【深度学习】实验4答案：脑部 MRI 图像分割

DL_class

学堂在线《深度学习》实验课代码+报告（其中实验1和实验6有配套PPT），授课老师为胡晓林老师。课程链接：https://www.xuetangx.com/training/DP080910033751/619488?channel=i.area.manual_search。

持续更新中。
所有代码为作者所写，并非最后的“标准答案”，只有实验6被扣了1分，其余皆是满分。仓库链接：https://github.com/W-caner/DL_classs。 此外，欢迎关注我的CSDN：https://blog.csdn.net/Can__er?type=blog。
部分数据集由于过大无法上传，我会在博客中给出下载链接。如果对代码有疑问，有更好的思路等，也非常欢迎在评论区与我交流~

实验4：脑部 MRI 图像分割

跑通程序

使用原始程序简单训练了15个周期，绘制loss曲线和Dsc，然后进行预测，dice coefficient约为0.9，如下图所示：

效果提升

网络结构

我没有做出大的改变，在阅读文献的时候看到了一个UNet++，但没有实现成功。

损失函数

这里尝试了2种额外的损失函数：

• 第一个是增加了权重的交叉熵损失函数FocalLoss，为了解决“正负样本”或者“优劣样本”不均衡问题。代码为：

  class FocalLoss(nn.Module):
      def __init__(self, weight=None, reduction='mean', gamma=0.25, eps=1e-7):
          super(FocalLoss, self).__init__()
          self.gamma = gamma
          self.eps = eps
          self.ce = nn.CrossEntropyLoss(weight=weight, reduction=reduction)
  
      def forward(self, y_pred, y_true):
          logp = self.ce(y_pred, torch.squeeze(y_true).long())
          p = torch.exp(-logp)
          loss = (1 - p) ** self.gamma * logp
          return torch.Tensor(loss.mean())
  1
  2
  3
  4
  5
  6
  7
  8
  9
  10
  11
  12

  下图为比较结果，可以发现交叉熵在此处并没有比较好的表现，无论是收敛速度还是训练了15个周期的最终结果，所以舍弃。

  [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-XJ8wFC1z-1668653063845)(.\image-20220714194301321.png)]

• 第二个是改进后的DiceLoss，参照了图像分割模型调优技巧，loss函数大盘点 - 知乎 (zhihu.com)一文中提出的损失函数。Dice系数是一种用于评估分割输出的度量标准。它也已修改为损失函数，因为它可以实现分割目标的数学表示。但是由于其非凸性，它多次都无法获得最佳结果。Lovsz-softmax损失旨在通过添加使用Lovsz扩展的平滑来解决非凸损失函数的问题。同时，Log-Cosh方法已广泛用于基于回归的问题中，以平滑曲线。作者将损失函数的公式改为，其中用到的函数示意图如下。
  

下图是对比未经过改进的损失函数和改进后的Loss与Dsc，可以发现Loss因为计算公式不同而存在差异，但改进和的Dsc有着较好的表现。最终也选择其作为损失函数。

优化器

分别采用不含动量的优化器SGD，含动量（0.9）的优化器SGD，设置学习率为0.01至0.001，得到Loss结果如下，可以发现含动量的SGD比不含动量SGD有着更好表现，而adam有着最好的表现。这里我的标签打错了，lr的值应该是0.01和0.001。

最终效果

最后采用网络结构没有改变，损失函数为改进后的DiceLoss，学习率从0.01开始，每周期进行0.9的衰减，训练30个周期，得到的平均DSC为0.92。

此时应用该训练参数于训练集，发现6668出现了异常现象，但是平均效果得到了一点提高，还有明显的可优化情况。

下面是截取的部分预测和真实情况示意图：