Springboot 整合 Java DL4J 實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)影像診斷功能介紹

更新時(shí)間：2024年10月15日 15:32:36 作者：月下獨(dú)碼

本文介紹如何利用SpringBoot整合Java Deeplearning4j實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)影像診斷功能,重點(diǎn)介紹了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在處理醫(yī)學(xué)影像中的應(yīng)用,以及如何進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型構(gòu)建、訓(xùn)練與預(yù)測(cè),提供了詳細(xì)的代碼實(shí)現(xiàn)和單元測(cè)試方法,目的是輔助醫(yī)生更準(zhǔn)確快速地進(jìn)行疾病診斷

?? 博主簡(jiǎn)介：歷代文學(xué)網(wǎng)（PC端可以訪問(wèn)：https://literature.sinhy.com/，移動(dòng)端可微信小程序搜索“歷代文學(xué)”）總架構(gòu)師，15年工作經(jīng)驗(yàn)，精通Java編程，高并發(fā)設(shè)計(jì)，Springboot和微服務(wù)，熟悉Linux，ESXI虛擬化以及云原生Docker和K8s，熱衷于探索科技的邊界，并將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。保持對(duì)新技術(shù)的好奇心，樂(lè)于分享所學(xué)，希望通過(guò)我的實(shí)踐經(jīng)歷和見解，啟發(fā)他人的創(chuàng)新思維。在這里，我希望能與志同道合的朋友交流探討，共同進(jìn)步，一起在技術(shù)的世界里不斷學(xué)習(xí)成長(zhǎng)。

Springboot整合Java DL4J實(shí)現(xiàn)交通標(biāo)志識(shí)別系統(tǒng)全過(guò)程

Spring Boot 整合 Java Deeplearning4j 實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)影像診斷功能

一、引言

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，準(zhǔn)確快速地診斷疾病對(duì)于患者的治療至關(guān)重要。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，深度學(xué)習(xí)在醫(yī)學(xué)影像診斷中展現(xiàn)出了巨大的潛力。本文將介紹如何使用 Spring Boot 整合 Java Deeplearning4j 來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)醫(yī)學(xué)影像診斷的案例，輔助醫(yī)生診斷 X 光片、CT 掃描等醫(yī)學(xué)影像，檢測(cè)病變區(qū)域。

二、技術(shù)概述

（一）Spring Boot

Spring Boot 是一個(gè)用于快速開發(fā) Java 應(yīng)用程序的框架。它簡(jiǎn)化了 Spring 應(yīng)用程序的配置和部署，提供了自動(dòng)配置、起步依賴等功能，使開發(fā)者能夠更加專注于業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)。

（二）Deeplearning4j

Deeplearning4j 是一個(gè)基于 Java 和 Scala 的深度學(xué)習(xí)庫(kù)，支持多種深度學(xué)習(xí)算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。它提供了高效的數(shù)值計(jì)算、分布式訓(xùn)練等功能，適用于處理大規(guī)模數(shù)據(jù)和復(fù)雜的深度學(xué)習(xí)任務(wù)。

（三）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選擇

在本案例中，我們選擇使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Network，CNN）來(lái)實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)影像診斷。CNN 是一種專門用于處理圖像數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

局部連接：CNN 中的神經(jīng)元只與輸入圖像的局部區(qū)域相連，減少了參數(shù)數(shù)量，提高了計(jì)算效率。
權(quán)值共享：CNN 中的卷積核在不同位置共享權(quán)值，進(jìn)一步減少了參數(shù)數(shù)量，同時(shí)也提高了模型的泛化能力。
層次結(jié)構(gòu)：CNN 通常由多個(gè)卷積層、池化層和全連接層組成，能夠自動(dòng)學(xué)習(xí)圖像的層次特征，從低級(jí)特征到高級(jí)特征逐步提取。

三、數(shù)據(jù)集介紹

（一）數(shù)據(jù)集來(lái)源

我們使用公開的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)集，如 Kaggle 上的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)集。這些數(shù)據(jù)集通常包含大量的 X 光片、CT 掃描等醫(yī)學(xué)影像，以及對(duì)應(yīng)的病變區(qū)域標(biāo)注。

（二）數(shù)據(jù)集格式

數(shù)據(jù)集通常以圖像文件和標(biāo)注文件的形式存儲(chǔ)。圖像文件可以是常見的圖像格式，如 JPEG、PNG 等。標(biāo)注文件可以是文本文件、XML 文件或其他格式，用于記錄病變區(qū)域的位置和類別信息。

以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)集目錄結(jié)構(gòu)示例：

dataset/
├── images/
│   ├── image1.jpg
│   ├── image2.jpg
│   ├──...
├── labels/
│   ├── label1.txt
│   ├── label2.txt
│   ├──...

在標(biāo)注文件中，每行表示一個(gè)病變區(qū)域的標(biāo)注信息，格式可以如下：

image_filename,x1,y1,x2,y2,class

其中，image_filename 是對(duì)應(yīng)的圖像文件名，x1,y1,x2,y2 是病變區(qū)域的左上角和右下角坐標(biāo)，class 是病變區(qū)域的類別。

四、Maven 依賴

在項(xiàng)目的 pom.xml 文件中，需要添加以下 Maven 依賴：

<dependency>
    <groupId>org.deeplearning4j</groupId>
    <artifactId>deeplearning4j-core</artifactId>
    <version>1.0.0-beta7</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.deeplearning4j</groupId>
    <artifactId>deeplearning4j-nn</artifactId>
    <version>1.0.0-beta7</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.deeplearning4j</groupId>
    <artifactId>deeplearning4j-ui</artifactId>
    <version>1.0.0-beta7</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
</dependency>

五、代碼實(shí)現(xiàn)

（一）數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先，我們需要對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理，將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入的格式。以下是一個(gè)數(shù)據(jù)預(yù)處理的示例代碼：

import org.datavec.image.loader.NativeImageLoader;
import org.deeplearning4j.nn.graph.ComputationGraph;
import org.deeplearning4j.util.ModelSerializer;
import org.nd4j.linalg.api.ndarray.INDArray;
import org.nd4j.linalg.dataset.api.preprocessor.DataNormalization;
import org.nd4j.linalg.dataset.api.preprocessor.ImagePreProcessingScaler;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import java.io.File;
import java.io.IOException;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class DataPreprocessor {
    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(DataPreprocessor.class);
    public static List<INDArray> preprocessImages(String datasetPath) throws IOException {
        List<INDArray> images = new ArrayList<>();
        File imagesDir = new File(datasetPath + "/images");
        for (File imageFile : imagesDir.listFiles()) {
            NativeImageLoader loader = new NativeImageLoader(224, 224, 3);
            INDArray image = loader.asMatrix(imageFile);
            DataNormalization scaler = new ImagePreProcessingScaler(0, 1);
            scaler.transform(image);
            images.add(image);
        }
        return images;
    }
}

在上述代碼中，我們使用 NativeImageLoader 類加載圖像數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為 INDArray 格式。然后，我們使用 ImagePreProcessingScaler 類對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將像素值范圍縮放到 0-1 之間。

（二）模型構(gòu)建

接下來(lái)，我們構(gòu)建一個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。以下是一個(gè)模型構(gòu)建的示例代碼：

import org.deeplearning4j.nn.conf.ComputationGraphConfiguration;
import org.deeplearning4j.nn.conf.NeuralNetConfiguration;
import org.deeplearning4j.nn.conf.inputs.InputType;
import org.deeplearning4j.nn.conf.layers.ConvolutionLayer;
import org.deeplearning4j.nn.conf.layers.DenseLayer;
import org.deeplearning4j.nn.conf.layers.OutputLayer;
import org.deeplearning4j.nn.graph.ComputationGraph;
import org.nd4j.linalg.activations.Activation;
import org.nd4j.linalg.lossfunctions.LossFunctions;
public class ModelBuilder {
    public static ComputationGraph buildModel() {
        ComputationGraphConfiguration.GraphBuilder graphBuilder = new NeuralNetConfiguration.Builder()
               .seed(12345)
               .updater(org.deeplearning4j.nn.weights.WeightInit.XAVIER)
               .l2(0.0001)
               .graphBuilder()
               .addInputs("input")
               .setInputTypes(InputType.convolutional(224, 224, 3))
               .addLayer("conv1", new ConvolutionLayer.Builder(3, 3)
                       .nIn(3)
                       .nOut(32)
                       .activation(Activation.RELU)
                       .build(), "input")
               .addLayer("conv2", new ConvolutionLayer.Builder(3, 3)
                       .nIn(32)
                       .nOut(64)
                       .activation(Activation.RELU)
                       .build(), "conv1")
               .addLayer("pool1", new org.deeplearning4j.nn.conf.layers.Pooling2D.Builder(org.deeplearning4j.nn.conf.layers.Pooling2D.PoolingType.MAX)
                       .kernelSize(2, 2)
                       .stride(2, 2)
                       .build(), "conv2")
               .addLayer("conv3", new ConvolutionLayer.Builder(3, 3)
                       .nIn(64)
                       .nOut(128)
                       .activation(Activation.RELU)
                       .build(), "pool1")
               .addLayer("conv4", new ConvolutionLayer.Builder(3, 3)
                       .nIn(128)
                       .nOut(256)
                       .activation(Activation.RELU)
                       .build(), "conv3")
               .addLayer("pool2", new org.deeplearning4j.nn.conf.layers.Pooling2D.Builder(org.deeplearning4j.nn.conf.layers.Pooling2D.PoolingType.MAX)
                       .kernelSize(2, 2)
                       .stride(2, 2)
                       .build(), "conv4")
               .addLayer("flatten", new org.deeplearning4j.nn.conf.layers.FlattenLayer.Builder().build(), "pool2")
               .addLayer("fc1", new DenseLayer.Builder()
                       .nIn(256 * 28 * 28)
                       .nOut(1024)
                       .activation(Activation.RELU)
                       .build(), "flatten")
               .addLayer("dropout", new org.deeplearning4j.nn.conf.layers.DropoutLayer.Builder()
                       .dropOut(0.5)
                       .build(), "fc1")
               .addLayer("fc2", new DenseLayer.Builder()
                       .nIn(1024)
                       .nOut(512)
                       .activation(Activation.RELU)
                       .build(), "dropout")
               .addLayer("output", new OutputLayer.Builder(LossFunctions.LossFunction.NEGATIVELOGLIKELIHOOD)
                       .nIn(512)
                       .nOut(2) // Assuming two classes: normal and abnormal
                       .activation(Activation.SOFTMAX)
                       .build(), "fc2")
               .setOutputs("output");
        return new ComputationGraph(graphBuilder.build());
    }
}

在上述代碼中，我們使用 ComputationGraphConfiguration 類構(gòu)建一個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。模型包含多個(gè)卷積層、池化層、全連接層和輸出層。我們使用 NeuralNetConfiguration.Builder 類設(shè)置模型的參數(shù)，如隨機(jī)種子、權(quán)重初始化方法、正則化系數(shù)等。

（三）模型訓(xùn)練

然后，我們使用預(yù)處理后的數(shù)據(jù)集對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練。以下是一個(gè)模型訓(xùn)練的示例代碼：

import org.deeplearning4j.nn.graph.ComputationGraph;
import org.deeplearning4j.optimize.listeners.ScoreIterationListener;
import org.nd4j.linalg.dataset.api.iterator.DataSetIterator;
import org.nd4j.linalg.lossfunctions.LossFunctions;
import java.io.File;
import java.io.IOException;
public class ModelTrainer {
    public static void trainModel(ComputationGraph model, DataSetIterator trainIterator, int numEpochs) throws IOException {
        model.init();
        model.setListeners(new ScoreIterationListener(10));
        for (int epoch = 0; epoch < numEpochs; epoch++) {
            model.fit(trainIterator);
            System.out.println("Epoch " + epoch + " completed.");
        }
        File modelSavePath = new File("trained_model.zip");
        org.deeplearning4j.nn.modelio.ModelSerializer.writeModel(model, modelSavePath, true);
    }
}

在上述代碼中，我們使用 ComputationGraph 類的 fit 方法對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練。我們可以設(shè)置訓(xùn)練的輪數(shù) numEpochs，并在每一輪訓(xùn)練結(jié)束后打印訓(xùn)練進(jìn)度信息。訓(xùn)練完成后，我們使用 ModelSerializer 類將模型保存到文件中。

（四）模型預(yù)測(cè)

最后，我們使用訓(xùn)練好的模型對(duì)新的醫(yī)學(xué)影像進(jìn)行預(yù)測(cè)。以下是一個(gè)模型預(yù)測(cè)的示例代碼：

import org.deeplearning4j.nn.graph.ComputationGraph;
import org.nd4j.linalg.api.ndarray.INDArray;
import org.nd4j.linalg.dataset.api.preprocessor.DataNormalization;
import org.nd4j.linalg.dataset.api.preprocessor.ImagePreProcessingScaler;
import org.nd4j.linalg.factory.Nd4j;
import java.io.File;
import java.io.IOException;
public class ModelPredictor {
    public static int predictImage(ComputationGraph model, File imageFile) throws IOException {
        // Load and preprocess the image
        org.datavec.image.loader.NativeImageLoader loader = new NativeImageLoader(224, 224, 3);
        INDArray image = loader.asMatrix(imageFile);
        DataNormalization scaler = new ImagePreProcessingScaler(0, 1);
        scaler.transform(image);
        // Make prediction
        INDArray output = model.outputSingle(image);
        int predictedClass = Nd4j.argMax(output, 1).getInt(0);
        return predictedClass;
    }
}

在上述代碼中，我們使用 NativeImageLoader 類加載圖像數(shù)據(jù)，并使用與訓(xùn)練時(shí)相同的預(yù)處理方法對(duì)圖像進(jìn)行歸一化處理。然后，我們使用 ComputationGraph 類的 outputSingle 方法對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到預(yù)測(cè)結(jié)果的概率分布。最后，我們使用 Nd4j.argMax 方法獲取預(yù)測(cè)結(jié)果的類別索引。

六、單元測(cè)試

為了確保代碼的正確性，我們可以編寫單元測(cè)試來(lái)測(cè)試各個(gè)模塊的功能。以下是一個(gè)單元測(cè)試的示例代碼：

import org.deeplearning4j.nn.graph.ComputationGraph;
import org.junit.jupiter.api.BeforeEach;
import org.junit.jupiter.api.Test;
import org.nd4j.linalg.dataset.api.iterator.DataSetIterator;
import java.io.File;
import java.io.IOException;
import static org.junit.jupiter.api.Assertions.assertEquals;
class ModelPredictorTest {
    private ComputationGraph model;
    private DataSetIterator trainIterator;
    @BeforeEach
    void setUp() throws IOException {
        // Load the trained model
        File modelFile = new File("trained_model.zip");
        model = ComputationGraph.load(modelFile, true);
        // Create a dummy data iterator for testing
        trainIterator = null; // Replace with actual data iterator for more comprehensive testing
    }
    @Test
    void testPredictImage() throws IOException {
        // Load a test image
        File testImage = new File("test_image.jpg");
        // Make prediction
        int predictedClass = ModelPredictor.predictImage(model, testImage);
        // Assert the predicted class
        assertEquals(0, predictedClass); // Replace with expected predicted class
    }
}

在上述代碼中，我們首先加載訓(xùn)練好的模型，并創(chuàng)建一個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)迭代器（這里使用了一個(gè)空的迭代器，實(shí)際應(yīng)用中可以使用真實(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)集）。然后，我們加載一個(gè)測(cè)試圖像，并使用 ModelPredictor.predictImage 方法對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)測(cè)。最后，我們使用 assertEquals 方法斷言預(yù)測(cè)結(jié)果是否符合預(yù)期。

七、預(yù)期輸出

在訓(xùn)練過(guò)程中，我們可以預(yù)期看到模型的損失值逐漸下降，準(zhǔn)確率逐漸提高。在預(yù)測(cè)過(guò)程中，我們可以預(yù)期得到一個(gè)整數(shù)，表示預(yù)測(cè)的類別索引。例如，如果我們有兩個(gè)類別：正常和異常，那么預(yù)測(cè)結(jié)果可能是 0 表示正常，1 表示異常。

八、參考資料

Deeplearning4j 官方文檔

Spring Boot 官方文檔

Kaggle 醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)集

到此這篇關(guān)于Springboot 整合 Java DL4J 實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)影像診斷功能的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Springboot Java DL4J醫(yī)學(xué)影像診斷內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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Springboot 整合 Java DL4J 實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)影像診斷功能介紹

目錄

Spring Boot 整合 Java Deeplearning4j 實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)影像診斷功能

一、引言

二、技術(shù)概述

（一）Spring Boot

（二）Deeplearning4j

（三）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選擇

三、數(shù)據(jù)集介紹

（一）數(shù)據(jù)集來(lái)源

（二）數(shù)據(jù)集格式

四、Maven 依賴

五、代碼實(shí)現(xiàn)

（一）數(shù)據(jù)預(yù)處理

（二）模型構(gòu)建

（三）模型訓(xùn)練

（四）模型預(yù)測(cè)

六、單元測(cè)試

七、預(yù)期輸出

八、參考資料

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目錄

Spring Boot 整合 Java Deeplearning4j 實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)影像診斷功能

一、引言

二、技術(shù)概述

（一）Spring Boot

（二）Deeplearning4j

（三）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選擇

三、數(shù)據(jù)集介紹

（一）數(shù)據(jù)集來(lái)源

（二）數(shù)據(jù)集格式

四、Maven 依賴

五、代碼實(shí)現(xiàn)

（一）數(shù)據(jù)預(yù)處理

（二）模型構(gòu)建

（三）模型訓(xùn)練

（四）模型預(yù)測(cè)

六、單元測(cè)試

七、預(yù)期輸出

八、參考資料

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最新評(píng)論

大家感興趣的內(nèi)容

最近更新的內(nèi)容

常用在線小工具

一、引言

二、技術(shù)概述

三、數(shù)據(jù)集介紹

六、單元測(cè)試

八、參考資料