DB32-T 4546-2023 電鏡掃描硅藻圖像自動(dòng)化檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)范

ICS

.CCS

A

DB

電鏡掃描硅藻圖像自動(dòng)化檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)范

AUTOMATIC

SCANNING

MICROSCOPY

IMAGES

DIATOMS??

發(fā)

布 ??

實(shí)

施江蘇省市場(chǎng)監(jiān)督管理局 發(fā)布DB

目次前言

……………………………Ⅲ1

范圍

…………………………12

規(guī)范性引用文件

……………13

術(shù)語和定義

…………………14

方法原理

……………………25

設(shè)備要求

……………………26

自動(dòng)化檢驗(yàn)系統(tǒng)模型構(gòu)建

…………………3

圖像輸入模塊

…………………………3

識(shí)別模塊

………………3

統(tǒng)計(jì)輸出模塊

…………………………47

實(shí)施步驟

……………………4

圖像采集

………………4

圖像輸入與識(shí)別

………………………4

統(tǒng)計(jì)輸出

………………5

結(jié)果判讀

………………58

測(cè)試及性能要求

……………5

測(cè)試要求

………………5

識(shí)別查準(zhǔn)率的計(jì)算

……………………5

識(shí)別查全率的計(jì)算

……………………5

不完整硅藻檢出率的計(jì)算

……………6

識(shí)別速度的計(jì)算

………………………6

漏檢率的計(jì)算

…………………………6

性能要求

………………6參考文獻(xiàn)…………………………7DB

本文件按照

GB/T

—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第

1

部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)規(guī)定起草。請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。本文件由江蘇省司法廳提出并歸口。本文件起草單位：南京醫(yī)科大學(xué)司法鑒定所、南京市公安局水上分局。本文件主要起草人：陳峰、劉曉榮、陳鵬、陳冶秋、李開、俞尤嘉、王增良、李榮、冀強(qiáng)、周世一、張志威、唐偉、陳吉、黃帥楠。DB

電鏡掃描硅藻圖像自動(dòng)化檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)范

范圍本文件規(guī)定了電鏡掃描硅藻圖像自動(dòng)化檢驗(yàn)的設(shè)備要求、自動(dòng)化檢驗(yàn)系統(tǒng)模型構(gòu)建、實(shí)施步驟、測(cè)試及性能要求。本文件適用于電鏡掃描硅藻圖像自動(dòng)化檢驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建、測(cè)試與使用。

規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版括所有的修改用于本文件。GA/T

1662—2019

法庭科學(xué) 硅藻檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)范 微波消解?真空抽濾?顯微鏡法T/CESA

1036—2019

信息技術(shù) 人工智能 機(jī)器學(xué)習(xí)模型及系統(tǒng)的質(zhì)量要素和測(cè)試方法T/CESA

1040—2019

信息技術(shù) 人工智能 面向機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)標(biāo)注規(guī)程

術(shù)語和定義GA/T

1662—2019

和

T/CESA

1036—2019

界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。.電鏡掃描硅藻圖像

SCANNING

MICROSCOPY

IMAGES

DIATOMS通過微波消解?真空抽濾?電子顯微鏡法檢驗(yàn)臟器樣本或水體樣本中的硅藻時(shí)，電子顯微鏡掃描富集膜所得的數(shù)字化圖像。.電鏡掃描硅藻圖像自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng) AUTOMATIC

SYSTEM

SCANNING

MI?CROSCOPY

IMAGES

DIATOMS基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)電鏡掃描硅藻圖像進(jìn)行獲取、分析識(shí)別并輸出圖像中硅藻識(shí)別結(jié)果的系統(tǒng)。.深度學(xué)習(xí)模型 DEEP

MODEL采用深度學(xué)習(xí)方法建立的輸入與目標(biāo)輸出聯(lián)系的計(jì)算模型。、超、參、模、模.訓(xùn)練 對(duì)于給定的數(shù)據(jù)集，生成和優(yōu)化深度學(xué)習(xí)模型參數(shù)設(shè)置的過程。.驗(yàn)證 對(duì)于給定的數(shù)據(jù)集，采用訓(xùn)練后的模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，由此進(jìn)行選擇并優(yōu)化訓(xùn)練模型結(jié)構(gòu)和超參數(shù)的過程。DB

.測(cè)試對(duì)于給定的數(shù)據(jù)集，采用訓(xùn)練后的深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，由此評(píng)估訓(xùn)練模型性能的過程。.查準(zhǔn)率 正確識(shí)別為硅藻的數(shù)量占識(shí)別為硅藻數(shù)量的比率。.查全率 正確識(shí)別為硅藻的數(shù)量占樣本中所有硅藻數(shù)量的比率。.漏檢率 MISS

未被識(shí)別為硅藻的真實(shí)硅藻數(shù)量與樣本中所有硅藻數(shù)量的比值。.完整硅藻COMPLETE

DIATOM在電鏡圖像中呈現(xiàn)邊線連續(xù)、內(nèi)部無缺損、形態(tài)完整的硅藻體。.不完整硅藻 INCOMPLETE

DIATOM在電鏡圖像中呈現(xiàn)邊線不連續(xù)、內(nèi)部有缺損、形態(tài)不完整的硅藻體。：水；樣；圖.碎片硅藻 FRAGMENTED

DIATOM在電鏡圖像中呈現(xiàn)缺損面積大于

50%

的不完整硅藻體。.識(shí)別速度

SPEED對(duì)于輸入的電鏡掃描硅藻圖像，系統(tǒng)識(shí)別每張圖像平均所用的時(shí)間。.邊界框 BOUNDING

BOX經(jīng)過識(shí)別模型分析后，在圖像中框出的系統(tǒng)認(rèn)為是硅藻的區(qū)域。.置信度

識(shí)別圖像中的硅藻時(shí)返回的該邊界框內(nèi)區(qū)域是硅藻的概率數(shù)值。

方法原理本方法基于人工智能圖像識(shí)別技術(shù)，構(gòu)建電鏡掃描硅藻圖像自動(dòng)識(shí)別系下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)），對(duì)電鏡掃描硅藻圖像中的硅藻進(jìn)行自動(dòng)化定位、定量分析。

設(shè)備要求電鏡掃描硅藻圖像自動(dòng)化檢驗(yàn)過程中使用的設(shè)備應(yīng)符合如下要求。）

硅藻檢驗(yàn)基本設(shè)備和耗材：符合GA/T

1662—2019中和規(guī)定的要求。B）

掃描電子顯微鏡：符合GA/T

1662—2019中規(guī)定的要求。DB

）

計(jì)算機(jī)：——處理器（CPU）：英特爾（）

或以上；——內(nèi)存（RAM）：DDR4

2666

16GB

或以上；——硬盤：500GB

SSD

或以上；——顯卡：RTX

2080

8G

或以上；——電源：功率

750

W

或以上。

自動(dòng)化檢驗(yàn)系統(tǒng)模型構(gòu)建.

圖像輸入模塊..

模塊要求圖像輸入模塊應(yīng)能夠批量導(dǎo)入電鏡掃描硅藻圖像，并輸送至識(shí)別模塊。..

輸入圖像要求待識(shí)別圖像按照

GA/T

1662—2019

規(guī)定的方法進(jìn)行硅藻檢驗(yàn)和掃描電鏡圖像采集所得。推薦濾膜掃描區(qū)域直徑

16

MM，掃描放大倍數(shù)

1

500×。.

識(shí)別模塊..

模塊要求識(shí)別模塊應(yīng)能夠利用訓(xùn)練好的自動(dòng)識(shí)別模型識(shí)別輸入的硅藻電鏡圖像，用邊界框框出系統(tǒng)認(rèn)為是硅藻的區(qū)域并返回系統(tǒng)認(rèn)為是硅藻的置信度。識(shí)別模塊的組成和構(gòu)建流程見圖

1。圖識(shí)別模塊組成和構(gòu)建流程DB

..

數(shù)據(jù)集的建立用于自動(dòng)識(shí)別模型構(gòu)建的數(shù)據(jù)集的建立應(yīng)符合如下要求。）

建立數(shù)據(jù)集所使用的電鏡掃描硅藻圖像可來自于本實(shí)驗(yàn)室儀器平臺(tái)以及其他來外部數(shù)據(jù)庫(kù)每張?jiān)紙D片包含的硅藻數(shù)量應(yīng)不少于1個(gè)。B）

原始圖片應(yīng)可進(jìn)行像素大小調(diào)整，使得圖片大小符合人工智能模型輸入規(guī)格要求。調(diào)整后的圖片應(yīng)進(jìn)行像素預(yù)處均一化、標(biāo)準(zhǔn)化、灰度化等），降低不同數(shù)據(jù)源所帶來的像素差異性。）

按所選人工智能模型的數(shù)據(jù)輸入規(guī)范選擇符合要求的數(shù)據(jù)標(biāo)注格式，標(biāo)注圖像形成數(shù)據(jù)集，標(biāo)注規(guī)范符合T/CESA

1040—2019的規(guī)定。D）

標(biāo)注者應(yīng)為有豐富硅藻檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的法醫(yī)學(xué)工作者。）

標(biāo)注結(jié)果應(yīng)為帶有標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，包括“硅藻”這一標(biāo)簽，以及標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的圖像空間位置。F）

標(biāo)注圖像數(shù)量宜大于1

000張，且應(yīng)涵蓋當(dāng)?shù)厮谐Ｒ姽柙孱悇e，每種類別不少于100張。G）

對(duì)標(biāo)注圖像進(jìn)行擴(kuò)增，包括圖片翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)、調(diào)整對(duì)比度及亮度等，最終形成數(shù)據(jù)集。..

人工智能模型選擇可

選

擇

深

度

學(xué)

習(xí)

圖

像

分

類

模

RESNET?101、VGG?16、?V3、MOBILENET

者

目

標(biāo)

檢

測(cè)

模型（?RCNN、YOLO

V3、SSD

等），或其他適當(dāng)?shù)娜斯ぶ悄苣Ｐ蛯?duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行模式特征學(xué)習(xí)。選擇的模型應(yīng)為能夠?qū)⒐柙迮c背景雜質(zhì)相區(qū)分的模型架構(gòu)。..

模型訓(xùn)練與評(píng)估按

7∶2∶1

的比例將數(shù)據(jù)集劃分成互斥的訓(xùn)練集、驗(yàn)證集、測(cè)試集，分別對(duì)所選模型進(jìn)行訓(xùn)練、訓(xùn)練過程中的模型效能監(jiān)測(cè)和評(píng)估、模型訓(xùn)練完畢后的性能泛化指標(biāo)評(píng)價(jià)。按

T/CESA

1036—2019

的規(guī)定對(duì)模型質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和優(yōu)化，形成最終的自動(dòng)識(shí)別模型。.

統(tǒng)計(jì)輸出模塊統(tǒng)計(jì)輸出模塊應(yīng)能夠輸出硅藻識(shí)別的結(jié)果，包括識(shí)別出硅藻的數(shù)量、邊界框及置信度，并將識(shí)別出硅藻的圖像與未識(shí)別出硅藻的圖像分別分類存放。

實(shí)施步驟.

圖像采集操作人員應(yīng)按照

GA/T

1662—2019

規(guī)定的方法進(jìn)行硅藻檢驗(yàn)和電鏡掃描圖像采集。以某地水樣或某臟器樣本作為一個(gè)樣品進(jìn)行檢驗(yàn)，每個(gè)樣品使用一張濾膜對(duì)硅藻進(jìn)行富集，并使用電鏡掃描采集圖像。推

薦

濾

膜

掃

描

區(qū)

域

直

徑

16

MM，掃

描

放

大

倍

數(shù)

1

500×，每

個(gè)

樣

品

富

集

濾

膜

的

電

鏡

掃

描

圖

像

分

別

存

放

在獨(dú)立的文件夾中。.

圖像輸入與識(shí)別圖像輸入與識(shí)別的過程應(yīng)符合如下要求。）

系統(tǒng)利用識(shí)別模型對(duì)輸入圖像中的硅藻進(jìn)行識(shí)別，生成識(shí)別結(jié)果并進(jìn)行保存。B）

識(shí)別結(jié)果包括在圖像中顯示識(shí)別出硅藻的邊界框，并提供置信度。）

若系統(tǒng)具有設(shè)置自選閾值功能，將置信度大于閾值的硅藻圖像作為篩選結(jié)果進(jìn)行保存。

TP+

FP ………

TP+

FP ………1）.

統(tǒng)計(jì)輸出識(shí)別結(jié)果統(tǒng)計(jì)輸出的過程應(yīng)符合如下要求。）

識(shí)別模塊運(yùn)行完畢，系統(tǒng)自動(dòng)輸出識(shí)別結(jié)果，包括圖像上識(shí)別出硅藻的邊界框和置信度。B）

系統(tǒng)將識(shí)別出硅藻的圖像與未識(shí)別出硅藻的圖像分類存放。）

系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)識(shí)別出硅藻的個(gè)數(shù)并記錄存檔。.

結(jié)果判讀識(shí)別結(jié)果判讀的過程應(yīng)符合如下要求。）

系統(tǒng)對(duì)于輸入圖像的自動(dòng)識(shí)別結(jié)括系統(tǒng)按照閾值篩選所得結(jié)為檢出硅藻和未檢出硅藻兩類，圖像分別存入兩個(gè)獨(dú)立的文件夾。B）

點(diǎn)擊查看檢出硅藻的圖像所在的文件夾，系統(tǒng)在每張圖像上標(biāo)注檢出的單個(gè)硅藻所在的邊界框，并在邊界框右上角標(biāo)注置信度，作為系統(tǒng)認(rèn)為是硅藻的可能性，操作人員可根據(jù)邊界框和置信度對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。）

對(duì)于不完整硅藻，系統(tǒng)視為硅藻一同檢出。D）

操作人員統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)識(shí)別所得硅藻數(shù)量時(shí)，缺損面積小于

50%

的不完整硅藻計(jì)數(shù)為完整硅藻，缺損面積大于50%的不完整硅藻計(jì)數(shù)為碎片硅藻，分別計(jì)算完整硅藻和碎片硅藻數(shù)量。）

操作人員可依據(jù)一定掃描區(qū)域內(nèi)的硅藻數(shù)量推斷整個(gè)水樣或臟器樣本中硅藻的相對(duì)數(shù)量。

測(cè)試及性能要求.

測(cè)試要求系統(tǒng)測(cè)試的過程應(yīng)符合如下要求。）

系統(tǒng)正式投入使用前應(yīng)利用真實(shí)樣本對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試，性能符合中的要求，則認(rèn)為識(shí)別結(jié)果具有可信度。B）

測(cè)試人員應(yīng)為具有豐富硅藻檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)、能夠辨認(rèn)硅藻形態(tài)的相關(guān)人員。）

測(cè)試人員應(yīng)按的要求采集電鏡硅藻圖像作為測(cè)試圖像集，以每一個(gè)硅含完整硅藻和不完整硅位置作為一個(gè)“樣本整記錄測(cè)試圖像集中真正硅藻的位置及樣本數(shù)量。將測(cè)試圖像集輸入系統(tǒng)識(shí)別后，以預(yù)測(cè)出的每一個(gè)邊界框作為一個(gè)“樣本工判斷預(yù)測(cè)樣本是否為真正硅藻，記錄數(shù)據(jù)，并與測(cè)試前數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。.

識(shí)別查準(zhǔn)率的計(jì)算識(shí)別查準(zhǔn)率計(jì)算按式（1）進(jìn)行。P

= TP式中：P

——識(shí)別查準(zhǔn)率；TP——識(shí)別為真正硅藻的樣本數(shù)；FP

——識(shí)別為硅藻而實(shí)際非硅藻的樣本數(shù)。.

識(shí)別查全率的計(jì)算識(shí)別查全率計(jì)算按式（2）進(jìn)行。

TP+

FN ………2）

TD

TP+

FN ………2）

TD

+

LD ………3）

=

T

TL

+

TI ………5）R

=TP式中：R

——識(shí)別查全率；TP——識(shí)別為真正硅藻的樣本數(shù)；FN——識(shí)別為非硅藻而實(shí)際為真正硅藻的樣本數(shù)。.

不完整硅藻檢出率的計(jì)算不完整硅藻檢出率計(jì)算按式（3）進(jìn)行。D

= TD式中：D

——不完整硅藻檢出率；TD——識(shí)別為真正不完整硅藻的樣本數(shù)；LD——識(shí)別為非硅藻而實(shí)際為真正不完整硅藻的樣本數(shù)。.

識(shí)別速度的計(jì)算識(shí)別速度計(jì)算按式（4）進(jìn)行。N ………4）式中：

——識(shí)別速度；T——完成識(shí)別的總響應(yīng)時(shí)間；N——識(shí)別圖像總張數(shù)。.

漏檢率的計(jì)算按設(shè)定閾值篩選出置信度高于閾值的硅藻樣本后，漏檢率計(jì)算按式（5）進(jìn)行。L=TL式中：L

——漏檢率；TL——未被篩選出的真正硅藻的樣本數(shù)；TI

——被篩選為真正硅藻的樣本數(shù)。.

性能要求測(cè)試后的電鏡掃描硅藻圖像自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)性能應(yīng)達(dá)到如下要求。）

識(shí)別查準(zhǔn)率：水、肺等硅藻含量高的樣本，識(shí)別查準(zhǔn)率不低于90%。B）

識(shí)別查全率：水、肺等硅藻含量高的樣本，識(shí)別查全率不低于

90%；肝、腎等硅藻含量少的樣本，識(shí)別查全率不低于95%。）

不完整硅藻的檢出：對(duì)于不完整硅藻，系統(tǒng)應(yīng)視為硅藻一同檢出。D）

識(shí)別速度：識(shí)別一張圖像的平均需要時(shí)間不大于1

。）

閾值設(shè)置和篩選：系統(tǒng)支持按自選閾值篩選