case7 淋巴瘤子类分类实验记录

简介

分类问题：3分类 (identifying three sub-types of lymphoma: Chronic Lymphocytic Leukemia (CLL, 慢性淋巴细胞白血病), Follicular Lymphoma (FL,滤泡性淋巴瘤), and Mantle Cell Lymphoma (MCL,套细胞淋巴瘤)

网络模型：AlexNet

数据集： 原图1388*1040大小，共计374张, 1.4G。 CLL:113, FL:138, MCL:122

实验流程

准备工作：

caffe环境配置好；数据集、代码下载完毕

  • 将大图切成小的patches.代码：step1_make_patches.m。

    代码需要修改的就是路径，这点需要注意。为了方便，将数据集放在与.m的同级目录下.

    在这之前，为了与教程所描述的数据集中图片的命名一致，要在每一类别下的图片加类名前缀。这里给出ubuntu下批量修改文件名的方法：

    cd 到子类所在的路径下

    假设要加的类名前缀为CLL-

    sudo rename 's/^/CLL-/' *tif

修正后的代码以及简要理解如下：

    clc

	clear all

	% 子图的输出路径

	outdir='./subs/'; %output directory for all of the sub files

	mkdir(outdir)

	% 设置取patch时的步长

	step_size=32;

	% 设置patch大小，注意作者在这里提到，输入caffe时还会被crop成32*32

	 patch_size=36; %size of the pathces we would like to extract, bigger since Caffee will randomly crop 32 x 32 patches from them

	% 按类别取patch

	classes={'CLL','FL','MCL'};

	class_struct={};

	for classi=1:length(classes)

		% 得到目标类文件夹下所有图片名称

		files=dir([sprintf('./case7_lymphoma_classification/%s/', classes{classi}),'*.tif']); % we only use images for which we have a mask available, so we use their filenames to limit the patients

		% 生成无重复的病人序号。这里解释一下，因为作者想做的是建立与病人关联的数据库，但是实际上该数据集没有病人信息，但为了统一，仍采用这种结构生成数据

		% arrayfun: 对数组中的每一个元素进行fun运算； x{1}{1}生成1x1的cell

		patients=unique(arrayfun(@(x) x{1}{1},arrayfun(@(x) strsplit(x.name,'.'),files,'UniformOutput',0),'UniformOutput',0)); %this creates a list of patient id numbers

		patient_struct=[];

		% parfor 并行

	parfor ci=1:length(patients) % for each of the *patients* we extract patches

    		% base属性为名字

    		patient_struct(ci).base=patients{ci}; %we keep track of the base filename so that we can split it into sets later. a "base" is for example 12750 in 12750_500_f00003_original.tif

    		% sub_file 属性存放该病人（大图）的patch存放路径

    		patient_struct(ci).sub_file=[]; %this will hold all of the patches we extract which will later be written

    		% 得到对应病人的大图

    		files=dir(sprintf([sprintf('./case7_lymphoma_classification/%s/', classes{classi}),'%s*.tif'],patients{ci})); %get a list of all of the image files associated with this particular patient

    		for fi=1:length(files) %for each of the files..... % 由上，该数据集无重复，每个病人只对应一张大图

        		disp([ci,length(patients),fi,length(files)])

        		fname=files(fi).name;

        		% 保存的该病人每张大图的名字

        		patient_struct(ci).sub_file(fi).base=fname; %each individual image name gets saved as well

        		io=imread([sprintf('./case7_lymphoma_classification/%s/', classes{classi}),fname]); %read the image

        		[nrow,ncol,ndim]=size(io);

        		fnames_sub={};

        		i=1;

        		% 取图像的patch，实际上是矩阵取子块,数量为[(1388-36)/32+1]*[(1040-36)/32+1]*2

        		for rr=1:step_size:nrow-patch_size

            		for cc=1:step_size:ncol-patch_size

                		for rot=1:2  % 旋转，旋转90度，扩充数据集x2，

                    		try

                        		% 可以改成rr=1:step_size:nrow-patch_size+1，... ,

                        		% subio=io(rr:rr+patch_size-1,cc+1:cc+patch_size-1,:);

                        		subio=io(rr+1:rr+patch_size,cc+1:cc+patch_size,:);

                        		subio=imrotate(subio,(rot-1)*90);

                        		% patch的命名方式：第几个patch

                        		subfname=sprintf('%s_sub_%d.tif',fname(1:end-4),i);

                        		fnames_sub{end+1}=subfname;

                        		imwrite(subio,[outdir,subfname]);

                        		i=i+1;

                    		catch err

                        		disp(err);

                        		continue

                    		end

                		end

            		end

        		end

        		patient_struct(ci).sub_file(fi).fnames_subs=fnames_sub;

    		end

		end

		class_struct{classi}=patient_struct;

	end

	save('class_struct.mat','class_struct') %save this just incase the computer crashes before the next step finishes

每个图片切出2752张patches

  • 生成交叉验证集，为了得到最好的模型。使用5折交叉验证。代码step2_make_training_lists.m。

    每一个交叉验证集需要生成4个txt文件，以第一折为例：

    train_w32_parent_1.txt，test_w32_parent_1.txt：该交叉验证集包含的病人名称列表的txt

    train_w32_1.txt，test_w32_1.txt： 该交叉验证集包含的图片名称以及对应类别的列表的txt

    代码比较直观，只要是要理解5折交叉验证的原理。简单记录下代码：

      load class_struct %save this just incase the computer crashes before the next step finishes
    
  % 5折交叉验证
    
  nfolds=5; %determine how many folds we want to use during cross validation
    
  fidtrain=[];
    
  fidtest=[];

  fidtrain_parent=[];
    
  fidtest_parent=[];
    
  % 生成所有文件的句柄
    
  for zz=1:nfolds %open all of the file Ids for the training and testing files
    
      %each fold has 4 files created (as discussed in the tutorial)
    
      fidtrain(zz)=fopen(sprintf('train_w32_%d.txt',zz),'w');
    
      fidtest(zz)=fopen(sprintf('test_w32_%d.txt',zz),'w');

      fidtrain_parent(zz)=fopen(sprintf('train_w32_parent_%d.txt',zz),'w');
    
      fidtest_parent(zz)=fopen(sprintf('test_w32_parent_%d.txt',zz),'w');
    
  end

  % 将病人ID写入patient.txt .将病人的patch图片及类别（CLL：0，FL：1，MCL : 2）名写入另外两个txt
    
  % 5折交叉验证是：4个为训练集，剩余一个为测试集，这样可以组合为5个数据集
    
  for classi=1:length(class_struct)

      patient_struct=class_struct{classi};

      npatients=length(patient_struct); %get the number of patients that we have
    
      indices=crossvalind('Kfold',npatients,nfolds); %use the matlab function to generate a k-fold set

      for fi=1:npatients %for each patient
    
          disp([fi,npatients]);
    
          for k=1:nfolds %for each fold

              if(indices(fi)==k) %if this patient is in the test set for this fold, set the file descriptor accordingly
    
                  fid=fidtest(k);
    
                  fid_parent=fidtest_parent(k);
    
              else %otherwise its in the training set
    
                  fid=fidtrain(k);
    
                  fid_parent=fidtrain_parent(k);
    
              end

              fprintf(fid_parent,'%s\n',patient_struct(fi).base); %print this patien's ID to the parent file

              subfiles=patient_struct(fi).sub_file; %get the patient's images

              for subfi=1:length(subfiles) %for each of the patient images
    
                  try
    
                      subfnames=subfiles(subfi).fnames_subs; %now get all of the negative patches
    
  					% ！！！这里注意要将%s\t%d改为%s\ %d,使用空格作为分隔，否则后面格式转换时会出错：could not open or find file...
    
                      cellfun(@(x) fprintf(fid,'%s\ %d\n',x,classi-1),subfnames); %write them to the list as belonging to the 0 class (non nuclei)

                  catch err
    
                      disp(err)
    
                      disp([patient_struct(fi).base,'  ',patient_struct(fi).sub_file(subfi).base]) %if there are any errors, display them, but continue
    
                      continue
    
                  end
    
              end

          end
    
      end

  end

  for zz=1:nfolds %now that we're done, make sure that we close all of the files
    
      fclose(fidtrain(zz));
    
      fclose(fidtest(zz));

      fclose(fidtrain_parent(zz));
    
      fclose(fidtest_parent(zz));

  end

5个数据集模型， 每个测试集203648张patches,训练集825600，训练集：测试集~1:4

  • 生成数据集。这里利用caffe的命令行生成leveldb格式的数据和相应的均值文件。之所以不直接用image layer，是因为：还需计算所需格式的均值，而且image layer也不是设计为大数据量读取的，所以直接使用caffe命令行更加方便。

    代码：step3_make_dbs.sh,** 在sub文件夹内运行**，以确保路径正确。还是要修改源代码的一些路径问题和一些细节上的错误：

      #!/bin/bash

  filepath=$(cd "$(dirname "$0")"; pwd)

  for kfoldi in {1..5}
    
  do
    
  echo "doing fold $kfoldi"
    
  #注意这里，如果你实验的目录是在caffe路径下时，可以这样，否则需要绝对路径。而且原代码的for循环内部{{kfoldi}} 应改为kfoldi
    
  #~/py-R-FCN/caffe/build/tools/convert_imageset -shuffle -backend leveldb   subs/ train_w32_${kfoldi}.txt DB_train_${kfoldi} &
    
  #~/py-R-FCN/caffe/build/tools/convert_imageset -shuffle -backend leveldb   subs/ test_w32_${kfoldi}.txt DB_test_${kfoldi} &
    
  /home/mz/py-R-FCN/caffe/build/tools/convert_imageset -shuffle -backend leveldb   subs/ train_w32_$kfoldi.txt DB_train_$kfoldi &
    
  /home/mz/py-R-FCN/caffe/build/tools/convert_imageset -shuffle -backend leveldb   subs/ test_w32_$kfoldi.txt DB_test_$kfoldi &
    
  done

  FAIL=0
    
  for job in `jobs -p`
    
  do
    
      echo $job
    
      wait $job || let "FAIL+=1"
    
  done

  echo "number failed: $FAIL"

  cd ../

  for kfoldi in {1..5}
    
  do
    
  echo "doing fold $kfoldi"
    
  #这里同上，进行修改
    
  /home/mz/py-R-FCN/caffe/build/tools/compute_image_mean DB_train_$kfoldi DB_train_w32_$kfoldi.binaryproto -backend leveldb  &
    
  done
  • 训练DL分类器

说明：使用的网络结构是alexnet,其实比AlexNet官方结构精简，只有3对卷积池化和两个全连接，实际上这是cifar10分类中使用的网络结构。要考虑到这里的输入图片大小为32*32(网络结构中对输入的定义还做了crop为32的操作)，而且是3分类（alexnet是1000分类），所以从模型的复杂度上也不需要做的和alexnet那样复杂。所以网络深度和一些参数需要变化，不能照搬AlexNet。但是值得实验的是，是否病理学图像必须裁成小图，大一些的图是否可以，少加一些pool，把深度提上去，不知道性能会怎么样？

需要的文件：与7-lymphoma同级的common文件夹下的BASE-alexnet_solver_ada.prototxt、(BASE-alexnet_traing_32w_db.prototxt、BASE-alexnet_traing_32w_dropout_db.prototxt；带不带dropout),(deploy_train32.prototxt、deploy_train32_dropout.prototxt，测试网络定义）。

复制5份，用于5个模型（5折交叉验证），命名方式1-alexnet_solver_ada.prototxt,以此类推。

修改的内容：

  1. 核对所有文件中的$(kfoldi)d，需要相应替换为数字1-5. 修改prototxt文件最后ip layer的输出为3。

  2. 要修改路径。文件中的路径（数据，prototxt）是指模型定义都放在了caffe的./model下，而数据集存LMDB和mean文件放在caffe根目录下。如果不是，需要替换为绝对路径。

  3. 修改caffe的测试迭代次数，在solver文件下的test_iter。计算方法为测试数据量/测试时的batch_size。batch_size = 128,而前者可以通过运行下面指令快速得到：

     wc -l test_w32_1.txt

或者打开文件拉到最后一行，看文本编辑器的下方显示的行数。

进行训练：

	/home/mz/py-R-FCN/caffe/build/tools/caffe train --solver=1-alexnet_solver_ada.prototxt

对于模型5，迭代600000次，不加dropout的模型：0.841879，loss = 0.513672 ;

加dropout的模型：0.826787,loss = 0.576846

对于模型4，迭代600000次，不加dropout的模型：0.86142，loss = 0.364765 ;

加dropout的模型：0.85352,loss = 0.500288

对于模型3，迭代600000次，不加dropout的模型：0.840632，loss = 0.448586 ;

加dropout的模型：0.814813,loss = 0.546735

对于模型2，迭代600000次，不加dropout的模型：0.817167，loss = 0.466199 ;

加dropout的模型：0.797229,loss = 0.557098

对于模型1，迭代600000次，不加dropout的模型：0.85496，loss = 0.435163 ;

加dropout的模型：0.828828,loss = 0.577961

尝试大尺寸的patch，然后使用不同的网络结构（AlexNet,VGG-16,GoogLeNet,ResNet）

  1. 数据准备。

    现在尝试大尺寸的patch,这里裁剪成227*227。后续的实验不再进行交叉验证。将全部数据合为一份数据集，按照2:1:1划分训练集，校验集和测试集。

    方法：重新新建一个文件夹，用来存放实验数据。更改原来的step1和step2的文件中的代码。参考如下：

    step1. 从原图上切227×227的patch，同时对这些patch做水平翻转，扩充数据。一张原图生成96张patch。
clc

clear all

% 子图的输出路径

outdir='./subs_227/'; %output directory for all of the sub files

mkdir(outdir)

% 设置取patch时的步长

step_size=227;

% 设置patch大小，注意作者在这里提到，输入caffe时还会被crop成32*32

patch_size=227; %size of the pathces we would like to extract, bigger since Caffee will randomly crop 32 x 32 patches from them

% 是否水平翻转

flip = true;

% 按类别取patch

classes={'CLL','FL','MCL'};

class_struct={};

for classi=1:length(classes)

    % 得到目标类文件夹下所有图片名称

    files=dir([sprintf('./case7_lymphoma_classification/%s/', classes{classi}),'*.tif']); % we only use images for which we have a mask available, so we use their filenames to limit the patients

    % 生成无重复的病人序号。这里解释一下，因为作者想做的是建立与病人关联的数据库，但是实际上该数据集没有病人信息，但为了统一，仍采用这种结构生成数据

    % arrayfun: 对数组中的每一个元素进行fun运算； x{1}{1}生成1x1的cell

    patients=unique(arrayfun(@(x) x{1}{1},arrayfun(@(x) strsplit(x.name,'.'),files,'UniformOutput',0),'UniformOutput',0)); %this creates a list of patient id numbers

    patient_struct=[];

    % parfor 并行

   parfor ci=1:length(patients) % for each of the *patients* we extract patches

        % base属性为名字

        patient_struct(ci).base=patients{ci}; %we keep track of the base filename so that we can split it into sets later. a "base" is for example 12750 in 12750_500_f00003_original.tif

        % sub_file 属性存放该病人（大图）的patch存放路径

        patient_struct(ci).sub_file=[]; %this will hold all of the patches we extract which will later be written

        % 得到对应病人的大图

        files=dir(sprintf([sprintf('./case7_lymphoma_classification/%s/', classes{classi}),'%s*.tif'],patients{ci})); %get a list of all of the image files associated with this particular patient

        for fi=1:length(files) %for each of the files..... % 由上，该数据集无重复，每个病人只对应一张大图

            disp([ci,length(patients),fi,length(files)])

            fname=files(fi).name;

            % 保存的该病人每张大图的名字

            patient_struct(ci).sub_file(fi).base=fname; %each individual image name gets saved as well

            io=imread([sprintf('./case7_lymphoma_classification/%s/', classes{classi}), fname]); %read the image

            [nrow,ncol,ndim]=size(io);

            fnames_sub={};

            i=1;

            % 取图像的patch，实际上是矩阵取子块,数量为[(1388-36)/32+1]*[(1040-36)/32+1]*2

            for rr=1:step_size:nrow-patch_size

                for cc=1:step_size:ncol-patch_size

                    for rot=1:2  % 旋转，旋转90度，扩充数据集x2，

                        try

                            % 可以改成rr=1:step_size:nrow-patch_size+1，... ,

                            % subio=io(rr:rr+patch_size-1,cc+1:cc+patch_size-1,:);

                            subio=io(rr+1:rr+patch_size,cc+1:cc+patch_size,:);

                            subio=imrotate(subio,(rot-1)*90);

                            % patch的命名方式：第几个patch

                            subfname=sprintf('%s_sub_%d.tif',fname(1:end-4),i);

                            fnames_sub{end+1}=subfname;

                            imwrite(subio,[outdir,subfname]);

                            i=i+1;

                            if flip

                                subio_flip = subio(:,end:-1:1,1:3);

                                % patch的命名方式：第几个patch

                                subfname=sprintf('%s_sub_%d.tif',fname(1:end-4),i);

                                fnames_sub{end+1}=subfname;

                                imwrite(subio_flip,[outdir,subfname]);

                                i=i+1;

                            end

                        catch err

                            disp(err);

                            continue

                        end

                    end

                end

            end

            patient_struct(ci).sub_file(fi).fnames_subs=fnames_sub;

        end

    end

    class_struct{classi}=patient_struct;

end

save('class_struct.mat','class_struct') %save this just incase the computer crashes before the next step finishes

step2.生成分别包含训练和测试集图片name list的TXT文件.训练集：17856；测试集：9120.；校验集：8928

load class_struct %save this just incase the computer crashes before the next step finishes

% 生成文件的句柄

fidtrain=fopen(sprintf('train_w227.txt'),'w');

fidval=fopen(sprintf('val_w227.txt'),'w');

fidtest=fopen(sprintf('test_w227.txt'),'w');

fidtrain_parent  = fopen(sprintf('train_w227_parent.txt'),'w');

fidval_parent  = fopen(sprintf('val_w227_parent.txt'),'w');

fidtest_parent  = fopen(sprintf('test_w227_parent.txt'),'w');

% 将病人的patch图片及类别（CLL：0，FL：1，MCL : 2）名写入训练和测试txt

% 训练集，校验集和测试集比例2:1:1

for classi=1:length(class_struct)

    patient_struct=class_struct{classi};

    npatients=length(patient_struct); %get the number of patients that we have

    % 打乱顺序

    RandIndex = randperm(npatients);

    test_index = RandIndex(1:ceil(0.25*npatients));

    val_index = RandIndex(ceil(0.25*npatients)+1:ceil(0.5*npatients));

    train_index = RandIndex(ceil(0.5*npatients)+1:end);

    for fi=1:npatients %for each patient

        disp([fi,npatients]);

        if(ismember(fi, test_index)) %if this patient is in the test set for this fold, set the file descriptor accordingly

            fid=fidtest;

            fid_parent=fidtest_parent;

        elseif(ismember(fi, train_index)) %otherwise its in the training set

            fid=fidtrain;

            fid_parent=fidtrain_parent;

        else

            fid=fidval;

            fid_parent=fidval_parent;

        end

        fprintf(fid_parent,'%s\n',patient_struct(fi).base); %print this patien's ID to the parent file

        subfiles=patient_struct(fi).sub_file; %get the patient's images

        for subfi=1:length(subfiles) %for each of the patient images

            try

                subfnames=subfiles(subfi).fnames_subs; %now get all of the negative patches

                cellfun(@(x) fprintf(fid,'%s %d\n',x,classi-1),subfnames); %write them to the list as belonging to the 0 class (non nuclei)

            catch err

                disp(err)

                disp([patient_struct(fi).base,'  ',patient_struct(fi).sub_file(subfi).base]) %if there are any errors, display them, but continue

                continue

            end

        end

    end

end

 %now that we're done, make sure that we close all of the files

fclose(fidtrain);

fclose(fidtest);

fclose(fidval);

fclose(fidtrain_parent);

fclose(fidtest_parent);

fclose(fidval_parent);

step3. 生成leveldb格式的数据以及对应的均值文件。将按如下修改的step3文件放入subs_227

#!/bin/bash

echo "create lmdb data"

/home/mz/py-R-FCN/caffe/build/tools/convert_imageset -shuffle -backend lmdb   ./ ../train_w227.txt ../DB_train &

/home/mz/py-R-FCN/caffe/build/tools/convert_imageset -shuffle -backend lmdb   ./ ../test_w227.txt ../DB_test &

/home/mz/py-R-FCN/caffe/build/tools/convert_imageset -shuffle -backend lmdb   ./ ../test_w227.txt ../DB_val &

FAIL=0

for job in `jobs -p`

do

    echo $job

    wait $job || let "FAIL+=1"

done

echo "number failed: $FAIL"

cd ../

echo "ceate mean binary"

/home/mz/py-R-FCN/caffe/build/tools/compute_image_mean DB_train DB_train_w227.binaryproto -backend lmdb  &

不同的模型

AlexNet

  1. 从caffe/models下拷贝bvlc-alexnet文件夹，得到Alexnet的模型定义prototxt和solver.prototxt.更改相关参数，进行训练。

    参数：迭代次数：50000；test_iter=179;test_interval=200;fc8-output=3;
  2. 结果

    val-accuracy: 0.927598; train-loss = 8.55613e-05;

    这里测试的时候仍使用train_val.prototxt,另存一份，起名为train_test.prototxt。只是要将校验集路径改为测试集路径。然后，执行下面命令：
sudo /home/mz/py-R-FCN/caffe/build/tools/caffe test -model=train_test.prototxt -weights=../models/caffe_alexnet_train_iter_50000.caffemodel -gpu 0 -iterations=183

-iterations迭代次数参数计算方式：测试集数量/batch_size

test-accuracy: 0.856721 loss=1.03727

GooLeNet

VGG

ResNet

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