腦脊液細(xì)胞學(xué)AI分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

崔永剛，王 梅，陳德華，潘 喬

（東華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620）

0 引言

腦脊液是在大腦的腔室和管腔，脊髓的中央管中以及在大腦和脊髓的外部發(fā)現(xiàn)的透明液體，其內(nèi)部包含二十多種細(xì)胞，這些細(xì)胞的數(shù)量及形態(tài)反映了機(jī)體的健康狀況。目前使用顯微鏡對(duì)腦脊液進(jìn)行檢查是診斷多種傳染性、炎性和代謝性疾病的主要手段。在臨床工作中，大多數(shù)醫(yī)院的檢查方式為使用電子顯微鏡對(duì)細(xì)胞影像進(jìn)行觀察，記錄電鏡圖片，再由醫(yī)生對(duì)不同的細(xì)胞或細(xì)菌進(jìn)行辨認(rèn)分類并計(jì)數(shù)［1］。由于腦脊液中所含有的細(xì)胞種類較多，且不同種類細(xì)胞的視覺(jué)特征非常相似，再加上需要辨別統(tǒng)計(jì)的細(xì)胞數(shù)量十分龐大，對(duì)于醫(yī)生來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一項(xiàng)繁重的任務(wù)。除此之外，不同規(guī)模的醫(yī)院以及不同發(fā)展情況的城市對(duì)于病理醫(yī)師的配置情況也有所不同，一些地方醫(yī)院沒(méi)有能力配置病理醫(yī)師進(jìn)行腦脊液成像的辨別，而對(duì)病人來(lái)說(shuō)，于各醫(yī)院之間的奔波不僅會(huì)加重病人的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，甚至有可能延誤最佳的治療時(shí)機(jī)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出基于深度學(xué)習(xí)研發(fā)的腦脊液細(xì)胞學(xué)AI分析系統(tǒng)，針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景，通過(guò)使用前后端分離系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)、目標(biāo)檢測(cè)等技術(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行檢測(cè)以及分類，不同類別細(xì)胞的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，輔助病理醫(yī)師標(biāo)注制作新的數(shù)據(jù)集，對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理以及模型的補(bǔ)充訓(xùn)練等功能。區(qū)別于一般的目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)引入了細(xì)胞形態(tài)學(xué)進(jìn)行特征提取以達(dá)到輔助分類的效果，并引入了事后解釋器對(duì)分類依據(jù)進(jìn)行解釋。

1 整體設(shè)計(jì)

本文以實(shí)際醫(yī)院中病理科對(duì)腦脊液顯微鏡載玻片進(jìn)行細(xì)胞學(xué)檢查為應(yīng)用場(chǎng)景，開(kāi)發(fā)了腦脊液AI輔助分析Web系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要配置相應(yīng)的硬件，本系統(tǒng)配套的主要硬件有：①光學(xué)顯微鏡；②CCD相機(jī)；③控制箱；④計(jì)算機(jī)（內(nèi)置影像系統(tǒng)）；⑤邊緣微服務(wù)器。主要的使用過(guò)程為：首先，控制箱控制顯微鏡鏡頭移動(dòng)，對(duì)多張載玻片進(jìn)行自動(dòng)掃描切片，同時(shí)光學(xué)顯微鏡的CCD模塊會(huì)截取到顯微鏡內(nèi)的腦脊液細(xì)胞涂片圖像，截取到的圖像通過(guò)連接線以電信號(hào)的形式傳輸最終編碼成bmp格式的圖片存儲(chǔ)到醫(yī)生端的計(jì)算機(jī)中。腦脊液細(xì)胞學(xué)AI分析系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)模式，被部署在邊緣微服務(wù)器上，通過(guò)病理醫(yī)師端的計(jì)算機(jī)瀏覽器可以訪問(wèn)該Web應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)腦脊液影像的上傳、預(yù)測(cè)以及數(shù)據(jù)集的標(biāo)注、訓(xùn)練。

如圖1所示，本系統(tǒng)主要包含五個(gè)模塊。其中，采集的腦脊液圖像通過(guò)圖像上傳模塊上傳到服務(wù)器；通過(guò)預(yù)測(cè)模塊進(jìn)行處理，預(yù)測(cè)模塊主要包含了對(duì)細(xì)胞圖像進(jìn)行檢測(cè)分類，輸出模型的可解釋結(jié)果，以及細(xì)胞計(jì)數(shù)服務(wù)；輔助標(biāo)注模塊用來(lái)對(duì)腦脊液圖像進(jìn)行標(biāo)注，擴(kuò)充數(shù)據(jù)集；通過(guò)補(bǔ)充訓(xùn)練模塊對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)模型新的訓(xùn)練；通過(guò)信息管理模塊對(duì)患者就診記錄進(jìn)行管理。

系統(tǒng)采用了Spring Boot+Vue+Mybatis框架，B/S架構(gòu)，將web系統(tǒng)的前端與后端分為兩個(gè)獨(dú)立的模塊分別進(jìn)行開(kāi)發(fā)部署。在前端，設(shè)計(jì)一個(gè)基于Web界面的交互及可視化工具，供用戶進(jìn)行交互式的操作及圖像的展示；在后端，使用服務(wù)器存儲(chǔ)醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)，接收客戶端的請(qǐng)求并對(duì)醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析并返回到界面，這種方式可以有效提高開(kāi)發(fā)過(guò)程的靈活度以及用戶的體驗(yàn)。

本系統(tǒng)采用了MySQL和Redis兩種類型的數(shù)據(jù)庫(kù)。其中MySQL主要用來(lái)對(duì)病人信息、就診記錄、預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行持久儲(chǔ)存，對(duì)于經(jīng)常訪問(wèn)的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用Redis作為緩存，以減少去MySQL獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間，提升醫(yī)生端的訪問(wèn)體驗(yàn)。如圖2所示，數(shù)據(jù)庫(kù)主要設(shè)計(jì)了patient、record、prediction、image、slime、train和manager七個(gè)表，其中patient表用于存儲(chǔ)患者信息，record表存儲(chǔ)了每個(gè)患者的就診記錄，image表存儲(chǔ)了每次就診記錄的圖片，prediction表存儲(chǔ)了每個(gè)圖片的預(yù)測(cè)記錄，slime表用于存儲(chǔ)每個(gè)預(yù)測(cè)記錄的可解釋圖像，train表用于存儲(chǔ)每次模型的訓(xùn)練結(jié)果，manager表用于存儲(chǔ)管理員的賬戶密碼等信息。

2 功能實(shí)現(xiàn)

2.1 預(yù)測(cè)模塊

預(yù)測(cè)模塊為整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，用于對(duì)患者每次就診記錄的AI預(yù)測(cè)分析，該模塊包含的服務(wù)主要有細(xì)胞檢測(cè)、分類可解釋以及細(xì)胞的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)功能。

2.1.1 細(xì)胞檢測(cè)

細(xì)胞檢測(cè)主要是對(duì)患者的一次腦脊液細(xì)胞學(xué)檢查獲得的所有細(xì)胞顯微鏡切片圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)量較多的三類細(xì)胞：淋巴細(xì)胞、單核細(xì)胞、中性粒細(xì)胞的三分類目標(biāo)檢測(cè)。該功能選用了基于Faster R-CNN［2］的目標(biāo)檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)aster R-CNN是經(jīng)典的目標(biāo)檢測(cè)算法，輸入圖像送入Faster R-CNN后會(huì)在特征提取模塊中進(jìn)行特征提取，并在生成的特征圖上設(shè)置多個(gè)候選框，之后對(duì)候選框進(jìn)行前景背景的分類和邊界調(diào)整，最后送入分類網(wǎng)絡(luò)中得到每個(gè)細(xì)胞的邊界和類別，由于腦脊液數(shù)據(jù)集的樣本不均衡，各樣本差異性小等特點(diǎn)，本系統(tǒng)在該基礎(chǔ)上引入了人工特征進(jìn)行輔助分類，并實(shí)現(xiàn)了基于圖像分割的特征自動(dòng)提取。圖像分割可以看作是對(duì)圖像每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行分類，本系統(tǒng)使用了U-net［3］進(jìn)行細(xì)胞的圖像分割，輸入圖像首先經(jīng)過(guò)編碼部分獲得分層特征，這些特征包含原始圖像的上下文信息以及語(yǔ)義信息（顏色、紋理等），之后在解碼部分得到的特征圖與編碼部分的特征圖進(jìn)行融合上采樣，最終在預(yù)測(cè)部分獲得每個(gè)像素點(diǎn)的類別。具體的實(shí)現(xiàn)方法為：使用Faster R-CNN模型獲得細(xì)胞的標(biāo)注框以及類別，使用U-net圖像分割模型將圖像的所有像素點(diǎn)區(qū)分為細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)以及背景，并用Faster R-CNN得到的標(biāo)注框?qū)Ψ指罱Y(jié)果進(jìn)行截取，并將Faster R-CNN標(biāo)注框中的結(jié)果近似看作為該細(xì)胞的結(jié)果，如此便得到了每個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)的分割圖，再根據(jù)各個(gè)特征提取的算法得到細(xì)胞的特征，最后使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)提取到的人工特征細(xì)胞進(jìn)行二次分類。

本文根據(jù)幾何學(xué)以及細(xì)胞形態(tài)學(xué)共設(shè)計(jì)了細(xì)胞核凹凸度、細(xì)胞核粗糙度、細(xì)胞核圓度、細(xì)胞核長(zhǎng)寬比、核質(zhì)比、細(xì)胞核面積以及細(xì)胞面積七個(gè)人工特征供分類樹(shù)用作二次分類。訓(xùn)練好的模型會(huì)被部署到服務(wù)器上，提供接口供service層調(diào)用。進(jìn)入醫(yī)院使用該系統(tǒng)檢查的患者會(huì)在服務(wù)器工作目錄下生成一個(gè)以病人就診ID命名的文件夾，病人進(jìn)行一次細(xì)胞學(xué)檢查后生成的所有切片圖像上傳到服務(wù)器時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在每個(gè)病人的文件夾下針對(duì)每一次檢查記錄，生成以檢查時(shí)間命名的檢查記錄文件夾，該文件夾里面保存了此次檢查的所有腦脊液顯微鏡細(xì)胞圖像。病理醫(yī)師選擇一次就診記錄之后點(diǎn)擊預(yù)測(cè)按鈕就會(huì)跳轉(zhuǎn)到細(xì)胞縮略圖頁(yè)面，獲得每張圖像的標(biāo)注結(jié)果，選擇圖像后可以查看每個(gè)記錄的詳細(xì)信息，包括對(duì)每個(gè)標(biāo)注結(jié)果的預(yù)測(cè)類別、位置、置信度以及可解釋信息。

2.1.2 分類可解釋

在實(shí)際的應(yīng)用中，使用訓(xùn)練好的模型去預(yù)測(cè)新的圖像，特別是由于本實(shí)驗(yàn)所使用的醫(yī)療數(shù)據(jù)以及醫(yī)療背景的敏感性，僅僅給出模型的預(yù)測(cè)結(jié)果往往不能使醫(yī)生足夠放心。為此，本系統(tǒng)使用了S-LIME［4］事后解釋器，對(duì)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行解釋，最終得到模型的判斷依據(jù)。在S-LIME中，需要解釋的黑盒模型訓(xùn)練好后會(huì)被送入S-LIME中，在S-LIME中生成和原始黑盒模型預(yù)測(cè)能力最為接近的線性模型以及線性模型的權(quán)重信息，通過(guò)基于中心極限定理的假設(shè)檢驗(yàn)框架來(lái)確定保證結(jié)果解釋穩(wěn)定性所需的模擬數(shù)據(jù)集數(shù)量。在該模塊中，使用凹凸度等人工特征訓(xùn)練的模型會(huì)被保存，對(duì)于需要解釋的細(xì)胞實(shí)例，S-LIME會(huì)根據(jù)該實(shí)例進(jìn)行數(shù)據(jù)的擾動(dòng)，生成一定數(shù)量的模擬數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上建立分類模型并獲得特征的權(quán)重，此權(quán)重信息代表了對(duì)該實(shí)例分類最重要的人工特征信息。病理醫(yī)師在界面上點(diǎn)擊預(yù)測(cè)后可以獲得對(duì)分類結(jié)果的解釋，包括模型預(yù)測(cè)細(xì)胞三個(gè)類別的概率，人工特征的權(quán)重排序以及人工特征的值。

2.1.3 細(xì)胞計(jì)數(shù)

模型在進(jìn)行AI預(yù)測(cè)（即對(duì)腦脊液圖像檢測(cè)并辨別細(xì)胞）時(shí)，除了生成標(biāo)注后的圖像外，模型的預(yù)測(cè)結(jié)果（類別、置信度、坐標(biāo)等信息）會(huì)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)的prediction表中。在進(jìn)行細(xì)胞統(tǒng)計(jì)時(shí)，CountCellService可以直接調(diào)取相應(yīng)的Dao接口，執(zhí)行SQL語(yǔ)句查詢本次記錄的所有預(yù)測(cè)結(jié)果，并分別對(duì)三個(gè)種類的細(xì)胞使用SQL中的count函數(shù)獲得細(xì)胞的數(shù)量，Vue獲得返回值之后會(huì)通過(guò)調(diào)用Vue封裝的sChart圖表組件生成相應(yīng)的分布圖展示在前端頁(yè)面上。病理醫(yī)師在導(dǎo)航欄選擇細(xì)胞統(tǒng)計(jì)功能后，選中希望統(tǒng)計(jì)的就診記錄，頁(yè)面就會(huì)顯示此次檢查的細(xì)胞統(tǒng)計(jì)情況。

2.2 輔助標(biāo)注模塊

該模塊用于輔助病理醫(yī)師標(biāo)記數(shù)據(jù)集，以生成數(shù)目更大、更具有實(shí)時(shí)性且標(biāo)注結(jié)果更精確的腦脊液細(xì)胞數(shù)據(jù)集，從而保證模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率長(zhǎng)期處在一個(gè)較高的區(qū)間。病理醫(yī)師首先選擇一次就診記錄，服務(wù)器會(huì)根據(jù)record_id檢索出該就診id的全部圖片url并返回到頁(yè)面上，醫(yī)生選擇感興趣的圖片后，系統(tǒng)會(huì)去prediction表里調(diào)出該圖像的預(yù)測(cè)記錄返回到頁(yè)面，其中包括該結(jié)果的局部放大展示、預(yù)測(cè)類別、邊界參數(shù)以及置信度，病理醫(yī)師可以選擇認(rèn)為有問(wèn)題的預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行再標(biāo)注（重新定位或重新分類），修改后的結(jié)果再直接保存到prediction表中，用作數(shù)據(jù)集生成。

2.3 補(bǔ)充訓(xùn)練模塊

該模塊可以使病理醫(yī)師在使用過(guò)程中隨著數(shù)據(jù)集的擴(kuò)充，繼續(xù)訓(xùn)練模型以保證模型的準(zhǔn)確性，為了方便模型切分?jǐn)?shù)據(jù)集并進(jìn)行訓(xùn)練，使用生成數(shù)據(jù)集功能后，系統(tǒng)首先會(huì)判斷數(shù)據(jù)庫(kù)是否存在更新，如果存在更新，系統(tǒng)會(huì)對(duì)預(yù)測(cè)記錄表進(jìn)行檢索，檢索的記錄會(huì)以txt文件的形式存儲(chǔ)在工作目錄/data/txt文件夾下，具體字段包括圖片路徑、標(biāo)注類別以及圖片的上、下、左、右邊界，并進(jìn)行數(shù)據(jù)集的分割。系統(tǒng)執(zhí)行g(shù)et_map.py腳本后，會(huì)在/log/result文件夾存儲(chǔ)此次訓(xùn)練的loss曲線以及最終結(jié)果的準(zhǔn)確率、map值等，對(duì)應(yīng)的train表里將會(huì)生成此次訓(xùn)練記錄。病理醫(yī)師可以對(duì)模型進(jìn)行補(bǔ)充訓(xùn)練，在模型訓(xùn)練結(jié)束后病理醫(yī)師可以查看每次訓(xùn)練的loss曲線以及細(xì)胞檢測(cè)的map指標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以實(shí)際病理醫(yī)師對(duì)腦脊液細(xì)胞學(xué)圖像進(jìn)行檢查為應(yīng)用場(chǎng)景，搭建了一個(gè)完整的細(xì)胞檢測(cè)系統(tǒng)并對(duì)該系統(tǒng)依托的硬件及配置環(huán)境進(jìn)行了介紹，對(duì)腦脊液細(xì)胞學(xué)圖像AI分析系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)作流程進(jìn)行了描述，通過(guò)使用Spring Boot+Vue對(duì)Web系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使用引入人工特征的Faster R-CNN對(duì)腦脊液細(xì)胞圖像進(jìn)行檢測(cè)，使用S-Lime算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)分類結(jié)果的解釋，還實(shí)現(xiàn)了不同類別細(xì)胞的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，輔助病理醫(yī)師標(biāo)注制作新的數(shù)據(jù)集，對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理以及模型的補(bǔ)充訓(xùn)練等功能。綜上所述，本應(yīng)用可輔助病理醫(yī)師對(duì)腦脊液進(jìn)行細(xì)胞學(xué)分析，降低成本，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和擴(kuò)展空間。