毕业设计：深度学习驱动的CT肺部结节病灶检测系统的Python实现

前言

项目背景

数据集

设计思路

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前言

📅大四是整个大学期间最忙碌的时光,一边要忙着备考或实习为毕业后面临的就业升学做准备,一边要为毕业设计耗费大量精力。近几年各个学校要求的毕设项目越来越难,有不少课题是研究生级别难度的,对本科同学来说是充满挑战。为帮助大家顺利通过和节省时间与精力投入到更重要的就业和考试中去,学长分享优质的选题经验和毕设项目与技术思路。

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大家好,这里是海浪学长计算机毕设专题,本次分享的课题是

🎯基于深度学习的CT肺部结节病灶检测系统

项目背景

随着现代医学技术的迅猛发展，肺部疾病的早期诊断和治疗变得愈加重要。肺癌作为全球致死率最高的癌症之一，早期发现和诊断对于提高患者的生存率具有至关重要的作用。CT（计算机断层扫描）作为一种高分辨率的成像技术，能够清晰展示肺部结构，帮助医生识别肺部结节等病灶。然而，CT图像的解读依赖于专业放射科医生的经验，容易受到人为因素的影响，且工作量大，存在漏诊或误诊的风险研究和开发CT肺部结节病灶检测系统，不仅可以推动医学影像分析技术的发展，也为临床实践提供有效的技术支持。

数据集

数据采集主要来源于医院的CT影像数据库，涵盖多种类型的肺部结节病例。在采集过程中，需确保数据的多样性，包括不同的病例、不同的CT扫描仪和不同的扫描参数，以获得具有代表性的样本。利用专业的医学影像标注工具，由经验丰富的放射科医生对CT图像中的结节进行标注。标注过程包括绘制结节的边界框，标记结节类型（如良性或恶性），并记录结节的大小和位置等信息。

数据集需要进行划分与扩展。一般将数据集分为训练集、验证集和测试集，以便在模型训练和评估过程中进行有效的性能监测。同时，为了增强模型的鲁棒性，可以采用数据增强技术，如旋转、缩放和随机裁剪等，以增加样本的多样性。

设计思路

典型的卷积神经网络由四个部分构成：输入层，就是输入的图像；卷积层用于特征提取，自带激活函数一般使用的是线性整流函数；池化层用于缩小特征映射从而扩大卷积感受野，是降维的过程；全连接层类似传统神经网络的部分，通过权值矩阵将特征进行重组。一般使用Softmax激活函数用来输出想要的结果。

感受野指特征图上的一个像素对应原图多少尺寸的像素，一个普通卷积的过程，卷积核大小为3×3，步长为1。感受野相对于原图来说，即某层特征图中一个像素尺寸对应原图多少像素尺寸。在图像处理过程中，经常会用到矩阵卷积来计算图像的特征，矩阵卷积有两种：全卷积和有效值卷积。使用空洞卷积最主要的用途是增大感受野。

通过正向传播计算卷积层和池化层的激活值。在卷积层，数据以三维形式存在，在输入层CT图像属于灰度图片，仅有1个特征图，上一层的特征与对应的卷积核进行卷积运算，输出新的特征。池化分为平均池化和最大池化。假设进行池化操作使用的卷积核大小为2×2，如果使用平均池化，卷积核中每一个单元的权重都是0.25，平均池化的作用等于将原图模糊缩减为原来的1/4。如果采用最大池化的方法，卷积核中其中一个单元的权重是1，其余全部是0，最大池化的作用等于将原图缩减为原来的1/4，并保留每个2×2区域的最强输入。

U-Net是一种基于全卷积神经网络的语义分割网络。该网络有23层，有一个对称的结构，类似于字母U；因此，它被称为U-Net。U-Net结构前半部分进行特征提取，后半部分进行上采样，是一个编码器-解码器结构。在特征提取中，输入图像通过卷积层和池化层，得到不同层次的特征图，其中包含不同抽象层次的图像特征。在上采样过程中，利用反卷积层逐步恢复特征图的大小，并融合上采样的特征图，在低抽象程度的情况下修复训练过程中丢失的细节，以提高网络的分割精度。U-Net结构简单，层数少，训练不需要大量样本，训练速度快。U-Net模型是先通过四个下采样提取目标特征，再通过四个上采样，然后逐个对特征中每一个像素点进行分类，从而达到语义分割的目的。下采样的过程就是传统卷积神经网络的卷积层，先通过Conv2D进行卷积，然后进行批量正则化，接着进入ReLU激活函数层。其中核心的算法就是卷积的过程，通过卷积核在图像上移动，得到结果。

模型训练之前，需要准备好CT图像数据集。数据集通常包括CT扫描图像及其对应的标注（如肺部结节的掩码）。需要对数据进行预处理，包括图像的归一化、尺寸调整和数据增强，以提高模型的泛化能力。数据预处理可以通过图像增强（如旋转、翻转、缩放等）来扩展训练数据集，确保模型能够在多种情况下学习到有效的特征。将数据集划分为训练集、验证集和测试集。通常，70%用于训练，20%用于验证，10%用于测试。验证集用于调整超参数，而测试集用于评估模型的最终性能。

import os
import numpy as np
import cv2
from sklearn.model_selection import train_test_split

def load_data(data_dir, mask_dir):
    images = []
    masks = []
    
    for filename in os.listdir(data_dir):
        img = cv2.imread(os.path.join(data_dir, filename), cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
        mask = cv2.imread(os.path.join(mask_dir, filename), cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
        
        if img is not None and mask is not None:
            images.append(img)
            masks.append(mask)
    
    return np.array(images), np.array(masks)

images, masks = load_data('path/to/images', 'path/to/masks')
images = images / 255.0  # 归一化

构建U-Net模型。U-Net由编码器和解码器组成，编码器用于提取特征，而解码器用于重建图像。U-Net通过跳跃连接将编码器的特征图与解码器的特征图结合，有助于保留空间信息。编译并训练U-Net模型。选择适当的损失函数（如交叉熵损失）和优化器（如Adam），并开始训练模型。可以使用回调函数进行监控和早停。训练过程中，模型会不断调整参数，以最小化损失函数，从而提高分割的准确性。监控训练过程中的指标（如IoU、Dice系数）可以帮助评估模型的性能。

import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import layers, models

def unet_model(input_shape):
    inputs = layers.Input(input_shape)
    
    # 编码器
    c1 = layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu', padding='same')(inputs)
    c1 = layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu', padding='same')(c1)
    p1 = layers.MaxPooling2D((2, 2))(c1)
    
    # 解码器
    c2 = layers.Conv2D(128, (3, 3), activation='relu', padding='same')(p1)
    c2 = layers.Conv2D(128, (3, 3), activation='relu', padding='same')(c2)
    u1 = layers.UpSampling2D((2, 2))(c2)
    u1 = layers.concatenate([u1, c1])
    
    outputs = layers.Conv2D(1, (1, 1), activation='sigmoid')(u1)
    
    model = models.Model(inputs=[inputs], outputs=[outputs])
    return model

model = unet_model((128, 128, 1))  # 输入尺寸根据实际情况调整

使用测试集评估训练好的模型。可以计算各种指标（如精确率、召回率、F1分数等），并生成相应的可视化结果，如混淆矩阵、ROC曲线等，分析模型的性能。通过评估指标，可以全面了解模型的效果，识别出模型在特定类型病灶上的强项和弱项，进而为进一步优化提供依据。对模型的预测结果进行可视化，展示原始图像、真实掩码和预测掩码，并分析其效果。

import matplotlib.pyplot as plt

def visualize_results(X, y_true, y_pred, num_images=5):
    for i in range(num_images):
        plt.figure(figsize=(12, 6))
        plt.subplot(1, 3, 1)
        plt.title('Original Image')
        plt.imshow(X[i].squeeze(), cmap='gray')
        
        plt.subplot(1, 3, 2)
        plt.title('True Mask')
        plt.imshow(y_true[i].squeeze(), cmap='gray')
        
        plt.subplot(1, 3, 3)
        plt.title('Predicted Mask')
        plt.imshow(y_pred[i].squeeze(), cmap='gray')
        
        plt.show()

visualize_results(X_test, y_test, y_pred_bin)

海浪学长项目示例：