如何用深度学习进行CT影像肺结节探测（附有基于Intel Extended Caffe的3D Faster RCNN代码开源）
近期宜远智能参加阿里天池医疗AI大赛，用3D Faster RCNN模型在CT影像的肺结节探测上，取得了较好的成绩，特别是在计算资源充足的情况下，模型效果表现优异。这是他们的经验分享（https://tianchi.aliyun.com/competition/new_articleDetail.html?raceId=231601&postsId=2898&from=part ），末尾还附有代码开源地址。
1.数据预处理
首先用SimpleITK把mhd图片读入，对每个切片使用Gaussian filter然后使用阈值-600把肺部图片二值化，然后再分析该切片的面积，去掉面积小于30mm2的区域和离心率大于0.99的区域，找到3D的连通区域。
只保留0.68L到8.2L体积的区域，并且如果大于6000 mm2的区域到切片的中心区域的距离大于62mm也删除该连通区。最后只留下一个最大的连通区域。
左边是原始图，右边是切完肺的。
在实际中预处理中，我们可视化了每个肺的部分切片，存在一些bad case。主要有以下3种，我们也对这3种情况做了优化：
- 把肺边缘结节切掉。因为阈值导致的，把二值化环境-600改成-150有改善。
- 切出来全部为黑的(未找到任何肺部区域)。有些ct图是从头部开始扫描的，导致影响了连通区域判断，需要手动查看该mhd文件，看里面的从第个切片到第几个切片是肺部，在做完二值化操作后，人为把前面和后面的切片全部设置为0。
- 切出来只有一侧肺部情况。
有些患者两个肺的大小差别比较大，需要调整阈值，放宽阈值标注，把大于6000 mm2的区域到切片的中心区域的距离大于62mm也删除该连通区，改为大于1500 mm2的区域到切片的中心区域的距离大于92mm也删除该连通区。并且在最后一步，不只保留最大的连通区，同时保留最大的两个连通区。
2.模型网络结构
我们的网络如图所示，整体上是采用Unet+Resnet的思想。里面每个Resnet Block都是由多个卷积层和bn层和relu层组成的。我们只展示主体结构（整体深度大概150多层）：
3.整体优化思路
3.1 数据优化
- 肺部切割优化：这块其实没有完美的方法能把所有的肺一次性都切好。具体的思路我们已经在第１章数据预处理部分写出来了：我们会先切一遍，然后将切肺中切的不好的，再调参数重新切一次。
- 10mm 以下结节的训练数据增强。我们在没做数据增强的情况下跑出来的模型，在验证集上漏掉了不少10mm以下的结节，所以对这部分的结节做了增强。
3.2 工业界优化思路：模型架构 > 模型网络
我们的优化思路非常的工业界，用更多的计算资源，和更复杂的模型架构，并不把大量的时间用在调模型网络上面。
3.3 层次化Hard Mining
业界两套网络的做法比较普遍，比如用Unet切割或Faster RCNN检测，用3D CNN分类，如下图所示。
我们用的是如下统一的一套模型架构，即3D Faster RCNN的RPN网络，没有后续的全连接做分类，也并没有
再在后面接一套3D CNN来做降假阳。能减少需要调节的网络参数。
该hard mining的过程，其实就是用上一层的模型作为下一层的输入，每一层的训练数据都选取比上一层更难分的。
这套架构，无需2套网络，只需要选择一套较深的网络。
根据我们的经验，采取层次化模型训练，第二层模型froc能比第一层效果提升0.05，第三层能比第二层提升0.02。
3.4 LOSS 函数的设计
在计算loss函数的时候，我们做了2点优化。
1.在使用hard mining的时候，每个batchsize里面负例的个数会明显多于正例。为了防止算loss的时候被负例主导。我们将loss函数分成３个部分，负例的loss，正例的loss和边框的loss。
2.在上一节提到的层次化hard mining，我们在最后一层训练模型的时候，会修改loss函数的计算，对于分错的负例和正例，做加权。这个思路和focal loss是很像的。
比如：
红框里面的部分，本来是负例，却以很大的概率被分成正例，这部分在算loss的时候权值就大些。红框外面的部分权值就小些。
4．本次比赛的关键点总结：
1) 解决了基于Intel extended Caffe的150多层深度网络的 3D Faster RCNN RPN网络收敛问题。
可以从２个方向来解决（线下Phi卡平台均已验证过）。
a）将 drop out设置为 0.1。缺点是会容易过拟合。
b）先训练一个crop size为32的模型
用这个模型做pre train model，训练crop size 64的模型
依次类推。
直到完成crop size为128的模型训练
由于时间关系，我们并未比较这２种思路的效果。比赛中使用的是第１个思路，收敛的更快些。
2) 提出层次化Hard Mining的训练框架。并没有采用常见的，unet做分割＋3D CNN降假阳 或者 2d faster rcnn做检测＋3D CNN降假阳的思路。我们只用了一套网络。减少了需要调节的网络参数。
3) 重新设计了loss函数，防止负例主导loss的计算， 并且在降低loss的过程中，更聚焦于分错的训练样本。
5. 经验总结：
我们团队虽然过往深度学习架构经验多，但对医学影像处理的know how属于尚在探索之中。所以，我们的优化思路，是用更多的计算资源，和更复杂的模型架构，来弥补没有专用模型网络积累的短板。在第一轮比赛时通过调用比较充足的计算资源时效果比较显著，但在第二轮限定计算资源的多CPU的框架上，比较受限于计算资源及时间。
在计算资源比较充沛的情况下，选取比较深的Resnet效果会明显。在资源受限的实际场合或者现实的生产环境，我们有两点启发：
- 学会认同重复造轮子的基础性工作。第一轮比赛我们是pytorch框架，第二轮按要求在caffe上实现，特别是在Intel Extended Caffe对3D支持有限，重写了不少很基础的模块，这种貌似重复造轮子的工作，对我们提出了更高的要求，但也锻炼了我们深入到框架底层的能力，从而对不同框架的性能特点有更深的认识，这种重写甚至还因此帮我们找到我们第一版pytorch代码里detect部分存在的一个bug。
- 根据资源灵活优化训练策略乃至模型。我们的3D Faster RCNN 初期在Extended Caffe 上过于耗时，但因为在计算资源充足环境下我们的做法比较有效，所以没有去考虑一些更快的检测算法，比如SSD、YOLO等，这点也算是路径依赖的教训了。
代码开源说明：
我们在GitHub (https://github.com/YiYuanIntelligent/3DFasterRCNN_LungNoduleDetector ) 开源了核心代码，特别是将我们基于Intel Extended Caffe的3D Faster RCNN RPN训练模块发布到社区，相信这也是业内首个Intel extended Caffe版的150层网络3D Faster RCNN开源，希望对Intel 的深度学习社区用户有帮助。
该代码对医学影像的处理也展示了有效性，相信对医学影像领域AI实践的发展，对技术如何造福大众，能起到一些帮助。
通过开源，希望有同行提出性能优化、功能扩充等的修改建议，互相促进。
宜远智能是一家专注于大健康领域的AI创新企业，团队由多名AI博士、来自腾讯的算法高手、医疗领域专家构成。目前提供医学影像图像分析平台及服务。还提供专业皮肤AI方案以及基于阿里云市场的测肤API平台。对我们的开源代码及相关医学影像处理有任何疑问、建议、合作与求职意向，可联系：
[email protected] JohnnyGambler
End.
诺蓝
近期宜远智能参加阿里天池医疗AI大赛，用3D Faster RCNN模型在CT影像的肺结节探测上，取得了较好的成绩，特别是在计算资源充足的情况下，模型效果表现优异。这是他们的经验分享（https://tianchi.aliyun.com/competition/new_articleDetail.html?raceId=231601&postsId=2898&from=part ），末尾还附有代码开源地址。
1.数据预处理
首先用SimpleITK把mhd图片读入，对每个切片使用Gaussian filter然后使用阈值-600把肺部图片二值化，然后再分析该切片的面积，去掉面积小于30mm2的区域和离心率大于0.99的区域，找到3D的连通区域。
只保留0.68L到8.2L体积的区域，并且如果大于6000 mm2的区域到切片的中心区域的距离大于62mm也删除该连通区。最后只留下一个最大的连通区域。
左边是原始图，右边是切完肺的。
在实际中预处理中，我们可视化了每个肺的部分切片，存在一些bad case。主要有以下3种，我们也对这3种情况做了优化：
- 把肺边缘结节切掉。因为阈值导致的，把二值化环境-600改成-150有改善。
- 切出来全部为黑的(未找到任何肺部区域)。有些ct图是从头部开始扫描的，导致影响了连通区域判断，需要手动查看该mhd文件，看里面的从第个切片到第几个切片是肺部，在做完二值化操作后，人为把前面和后面的切片全部设置为0。
- 切出来只有一侧肺部情况。
有些患者两个肺的大小差别比较大，需要调整阈值，放宽阈值标注，把大于6000 mm2的区域到切片的中心区域的距离大于62mm也删除该连通区，改为大于1500 mm2的区域到切片的中心区域的距离大于92mm也删除该连通区。并且在最后一步，不只保留最大的连通区，同时保留最大的两个连通区。
2.模型网络结构
我们的网络如图所示，整体上是采用Unet+Resnet的思想。里面每个Resnet Block都是由多个卷积层和bn层和relu层组成的。我们只展示主体结构（整体深度大概150多层）：
3.整体优化思路
3.1 数据优化
- 肺部切割优化：这块其实没有完美的方法能把所有的肺一次性都切好。具体的思路我们已经在第１章数据预处理部分写出来了：我们会先切一遍，然后将切肺中切的不好的，再调参数重新切一次。
- 10mm 以下结节的训练数据增强。我们在没做数据增强的情况下跑出来的模型，在验证集上漏掉了不少10mm以下的结节，所以对这部分的结节做了增强。
3.2 工业界优化思路：模型架构 > 模型网络
我们的优化思路非常的工业界，用更多的计算资源，和更复杂的模型架构，并不把大量的时间用在调模型网络上面。
3.3 层次化Hard Mining
业界两套网络的做法比较普遍，比如用Unet切割或Faster RCNN检测，用3D CNN分类，如下图所示。
我们用的是如下统一的一套模型架构，即3D Faster RCNN的RPN网络，没有后续的全连接做分类，也并没有
再在后面接一套3D CNN来做降假阳。能减少需要调节的网络参数。
该hard mining的过程，其实就是用上一层的模型作为下一层的输入，每一层的训练数据都选取比上一层更难分的。
这套架构，无需2套网络，只需要选择一套较深的网络。
根据我们的经验，采取层次化模型训练，第二层模型froc能比第一层效果提升0.05，第三层能比第二层提升0.02。
3.4 LOSS 函数的设计
在计算loss函数的时候，我们做了2点优化。
1.在使用hard mining的时候，每个batchsize里面负例的个数会明显多于正例。为了防止算loss的时候被负例主导。我们将loss函数分成３个部分，负例的loss，正例的loss和边框的loss。
2.在上一节提到的层次化hard mining，我们在最后一层训练模型的时候，会修改loss函数的计算，对于分错的负例和正例，做加权。这个思路和focal loss是很像的。
比如：
红框里面的部分，本来是负例，却以很大的概率被分成正例，这部分在算loss的时候权值就大些。红框外面的部分权值就小些。
4．本次比赛的关键点总结：
1) 解决了基于Intel extended Caffe的150多层深度网络的 3D Faster RCNN RPN网络收敛问题。
可以从２个方向来解决（线下Phi卡平台均已验证过）。
a）将 drop out设置为 0.1。缺点是会容易过拟合。
b）先训练一个crop size为32的模型
用这个模型做pre train model，训练crop size 64的模型
依次类推。
直到完成crop size为128的模型训练
由于时间关系，我们并未比较这２种思路的效果。比赛中使用的是第１个思路，收敛的更快些。
2) 提出层次化Hard Mining的训练框架。并没有采用常见的，unet做分割＋3D CNN降假阳 或者 2d faster rcnn做检测＋3D CNN降假阳的思路。我们只用了一套网络。减少了需要调节的网络参数。
3) 重新设计了loss函数，防止负例主导loss的计算， 并且在降低loss的过程中，更聚焦于分错的训练样本。
5. 经验总结：
我们团队虽然过往深度学习架构经验多，但对医学影像处理的know how属于尚在探索之中。所以，我们的优化思路，是用更多的计算资源，和更复杂的模型架构，来弥补没有专用模型网络积累的短板。在第一轮比赛时通过调用比较充足的计算资源时效果比较显著，但在第二轮限定计算资源的多CPU的框架上，比较受限于计算资源及时间。
在计算资源比较充沛的情况下，选取比较深的Resnet效果会明显。在资源受限的实际场合或者现实的生产环境，我们有两点启发：
- 学会认同重复造轮子的基础性工作。第一轮比赛我们是pytorch框架，第二轮按要求在caffe上实现，特别是在Intel Extended Caffe对3D支持有限，重写了不少很基础的模块，这种貌似重复造轮子的工作，对我们提出了更高的要求，但也锻炼了我们深入到框架底层的能力，从而对不同框架的性能特点有更深的认识，这种重写甚至还因此帮我们找到我们第一版pytorch代码里detect部分存在的一个bug。
- 根据资源灵活优化训练策略乃至模型。我们的3D Faster RCNN 初期在Extended Caffe 上过于耗时，但因为在计算资源充足环境下我们的做法比较有效，所以没有去考虑一些更快的检测算法，比如SSD、YOLO等，这点也算是路径依赖的教训了。
代码开源说明：
我们在GitHub (https://github.com/YiYuanIntelligent/3DFasterRCNN_LungNoduleDetector ) 开源了核心代码，特别是将我们基于Intel Extended Caffe的3D Faster RCNN RPN训练模块发布到社区，相信这也是业内首个Intel extended Caffe版的150层网络3D Faster RCNN开源，希望对Intel 的深度学习社区用户有帮助。
该代码对医学影像的处理也展示了有效性，相信对医学影像领域AI实践的发展，对技术如何造福大众，能起到一些帮助。
通过开源，希望有同行提出性能优化、功能扩充等的修改建议，互相促进。
宜远智能是一家专注于大健康领域的AI创新企业，团队由多名AI博士、来自腾讯的算法高手、医疗领域专家构成。目前提供医学影像图像分析平台及服务。还提供专业皮肤AI方案以及基于阿里云市场的测肤API平台。对我们的开源代码及相关医学影像处理有任何疑问、建议、合作与求职意向，可联系：
[email protected] JohnnyGambler
End.