百度灵医智惠医疗AI影像能力再上新台阶，脑 CT 颅内出血分类取得最新突破
2022-06-13
点击即可回顾直播
https://www.bilibili.com/video/BV16Z4y1q716?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=fcca937b37002a9294697f53e03b76a6灵医智惠是百度旗下深耕医疗领域的AI医疗品牌，多年来一直致力于将AI能力深度赋能医疗行业，加速智慧医疗产业落地。在医疗影像分析领域，灵医智惠也具备了丰富的技术积累，并基于百度飞桨打造了AI影像能力中台EasyMIA（Easy Medical Images Analysis）。目前，EasyMIA已经覆盖眼底影像、CT、MRI、病理切片、皮肤影像等大健康场景下的多种影像分析能力，可惠及机构类型包括但不限于：CT、MRI等医疗影像设备制造厂商、医疗器械厂商、医院、健康管理公司、保险公司等。本次开源的颅内出血多标签分类能力(Intracranial Hemorrhage Detection, IHD)也是EasyMIA平台上孵化出的一项业界领先的影像能力，与集成了20个模型的RSNA-IHD竞赛[1]第一名方案相比，百度灵医智惠的模型只需要约1/4的参数和 1/10 的 FLOPs，仅使用单个模型即可实现更精准的脑CT出血分类结果。期待我们的技术进步可以共享行业的同仁，加速智慧医疗产业落地与实践，更期待给更多客户带来实质的赋能。技术报告：httas://arxiv.org/abs/2205.07556代码：Github：
https://github.com/PaddlePaddle/Research/tree/master/CV/Effective%20Transformer-based%20Solution%20for%20RSNA%20Intracranial%20Hemorrhage%20Detection
AIStudio：
https://aistudio.baidu.com/aistudio/projectdetail/4047192颅内出血(Intracranial hemorrhage, ICH)是常见的脑血管疾病，脑出血的病情一般较重，具有高发病率、高致残率、高死亡率的特点，脑内血管破裂导致出血，血肿压迫脑组织，会阻断大脑周围或内部的血液流动，使大脑缺氧，只需要3-4分钟，就有可能让脑细胞开始死亡，所以需要快速的医疗手段介入。对颅内出血做出正确诊断并采取措施对降低残疾率和死亡率至关重要，而识别出血的位置和类型是其中的关键步骤。但是，面对颅内出血这个急诊室里的“常客”，医生们即便练就了一双“火眼金睛”也会显得力不从心。颅内出血的情况多样且诱因复杂，一般而言，面对颅内出血，医生会检查患者的脑CT，查找出血的存在、部位和类型，但是单以人眼从医学影像中快速准确地将病人按病情轻重缓急区分开，既复杂又耗时。国际上有很多专业的机构都在关注这一领域，并积极的组织相关的竞赛以期通过赛事来加速该难题的攻克。其中，北美放射学会(Radiological Society of North America, RSNA)为了鼓励脑出血多标签分类算法的研发，2019年在Kaggle竞赛平台上举办了一场国际级算法竞赛（RSNA-IHD）。该竞赛要求参赛选手设计多标签(multi-label)图像分类算法，根据输入的CT切片，判断是否存在颅内出血及每个具体出血类型。具体地，根据出血部位的分布，脑出血可以分为5类：分别为硬膜外出血(EDH)、脑实质内出血(IPH)、脑室内出血(IVH)、蛛网膜下腔出血(SAH)、硬膜下出血(SDH)。选手设计的算法需要对每个CT切片，输出一个包含6个元素的概率向量，分别指示切片中是否存在出血和5类具体的出血类型。算法性能通过加权多标签对数损失(log-loss，越低越好)来评估。图1 脑出血多标签分类及定义
对脑出血的多标签分类，是脑CT影像分析领域的重要研究方向之一。IHD 任务需要为输入的脑 CT 预测每个切片的出血类别。我们回顾了北美放射学会（RSNA）在 2019 年举办的 IHD 竞赛的 top-5 解决方案，几乎所有的获胜方案都依赖于 2D 卷积网络和序列模型（双向 GRU 或 LSTM）来提取切片内和片间特征。在竞赛中，涌现出许多出色的算法方案。这些方案均首先使用卷积模型提取切片内的图像特征(intra-slice features)，接着由序列模型提取切片间特征（inter-slice features）。但是，这些方案存在以下两类问题：问题1:这些方案在切片内、切片间特征提取阶段，均采用了大量模型集成融合的方案，以提升模型性能。因此，切片内与切片间特征提取过程（模型）是解耦的，无法在GPU上同时训练。这一现象导致了误差累积，限制了解决方案性能的上限。问题2:大量模型集成融合的方案虽然有利于竞赛成绩的提升，但这类方案因模型数量众多而难以部署至临床环境，推理耗时较长，不利于快速诊断患者的病情。例如，RSNA-IHD竞赛的第一名在切片内特征提取阶段就融合了15个模型，总计参数量超过3.3亿，单次推理运算量超过180G FLOPs。作为对比，我们的方案整体参数量仅为0.86亿，单次推理仅需15G FLOPs。表1 本文方案与竞赛获胜方案的模型数量与性能指标对比
为解决脑CT切片分析的上述问题，结合近年来，计算机视觉领域取得的很大进展，尤其是基于 Transformer 的模型，百度灵医智惠引入了 Transformer-来更有效地提取 IHD 任务的切片内和切片间的特征。百度灵医智惠影像算法团队基于自研的医疗影像分析平台EasyMIA，提出以端到端方式提取切片内-切片间信息的模型方案，研发了基于Transformer的脑CT出血多标签分类方案。该方案在不使用模型集成方案的情况下，单模型即超越了竞赛排行榜第一名（详见表1）。传统的CNN模型擅长提取局部特征，但不能有效地建立全局-长距离图像特征之间的关联。由于脑出血的类型与出血位置密切相关，我们放弃了CNN模型和RNN模型，而是选择改造后的Swin-Transformer网络构建切片内特征提取器、序列Transformer编码器构建切片间特征提取器。受益于Transformer系列模型较高的参数效率，片内和片间的特征提取在灵医智惠的解决方案中是完全端到端的。这不仅允许梯度信号直接反传到输入层，而且在模型推理期间只需要单次前向传播。图2 端到端脑出血多标签分类模型架构图
模型方案：百度灵医智惠的模型结构如图2所示。一组包含N张形状为切片的脑CT序列，选取3种不同的HU窗，经预处理后被组织为的4维张量。切片间特征提取器将N张2D图像变换为N个特征向量，进而在切片间提取器内交换特征信息，最后由分类器(Clas Head 2)输出判别决策。为了避免梯度消失的问题，提升收敛速度，百度灵医智惠对切片内特征连接了一个辅助分类器（Clas Head 1）。在推理时，仅使用Clas Head 2的输出作为模型判别结果。两个分类器均采用Binary Cross-Entropy作为损失函数。预处理方案：由于颅内出血的类别与出血的位置相关，因此解决方案需要考虑切片中的大脑和颅骨信息。根据竞赛优胜方案的通用设定，我们为每个切片选择3个HU窗（HU值及窗位概念参考[2]），由窗位和窗宽描述：脑组织窗，出血窗，软组织窗。图3 三种HU窗可视化
训练细节：本方案所有实验均在PaddlePaddle 2.2.0环境中使用Nvidia-P40 GPU完成。片内与片间特征提取器使用SGD优化器和加权BCE损失函数完成训练，权重为[2，1，1，1，1，1]，依序对应“任意”类别和其它5种出血类别。每一轮训练进程持续80,000次迭代（每个CT序列约轮询4次）。在最初300次迭代中，学习率由0线性增加至0.001，并在剩余迭代中沿Cosine曲线逐渐退火至0。综上所述，百度灵医智惠提出的基于Transformer系列模型的颅内出血多标签分类方案，仅使用单个模型即可获得优于RSNA-IHD竞赛第一名集成20个模型结果的性能，单次推理 FLOPs 减小超过10 倍。片内和片间特征提取器以端到端的方式集成到一个模型中，避免了累积误差。但仍存在值得研究的问题，包括更精确的出血分类，以及将所述解决方案扩展到其他切片型应用任务。百度灵医智惠已经发布源代码，希望能够帮助其他研究和工程人员取得更多突破。感兴趣的业界同仁或客户可留下您的联系方式，我们将尽快与您取得联系。参考文献【1】
https://www.kaggle.com/competitions/rsna-intracranial-hemorrhage-detection/overview
【2】
https://www.zhihu.com/question/33587197
对颅内出血多标签分类方案及更多AI影像感兴趣的伙伴或客户，欢迎关注百度灵医智惠与百度飞桨联合举办的“开发者说”线上直播，请扫码关注直播。
