基于ResNet50和VGG16深度学习模型的阿尔茨海默病MRI图像分类与早期诊断研究

阿尔茨海默病（AD）是目前全球范围内最常见的神经退行性疾病之一，早期诊断对延缓疾病进程和改善患者生活质量至关重要。随着医学影像学的进步，基于MRI图像的阿尔茨海默病检测成为一种重要的研究方向。本文提出了一种基于深度学习的MRI图像分类方法，利用ResNet50和VGG16两种深度卷积神经网络模型，进行阿尔茨海默病的早期诊断。数据集包括来自100名、70名、28名和2名患者的四个分类：无损伤、非常轻度损伤、轻度损伤和中度损伤。每位患者的大脑被切割成32个水平轴向的MRI图像切片。

我们首先对ResNet50和VGG16模型进行了预训练，并在该数据集上进行微调。实验结果显示，ResNet50在特征提取能力和分类性能上优于VGG16，尤其是在识别中度损伤类别时表现出色。此外，针对数据不平衡问题，本文还采用了数据增强和加权损失函数等技术，进一步提高了模型的分类准确率和鲁棒性。

本研究为阿尔茨海默病的早期诊断提供了一种基于深度学习的高效解决方案，通过MRI图像自动分类，不仅能够提高诊断效率，还为临床提供了可靠的辅助决策支持。最终的实验结果表明，深度学习方法能够显著提升阿尔茨海默病的诊断精度，具有广泛的应用前景和临床价值。

本研究的创新之处在于结合了深度学习与医学影像分析，提出了一种新的、基于ResNet50和VGG16模型的阿尔茨海默病早期诊断方案。通过自动化MRI图像分类，本研究不仅提升了诊断效率，减少了医生的工作负担，还为临床提供了辅助决策支持工具。实验结果表明，深度学习方法，特别是ResNet50模型，能够显著提高阿尔茨海默病早期诊断的准确性，具有较高的应用潜力。未来，结合更多数据集以及更先进的网络结构，本研究有望为阿尔茨海默病的早期检测提供更为精确和广泛的解决方案，并推动其在临床中的实际应用。

算法流程

项目数据

传统的机器学习算法对图像进行识别等研究工作时，只需要很少的图像数据就可以开展工作。而在使用卷积神经网络解决研究的阿尔茨海默病识别问题的关键其一在于搭建合适的神经网络，其更需要具备大量优质的训练数据集，在大量的有标签数据不断反复对模型进行训练下，神经网络才具备我们所需要的分类能力，达到理想的分类效果。因此有一个质量较好的图像数据集至关重要。

数据集介绍：
本研究使用的阿尔茨海默病图像数据集是专门阿尔茨海默诊断任务设计的，包含了数据集包含四个分类：无认知障碍、非常轻度认知障碍、轻度认知障碍和中度认知障碍，每个类别的样本数量分别为100名、70名、28名和2名患者。每位患者的大脑被切成32个水平轴向的MRI图像。数据集中的图像是从临床病人样本中获取，经过专业的病理学家标注，确保数据的准确性和可靠性。每一张图像代表了阿尔茨海默病的不同病理特征，包括细胞密度、结节大小、形状不规则性等，能够为深度学习模型提供丰富的特征信息。

数据集已被预先标注，每个类别的图像数量基本均衡，为训练和验证提供了稳定的基准。数据集被划分为训练集和测试集，其中每类图像的数量分别如下：
（1）训练集：Mild Impairment类2560张图像，Moderate Impairment类2560张图像，No Impairment类2560张图像，Very Mild Impairment类2560张图像共10240张图像。

（2）测试集：Mild Impairment类176张图像，Moderate Impairment类12张图像，No Impairment类640张图像，Very Mild Impairment类448张图像共1279张图像。

这种划分方式保证了数据的多样性和代表性，同时通过验证集和测试集的独立性，能够有效评估模型的泛化能力。

数据预处理
为了提高模型的泛化能力并防止过拟合，我们对数据集进行了数据预处理。具体步骤如下：
（1）尺寸标准化：所有图像被调整为统一的224×224像素，以适配VGG16和ResNet50等模型的输入要求。
（2）归一化：对图像进行归一化处理，标准化RGB通道的像素值，使其均值为[0.485, 0.456, 0.406]，标准差为[0.229, 0.224, 0.225]。这些参数是基于ImageNet数据集计算得出的，适用于VGG16和ResNet50的预训练模型。

数据增强
1.训练集增强：
（1）随机裁剪：随机裁剪图像并调整为224×224的尺寸，增加数据的多样性，帮助模型更好地学习到不同的尺度和视角。
（2）随机水平翻转：随机对训练图像进行水平翻转，进一步增加数据集的变异性，提高模型的鲁棒性。

2.验证集增强：
（1）Resize和CenterCrop：将验证图像的长边调整为256像素，然后从中心裁剪224×224区域，确保数据统一性。

通过数据增强和标准化处理，能有效提高模型对各种变换的适应能力，从而提升其在不同场景下的分类效果。

数据集划分
数据集已预先划分为两个部分：训练集和测试集，具体如下：
（1）训练集：Mild Impairment类2560张图像，Moderate Impairment类2560张图像，No Impairment类2560张图像，Very Mild Impairment类2560张图像共10240张图像，用于模型训练，通过最小化损失函数优化参数。
（2）测试集：Mild Impairment类176张图像，Moderate Impairment类12张图像，No Impairment类640张图像，Very Mild Impairment类448张图像共1279张图像，用于评估模型在未见数据上的表现

这种数据集划分方式有助于保证模型训练和评估的可靠性，确保各数据集独立，避免数据泄露和过拟合。

实验硬件
本实验的硬件环境设置如下：
（1）计算平台：NNVIDIA GeForce RTX 3070 Ti。（8GB显存），支持CUDA加速
（2）CPU：12th Gen Intel(R) Core(TM) i9-12900H 2.50 GHz 14核处理器
（3）内存：32GB RAM
（4）存储：1TB SSD，用于存储数据集和模型权重

该硬件环境提供了足够的计算资源，能够支持大规模图像数据的训练和高效计算，尤其在使用GPU进行加速时，训练时间得到了显著缩短。

实验超参数设置
本实验中的主要超参数设置如下：
（1）学习率：0.0001，使用Adam优化器，能够自适应调整学习率，表现较好。
（2）批次大小：训练时为32，验证时为64，较小的批次大小有助于稳定训练并提高计算效率。
（3）优化器：使用Adam优化器，适用于稀疏数据和非凸问题。
（4）损失函数：采用交叉熵损失函数（CrossEntropyLoss），适用于多分类任务。
（5）训练轮数：设定为15轮，帮助模型逐渐收敛。
（6）权重初始化：使用预训练的VGG16和ResNet50权重进行迁移学习，加速收敛并提高分类性能。

这些超参数设置经过反复调试，以确保模型在验证集上表现良好。

实验过程与结果分析

分析VGG16和ResNet50两种模型在甲状腺结节分类任务中的实验结果。包括训练过程中的损失与准确率变化、模型性能对比、混淆矩阵（热力图）分析、过拟合与欠拟合的讨论，以及计算效率的分析。

训练过程中的损失与准确率变化
为了评估模型在训练过程中的表现，我们记录了每个epoch的训练损失、训练准确率以及验证损失、验证准确率。通过这些指标，我们可以观察到模型是否能够有效收敛，以及是否存在过拟合或欠拟合的情况。

1.1 VGG16模型训练过程
VGG16模型在训练过程中的损失和准确率曲线如下所示：

（1）训练损失：训练损失从 0.85 平稳下降至 0.3左右，显示模型在训练数据上逐渐优化并提高性能。
（2）训练准确率：训练准确率从 60% 提升到 90%左右，表明模型在训练数据上的学习能力逐渐增强，能够较好地拟合训练数据。
（3）验证损失与验证准确率：验证损失在第6个epoch出现波动峰值后逐渐稳定在0.5左右，验证准确率从60%回升至80%左右，显示模型在验证集上的泛化能力较弱，与训练准确率存在约10%的差距。

1.2 ResNet50模型训练过程
ResNet50模型在训练过程中的损失和准确率曲线如下所示：

（1）训练损失：逐步下降，说明模型在训练数据上的误差不断减少，训练过程稳定。
（2）训练准确率：稳步上升，最终接近 93%，表明模型在训练数据上的性能提升良好。
（3）验证损失与验证准确率：虽然存在波动，但整体表现良好，验证准确率最终也达到了 93%，证明模型有较强的泛化能力。

这些结果表明ResNet50模型在训练和验证集上都表现出了良好的学习能力，没有明显的过拟合或欠拟合问题，并且随着训练的进行，模型的泛化能力逐步得到提升。

模型性能对比
1.VGG16与ResNet50的准确率比较
在训练和验证过程中，ResNet50模型表现出了更高的准确率，尤其是在验证集上的表现更为突出。
（1）训练准确率：ResNet50略优于VGG16，最终达到了更高的准确率（93% vs 90%）。
（2）验证准确率：ResNet50的验证准确率更为稳定，并且接近训练准确率（约93%），而VGG16的验证准确率较低，且有较大的波动，显示出泛化能力较弱。

ResNet50相较于VGG16在准确率和泛化能力上表现更优，尤其在验证集上的表现更为稳定。VGG16虽然在训练集上表现不错，但其在验证集上的波动较大，可能需要进一步优化。

2.损失函数与准确率曲线分析
（1）ResNet50的损失曲线平滑且准确率较高，验证集表现稳定，显示了较好的学习和泛化能力。
（2）VGG16在训练集上表现较好，但验证集的损失和准确率波动较大，说明其存在过拟合现象，泛化能力较差。

混淆矩阵分析(热力图)
为了更全面地分析模型的分类性能，我们生成了混淆矩阵并将其可视化为热力图，帮助我们直观地了解模型在哪些类别上表现较好，在哪些类别上存在误分类。

1.VGG16的热力图：VGG16在大多数类别上表现较好，但对于轻度障碍和极轻度障碍的识别精度仍有提升空间。

2.ResNet50的热力图：RResNet50模型在认知障碍的分类任务中表现非常好，尤其是在区分明显程度的障碍类型时，尽管极轻度障碍的识别还需要进一步优化。

通过混淆矩阵的分析，ResNet50在细微差别的分类任务中表现更好，特别是在轻度障碍和极轻度障碍的区分上，VGG16则需要更多的优化来提高识别精度。

过拟合与欠拟合分析
（1）过拟合：VGG16出现了明显的过拟合现象，尤其是在训练和验证准确率之间存在较大的差距，训练集上表现较好，但验证集上的表现不理想。ResNet50表现良好，没有明显的过拟合现象，训练和验证准确率趋于一致。
（2）欠拟合：VGG16表现出一定的欠拟合，特别是在极轻度障碍和轻度障碍类别的预测上，模型未能有效学习到这两类的细节差异。ResNet50没有明显的欠拟合现象，模型能够较好地拟合训练数据，且验证集上也有良好的表现。

ResNet50的性能优于VGG16，特别是在处理较复杂任务时具有更好的泛化能力和稳定性，而VGG16需要进一步优化，尤其是在正则化和数据增强方面，以提升其泛化能力。

计算效率分析
（1）ResNet50 在计算效率方面明显优于 VGG16。ResNet50 的参数量较小，计算资源需求更低，训练和推理速度更快。特别是在深层网络的训练中，ResNet50 更能够高效地进行学习。
（2）VGG16 的计算效率较低，主要是由于其庞大的参数量和复杂的全连接层，导致训练和推理时的时间和内存消耗较大。

如果计算效率是项目的关键考虑因素，ResNet50 更适合用于大规模训练任务，尤其是在时间有限的情况下。

运行效果

– 运行 MainProgram.py
1.ResNet50模型运行：
（1）主界面

（2）轻度认知障碍

（3）中度认知障碍

（4）无认知障碍

（5）非常轻度认知障碍

2.VGG16模型运行：
（1）主界面

（2）轻度认知障碍

（3）中度认知障碍

（4）无认知障碍

（5）非常轻度认知障碍

3.检测结果保存

点击保存按钮后，会将当前选择的图检测结果进行保存。
检测的结果会存储在save_data目录下。

图片文件保存的csv文件内容如下：

– 运行 train_resnet50.py
这段代码的主要目的是在直接运行该脚本时，加载指定路径下的训练集和测试集，初始化一个 MainProcess 实例并训练模型（ResNet50），设置训练的轮数为 15 轮。

数据集路径设置：
（1）train_dir = r”D:\Dataset\train”：设置训练集数据的路径。
（2）test_dir = r”D:\Dataset\test”：设置测试集数据的路径。

模型路径设置：
（1）model_name0 = r”models/resnet50.pth”：指定训练模型的文件路径，这里是 resnet50.pth 模型的路径，用于加载预训练的 ResNet50 权重或保存训练后的模型。

实例化MainProcess类：
（1）cnn = MainProcess(train_dir, test_dir, model_name0)：通过传入训练集路径、测试集路径和模型路径，创建 MainProcess 类的实例 cnn，这个类负责数据加载、模型训练、验证等操作。

调用主函数main进行训练：
（1）cnn.main(epochs=15)：调用 cnn 对象的 main 方法，开始训练模型。epochs=15 表示模型训练将进行50轮（每轮遍历整个训练集一次）。该方法将包括模型的训练过程、损失计算、验证等步骤

训练日志结果
ResNet50日志结果

这张图展示了使用ResNet50进行模型训练的详细过程和结果。

配置信息：
（1）模型在训练了15轮后，总共耗时约21分钟。
（2）本次训练使用了GPU设备，具体是CUDA设备0。

训练过程：
训练过程记录了15个 epoch，每个 epoch 的训练损失和验证准确率都有输出：
（1）训练损失（train_loss）在每个epoch结束时有所下降（从0.604下降到0.181）。
（2）验证准确率（val_accuracy）从0.621提升到0.968，说明模型的性能在不断提高。

训练速度：
训练速度：
训练的速度在4.77到5.09 it/s之间，表示每秒钟处理大约4.77到5.09个批次。
（1）每个epoch的训练时间约为63秒到67秒。
（2）每个验证批次的处理时间大约是19秒到23秒。

完成信息：
（1）Process finished with exit code 0：表示整个验证过程顺利完成，没有报错。

总结：
ResNet50在训练过程中通常表现出较好的平稳性和较快的收敛速度。通过调整超参数、应用正则化方法和确保充足的计算资源，能够进一步提升其训练和验证性能。

– 运行 train_vgg16.py
这段代码的主要目的是在直接运行该脚本时，加载指定路径下的训练集和测试集，初始化一个 MainProcess 实例并训练模型（VGG16），设置训练的轮数为 15 轮。