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人工智能在皮膚科的應(yīng)用與思考推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)+智慧醫(yī)療人工智能在皮膚科的應(yīng)用與思考推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)+智慧醫(yī)療1人工智能成為研究熱點(diǎn)2017年2月《Nature》發(fā)表斯坦福大學(xué)《深度學(xué)習(xí)對(duì)皮膚癌分類(lèi)達(dá)皮膚科醫(yī)師水平》3人工智能成為研究熱點(diǎn)2017年2月《Nature》發(fā)表斯坦福24AI“來(lái)勢(shì)洶洶”4AI“來(lái)勢(shì)洶洶”35皮膚是人體最淺表和復(fù)雜的器官皮膚疾病>
2000種5皮膚是人體最淺表和復(fù)雜的46皮膚疾病包括腫瘤色素異常性疾病損容性疾病炎癥性、感染性疾病遺傳性疾病,等等6皮膚疾病包括57皮膚病診斷臨床表現(xiàn)皮膚鏡高頻超聲組織病理免疫熒光血清學(xué)檢查天皰瘡7皮膚病診斷臨床表現(xiàn)皮膚鏡高頻超聲組織病理免疫熒光血清學(xué)檢查68治療藥物光化學(xué)療法,
PUVA光動(dòng)力,
PDT激光化學(xué)剝脫手術(shù)等等8治療藥物788九分類(lèi)任務(wù):0.皮膚淋巴瘤和皮膚浸潤(rùn)性疾病1.真皮良性腫瘤、囊腫2.真皮惡性腫瘤3.表皮良性腫瘤4.表皮惡性腫瘤和癌前期病變?nèi)诸?lèi)任務(wù):0.良性腫瘤1.惡性腫瘤2.非腫瘤5.遺傳性皮膚病6.炎癥性皮膚病7.良性黑素細(xì)胞性腫瘤8.惡性黑素細(xì)胞性腫瘤結(jié)果一:三分類(lèi)和九分類(lèi)任務(wù)模型
VS.
兩位皮膚科醫(yī)師9九分類(lèi)任務(wù):三分類(lèi)任務(wù):5.遺傳性皮膚病結(jié)果一:三分類(lèi)和九分結(jié)果二:良惡性二分類(lèi)任務(wù)模型VS.
皮膚科醫(yī)師1.角質(zhì)形成細(xì)胞腫瘤:65張惡性腫瘤70張良性腫瘤;2.黑素細(xì)胞來(lái)源腫瘤:臨床照片:65張惡黑和70張良性痣皮膚鏡圖片:71張惡黑和40張良性痣10結(jié)果二:良惡性二分類(lèi)任務(wù)模型VS.皮膚科醫(yī)師1.角質(zhì)形成數(shù)據(jù)量大:13萬(wàn)張圖片深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)多分類(lèi)結(jié)果與醫(yī)生進(jìn)行比較亮 點(diǎn)11數(shù)據(jù)量大:13萬(wàn)張圖片亮 點(diǎn)11本課題組人工智能研究PART112本課題組人工智能研究PART112-北京協(xié)和醫(yī)院皮膚科門(mén)診每年30~40萬(wàn)患者-僅有30位醫(yī)生13-北京協(xié)和醫(yī)院皮膚科門(mén)診每年30~40萬(wàn)患者13在國(guó)內(nèi)較早開(kāi)展皮膚影像工作14在國(guó)內(nèi)較早開(kāi)展皮膚影像工作14率先成立皮膚影像診斷中心皮膚鏡皮膚高頻超聲皮膚多普勒超聲16服務(wù)器率先成立皮膚影像診斷中心皮膚鏡皮膚高頻超聲皮膚多普勒超聲11517協(xié)和皮膚影像資源庫(kù)20余年的積累30余萬(wàn)張高質(zhì)量圖片臨床圖片皮膚鏡皮膚超聲皮膚病理17協(xié)和皮膚影像資源庫(kù)20余年的積累臨床圖片皮膚鏡皮膚超聲皮16182016年開(kāi)始進(jìn)行AI研發(fā)工作合作團(tuán)隊(duì):北京航空航天大學(xué)
謝鳳英教授
課題組。北大醫(yī)療:課題組。美國(guó)德州大學(xué)休斯頓生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)院
陶萃教授
課題組182016年開(kāi)始進(jìn)行AI研發(fā)工作合作團(tuán)隊(duì):北京航空航天大17典型色素痣和SK皮膚鏡圖像示例18典型色素痣和SK皮膚鏡圖像示例18CNN自動(dòng)分類(lèi)模型示意圖構(gòu)建CNN
二分類(lèi)模型:使用3015幅色素痣和2079幅SK的皮膚鏡圖像對(duì)ResNet-50采用遷移學(xué)習(xí)進(jìn)行訓(xùn)練得到模型:將一個(gè)待分類(lèi)皮損圖像輸入到訓(xùn)練好的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),即可預(yù)測(cè)出皮損類(lèi)別模型整體部分各部分細(xì)節(jié)及參數(shù)19CNN自動(dòng)分類(lèi)模型示意圖構(gòu)建CNN二分類(lèi)模型:使用301212017協(xié)和皮膚影像診斷學(xué)習(xí)班人工智能與100余位皮膚科醫(yī)師對(duì)決AI準(zhǔn)確率
88.33%皮膚科醫(yī)師總準(zhǔn)確率
84.47%212017協(xié)和皮膚影像診斷學(xué)習(xí)班AI準(zhǔn)確率88.33%皮20皮膚科醫(yī)師錯(cuò)誤診斷率排名前10(誤診率為
32.6%~71.6%)圖像:2例為SK錯(cuò)誤診斷為色素痣其余8例為色素痣錯(cuò)誤診斷為SK錯(cuò)誤分類(lèi)圖像分析CNN
錯(cuò)誤分類(lèi)圖像:7例均為
SK
錯(cuò)誤分類(lèi)為色素痣CNN錯(cuò)誤分類(lèi)圖像被分為三類(lèi)第一類(lèi):特殊類(lèi)型第二類(lèi):具有典型特征,但存在干擾因素,如毛發(fā)的干擾、光線、角度等使特征不易識(shí)別第三類(lèi):具有典型特征,22尚找不到錯(cuò)誤分類(lèi)原因皮膚科醫(yī)師錯(cuò)誤診斷率排名前10(誤診率為32.6%~71212018年7月發(fā)表于《中華皮膚科雜志》222018年7月22真實(shí)標(biāo)簽預(yù)測(cè)標(biāo)簽0:色素痣1:SK2:銀屑病3:脂溢性皮炎4:濕疹5:BCC具體設(shè)計(jì)為:對(duì)改進(jìn)的ResNet-50采用遷移學(xué)習(xí)進(jìn)行訓(xùn)練,用得到的模型進(jìn)行分類(lèi)數(shù)據(jù)集:共使用6種常見(jiàn)疾病的皮膚鏡圖像11,566張6種常見(jiàn)疾病的分類(lèi)混淆矩陣圖:色素痣為86%,而B(niǎo)CC的準(zhǔn)確率僅為38%多分類(lèi)人工智能模型23真實(shí)標(biāo)簽預(yù)測(cè)標(biāo)簽0:色素痣具體設(shè)計(jì)為:對(duì)改進(jìn)的ResN合作單位:北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院圖像中心投稿于2017
IEEEInternationalConferenceonImagingSystemsandTechniques(IST),已發(fā)表24合作單位:北京航空航天大24投稿于BIBM
SEPDA
2017,已發(fā)表The
IEEE
BIBM
2017會(huì)議發(fā)言25投稿于BIBMSEPDA2017,已發(fā)表TheIEEEAI關(guān)鍵技術(shù)--模型可視化顯著圖1.點(diǎn)越黑代表對(duì)結(jié)果的影響越大2.皮損與像素點(diǎn)關(guān)聯(lián)性很大遮擋試驗(yàn)直觀評(píng)價(jià)AI診斷的可靠性:是否位于病變部位還有,熱點(diǎn)圖、t分布隨機(jī)鄰域嵌入
(
t-distributed
Stochastic
NeighborEmbedding
,t-SNE)等…26AI關(guān)鍵技術(shù)--模型可視化顯著圖1.點(diǎn)越黑代表對(duì)結(jié)果的影響越26網(wǎng)絡(luò)感興趣區(qū)域可視化結(jié)果--熱點(diǎn)圖(a)
Heatmap(b)
原圖深度學(xué)習(xí)到底在關(guān)注皮損的哪一部分區(qū)域?根據(jù)學(xué)習(xí)得到的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)求算出heatmap,結(jié)果:大部分圖像關(guān)注的區(qū)域是皮損區(qū)域最有趣的一點(diǎn)是,只提供了類(lèi)別信息,沒(méi)有顯式的給網(wǎng)絡(luò)提供區(qū)域信息,但網(wǎng)絡(luò)卻從樣本中自發(fā)習(xí)得了這部分信息27網(wǎng)絡(luò)感興趣區(qū)域可視化結(jié)果--熱點(diǎn)圖(a)Heatmap(b27把heatmap圖和原圖疊加后的結(jié)果網(wǎng)絡(luò)感興趣的區(qū)域大部分是應(yīng)該感興趣的區(qū)域,即便有時(shí)有毛發(fā)的干擾部分圖像關(guān)注區(qū)域不正確。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)注區(qū)域比較準(zhǔn)的時(shí)候,分類(lèi)正確率也比較高;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)注區(qū)域不太準(zhǔn)的時(shí)候,正確率相對(duì)低28把heatmap圖和原圖疊加后的結(jié)果網(wǎng)絡(luò)感興趣的區(qū)域大部分是28皮膚病AI成為非?;钴S的領(lǐng)域PART230皮膚病AI成為非?;钴S的領(lǐng)域PART23029基底細(xì)胞癌鱗狀細(xì)胞癌表皮內(nèi)癌光化性角化病脂溢性角化病惡性黑色素瘤黑素細(xì)胞痣雀斑樣痣化膿性肉芽腫血管瘤皮膚纖維瘤疣國(guó)際論文一:使用深度學(xué)習(xí)算法對(duì)良惡性腫瘤的臨床圖像的HanSS,KimMS,LimW,etal.Classificationoftheclinicalimagesforbenignandmalignantcutaneoustumorsusingadeeplearningalgorithm.[J].Journalof
InvestigativeDermatology,
2018.分類(lèi)研究(
Journal
of
Investigative
Dermatology
,2018)研究包括12種疾?。?131基底細(xì)胞癌黑素細(xì)胞痣國(guó)際論文一:使用深度學(xué)習(xí)算法對(duì)良惡性腫瘤30使用19,398
張訓(xùn)練集圖像對(duì)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(
ResNet-152模型)進(jìn)行微調(diào)訓(xùn)練HanSS,KimMS,LimW,etal.Classificationoftheclinicalimages
forbenignandmalignantcutaneoustumorsusingadeep
learningalgorithm.[J].JournalofInvestigativeDermatology,
2018.為了提高模型的特異性,使用其他248種疾病的159477張的圖像為了取得種族平衡:加入了3820幅白種人的圖像集32使用19,398張訓(xùn)練集圖像對(duì)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ResNet31使用
Asan、Hallym
和
Edinburgh
三組數(shù)據(jù)集的測(cè)試集圖像驗(yàn)證訓(xùn)練后的模型Asan
數(shù)據(jù)集:基底細(xì)胞癌、鱗狀細(xì)胞癌、表皮內(nèi)癌、黑色素瘤診斷的曲線下面積(AUC)分別是
0.96
±
0.01、0.83
±
0.01、0.82±
0.02、0.96
±
0.00Edinburgh
數(shù)據(jù)集:四種疾病的曲線下面積分別是
0.90
±0.01、0.91
±
0.01、0.83
±
0.01、0.88
±
0.01Hallym數(shù)據(jù)集:基底細(xì)胞癌診斷的敏感度是
87.1%
±6.0%HanSS,KimMS,LimW,etal.Classificationoftheclinicalimagesforbenignandmalignantcutaneoustumorsusingadeeplearningalgorithm.[J].Journal
of33InvestigativeDermatology,
2018.使用Asan、Hallym和Edinburgh三組數(shù)32CNN可與皮膚科醫(yī)師相媲美使用經(jīng)過(guò)病理驗(yàn)證的圖像測(cè)試算法性能圖像數(shù)目:惡性腫瘤25張/類(lèi),良性腫瘤20張/類(lèi)16
位皮膚科醫(yī)生相比(10位專(zhuān)家,6位工作十年以上的皮膚科醫(yī)師)HanSS,KimMS,LimW,etal.Classificationoftheclinicalimagesforbenignandmalignantcutaneoustumorsusingadeeplearningalgorithm.[J].Journal
o3f4InvestigativeDermatology,
2018.CNN可與皮膚科醫(yī)師相媲美使用經(jīng)過(guò)病理驗(yàn)證的圖像測(cè)試算法性能33非商業(yè)公開(kāi)臨床圖片資料庫(kù)Medi-calPhoto
()HanSS,KimMS,LimW,etal.Classificationoftheclinicalimagesforbenignandmalignantcutaneoustumorsusingadeeplearning
algorithm.[J].JournalofInvestigativeDermatology,
2018.35非商業(yè)公開(kāi)臨床圖片資料庫(kù)Medi-calPhoto(ht34國(guó)際論文二:在甲真菌病的診斷方面,深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的表現(xiàn)與皮膚科醫(yī)師相當(dāng)甚至超過(guò)皮膚科醫(yī)師水平:使用基于區(qū)域的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(R-CNN)自動(dòng)分割圖像,構(gòu)建甲真菌病數(shù)據(jù)集(PlosOne,
2018)HanSS,ParkGH,LimW,etal.Deepneuralnetworksshowanequivalentandoftensuperiorperformancetodermatologistsinonychomycosisdiagnosis:Automaticconstructionofonychomycosisdatasetsby
region-basedconvolutionaldeepneuralnetwork[J].PlosOne,2018,13(1):e0191493.3636國(guó)際論文二:在甲真菌病的診斷方面,深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的表現(xiàn)與皮膚35使用R-CNN對(duì)圖像進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和分割CNN選擇手/足部位CNN甲板特征發(fā)掘CNN精細(xì)圖像選擇:去掉不完全準(zhǔn)確的圖像37使用R-CNN對(duì)圖像進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和分割CNN選擇手/足部位C36A:準(zhǔn)確圖像:甲板占圖像的50-80%B: 不完全準(zhǔn)確圖像:甲占據(jù)空間太小或太大不利于觀察周?chē)つw,僅包含部分甲、有異物、含兩個(gè)以上甲C:錯(cuò)誤圖片:與甲形狀相似,如牙齒、疣R-CNN圖像自動(dòng)選擇的標(biāo)準(zhǔn)38A:準(zhǔn)確圖像:甲板占圖像B: 不完全準(zhǔn)確圖像:甲占C:錯(cuò)誤圖37訓(xùn)練方法及測(cè)試結(jié)果模型測(cè)試結(jié)果四組數(shù)據(jù)集對(duì)模型進(jìn)行測(cè)試,敏感性/特異性/AUC分別為:B1:96.0/94.7/
0.98B2:82.7/96.7/
0.95C: 92.3/79.3/
0.93D: 87.7/69.3/
0.82訓(xùn)練方法使用得到的49,567幅圖像對(duì)ResNet-152和VGG-19模型使用遷移學(xué)習(xí)方法進(jìn)行微調(diào)訓(xùn)練39訓(xùn)練方法及測(cè)試結(jié)果模型測(cè)試結(jié)果訓(xùn)練方法3938CNN與42位皮膚科醫(yī)師對(duì)比研究B1和C組數(shù)據(jù)集:CNN診斷結(jié)果顯著優(yōu)于皮膚科醫(yī)師B1+C
組數(shù)據(jù)集:沒(méi)有一名皮膚科醫(yī)師優(yōu)于CNN圖A,B1組數(shù)據(jù)集:50張甲真菌病和50張甲營(yíng)養(yǎng)不良圖B,C組數(shù)據(jù)集:57張甲真菌病和68張甲營(yíng)養(yǎng)不良圖C,B1+C組數(shù)據(jù)集:107張甲真菌病和118張甲營(yíng)養(yǎng)不良40CNN與42位皮膚科醫(yī)師對(duì)比研究B1和C組數(shù)據(jù)集:CNN診斷39國(guó)際論文三:在皮膚腫瘤的診斷方面,基于深度學(xué)習(xí)的、使用臨床圖像小數(shù)據(jù)集的計(jì)算機(jī)輔助分類(lèi)表現(xiàn)超過(guò)專(zhuān)業(yè)皮膚科醫(yī)師(
Br
J
Dermatol,
2018.6)FujisawaY,OtomoY,OgataY,etal.Deeplearning-based,computer-aidedclassifierdevelopedwithasmalldatasetofclinicalimagessurpassesboard-certifieddermatologistsinskintumordiagnosis.[J].BrJ
Dermatol.2018Jun14.doi:
10.1111/bjd.16826.4141國(guó)際論文三:在皮膚腫瘤的診斷方面,基于深度學(xué)習(xí)的、使用臨床40實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集:
1842位患者的6009 幅臨床圖像訓(xùn)練集:4867幅
;
驗(yàn)證集和測(cè)試集:
1142
幅神經(jīng)網(wǎng)絡(luò):
GoogLeNet
DCNN
model
architecture13位經(jīng)過(guò)資格認(rèn)證的皮膚科醫(yī)師和9位皮膚科實(shí)習(xí)醫(yī)師14種疾病:MM,SCC,
BD,
AK,
BCC,
痣細(xì)胞痣(NCN),
藍(lán)痣(BlueN),
Spitz痣,皮脂腺痣(SebacN),
汗孔瘤(poroma),
SK,
斑痣(nevus
spilus),
單純性黑子,先天性色痣(CongN)除了后三種疾病以外,均經(jīng)過(guò)病理驗(yàn)證FujisawaY,OtomoY,OgataY,etal.Deeplearning-based,computer-aidedclassifierdevelopedwithasmalldatasetofclinicalimagessurpassesboard-certifieddermatologistsinskintumordiagnosis.[J].BrJ
Dermatol.2018Jun14.doi:
10.1111/bjd.16826.42實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集:1842位患者的6009 幅臨床圖像2014143CNN與皮膚科醫(yī)師對(duì)比診斷共分為4個(gè)級(jí)別43CNN與皮膚科醫(yī)師對(duì)比42DCNN與21位皮膚科醫(yī)師對(duì)比研究結(jié)果DCNN:總準(zhǔn)確率為76.5%,敏感度(惡性診斷為惡性)96.3%,特異度(良性診斷為良性)
89.5%皮膚科醫(yī)師:13位經(jīng)過(guò)資格認(rèn)證的皮膚科醫(yī)師和9位皮膚科實(shí)習(xí)醫(yī)師的準(zhǔn)確率分別為85.3%
±
3.7%
和 74.4%±
6.8%DCNN
準(zhǔn)確率:92.4%
±
2.1%(P<
.0001)1、具體到疾病名稱2、良惡性分類(lèi)FujisawaY,OtomoY,OgataY,etal.Deeplearning-based,computer-aidedclassifierdevelopedwithasmalldatasetofclinicalimagessurpassesboard-certifieddermatologistsinskintumordiagnosis.[J].BrJ
Dermatol.2018Jun14.doi:
10.1111/bjd.16826.44DCNN與21位皮膚科醫(yī)師對(duì)比研究結(jié)果DCNN:總準(zhǔn)確率為743內(nèi)部特征可視化可視化方法:降維方法(dimensionalityreductionmethod)顯示代表不同疾病的點(diǎn)在圖中的位置FujisawaY,OtomoY,OgataY,etal.Deeplearning-based,computer-aidedclassifierdevelopedwithasmalldatasetofclinicalimagessurpassesboard-certifieddermatologistsinskintumordiagnosis.[J].BrJDermatol.2018Jun14.doi:
10.1111/bjd.16826.44內(nèi)部特征可視化可視化方法:降維方法FujisawaY,O4446國(guó)際論文四:基于皮膚鏡圖像使用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)肢端惡性黑色素瘤(
Plos
One,
2018.3)YuC,YangS,KimW,etal.Acralmelanomadetectionusingaconvolutionalneuralnetworkfordermoscopyimages.[J].PlosOne,2018,13(4):e0193321.4546國(guó)際論文四:基于皮膚鏡圖像使用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)肢端惡45數(shù)據(jù)集與方法724幅皮膚鏡圖像(350幅肢端惡黑、374幅肢端色素痣)均經(jīng)過(guò)病理診斷測(cè)試集:1/2,驗(yàn)證集:1/247數(shù)據(jù)集與方法724幅皮膚鏡圖像4746)CNNnon-expert’s
(2位)expert(2位Ture
positive83.51%67.84%81.08%True
negative80.23%62.71%81.64%結(jié)果與結(jié)論結(jié)論:CNN在肢端惡黑的檢測(cè)中達(dá)到了專(zhuān)家水平。48)CNNnon-expert’s(2位)expert(2位47國(guó)際論文五:深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)黑色素瘤皮膚鏡圖像的診斷表現(xiàn)與58位皮膚科醫(yī)師對(duì)比(
Annals
of
Oncology
,
2018.3)H.A.Haenssle1,C.Fink,etal.Managainstmachine:diagnosticperformanceofadeeplearningconvolutionalneuralnetworkfordermoscopicmelanomarecognitionincomparisonto58dermatologists.[J].AnnalsofOncology,0:1–7,2018doi:10.1093/annonc/mdy166.49國(guó)際論文五:深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)黑色素瘤皮膚鏡圖像的診斷表現(xiàn)與48數(shù)據(jù)集德國(guó)、美國(guó)和法國(guó)的研究人員使用10
萬(wàn)多幅惡性黑色素瘤300幅皮膚鏡圖像作為測(cè)試集臨床醫(yī)生診斷其中最難的100幅Level-I:58位皮膚科醫(yī)師根據(jù)皮膚鏡圖像給出診斷和下一步管理策略Level-II:4周后,根據(jù)臨床信息結(jié)合皮膚鏡圖像再次給出診斷和下一步管理策略與CNN結(jié)果對(duì)比數(shù)據(jù)集與方法49數(shù)據(jù)集德國(guó)、美國(guó)和法國(guó)的研究人員使用Level-I:5849結(jié)果sensitivityspecificitylevel-I86.6%71.3%level-II88.9%75.7%CNN注:CNN的結(jié)為在ROC
曲線82.5%,取皮膚科醫(yī)師果 上的敏感度86.6%和88.9%時(shí),CNN的特異度。CNN的得分結(jié)果接近the
ISBI2016
challenge排名前三的算法CNN診斷的
ROC曲線圖50結(jié)果sensitivityspecificityle50皮膚組織病理的自動(dòng)分類(lèi)表皮提供大多數(shù)疾病的關(guān)鍵信息,通常為病理學(xué)家檢查皮膚組織的首檢區(qū)域,Lu等基于WSI以及CAD技術(shù),實(shí)現(xiàn)表皮區(qū)域的自動(dòng)分割與分析,靈敏度、精確度分別達(dá)到97.99%、96%Xu等提出黑色素瘤WSI自動(dòng)分析與分類(lèi)技術(shù),經(jīng)66例皮膚WSI圖像證實(shí),該方法達(dá)到95%以上的分類(lèi)精度,表明該技術(shù)有望為病理學(xué)家提供黑色素瘤診斷的參考意見(jiàn)Zhang等基于多實(shí)例多標(biāo)記學(xué)習(xí)(multi-instance
multilabel
learning,
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