基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的眼球血絲診斷

吳聰 黃中勇 殷浩 劉罡

摘要：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖像識別方面性能出眾，其特有的多層感知器可以提取多類圖片的隱式特征。提出一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的眼球血絲診斷方法：將3類共1 500幅分辨率為32×32的眼球血絲圖都轉(zhuǎn)換成1 500組數(shù)值矩陣，1 200組作為訓(xùn)練集輸入網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，300組作為驗證集進(jìn)行測試。實驗表明，該應(yīng)用算法可達(dá)到93.19%的訓(xùn)練準(zhǔn)確率和87.57%的測試準(zhǔn)確率。

關(guān)鍵詞：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；共享權(quán)值；眼球血絲診斷

DOIDOI：10.11907/rjdk.1511613

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2016）005-0140-03

0 引言

目前，眼球血絲診斷主要依靠人工完成，不僅耗時費力，也會因醫(yī)生經(jīng)驗不足導(dǎo)致誤診情況發(fā)生。如今許多醫(yī)生都會結(jié)合數(shù)字化的診斷系統(tǒng)來進(jìn)行病情診斷、分析并給出結(jié)果，然而眼球血絲診斷數(shù)字化尚處于發(fā)展期，沒有進(jìn)入實際應(yīng)用。眼球血絲診斷的數(shù)字化研究有著良好的應(yīng)用前景，不僅可以為臨床診斷提供客觀標(biāo)準(zhǔn)，也可以為建立中醫(yī)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)發(fā)揮作用[1]。病人可以用特定的設(shè)備拍攝自己眼部圖像，再通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理而得出結(jié)果；醫(yī)生可以借助診療輔助軟件，極大地減輕自己的工作負(fù)擔(dān)，提高醫(yī)療效率。

由于眼球血絲形狀千變?nèi)f化，加之取圖設(shè)備和操作環(huán)境的不同，故圖片難以分類研究。鑒于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[2]（Convolutional Neural Network，CNN）對復(fù)雜的幾何形變具有較強(qiáng)的不變性且對圖像處理只需較小的計算代價等優(yōu)點，本文提出了一種基于CNN的眼球血絲診斷方法，克服了傳統(tǒng)的診斷需要進(jìn)行人工提取分類特征的缺點，將原始圖像轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)作為輸入，進(jìn)而學(xué)習(xí)相應(yīng)特征并實現(xiàn)精確分類。

1 理論依據(jù)

1.1 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)歸屬于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是接近于實際的生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，有輸入層、卷積層、下采樣層、全連接層和特征輸出[3]，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。CNN的輸入層可直接接收如二維圖像的二維視覺模式，可不需要過多的人為參與去計算原始圖像的合適特征，自動從輸入數(shù)據(jù)中提取特征和分類學(xué)習(xí)。實際應(yīng)用中，輸入層數(shù)據(jù)較為靈活，可為如彩色圖像的多通道圖像或者直接為圖像的灰度值。

卷積層與下采樣層同屬于中間層。其中卷積層為特征抽取層，每層中含有多個卷積神經(jīng)元（稱為C元）；下采樣層為特征映射層，每層中可含有多個抽樣神經(jīng)元（稱為S元）。卷積層和下采樣層中每個神經(jīng)元的輸入與前一層的相應(yīng)區(qū)域連接，檢測出相應(yīng)區(qū)域特征后將特征的相應(yīng)位置傳輸于下一層。CNN可以設(shè)定多層卷積層和下采樣層，卷積層擁有多個特征平面，每個平面都由共享相同連接權(quán)值的神經(jīng)元組成，并且神經(jīng)元只接受對應(yīng)感受野所傳遞的信號。因為輸入樣本在卷積層中進(jìn)行特征提取并得到高維特征映射，但此映射不可直接作為CNN最后輸出的分類特征，因此要在下采樣層進(jìn)行降維。下采樣層上的每一個神經(jīng)元也和卷積層相似，是共享相同連接權(quán)重的。相對于卷積層的神經(jīng)元數(shù)目，由于下采樣層是對上一卷積層相應(yīng)的感受進(jìn)行取均值、最值等操作，因而下采樣層所需的神經(jīng)元數(shù)目大量減少。全連接層可充分挖掘輸出類別標(biāo)簽和網(wǎng)絡(luò)最后抽取特征之間的映射關(guān)系，可連接對應(yīng)問題的分類數(shù)目。CNN通過共享權(quán)值大幅縮少了需要訓(xùn)練的權(quán)值數(shù)量，進(jìn)而對訓(xùn)練樣本的需求大大減少。文獻(xiàn)[4]和[5]更加詳細(xì)地介紹了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為圖像識別領(lǐng)域的研究方向，已成為研究者們關(guān)注的重點。在一些領(lǐng)域，如模式分類，CNN優(yōu)勢非常明顯。該算法可以使原始圖像簡單處理后直接輸入，避免了繁雜的圖像預(yù)處理。最初提出CNN的是Hubel和Wiesel[6]，他們在對動物腦皮層進(jìn)行研究后，發(fā)現(xiàn)了可以有效降低反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的結(jié)構(gòu)，故而提出卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。而第一個實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的是K.Fukushima在1980年提出的新識別機(jī)。之后，該網(wǎng)絡(luò)得到更多研究者的改進(jìn)。2012年Dan Ciresan在Yann LeCun、Sven Behnke、Patrice Simard等學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，使卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別多個圖像數(shù)據(jù)得到進(jìn)一步的改良發(fā)展。目前，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展非常迅速，孫曄等[7]利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)出了一種車標(biāo)識別的方法；賈世杰等[8]將CNN應(yīng)用于商品圖像精細(xì)分類；呂剛[9]在對Simard網(wǎng)絡(luò)加以改進(jìn)后，大大提高了CNN多字體字符識別成功率；Jiang Qing-Ling[10]的基于CNN彩色圖像邊緣檢測優(yōu)于傳統(tǒng)檢測方法。

1.2 眼球血絲與疾病

眼球血絲與人體疾病有著非常大的關(guān)系，血絲的顏色、走向等對應(yīng)著人體某個部位的病變程度，身體部位的疾病在眼球相應(yīng)位置上都有反應(yīng)[11]，如圖2所示為典型的習(xí)慣性便秘眼血絲圖。宋寧[12]在診斷慢性胃炎時發(fā)現(xiàn)，97.43%的慢性胃炎有兩眼出現(xiàn)血絲脈絡(luò)粗大，呈深紅等癥狀。李珪等[13]發(fā)現(xiàn)89.4%的高血壓病人眼球血絲脈絡(luò)根部增粗、彎曲成螺旋狀。龔梅芳[14]發(fā)現(xiàn)頭痛患者眼球血絲微血管分布紊亂，血管周圍有滲出或水腫現(xiàn)象。

由于眼球血絲沒有皮膚遮蓋，最能直接反應(yīng)人體內(nèi)臟患病情況，所以一般無假象。醫(yī)生通過觀察可以知道身體情況和變化，從而進(jìn)行疾病的診斷和治療。傳統(tǒng)中醫(yī)可以利用影像醫(yī)學(xué)技術(shù)成果，使歷史悠久的臨床醫(yī)學(xué)技術(shù)實現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展。在這一趨勢下，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的眼球血絲診斷具有一定意義。

2 實驗分析

基于CNN的眼球血絲診斷是指輸入病人的眼球圖像來確定所患病癥的過程。它在醫(yī)療輔助和醫(yī)療自動化等領(lǐng)域都有著非常大的實用價值，而且是CNN和模式識別等領(lǐng)域的關(guān)注課題。由于眼球的特殊性，例如性別、人種、年齡的不同，或者有受傷、手術(shù)等不確定因素，以及眼球成像的曝光、聚焦等問題，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的眼球血絲診斷依然具有較高的挑戰(zhàn)性。

2.1 算法將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于眼球血絲診斷識別的方法是本文著重介紹的內(nèi)容。CNN具有能提取表征力強(qiáng)參數(shù)的優(yōu)點，故應(yīng)用于血絲病癥的識別是個較好的選擇，具體步驟與算法如下：

對于輸入層樣本，每幅眼球血絲圖像都經(jīng)初步處理（見圖3）：首先分割出具有明顯反映病癥特征的血絲所在區(qū)域，統(tǒng)一設(shè)定為32×32大小，再將分割出的血絲圖進(jìn)行灰度化處理，最終將每幅灰度圖“數(shù)值化”處理為一個32×32的二維矩陣（“數(shù)值化”操作是對每幅灰度圖共計1 024個像素分別除255.000而得出的數(shù)值）。

CNN通過結(jié)構(gòu)上的局部連接、共享權(quán)值和下采樣等，不僅網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？刂频煤芎茫姨卣髂軠?zhǔn)確識別。如圖4所示，對于眼球血絲識別任務(wù)，首先獲取輸入眼球血絲圖像的局部特征，再將這些特征做多輪迭代處理以獲取更高級的特征，這樣最終的特征被處理成一個一維向量，該向量就是眼球血絲圖像的表征，本文正是用此表征來有訓(xùn)練CNN。

2.2 實驗

從醫(yī)院獲取3類眼球血絲圖，包括胃病癥、肺疾病和腸雜病這3類；初步分割處理后得到全部血絲圖共1 500張（圖5展示了部分血絲），經(jīng)過灰度化處理，并“數(shù)值化”成1 500組二維數(shù)組，其中1 200組為訓(xùn)練組，300組為測試組。繼而將訓(xùn)練組和測試組全部輸入到網(wǎng)絡(luò)中運行，同時進(jìn)行訓(xùn)練和測試。關(guān)于程序的主要函數(shù)、函數(shù)參數(shù)及說明如表2所示。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值是經(jīng)過梯度下降運算得出，通過多次迭代運算繼而得到理想?yún)?shù)。由表3分析可知，在迭代次數(shù)較少時，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)不夠充分，訓(xùn)練所得模型不理想，因此測試準(zhǔn)確率較低。當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到一定程度時，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)得到充分訓(xùn)練，測試準(zhǔn)確率上升到一個定值。然而，隨著迭代次數(shù)的繼續(xù)增加，測試準(zhǔn)確率反而下降。

3 結(jié)語

本文將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于眼球血絲診斷，通過對網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)訓(xùn)練，找到眼球血絲圖的最優(yōu)參數(shù)，進(jìn)而將參數(shù)應(yīng)用于病癥識別。在提升效率上，優(yōu)先對圖進(jìn)行處理——將圖轉(zhuǎn)換成數(shù)值矩陣，這樣可大大減少網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時間，整個算法的訓(xùn)練準(zhǔn)確率達(dá)93.19%，測試準(zhǔn)確率達(dá)87.57%。但本文所提出的方法也存在一些不足：分類的病癥稍少，針對更多種類的病癥診斷尚有待研究，因此眼球血絲圖還需完善，數(shù)量和種類也需豐富。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）