打造你的 AI 放射科医生：使用 VGG16 创建肺炎检测器的有趣指南

放射学是一个高度依赖高技能专业人员专业知识的领域。放射科医生分析医学图像来诊断和监测一系列病症，从简单的骨折到癌症等复杂疾病。然而，随着医学成像的激增以及对快速、准确诊断的迫切需求，放射科医生面临着巨大的压力。这就是人工智能 (AI) 介入的地方，它通过增强人类的能力来改变这个领域。在本文结束时，您将制作自己的图像分类器模型来帮助检测医学图像中的肺炎。

步骤 1：设置环境

在开始编码之前，我们需要确保环境已准备就绪。我们首先安装必要的库：

 %pip install --upgrade tensorflow keras numpy pandas sklearn pillow

这些库对于构建和训练我们的模型至关重要：

• tensorflow和keras用于创建和训练神经网络。
• numpy用于数值运算。
• 使用pandas进行数据操作。
• sklearn用于预处理数据。
• 用于图像处理的pillow 。

步骤 2：导入库

安装库后，让我们导入它们：

 import os from tensorflow import keras from tensorflow.keras.models import Sequential from tensorflow.keras.layers import Dense, Conv2D, MaxPool2D, Flatten from tensorflow.keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator import numpy as np

我们首先导入构建和训练用于图像处理任务的神经网络模型所需的几个基本库和模块。我们将使用 TensorFlow 及其子模块来创建和管理我们的深度学习模型。具体来说，我们将导入 Keras 作为我们的高级 API，导入 Sequential 来构建线性层堆栈，导入 Dense、Conv2D、MaxPool2D 和 Flatten 等模块来构建和配置各种神经网络层。此外，ImageDataGenerator 将帮助我们扩充图像数据，增强模型的泛化能力。最后，我们将导入 numpy 以获得其数值运算支持，这对于处理数组和执行数学函数特别有用。

步骤 3：准备数据

我们的 AI 放射科医生需要数据来学习。我们将使用 ImageDataGenerator 来加载和扩充我们的训练和验证数据：要下载数据，我们将使用我们的开源数据朋友 Kaggle，从此处的链接下载标记的数据集。

在监督学习的背景下，标记的数据集将成为机器学习模型应该预测的基本事实。

 trdata = ImageDataGenerator() traindata = trdata.flow_from_directory(directory="data-task1/train", target_size=(224, 224)) tsdata = ImageDataGenerator() testdata = tsdata.flow_from_directory(directory="data-task1/val", target_size=(224, 224))

此代码片段为我们的训练和验证数据集设置了数据生成器。图像大小调整为 224x224 像素，这是 VGG16 模型的标准输入大小。

步骤4：构建VGG16模型

现在到了最有趣的部分：构建 VGG16 模型。VGG16 是一种流行的卷积神经网络 (CNN) 架构，以其简单性和有效性而闻名，这要归功于其独特的架构，主要建立在 13 个卷积层和 3 个完全连接层上。VGG16 的与众不同之处在于它在深度网络中使用了小型 3x3 卷积滤波器。这种设计可以捕捉图像中的复杂图案，同时确保计算效率。以下是我们的创建方法：

 model = Sequential() model.add(Conv2D(input_shape=(224,224,3), filters=64, kernel_size=(3,3), padding="same", activation="relu")) model.add(Conv2D(filters=64, kernel_size=(3,3), padding="same", activation="relu")) model.add(MaxPool2D(pool_size=(2,2), strides=(2,2))) model.add(Conv2D(filters=128, kernel_size=(3,3), padding="same", activation="relu")) model.add(Conv2D(filters=128, kernel_size=(3,3), padding="same", activation="relu")) model.add(MaxPool2D(pool_size=(2,2), strides=(2,2))) model.add(Conv2D(filters=256, kernel_size=(3,3), padding="same", activation="relu")) model.add(Conv2D(filters=256, kernel_size=(3,3), padding="same", activation="relu")) model.add(Conv2D(filters=256, kernel_size=(3,3), padding="same", activation="relu")) model.add(MaxPool2D(pool_size=(2,2), strides=(2,2))) model.add(Conv2D(filters=512, kernel_size=(3,3), padding="same", activation="relu")) model.add(Conv2D(filters=512, kernel_size=(3,3), padding="same", activation="relu")) model.add(Conv2D(filters=512, kernel_size=(3,3), padding="same", activation="relu")) model.add(MaxPool2D(pool_size=(2,2), strides=(2,2))) model.add(Conv2D(filters=512, kernel_size=(3,3), padding="same", activation="relu")) model.add(Conv2D(filters=512, kernel_size=(3,3), padding="same", activation="relu")) model.add(Conv2D(filters=512, kernel_size=(3,3), padding="same", activation="relu")) model.add(MaxPool2D(pool_size=(2,2), strides=(2,2))) model.add(Flatten()) model.add(Dense(units=4096, activation="relu")) model.add(Dense(units=4096, activation="relu")) model.add(Dense(units=2, activation="softmax")) model.summary()

让我们分解一下：

• Conv2D 层：这些是学习检测边缘和纹理等特征的卷积层。
• MaxPool2D 层：这些层减少了空间维度，保留了重要特征。
• 扁平层：将二维特征图转换为一维向量。
• 密集层：这些是用于分类的完全连接层。

步骤5：编译模型

定义了模型架构后，我们需要对其进行编译：

 opt = keras.optimizers.Adam(learning_rate=0.001) model.compile(optimizer=opt, loss=keras.losses.binary_crossentropy, metrics=['accuracy'])

在这里，我们使用学习率为 0.001 的 Adam 优化器和二元交叉熵作为我们的损失函数，适用于二元分类任务。让我们分析一下这些选择的优缺点：

请随意尝试不同的优化器、学习率和损失函数，因为这是获得经验的好方法。

步骤6：训练模型

是时候训练我们的 AI 放射科医生了！我们设置了回调来保存最佳模型，如果验证准确率停止提高，则提前停止：

 from keras.callbacks import ModelCheckpoint, EarlyStopping checkpoint = ModelCheckpoint("vgg16_1.h5", monitor='val_accuracy', verbose=1, save_best_only=True, save_weights_only=False, mode='auto', period=1) early = EarlyStopping(monitor='val_accuracy', min_delta=0, patience=20, verbose=1, mode='auto') hist = model.fit_generator(steps_per_epoch=20, generator=traindata, validation_data=testdata, validation_steps=10, epochs=10, callbacks=[checkpoint, early])

• ModelCheckpoint：根据验证准确度保存最佳模型。
• EarlyStopping：如果模型的性能在指定数量的时期内没有提高，则停止训练。

步骤 7：可视化训练进度

为了了解我们的模型的运行情况，我们可以绘制训练和验证损失和准确率：

 import matplotlib.pyplot as plt # Training loss plt.plot(hist.history['loss']) plt.legend(['Training']) plt.title('Training loss') plt.ylabel('loss') plt.xlabel('epoch') plt.show() # Validation loss plt.plot(hist.history['val_loss']) plt.legend(['Validation']) plt.title('Validation loss') plt.ylabel('validation loss') plt.xlabel('epoch') plt.show() # Training and validation accuracy plt.plot(hist.history['accuracy']) plt.plot(hist.history['val_accuracy']) plt.legend(['Training', 'Validation']) plt.title('Training & Validation accuracy') plt.xlabel('epoch') plt.show()

这些图将帮助我们了解模型的学习效果以及是否过度拟合或欠拟合。

步骤 8：进行预测

经过训练后，我们的 AI 放射科医生就可以进行预测了。以下是加载图像并获取模型预测的方法：

 from tensorflow.keras.preprocessing import image # Load and preprocess image img_path = 'path_to_your_image.jpg' img = image.load_img(img_path, target_size=(224, 224)) img_array = image.img_to_array(img) img_array = np.expand_dims(img_array, axis=0) # Create batch axis # Make prediction prediction = model.predict(img_array) print('Prediction:', prediction)

第 9 步：微调和实验

打造 AI 放射科医生只是开始。以下是一些微调和改进模型的技巧：

• 数据增强：使用旋转、翻转和缩放等技术增加训练数据的多样性。
• 迁移学习：使用预先训练的模型（如 VGG16）作为起点，并根据特定数据集对其进行微调。
• 超参数调整：尝试不同的学习率、批量大小和优化器来找到最佳组合。

结论

哇，太棒了！🎉 您创建了一个可以分析医学图像并做出预测的模型 — 这是一项伟大的医学成就！ :) 通过深入研究神经网络架构的复杂性，您已经看到了经过精细调整的 AI 模型的影响力。继续突破界限，继续尝试，最重要的是，享受与您的 AI 项目合作的每一刻！