Detectar COVID-19 em raios-X com Keras, TensorFlow e Deep Learning

• Acordei de manhã, sentindo alguma dor e fraqueza.
• Quando me arrastei para fora da cama, encontrei um corrimento nasal (embora já se saiba que um corrimento nasal não é um sintoma do COVID-19).
• Quando cheguei ao banheiro para pegar um lenço de papel, eu já estava tossindo.

Minuto de Cuidados com OVNI

COVID-19 — , SARS-CoV-2 (2019-nCoV). — , /, .

• C
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, .

, , .

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1. Como coletar um conjunto de dados de código-fonte aberto de imagens de raios-X de pacientes com COVID-19 detectado.
2. «» ( ) .
3. COVID-19 .
4. .

Explicação

Como o COVID-19 pode ser detectado em raios-x?

COVID-19

1. Analise o arquivo metadata.csv no repositório.
2. Selecionadas todas as linhas:

Estrutura do projeto

$ tree --dirsfirst --filelimit 10
.
├── dataset
│   ├── covid [25 entries]
│   └── normal [25 entries]
├── build_covid_dataset.py
├── sample_kaggle_dataset.py
├── train_covid19.py
├── plot.png
└── covid19.model

Implementação do script de treinamento

# import the necessary packages
from tensorflow.keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator
from tensorflow.keras.applications import VGG16
from tensorflow.keras.layers import AveragePooling2D
from tensorflow.keras.layers import Dropout
from tensorflow.keras.layers import Flatten
from tensorflow.keras.layers import Dense
from tensorflow.keras.layers import Input
from tensorflow.keras.models import Model
from tensorflow.keras.optimizers import Adam
from tensorflow.keras.utils import to_categorical
from sklearn.preprocessing import LabelBinarizer
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import classification_report
from sklearn.metrics import confusion_matrix
from imutils import paths
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import argparse
import cv2
import os

• scikit-learn , esta é uma biblioteca de aprendizado de máquina Python de fato ,
• matplotlib para gráficos,
• OpenCV para upload e pré-processamento de imagens em um conjunto de dados.

# construct the argument parser and parse the arguments
ap = argparse.ArgumentParser()
ap.add_argument("-d", "--dataset", required=True,
    help="path to input dataset")
ap.add_argument("-p", "--plot", type=str, default="plot.png",
    help="path to output loss/accuracy plot")
ap.add_argument("-m", "--model", type=str, default="covid19.model",
    help="path to output loss/accuracy plot")
args = vars(ap.parse_args())

# initialize the initial learning rate, number of epochs to train for,
# and batch size
INIT_LR = 1e-3
EPOCHS = 25
BS = 8

• --dataset: caminho para o conjunto de dados de entrada.
• --plot: caminho opcional para o planejamento de saída do histórico de aprendizado. Por padrão, o gráfico é chamado plot.png, a menos que um nome diferente seja especificado na linha de comando.
• --model: caminho opcional para o nosso modelo de definição COVID-19 de saída. Por padrão, é chamado covid19.model.

# grab the list of images in our dataset directory, then initialize
# the list of data (i.e., images) and class images
print("[INFO] loading images...")
imagePaths = list(paths.list_images(args["dataset"]))
data = []
labels = []

# loop over the image paths
for imagePath in imagePaths:
    # extract the class label from the filename
    label = imagePath.split(os.path.sep)[-2]

    # load the image, swap color channels, and resize it to be a fixed
    # 224x224 pixels while ignoring aspect ratio
    image = cv2.imread(imagePath)
    image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2RGB)
    image = cv2.resize(image, (224, 224))

    # update the data and labels lists, respectively
    data.append(image)
    labels.append(label)

# convert the data and labels to NumPy arrays while scaling the pixel
# intensities to the range [0, 1]
data = np.array(data) / 255.0
labels = np.array(labels)

• Extraímos do caminho ( linha 49 ) o rótulo da classe (covid ou normal).
• Carregamos a imagem, convertemos em canais RGB e a reduzimos para um tamanho de 224x224 pixels para alimentar uma rede neural convolucional ( linhas 53-55 ).
• Atualização de listas de dados e etiquetas ( linhas 58 e 59 ).

# perform one-hot encoding on the labels
lb = LabelBinarizer()
labels = lb.fit_transform(labels)
labels = to_categorical(labels); print(labels)

# partition the data into training and testing splits using 80% of
# the data for training and the remaining 20% for testing
(trainX, testX, trainY, testY) = train_test_split(data, labels,
    test_size=0.20, stratify=labels, random_state=42)

# initialize the training data augmentation object
trainAug = ImageDataGenerator(
    rotation_range=15,
    fill_mode="nearest")

[[0. 1.]
 [0. 1.]
 [0. 1.]
 ...
 [1. 0.]
 [1. 0.]
 [1. 0.]]

# load the VGG16 network, ensuring the head FC layer sets are left
# off
baseModel = VGG16(weights="imagenet", include_top=False,
    input_tensor=Input(shape=(224, 224, 3)))

# construct the head of the model that will be placed on top of the
# the base model
headModel = baseModel.output
headModel = AveragePooling2D(pool_size=(4, 4))(headModel)
headModel = Flatten(name="flatten")(headModel)
headModel = Dense(64, activation="relu")(headModel)
headModel = Dropout(0.5)(headModel)
headModel = Dense(2, activation="softmax")(headModel)

# place the head FC model on top of the base model (this will become
# the actual model we will train)
model = Model(inputs=baseModel.input, outputs=headModel)

# loop over all layers in the base model and freeze them so they will
# *not* be updated during the first training process
for layer in baseModel.layers:
    layer.trainable = False

# compile our model
print("[INFO] compiling model...")
opt = Adam(lr=INIT_LR, decay=INIT_LR / EPOCHS)
model.compile(loss="binary_crossentropy", optimizer=opt,
    metrics=["accuracy"])

# train the head of the network
print("[INFO] training head...")
H = model.fit_generator(
    trainAug.flow(trainX, trainY, batch_size=BS),
    steps_per_epoch=len(trainX) // BS,
    validation_data=(testX, testY),
    validation_steps=len(testX) // BS,
    epochs=EPOCHS)

# make predictions on the testing set
print("[INFO] evaluating network...")
predIdxs = model.predict(testX, batch_size=BS)

# for each image in the testing set we need to find the index of the
# label with corresponding largest predicted probability
predIdxs = np.argmax(predIdxs, axis=1)

# show a nicely formatted classification report
print(classification_report(testY.argmax(axis=1), predIdxs,
    target_names=lb.classes_))

# compute the confusion matrix and and use it to derive the raw
# accuracy, sensitivity, and specificity
cm = confusion_matrix(testY.argmax(axis=1), predIdxs)
total = sum(sum(cm))
acc = (cm[0, 0] + cm[1, 1]) / total
sensitivity = cm[0, 0] / (cm[0, 0] + cm[0, 1])
specificity = cm[1, 1] / (cm[1, 0] + cm[1, 1])

# show the confusion matrix, accuracy, sensitivity, and specificity
print(cm)
print("acc: {:.4f}".format(acc))
print("sensitivity: {:.4f}".format(sensitivity))
print("specificity: {:.4f}".format(specificity))

• gerar uma matriz de imprecisões ( linha 133 ),
• usamos essa matriz para determinar a precisão, sensibilidade e especificidade ( linhas 135-137 ) e, em seguida, derivamos todas essas métricas ( linhas 141-143 ).

# plot the training loss and accuracy
N = EPOCHS
plt.style.use("ggplot")
plt.figure()
plt.plot(np.arange(0, N), H.history["loss"], label="train_loss")
plt.plot(np.arange(0, N), H.history["val_loss"], label="val_loss")
plt.plot(np.arange(0, N), H.history["accuracy"], label="train_acc")
plt.plot(np.arange(0, N), H.history["val_accuracy"], label="val_acc")
plt.title("Training Loss and Accuracy on COVID-19 Dataset")
plt.xlabel("Epoch #")
plt.ylabel("Loss/Accuracy")
plt.legend(loc="lower left")
plt.savefig(args["plot"])

# serialize the model to disk
print("[INFO] saving COVID-19 detector model...")
model.save(args["model"], save_format="h5")

Treinamos nosso detector com Keras e TensorFlow

$ python train_covid19.py --dataset dataset
[INFO] loading images...
[INFO] compiling model...
[INFO] training head...
Epoch 1/25
5/5 [==============================] - 20s 4s/step - loss: 0.7169 - accuracy: 0.6000 - val_loss: 0.6590 - val_accuracy: 0.5000
Epoch 2/25
5/5 [==============================] - 0s 86ms/step - loss: 0.8088 - accuracy: 0.4250 - val_loss: 0.6112 - val_accuracy: 0.9000
Epoch 3/25
5/5 [==============================] - 0s 99ms/step - loss: 0.6809 - accuracy: 0.5500 - val_loss: 0.6054 - val_accuracy: 0.5000
Epoch 4/25
5/5 [==============================] - 1s 100ms/step - loss: 0.6723 - accuracy: 0.6000 - val_loss: 0.5771 - val_accuracy: 0.6000
...
Epoch 22/25
5/5 [==============================] - 0s 99ms/step - loss: 0.3271 - accuracy: 0.9250 - val_loss: 0.2902 - val_accuracy: 0.9000
Epoch 23/25
5/5 [==============================] - 0s 99ms/step - loss: 0.3634 - accuracy: 0.9250 - val_loss: 0.2690 - val_accuracy: 0.9000
Epoch 24/25
5/5 [==============================] - 27s 5s/step - loss: 0.3175 - accuracy: 0.9250 - val_loss: 0.2395 - val_accuracy: 0.9000
Epoch 25/25
5/5 [==============================] - 1s 101ms/step - loss: 0.3655 - accuracy: 0.8250 - val_loss: 0.2522 - val_accuracy: 0.9000
[INFO] evaluating network...
              precision    recall  f1-score   support

       covid       0.83      1.00      0.91         5
      normal       1.00      0.80      0.89         5

    accuracy                           0.90        10
   macro avg       0.92      0.90      0.90        10
weighted avg       0.92      0.90      0.90        10

[[5 0]
 [1 4]]
acc: 0.9000
sensitivity: 1.0000
specificity: 0.8000
[INFO] saving COVID-19 detector model...

Diagnóstico automático de raios-X

• Dos pacientes com COVID-19 (casos positivos verdadeiros), usando o modelo, conseguimos identificar com precisão como "positivo para COVID-19" em 100% dos casos.
• Dos pacientes que não tiveram COVID-19 (casos negativos verdadeiros), usando o modelo, conseguimos identificar com precisão como "COVID-19 negativo" em apenas 80% dos casos.

Limitações, melhorias e trabalho adicional

Sumário

• Tiramos 25 imagens de seu conjunto de dados , limitando-nos à projeção anteroposterior dos casos diagnosticados positivamente.
• Em seguida, tiramos 25 fotos de pessoas saudáveis do conjunto de dados Kaggle Chest X-Ray Images (Pneumonia).