基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的乳腺腫瘤輔助診斷

呂文豪 雷菊陽(yáng)

摘 ?要： 乳腺腫瘤的計(jì)算機(jī)輔助診斷對(duì)乳腺腫瘤的診斷和治療有著重要意義。本文提出一種基于深度置信網(wǎng)絡(luò)（Deep Belief Network， DBN）的乳腺腫瘤輔助診斷方法。將病人的細(xì)胞核圖像參數(shù)作為深度置信網(wǎng)絡(luò)的輸入，對(duì)病人乳腺腫瘤惡性與良性進(jìn)行判斷，并與傳統(tǒng)的基于支持向量機(jī)、概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)森林模型進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的乳腺腫瘤輔助診斷方法能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，并且具有較高的準(zhǔn)確率。

關(guān)鍵詞： 深度置信網(wǎng)絡(luò);支持向量機(jī);概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);隨機(jī)森林;乳腺腫瘤輔助診斷

中圖分類(lèi)號(hào)： TP391.4 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.036

本文著錄格式：呂文豪，雷菊陽(yáng). 基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的乳腺腫瘤輔助診斷[J]. 軟件，2019，40（6）：157159

【Abstract】： Computer-aided diagnosis of breast tumors is of great significance in the diagnosis and treatment of breast tumors. This paper presents a method of breast cancer diagnosis based on Deep Belief Network （DBN）. Taking the patient's nuclear image parameters as input to the deep belief network to judge the malignancy and benign of the patient's breast tumor. Compared with traditional models based on support vector machine， probabilistic neural network and random forest. The experimental results show that the method of breast cancer diagnosis based on depth belief network can make accurate judgment， and has a better accuracy.

【Key words】： Deep belief network; Support vector machine; Probabilistic neural network; Random forest; Breast tumor assistant diagnosis

0 ?引言

乳腺癌是女性最常見(jiàn)的惡性腫瘤，嚴(yán)重威脅女性健康[1]。乳腺癌若能早期發(fā)現(xiàn)、早期診斷和早期治療，可取的良好的效果[2]。傳統(tǒng)的概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)和隨機(jī)森林等診斷方法較為簡(jiǎn)單，均屬于淺層機(jī)器學(xué)習(xí)方法，無(wú)法充分挖掘數(shù)據(jù)特征，診斷準(zhǔn)確率不高。深度置信網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)特征提取分析能力，通過(guò)無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，再通過(guò)有監(jiān)督學(xué)習(xí)進(jìn)行反向參數(shù)調(diào)整，充分分析數(shù)據(jù)特征，提高診斷準(zhǔn)確率。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的乳腺腫瘤輔助診斷方法的可行性并且具有較高診斷準(zhǔn)確率。

1 ?受限玻爾茲曼機(jī)

受限玻爾茲曼機(jī)（Restricted Boltzmann Machine， RBM）是Smolensky于1986年基于玻爾茲曼機(jī)提出的一種隨機(jī)生成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，RBM的結(jié)構(gòu)如圖1所示。RBM是一個(gè)無(wú)向二部圖的結(jié)構(gòu)模型，它由兩層組成，第一層是可見(jiàn)層（visible layer），即輸入層，用 表示，第二層是隱層（hidden layer），用于提取數(shù)據(jù)特征，用 表示。層與層之間的連接權(quán)重用 表示， 表示第 個(gè)可見(jiàn)層單元和第 個(gè)隱層單元之間的連接權(quán)重， 表示第 個(gè)可見(jiàn)層單元的偏置， 表示第 個(gè)隱層單元的偏置。由于兩層之間連接的對(duì)稱(chēng)性，即 。我們記 ，其中 為可見(jiàn)層和隱層之間的連接矩陣， 為可見(jiàn)層的偏置向量， 為隱層的偏置向量。

2 ?深度置信網(wǎng)絡(luò)

2006年，Hinton等人[3]提出了通過(guò)堆疊多層的RBM的方式，構(gòu)建深度置信網(wǎng)絡(luò)，并在2012年的ImageNet比賽中以巨大優(yōu)勢(shì)獲勝，DBN模型示意圖如圖2所示。深度置信網(wǎng)絡(luò)通過(guò)堆疊多個(gè)RBM，網(wǎng)絡(luò)可視層v即輸入層，前一個(gè)RBM的輸出作為后一個(gè)RBM輸入，最后一層采用softmax分類(lèi)器作為結(jié)果的輸出。深度置信網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練步驟包括兩個(gè)部分，預(yù)訓(xùn)練和微調(diào)。

2.1 ?預(yù)訓(xùn)練

DBN的預(yù)訓(xùn)練首先訓(xùn)練第一個(gè)RBM層，既固定第一個(gè)RBM的權(quán)值矩陣和偏置向量，將第一個(gè)RBM的隱層作為第二個(gè)RBM的輸入層。不斷重復(fù)上述步驟，直至將所有的RBM訓(xùn)練完成。保存每一層的RBM參數(shù)，作為DBN網(wǎng)絡(luò)的初始參數(shù)。

2.2 ?微調(diào)

DBN的微調(diào)采用BP網(wǎng)絡(luò)誤差反向傳播算法。

由于DBN的預(yù)訓(xùn)練過(guò)程訓(xùn)練好了每一層的RBM的參數(shù)，因此每一層的RBM參數(shù)都達(dá)到了局部最優(yōu)解，但是相互疊加的RBM參數(shù)并沒(méi)有達(dá)到DBN網(wǎng)絡(luò)的全局最優(yōu)解，因此采用BP網(wǎng)絡(luò)的誤差反向傳播算法可以微調(diào)RBM參數(shù)，使每一層的RBM局部最優(yōu)解達(dá)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的全局最優(yōu)解。

3 ?實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 ?實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

本實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)威斯康辛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的乳腺癌數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集共包括569例乳腺癌細(xì)胞數(shù)據(jù)，其中良性數(shù)據(jù)357例，惡性數(shù)據(jù)212例。數(shù)據(jù)集包括細(xì)胞核圖像的10個(gè)量化特征（細(xì)胞核半徑、質(zhì)地、周長(zhǎng)、面積、光滑性、緊密度、凹陷度、凹陷指數(shù)、對(duì)稱(chēng)度、斷裂度）。本實(shí)驗(yàn)選取的訓(xùn)練集數(shù)據(jù)和測(cè)試集數(shù)據(jù)如表1所示。

部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

3.2 ?數(shù)據(jù)歸一化

3.3 ?網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大小及分類(lèi)個(gè)數(shù)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表3所示。

3.4 ?訓(xùn)練及仿真

首先用480例乳腺腫瘤訓(xùn)練樣本進(jìn)行DBN網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，再用89例測(cè)試樣本進(jìn)行測(cè)試。將測(cè)試結(jié)果輸出進(jìn)行標(biāo)記，乳腺腫瘤為良性的記為1，惡性的記為2。仿真結(jié)果如圖3所示。

3.5 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與對(duì)比

由圖5的仿真結(jié)果可知，在現(xiàn)有樣本下基于DBN的乳腺腫瘤診斷方法準(zhǔn)確率為95.5%。為說(shuō)明基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的乳腺腫瘤輔助診斷方案的效果，本文也對(duì)文獻(xiàn)4提出的基于隨機(jī)森林的診斷方法，文獻(xiàn)5提出的基于支持向量機(jī)的診斷方法和文獻(xiàn)6提出的基于概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法做了對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

4 ?結(jié)束語(yǔ)

本文將深度置信網(wǎng)絡(luò)模型用于診斷乳腺腫瘤的輔助診斷，并對(duì)比了傳統(tǒng)的基于支持向量機(jī)、概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)森林模型。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的新型乳腺腫瘤輔助診斷方法有著較高的準(zhǔn)確率。深度置信網(wǎng)絡(luò)有望成為一種有效并且實(shí)用的乳腺腫瘤輔助診斷工具，通過(guò)計(jì)算機(jī)手段減少人的主觀誤診，提高診斷準(zhǔn)確率。

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