一种基于双分支注意力神经网络的皮肤癌检测框架

作     者：王玉峰 成昊沅 万承北 张博 石爱菊 Wang Yufeng;Cheng Haoyuan;Wan Chengbei;Zhang Bo;Shi Aiju

作者机构：南京邮电大学通信与信息工程学院南京210003 南京邮电大学理学院南京210046 

出 版 物：《中国生物医学工程学报》 (Chinese Journal of Biomedical Engineering)

年 卷 期：2024年第43卷第2期

页      面：153-161页

核心收录：

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 08[工学] 0836[工学-生物工程] 

基　　金：国家自然科学基金(61801240) 

主　　题：皮肤癌 双分支神经网络 注意力机制 数据不平衡 

摘      要：皮肤癌是一种主要的癌症,在过去几十年中快速增长,早期发现可以极大提高治愈率。近年来,基于皮肤镜图像利用深度学习模型(尤其是各种卷积神经网络)对皮肤癌进行识别和分类获得了广泛应用。但是与传统的图像识别分类不同,皮肤病检测任务存在数据不平衡、类间差异性小以及皮损面积占比少等方面的挑战。为此,本研究提出一种基于双分支注意力卷积神经网络(DACNN)皮肤癌分类框架。在数据预处理阶段,根据更细粒度的皮肤病类别,对数据集进行分解,降低数据不平衡程度。从网络结构上,上分支网络利用注意力残差学习(ARL)模块有效提取潜在的病变区域特征,接着利用损伤定位网络(LLN)模块定位病变区域。对其裁剪放大输入由ARL构成的下分支网络,进行局部细节的特征提取,然后结合上下分支网络的特征,进行有效的识别。最后,为了进一步缓解数据不平衡问题,在训练阶段中采用加权损失函数。在包含10015张皮肤镜图像数据集上,对所提出的DACNN模型与几种典型的皮肤病变检测框架进行了实验验证和比较。结果表明,DACNN皮肤癌变检测框架的Sensitivity、Accuracy和F1_score等性能指标分别达到了0.922、0.942和0.933,与已有的递归注意力卷积神经网络模型RACNN相比,以上3个指标分别提升了3.48%、2.95%和3.44%。总之,对于各类图像数不平衡,类间图像差异性小以及皮损面积占比少的皮肤镜图像而言,采用适当的类分解,以及双分支注意力神经网络结构首先对潜在的病变区域进行定位放大,然后进行局部细节的特征提取,能够极大的提高皮肤癌的检测准确度。