人工智能在皮肤科的应用与思考课件.pptx
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- 关 键 词:
- 人工智能 皮肤科 应用 思考 课件
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1、人工智能在皮肤科的应用与思考推进互联网+ 智慧医疗人工智能成为研究热点人工智能成为研究热点2017年年2月月Nature发表斯坦福大学发表斯坦福大学深度学习对皮肤癌分类达皮肤科医师水平深度学习对皮肤癌分类达皮肤科医师水平34AI“来势汹汹来势汹汹”5 皮肤是人体最浅表和复杂皮肤是人体最浅表和复杂的的器官器官 皮肤疾病皮肤疾病 2000种种6皮肤疾病包括皮肤疾病包括 肿瘤肿瘤 色素异常性疾病色素异常性疾病 损容性疾病损容性疾病 炎症性、感染性疾炎症性、感染性疾病病 遗传性疾病,等等遗传性疾病,等等7皮肤病诊断皮肤病诊断临床表现临床表现皮肤镜皮肤镜高频超声高频超声组织病理组织病理免疫荧光免疫荧光血
2、清学检查血清学检查天疱疮天疱疮8治疗治疗 药物药物 光化学疗法光化学疗法, PUVA 光动力光动力, PDT 激光激光 化学剥脱化学剥脱 手术手术 等等等等8九分类任务:九分类任务:0.皮肤淋巴瘤和皮肤浸润性疾皮肤淋巴瘤和皮肤浸润性疾病病1.真皮良性肿瘤、囊肿真皮良性肿瘤、囊肿2.真皮恶性肿瘤真皮恶性肿瘤3.表皮良性肿瘤表皮良性肿瘤4.表皮恶性肿瘤和癌前期病变表皮恶性肿瘤和癌前期病变三分类任务:三分类任务:0.良性肿瘤良性肿瘤1.恶性肿瘤恶性肿瘤2.非肿瘤非肿瘤5.遗传性皮肤病遗传性皮肤病6.炎症性皮肤病炎症性皮肤病7.良性黑素细胞性肿瘤良性黑素细胞性肿瘤8.恶性黑素细胞性肿瘤恶性黑素细胞性肿
3、瘤结果一:三分类和九分类任务模型结果一:三分类和九分类任务模型 VS. 两位皮肤科医两位皮肤科医师师9结果二:良恶性二分类任务模型结果二:良恶性二分类任务模型 VS. 皮肤科医皮肤科医师师1.角质形成细胞肿瘤角质形成细胞肿瘤: 65张恶性肿瘤张恶性肿瘤70张良性肿瘤;张良性肿瘤;2.黑素细胞来源肿瘤:黑素细胞来源肿瘤: 临床照片:临床照片:65张恶黑和张恶黑和70张良性痣张良性痣 皮肤镜图片:皮肤镜图片:71张恶黑和张恶黑和40张良张良性性痣痣10 数据量大:数据量大:13万张图片万张图片 深度学习实现多分类深度学习实现多分类 结果与医生进行比较结果与医生进行比较亮亮点点11本课题组人工智能研
4、本课题组人工智能研究究PART112-北京协和医院皮肤科北京协和医院皮肤科门门诊每诊每年年3040万患万患者者-仅有仅有30位医生位医生13在国在国内内较早较早开展皮肤影像工开展皮肤影像工作作14率率先先成立皮肤影像诊断成立皮肤影像诊断中中心心皮肤镜皮肤镜皮肤高频超声皮肤高频超声 皮肤多普勒超声皮肤多普勒超声16服务器服务器17协和皮肤影像资源协和皮肤影像资源库库 20余年的积累余年的积累 30余万张高质量图片余万张高质量图片临床图片临床图片皮肤镜皮肤镜皮肤超声皮肤超声皮肤病理皮肤病理182016年开始进行年开始进行AI研发工研发工作作合作团队合作团队: 北京航空航天大学北京航空航天大学 谢凤
5、英教授谢凤英教授 课题组。北大医疗:课题课题组。北大医疗:课题组组。 美国德州大学休斯顿生美国德州大学休斯顿生物物医学医学信信息学院息学院 陶萃教授陶萃教授 课题组课题组典型色素痣典型色素痣和和SK皮肤镜图像示皮肤镜图像示例例18CNN自动分类模型示意自动分类模型示意图图 构建构建 CNN 二分类模型:使用二分类模型:使用3015幅色素痣幅色素痣和和2079幅幅SK的的皮皮肤镜肤镜图图像对像对 ResNet-50采用采用迁移学习迁移学习进行训练进行训练 得到模型:将一个待分得到模型:将一个待分类类皮损皮损图图像输像输入入到训到训练练好的好的卷卷积神积神经经网络网络,即可即可预预测出测出皮皮损类
6、别损类别模型整体模型整体部分部分各部分细各部分细节及参数节及参数19212017协和皮肤影像诊断学习班协和皮肤影像诊断学习班人工智能与人工智能与100余位皮肤科医师对决余位皮肤科医师对决AI准确率准确率 88.33%皮肤科医师总准确率皮肤科医师总准确率 84.47% 皮肤科医师错误诊断率皮肤科医师错误诊断率排排名前名前10(误诊误诊 率为率为 32.6%71.6%)图像:图像:2例为例为SK错误诊断为色素痣错误诊断为色素痣其余其余8例为色素痣错误诊例为色素痣错误诊断断为为SK错误分类图错误分类图像像分分析析 CNN 错误分类图像:错误分类图像:7例均为例均为 SK 错误分类为色素痣错误分类为色
7、素痣 CNN错误分类图像被分为三类错误分类图像被分为三类第一类第一类:特殊类型特殊类型第二类第二类:具有典型特征,但存在具有典型特征,但存在干干扰因扰因素素,如毛发的干扰、光线、角度等使特如毛发的干扰、光线、角度等使特征征不易不易识识别别第三类第三类:具有典型特征,具有典型特征,22尚找不到错误分类原因尚找不到错误分类原因2018年年7月月发表于中华皮肤科杂志发表于中华皮肤科杂志22真真 实实 标标 签签预测标签预测标签0:色素痣色素痣1:SK2:银屑病银屑病3:脂溢性皮炎脂溢性皮炎4:湿疹湿疹5:BCC 具体设计为:对改进的具体设计为:对改进的ResNet-50采用采用迁迁移移学习进行训练,
8、用得到学习进行训练,用得到的的模型模型进进行分类行分类数据集:共使数据集:共使用用6种常见疾病的皮肤镜种常见疾病的皮肤镜图像图像11,566张张 6种常见疾病的分类混淆种常见疾病的分类混淆矩矩阵图:阵图:色素痣为色素痣为86%,而,而BCC的准确的准确率率仅为仅为38%多分类人工智能模多分类人工智能模型型23 合作单位:北京航空航合作单位:北京航空航天天大大学宇航学院图像中心学宇航学院图像中心 投稿于投稿于2017 IEEEInternationalConference on Imaging Systems and Techniques (IST),已发表已发表24投稿于投稿于BIBM SEP
9、DA 2017,已发表已发表The IEEE BIBM 2017会议发言会议发言25AI关键技关键技术术-模型可视化模型可视化显著图显著图1.点越黑代表对结果的影响越点越黑代表对结果的影响越大大2.皮损与像素点关联性很大皮损与像素点关联性很大遮挡试验遮挡试验直观评价直观评价AI诊断的可靠性:诊断的可靠性:是否位于病变部位是否位于病变部位还有,热点图、还有,热点图、t分布随机邻域嵌入分布随机邻域嵌入 ( t-distributed Stochastic Neighbor Embedding ,t-SNE)等等26网络感兴趣区域可视化结果网络感兴趣区域可视化结果-热点热点图图(a) Heatmap
10、(b) 原图原图 深度学习到底在关注皮损的深度学习到底在关注皮损的哪哪 一部分区一部分区域域? 根据学习得到的根据学习得到的网络参数求算网络参数求算 出出heatmap,结果:大部分结果:大部分 图像关注的区域是皮损区域图像关注的区域是皮损区域 最有趣的一点是,只提供了最有趣的一点是,只提供了类类别信息,没有显式的给网络别信息,没有显式的给网络提提 供区域信息,但网络却从供区域信息,但网络却从样本样本中自中自发发习得了这部分信习得了这部分信息息27把把heatmap图和原图叠加后的结果图和原图叠加后的结果 网络感兴趣的区域大部分是应该感兴网络感兴趣的区域大部分是应该感兴趣趣 的区域,即便有时有
11、毛发的干扰的区域,即便有时有毛发的干扰 部分图像关注区域不正确。当网络关注部分图像关注区域不正确。当网络关注 区域比较准的时候,分类正确率也比区域比较准的时候,分类正确率也比较较 高;当网络关注区域不太准的时候,高;当网络关注区域不太准的时候,正正 确率相对低确率相对低28皮肤病皮肤病AI成成为为非常活跃非常活跃的的领领域域PART230 基底细胞癌基底细胞癌 鳞状细胞癌鳞状细胞癌 表皮内癌表皮内癌 光化性角化病光化性角化病 脂溢性角化病脂溢性角化病 恶性黑色素瘤恶性黑色素瘤 黑素细胞痣黑素细胞痣 雀斑样痣雀斑样痣 化脓性肉芽肿化脓性肉芽肿 血管瘤血管瘤 皮肤纤维瘤皮肤纤维瘤 疣疣国际论文一:
12、使用深度国际论文一:使用深度学学习算习算法法对良对良恶恶性肿性肿瘤瘤的临的临床床图像图像的的Han S S, Kim M S, Lim W, et al. Classification of the clinical images for benign and malignant cutaneous tumors using a deep learning algorithm.J. Journal of InvestigativeDermatology, 2018.分类研究分类研究( Journal of Investigative Dermatology ,2018) 研究包括研究包括12种
13、疾病:种疾病:3131使用使用19,398 张训练集图像对卷积神经网络(张训练集图像对卷积神经网络( ResNet-152 模型)进行微调训练模型)进行微调训练Han S S, Kim M S, Lim W, et al. Classification of the clinical images for benign and malignant cutaneous tumors using a deep learningalgorithm.J. Journal of Investigative Dermatology, 2018. 为了提高模型的特异性为了提高模型的特异性,使使 用其他用其他
14、248种疾病的种疾病的 159477张的图像张的图像 为了取得种族平衡:加为了取得种族平衡:加入入了了3820幅白种人的图像集幅白种人的图像集32使用使用 Asan、Hallym 和和 Edinburgh 三组数据集的测试集图像验证训三组数据集的测试集图像验证训 练后的模型练后的模型 Asan 数据集:数据集:基底细胞癌、鳞基底细胞癌、鳞状状细胞细胞癌癌、表、表皮皮内癌内癌、黑色黑色素素瘤瘤诊诊 断的曲线下面积断的曲线下面积(AUC)分别是分别是 0.96 0.01、0.83 0.01、 0.82 0.02、0.96 0.00 Edinburgh 数据集:四种疾病的曲数据集:四种疾病的曲线线下
15、面下面积积分别是分别是 0.90 0.01、0.91 0.01、0.83 0.01、0.88 0.01 Hallym 数据集:基底细胞癌数据集:基底细胞癌诊诊断的断的敏敏感度是感度是 87.1% 6.0%Han S S, Kim M S, Lim W, et al. Classification of the clinical images for benign and malignant cutaneous tumors using a deep learning algorithm.J. Journal of33Investigative Dermatology, 2018.CNN可与皮肤
16、科医师相媲可与皮肤科医师相媲美美 使用经过病理验证的图使用经过病理验证的图像像测试测试算算法性能法性能 图像数目:恶性肿瘤图像数目:恶性肿瘤25张张类类,良,良性性肿瘤肿瘤20张张类类 16 位皮肤科医生相比位皮肤科医生相比(10位专家位专家,6位工位工作作十年十年以以上的上的皮皮肤科医肤科医师)师)Han S S, Kim M S, Lim W, et al. Classification of the clinical images for benign and malignant cutaneous tumors using a deep learning algorithm.J. Jo
17、urnal o3f4Investigative Dermatology, 2018.非商业公开临床图片资料非商业公开临床图片资料库库Medi- calPhoto (http:/medicalphoto.org)Han S S, Kim M S, Lim W, et al. Classification of the clinical images for benign and malignant cutaneous tumors using a deep learning algorithm.J.Journal of Investigative Dermatology, 2018.35国际论文
18、二:在甲真菌病的诊断方国际论文二:在甲真菌病的诊断方面面,深,深度度神经神经网网络的络的表表现与现与皮皮 肤科医师相当甚至超过皮肤科医师肤科医师相当甚至超过皮肤科医师水水平:平:使使用基用基于于区域区域的的深深度卷度卷 积神经网络积神经网络(R-CNN)自动分割图像,构建自动分割图像,构建甲甲真菌真菌病病数据数据集集( Plos One, 2018)Han S S, Park G H, Lim W, et al. Deep neural networks show an equivalent and often superior performance to dermatologists in
19、 onychomycosis diagnosis: Automatic construction of onychomycosis datasets by region-based convolutional deep neural networkJ. Plos One, 2018, 13(1):e0191493.3636使使用用R-CNN对图像进行自动识别和分对图像进行自动识别和分割割CNN选择手足部位选择手足部位CNN甲板特征发掘甲板特征发掘CNN精细图像选择:精细图像选择:去掉不完全准确的图像去掉不完全准确的图像37A:准确图像:甲板占图像:准确图像:甲板占图像的的50-80%B: 不完
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