機(jī)制而提出的，經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)最終發(fā)展成一個(gè)特別適合圖像處理的深度學(xué)習(xí)模型，同時(shí)CNN是一種特殊的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型：一方面，CNN除了全連接層與輸出層之外的神經(jīng)元之間采用部分連接，而傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都是采用全連接的方式，這就使得傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練耗時(shí)且難以訓(xùn)練；另一方面，CNN在同一層的神經(jīng)元之間共享權(quán)值，通過(guò)權(quán)值的共享既減少了權(quán)值的數(shù)量又降低了網(wǎng)絡(luò)模型的復(fù)雜度。目前在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的ImageNet數(shù)據(jù)集上，許多成功的模型都是基于CNN，如大規(guī)模圖像識(shí)別的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)GoogLeNet[44]和Adam[45]以及LeNet-5[46]等。

CNN的基本單元是stage，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，每個(gè)stage模塊都是由卷積層(convolution layer)和池化層(pooling player)組成[47]，卷積層用于增強(qiáng)原始信號(hào)、提高信噪比，且通過(guò)權(quán)值的共享減少了模型的訓(xùn)練參數(shù)和計(jì)算的復(fù)雜度；池化層通過(guò)減少卷積層之間的連接，進(jìn)一步減少訓(xùn)練的數(shù)據(jù)量，同時(shí)對(duì)卷積層的輸出進(jìn)行降采樣，達(dá)到減少下一層的數(shù)據(jù)的效果[48]。通過(guò)將多個(gè)stage堆疊在一起，并在模型的末端加入全連接層和分類器就構(gòu)成CNN。

圖3 CNN的基本結(jié)構(gòu)單元stage[47]Fig.3 Stage is the basic unit of the convolutional neural network[47]

1.3 深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練過(guò)程

深度學(xué)習(xí)從人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來(lái)，訓(xùn)練方法繼承了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反向傳播方法和梯度下降方法，反向傳播算法[49](back propagation，BP)是從大量樣本數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)到統(tǒng)計(jì)規(guī)律，從而對(duì)測(cè)試樣本做出判別。相比人工提取特征，反向傳播算法消除了手工設(shè)計(jì)的影響，具有很大的優(yōu)越性，但采用BP算法訓(xùn)練深層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)存在以下兩個(gè)問(wèn)題：一是BP算法主要解決復(fù)雜的非線性問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值沿著局部方向逐漸調(diào)整，使得權(quán)值收斂到局部極小點(diǎn)，從而導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練失??；二是訓(xùn)練速度慢，而且在訓(xùn)練深層次結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)效果不明顯。

批量梯度下降法、隨機(jī)梯度下降法是對(duì)BP算法進(jìn)行改進(jìn)的優(yōu)化方法。批量梯度下降法[50]是最原始的梯度下降法，通過(guò)最小化所有訓(xùn)練樣本的損失函數(shù)使得最終求解的是全局最優(yōu)解，它的優(yōu)點(diǎn)是得到一個(gè)全局最優(yōu)解，而且易于實(shí)現(xiàn)并行，但批量梯度下降每次學(xué)習(xí)都要使用整個(gè)訓(xùn)練集，可能導(dǎo)致非凸函數(shù)收斂于局部極值點(diǎn)，同時(shí)訓(xùn)練過(guò)程會(huì)隨著樣本數(shù)量的加大導(dǎo)致訓(xùn)練時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。隨機(jī)梯度下降法[51]是通過(guò)對(duì)所有樣本進(jìn)行隨機(jī)選擇最小化，每條樣本的損失函數(shù)來(lái)求解最優(yōu)解，在更新模型參數(shù)時(shí)只選擇一個(gè)樣本。其優(yōu)點(diǎn)是訓(xùn)練速度快，但隨機(jī)梯度下降法需要人為調(diào)整很多超參數(shù)，如學(xué)習(xí)速率、收斂準(zhǔn)則、層數(shù)以及每層的單元個(gè)數(shù)等，這些超參數(shù)若選擇不當(dāng)可能導(dǎo)致每次更新不會(huì)按照全局的方向進(jìn)行。

在深度學(xué)習(xí)模型中涉及多個(gè)非線性處理單元層，優(yōu)化目標(biāo)為非凸函數(shù)，當(dāng)使用批量梯度下降法、隨機(jī)梯度下降法來(lái)訓(xùn)練深層網(wǎng)絡(luò)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)訓(xùn)練時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、梯度不穩(wěn)定、目標(biāo)函數(shù)常常陷入局部最優(yōu)等問(wèn)題，同時(shí)隨著網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的增加，局部最優(yōu)的情況越來(lái)越嚴(yán)重[26]。為了克服這一問(wèn)題，Hinton提出一種貪婪逐層預(yù)訓(xùn)練方法[4]：首先逐層構(gòu)建單層神經(jīng)元，并每次訓(xùn)練一個(gè)單層網(wǎng)絡(luò)，然后在所有層都訓(xùn)練完成后采用wake-sleep算法[52]進(jìn)行調(diào)優(yōu)，該方法通過(guò)在非監(jiān)督數(shù)據(jù)上建立多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法有效克服了訓(xùn)練過(guò)程中梯度下降法的局部最小值和梯度不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。

Hinton提出的貪婪逐層預(yù)訓(xùn)練方法在訓(xùn)練過(guò)程中加入無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)作為預(yù)訓(xùn)練，這是目前深度學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練過(guò)程與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的主要區(qū)別?？偨Y(jié)起來(lái)，深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練過(guò)程大致可以分以下兩步：

我國(guó)的行政強(qiáng)制執(zhí)行實(shí)行行政機(jī)關(guān)強(qiáng)制執(zhí)行（限于有法律明確授權(quán)情形）與申請(qǐng)人民法院強(qiáng)制執(zhí)行并存的“二元制”格局。實(shí)踐中，大量行政行為因?yàn)閷?shí)施機(jī)關(guān)沒(méi)有法定行政強(qiáng)制執(zhí)行權(quán)，需要通過(guò)申請(qǐng)法院強(qiáng)制執(zhí)行。受復(fù)雜因素的影響與制約，法院辦理此類案件的難度較大，執(zhí)行的積極性與效果不夠理想。于是，界于二者之間，由法院負(fù)責(zé)“裁”、行政機(jī)關(guān)負(fù)責(zé)“執(zhí)”的裁執(zhí)分離模式應(yīng)運(yùn)而生。由于該模式有效解決了行政機(jī)關(guān)想執(zhí)行卻無(wú)權(quán)、法院有權(quán)卻難以執(zhí)行的困境，確立了制度化的行政、司法協(xié)作與監(jiān)督機(jī)制，既調(diào)動(dòng)了雙方的積極性，又確保了執(zhí)行的合法性與有效性。

1)自下而上的非監(jiān)督學(xué)習(xí)：采用無(wú)標(biāo)簽數(shù)據(jù)從底層開始逐層向上分層訓(xùn)練各層參數(shù)，具體來(lái)說(shuō)就是先采用無(wú)標(biāo)簽數(shù)據(jù)訓(xùn)練第一層，訓(xùn)練時(shí)先學(xué)習(xí)第一層的參數(shù)，然后將第一層的輸出作為第二層的輸入，依次類推，直至訓(xùn)練到最頂層，由此得到各層的參數(shù)，由于模型容量限制以及稀疏性約束，使得得到的模型能夠?qū)W習(xí)到數(shù)據(jù)本身的結(jié)構(gòu)，從而更具表示能力的特征，這個(gè)過(guò)程可以看作是一個(gè)無(wú)監(jiān)督訓(xùn)練過(guò)程，是與傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)區(qū)別最大的部分；

2)自上而下的監(jiān)督學(xué)習(xí)：在第一步學(xué)習(xí)各層參數(shù)的基礎(chǔ)上，在網(wǎng)絡(luò)的最頂層添加一個(gè)分類器，通過(guò)帶標(biāo)簽的數(shù)據(jù)訓(xùn)練，使誤差自上向下傳輸，從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)優(yōu)，然后再利用第一步中得到的各層參數(shù)進(jìn)一步微調(diào)整個(gè)多層模型的參數(shù)，這一過(guò)程可以看成是一個(gè)有監(jiān)督訓(xùn)練的過(guò)程。

2 深度學(xué)習(xí)在醫(yī)學(xué)圖像識(shí)別中的應(yīng)用

深度學(xué)習(xí)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像識(shí)別中，通過(guò)在給定的數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練模型來(lái)完成新數(shù)據(jù)上的特定任務(wù)，而在傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)圖像識(shí)別方法是：基于多特征融合方法、基于奇異值分解和小波變換方法，對(duì)于特征的提取效率低且挖掘到的信息有限，識(shí)別效果不理想。相比傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)圖像識(shí)別方法，深度學(xué)習(xí)能夠挖掘到醫(yī)學(xué)圖像中潛在的非線性關(guān)系，特征提取效率更高。近年來(lái)，已有不少的研究人員將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用在醫(yī)學(xué)圖像識(shí)別中，這些工作為進(jìn)一步的臨床應(yīng)用研究提供了重要的依據(jù)。疾病檢測(cè)與分類是針對(duì)一批樣本人群進(jìn)行的，以確定某個(gè)樣本是否患病或者其患病程度如何；而病變識(shí)別一般是針對(duì)某個(gè)樣本自身醫(yī)學(xué)圖像中某個(gè)病變部位和其他部分的識(shí)別。目前深度學(xué)習(xí)方法在醫(yī)學(xué)圖像領(lǐng)域的上述兩方面中被廣泛應(yīng)用，具體研究成果見表1，同時(shí)深度學(xué)習(xí)在圖像配準(zhǔn)、分割等圖像預(yù)處理過(guò)程中也得到了廣泛應(yīng)用，由于篇幅有限對(duì)此部分不做綜述。因此本節(jié)主要從疾病檢測(cè)與分類和病變識(shí)別兩個(gè)方面來(lái)介紹深度學(xué)習(xí)在醫(yī)學(xué)圖像識(shí)別中的研究進(jìn)展。

表1 近年來(lái)深度學(xué)習(xí)在疾病檢測(cè)與分類和病變識(shí)別中的應(yīng)用

Tab.1Inrecentyears,theapplicationofdeeplearningindiseasedetectionandclassificationandlesionrecognition

類別時(shí)間問(wèn)題使用模型疾2016AD/正常人[53]CNN病2015AD/MCI分類[54]RBM+SVM檢2016惡性腫瘤檢測(cè)[55]CNN測(cè)2014間質(zhì)性肺疾病分類[65]CNN與2016肺部結(jié)節(jié)分類[64]CNN分2016大腸腺癌檢測(cè)、分類[56]SC-CNN類2016腦微出血檢測(cè)[57]3DCNN2016腹部淋巴結(jié)檢測(cè)[58]CNN2015硬化轉(zhuǎn)移、淋巴結(jié)等檢測(cè)[61]CNN病2013低麟狀上皮內(nèi)病變[67]DBN變2015核性白內(nèi)障的病變[68]CNN+SVM識(shí)2013Huntington舞蹈病[70]DBN別2014多并發(fā)硬化癥病變[71]DBN2016乳腺病變[73]CNN2013腫瘤細(xì)胞識(shí)別[74]CNN+SVM2016糖尿病視網(wǎng)膜病變[75]CNN2014淋巴結(jié)識(shí)別[76]CNN2015食道癌[77]3S-CNN

2.1 疾病檢測(cè)與分類

醫(yī)學(xué)圖像中包含著大量的反映人體健康水平的信息，目前這部分?jǐn)?shù)據(jù)主要依靠人工進(jìn)行分析，易受主觀因素的干擾且效率不高，容易造成數(shù)據(jù)資源的浪費(fèi)。深度學(xué)習(xí)通過(guò)多層非線性變化，從海量數(shù)據(jù)中自動(dòng)提取抽象特征，既消除了主觀因素的影響又能提取到更加高級(jí)的抽象特征。

深度學(xué)習(xí)在阿爾茨海默病(alzheimer disease，AD)和輕度認(rèn)知障礙(mild cognitive impairment，MCI)中有大量的研究。Sarraf等使用CNN分類患有AD病的大腦和正常大腦，該模型對(duì)患有AD病的大腦和正常大腦的分類準(zhǔn)確率高達(dá)96.85%[53]，該模型還能夠擴(kuò)展到更加復(fù)雜的分類任務(wù)；Li等將RBM作為基本單元構(gòu)建深度學(xué)習(xí)模型，并用于從MRI和PET掃描圖像中分類AD/MCI患者，該模型分類準(zhǔn)確率平均提高5.9%[54]。

在實(shí)際的應(yīng)用中基于深度學(xué)習(xí)的計(jì)算機(jī)輔助診斷將醫(yī)學(xué)圖像中與疾病診斷相關(guān)的特征提取出來(lái)，結(jié)合臨床知識(shí)在很大程度上減少醫(yī)生的工作量，得到十分精確的診斷或分類結(jié)果。Enlitic公司開發(fā)出基于CNN的惡性腫瘤檢測(cè)系統(tǒng)[55]，對(duì)放射師檢查過(guò)的大量醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，自動(dòng)總結(jié)出代表惡性腫瘤形狀的“特征”，從而識(shí)別圖像中是否存在惡性腫瘤，該系統(tǒng)識(shí)別肝癌的精度是放射師檢查精度的5倍。Sirinukunwattana使用空間約束卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(spatially constrained convolutional neural network，SC-CNN)來(lái)檢測(cè)和分類大腸腺癌細(xì)胞[56]，在分類問(wèn)題上使用鄰近集成預(yù)測(cè)(neighboring ensemble predictor，NEP)方法，該方法相對(duì)基于經(jīng)典特征分類的方法有更好的分類效果；Dou使用3D CNN從MR圖像中自動(dòng)檢測(cè)腦微出血(cerebral microbleeds，CMBs)[57]，該方法從MRI圖像中提取更具代表性的高級(jí)特征，相對(duì)手工提取特征和2D CNN提取特征，3D CNN檢測(cè)精度高達(dá)93.16%。

相對(duì)于數(shù)字圖像和灰度圖像來(lái)說(shuō)，醫(yī)學(xué)圖像不易獲得且數(shù)據(jù)量少，這是深度學(xué)習(xí)應(yīng)用在醫(yī)學(xué)圖像領(lǐng)域的一個(gè)共性問(wèn)題。數(shù)據(jù)的缺少易造成過(guò)擬合問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致檢測(cè)和分類結(jié)果不理想，當(dāng)前有不少研究者在這方面做了很多方面的探索：如Shin將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于CT圖像中腹部淋巴結(jié)(三維圖像)的檢測(cè)和間質(zhì)性肺病的分類(二維圖像)[58]，他通過(guò)transfer learning方法[59]增加數(shù)據(jù)量，這項(xiàng)研究表明，transfer learning能減少因數(shù)據(jù)的缺乏而帶來(lái)的影響，有助于提高分類的準(zhǔn)確率；Roth針對(duì)CNN訓(xùn)練過(guò)程中數(shù)據(jù)不足，通過(guò)data augmentation方法[60]擴(kuò)充訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本的數(shù)據(jù)量，該模型對(duì)硬化轉(zhuǎn)移檢測(cè)的準(zhǔn)確率提高了13%，淋巴結(jié)檢測(cè)的準(zhǔn)確率提高了27%，結(jié)腸息肉檢測(cè)的準(zhǔn)確率提高了17%[61]；數(shù)據(jù)的缺少不僅容易出現(xiàn)過(guò)擬合問(wèn)題，而且容易導(dǎo)致模型在測(cè)試數(shù)據(jù)上的泛化能力難以得到保證。Srivastava等提出dropout技術(shù)[62]，通過(guò)在訓(xùn)練過(guò)程中隨機(jī)剔除神經(jīng)元來(lái)避免出現(xiàn)過(guò)擬合問(wèn)題從而提高模型的泛化能力；Wan在dropout思想的基礎(chǔ)上提出dropconnect方法[63]。 Setio使用包含多個(gè)2D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多視圖卷積網(wǎng)絡(luò)(multi-view convolutional networks, MVCN)檢測(cè)肺結(jié)節(jié)疾病[64]，采用data augmentation和dropout方法避免出現(xiàn)過(guò)擬合問(wèn)題，準(zhǔn)確率高達(dá)90.1%。Li等使用CNN模型來(lái)分類間質(zhì)性肺病[65]，該模型采用dropout方法和單卷積層結(jié)構(gòu)來(lái)避免出現(xiàn)過(guò)擬合問(wèn)題。

2.2 病變識(shí)別

病變識(shí)別是深度學(xué)習(xí)方法在醫(yī)學(xué)圖像中的重要應(yīng)用之一，傳統(tǒng)的病變識(shí)別如小波變換方法等對(duì)病變識(shí)別的準(zhǔn)確率不高，將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于病變識(shí)別具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：深度學(xué)習(xí)模型能夠更快地處理數(shù)據(jù)，通過(guò)深度學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)異常病變可以降低病變的機(jī)率，同時(shí)可提高醫(yī)生診斷的準(zhǔn)確率和效率。

相比普通的圖像識(shí)別，醫(yī)學(xué)圖像識(shí)別問(wèn)題更加復(fù)雜，對(duì)某些復(fù)雜的醫(yī)學(xué)圖像識(shí)別問(wèn)題，可以通過(guò)構(gòu)造更加深層、更加復(fù)雜的深度學(xué)習(xí)模型來(lái)解決。Chakdar使用DBN進(jìn)行基于子宮抹片識(shí)別低級(jí)別麟狀上皮內(nèi)的病變(low grade squamous intraepithelial lesion, LGSIL)，該方法將DBN提取出來(lái)的特征和原始特征共同作用于SVM模型使得分類準(zhǔn)確率達(dá)到100%[66]；Kondo利用主成分回歸分析算法結(jié)合深層GMDH型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)識(shí)別醫(yī)學(xué)圖像中的左右腎區(qū)的病變[67]，該模型通過(guò)自動(dòng)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)提高識(shí)別的準(zhǔn)確率；Gao使用CNN和SVM構(gòu)建一個(gè)自動(dòng)學(xué)習(xí)特征的系統(tǒng)，并用于識(shí)別圖像中核性白內(nèi)障的病變，該模型的準(zhǔn)確率提高了5.6%[68]；Yan等設(shè)計(jì)了一個(gè)多階段深度學(xué)習(xí)框架并用于身體部位病變識(shí)別，在訓(xùn)練階段，通過(guò)CNN來(lái)提取最具差異性的特征和從訓(xùn)練切片中提取局部信息；在增強(qiáng)階段，經(jīng)過(guò)預(yù)訓(xùn)練的CNN進(jìn)一步增強(qiáng)圖像的局部信息，相對(duì)基于全局圖像上下文的方法，局部方法魯棒性更好，準(zhǔn)確率高達(dá)92.23%[69]。

目前也有不少研究者根據(jù)某些病理特征來(lái)進(jìn)行病變識(shí)別。Plis[70]根據(jù)頭顱CT或MRI圖像中的尾狀核萎縮程度與疾病的嚴(yán)重程度有關(guān)，將DBN應(yīng)用于大腦結(jié)構(gòu)和功能磁共振成像來(lái)識(shí)別Huntington病變，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，深度學(xué)習(xí)方法能夠?qū)W習(xí)重要的生理特征從而提高Huntington病變的識(shí)別；Brosch使用三個(gè)DBN對(duì)大腦形態(tài)變化建立模型，該模型能夠自動(dòng)捕捉到腦形態(tài)和腦白質(zhì)的病變情況，從而對(duì)腦白質(zhì)進(jìn)行病變識(shí)別[71]；Xu使用堆棧稀疏自動(dòng)編碼器(stacked sparse autoencoder, SAE)來(lái)識(shí)別乳腺癌組織病理學(xué)圖像上的細(xì)胞核，通過(guò)去噪自動(dòng)編碼器(denoising autoencoder, DA)來(lái)提高噪聲的魯棒性，準(zhǔn)確率高達(dá)88.84%[72]。

此外，有研究者通過(guò)借助醫(yī)學(xué)圖像中的識(shí)別對(duì)象物的技術(shù)來(lái)進(jìn)行病變識(shí)別，如Kooi將CNN用于乳腺惡性病變識(shí)別，該方法在低靈敏度下識(shí)別結(jié)果比傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助方法更優(yōu)，在高靈敏度下準(zhǔn)確率更高[73]；Cruz-Roa將自編碼神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于識(shí)別圖像中的腫瘤細(xì)胞，該模型增加兩個(gè)有助于區(qū)分癌組織和正常組織的可判斷層，相比傳統(tǒng)方法，該方法的準(zhǔn)確率提高了7%[74]。

深度學(xué)習(xí)應(yīng)用在醫(yī)學(xué)圖像領(lǐng)域中訓(xùn)練時(shí)間普遍過(guò)長(zhǎng)，對(duì)硬件要求高，模型可移植性差，這是深度學(xué)習(xí)應(yīng)用在醫(yī)學(xué)圖像領(lǐng)域的另一個(gè)共性問(wèn)題。有研究者通過(guò)改進(jìn)基本的深度學(xué)習(xí)模型，可以減少訓(xùn)練時(shí)間， van針對(duì)訓(xùn)練過(guò)程中時(shí)間過(guò)長(zhǎng)提出一種改進(jìn)的CNN，用于檢測(cè)彩色眼底圖像出血病變，在每個(gè)訓(xùn)練過(guò)程中從訓(xùn)練數(shù)據(jù)里隨機(jī)選擇樣本進(jìn)行訓(xùn)練，迭代次數(shù)從170次減少到60次，從而大大減少訓(xùn)練時(shí)間[75]。

3 結(jié)論

機(jī)器學(xué)習(xí)方法廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像識(shí)別中，通過(guò)在給定的數(shù)據(jù)集上的訓(xùn)練模型來(lái)完成新數(shù)據(jù)上的特定任務(wù)。然而，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法常常需要利用先驗(yàn)知識(shí)從原始數(shù)據(jù)中人工提取特征來(lái)訓(xùn)練模型，此方法難以提取到復(fù)雜特征，而且由于特征選取難度大，可能出現(xiàn)過(guò)擬合問(wèn)題，模型的泛化能力難以得到保證；另一方面，隨著醫(yī)學(xué)圖像產(chǎn)出量的增大，傳統(tǒng)方法難以適應(yīng)大規(guī)模的數(shù)據(jù)集，模型可移植能力差。深度學(xué)習(xí)作為機(jī)器學(xué)習(xí)的新興領(lǐng)域，在圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺方面的成功為醫(yī)學(xué)圖像的識(shí)別提供了新的思路。盡管當(dāng)前深度學(xué)習(xí)在醫(yī)學(xué)圖像識(shí)別中已取得一定經(jīng)驗(yàn)性的研究成果，但就總體而言，深度學(xué)習(xí)在醫(yī)學(xué)圖像識(shí)別中的應(yīng)用還處于起步階段，未來(lái)還有許多的問(wèn)題需要深入研究：

1)在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域通過(guò)利用大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)取得了突破性研究進(jìn)展，如2015年何凱明設(shè)計(jì)一個(gè)具有152層的ResNet模型將錯(cuò)誤率刷新到3.6%，該模型在ImageNet2 012分類數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練了128萬(wàn)張圖像[18-19]。但在醫(yī)學(xué)圖像中由于數(shù)據(jù)的采集和疾病罕見等原因使得大規(guī)模醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)的獲取異常困難，可以借助圖像處理中的遷移學(xué)習(xí)(transfer learning)和微調(diào)(fine tuning)來(lái)有效解決這方面的問(wèn)題，但最好的解決方法還是應(yīng)該建立更多公共可用的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)集，通過(guò)在公共數(shù)據(jù)集上提取更為抽象的特征，從而實(shí)現(xiàn)在醫(yī)學(xué)圖像識(shí)別上取得突破性的研究進(jìn)展。[80-81]

2)深度學(xué)習(xí)本質(zhì)上是模擬人腦進(jìn)行自動(dòng)學(xué)習(xí)，從這一角度來(lái)看，深度學(xué)習(xí)是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型模型，但當(dāng)前深度學(xué)習(xí)對(duì)無(wú)監(jiān)督數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)能力嚴(yán)重不足，目前無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)算法主要面臨兩個(gè)方面的困難：一方面是高維數(shù)據(jù)通常具有數(shù)據(jù)維度高、數(shù)據(jù)量大等特性，在高維空間中進(jìn)行相似度量會(huì)遇到低維空間中不曾遇到的問(wèn)題，而相似性度量是無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)方法的一個(gè)重要指標(biāo)；另一方面是數(shù)據(jù)噪聲和不完全數(shù)據(jù)會(huì)影響分析過(guò)程，使得通過(guò)無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)方法所發(fā)現(xiàn)的模式準(zhǔn)確性差。在未來(lái)可以致力于探索新的無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，諸如為了提高可操作性，無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)算法應(yīng)該具有交互能力，可交互的無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)算法的研究是一個(gè)重要的方向；為了更好地研究疾病，基于醫(yī)學(xué)圖像獨(dú)特的復(fù)雜性、豐富性、重要性，需要針對(duì)這方面的無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)方法進(jìn)行深入研究，如針對(duì)癌細(xì)胞、大腦疾病的無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)。

另外，不同醫(yī)院采集數(shù)據(jù)的設(shè)備之間的異同使得采集到的圖像質(zhì)量有所差異，采集到的不同圖像會(huì)影響特征的提取并對(duì)最終的結(jié)果起著決定性作用，為此開發(fā)出一種新穎的算法，有效克服不同設(shè)備獲取的圖像差異帶來(lái)的影響，這也是未來(lái)的一個(gè)重要的研究方向。

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