CV 医学影像分类、分割、目标检测，之【3D肝脏分割】项目拆解

• • 第1行：`from posixpath import join`
  • 第2行：`from torch.utils.data import DataLoader`
  • 第3行：`import os`
  • 第4行：`import sys`
  • 第5行：`import random`
  • 第6行：`from torchvision.transforms import RandomCrop`
  • 第7行：`import numpy as np`
  • 第8行：`import SimpleITK as sitk`
  • 第11行：`import torchvision`
  • 第14行：`import glob`
  • 第15行：`import pandas as pd`
  • 第16行：`import matplotlib.pyplot as plt`
  • 第17行：`from PIL import Image`
  • 第18-23行：重复导入
  • 第24行：`import PIL`
  • 第26行：`images=os.listdir('D:/LiverDataset/image')`
  • 第27行：`labels=os.listdir('D:/LiverDataset/label')`
  • 第29-30行：`image_list=[]` `label_list=[]`
  • 第32-35行：第一个for循环
  • 第37-40行：第二个for循环
  • 第42-46行：`getarrayFromslice`函数
  • 第48-49行：调用函数
  • 第52-99行：D3UnetData类
  • • 第52-53行：类定义
    • 第54-56行：初始化
    • 第58-59行：`__getitem__`方法
    • 第62-63行：读取图像
    • 第65-66行：切片选择
    • 第68行：二值化
    • 第70行：类型转换
    • 第72-73行：转为张量
    • 第75-76行：应用变换
    • 第78行：返回
    • 第80-81行：`__len__`方法
  • 第83-99行：D3UnetData_test类
  • 第103-105行：定义变换
  • 第107-109行：创建数据集
  • 第112-113行：创建DataLoader
  • 第117-118行：测试加载
  • 第121-122行：可视化
  • 第125-126行：显示标签
  • 第129-145行：DoubleConv类
  • 第148-151行：测试DoubleConv
  • 第154-161行：Down类（下采样）
  • 第164-179行：Up类（上采样）
  • 第182-187行：Out类
  • 第190-216行：UNet3d类
  • 第219-223行：创建模型
  • 第228-229行：定义损失和优化器
  • 第232-289行：train函数
  • 第292-301行：训练循环
  • 第305-318行：预测和可视化

 

---

第1行：from posixpath import join

问1：为什么要导入posixpath？
答1：处理文件路径的拼接。

问2：posixpath和os.path有什么区别？
答2：posixpath专门处理UNIX风格路径（用/），os.path会根据操作系统自动选择。

问3：这里为什么不用os.path.join？
答3：实际上这是个错误！后面代码没用到posixpath.join，应该删除或改成os.path。

问4：什么是POSIX？
答4：Portable Operating System Interface，可移植操作系统接口标准。

第2行：from torch.utils.data import DataLoader

问5：DataLoader的作用是什么？
答5：批量加载数据，打乱顺序，多进程读取。

问6：为什么需要批量加载？
答6：GPU并行计算需要批量数据，单个样本浪费算力。

问7：utils是什么意思？
答7：utilities的缩写，工具集。

第3行：import os

问8：os模块提供什么功能？
答8：操作系统接口，文件操作、路径处理、环境变量。

问9：为什么第1行导入了posixpath.join，这里又导入os？
答9：os提供更多功能如listdir，posixpath只处理路径。

第4行：import sys

问10：sys模块是做什么的？
答10：Python解释器相关的变量和函数。

问11：这段代码为什么导入sys但没用？
答11：可能是遗留代码，或准备用于sys.path添加路径。

第5行：import random

问12：random在深度学习中用来做什么？
答12：数据增强、打乱顺序、随机初始化。

问13：这里导入了但没用到，可能用途是什么？
答13：可能原计划做随机裁剪或随机选择训练样本。

第6行：from torchvision.transforms import RandomCrop

问14：RandomCrop是什么？
答14：随机裁剪图像的数据增强方法。

问15：为什么要随机裁剪？
答15：增加数据多样性，防止过拟合。

问16：这里导入了但没用，为什么？
答16：可能原计划用但后来改用Resize了。

第7行：import numpy as np

问17：为什么起别名np？
答17：约定俗成，简化书写。

问18：numpy和torch的关系是什么？
答18：numpy是CPU数组运算，torch支持GPU，可相互转换。

第8行：import SimpleITK as sitk

问19：ITK是什么的缩写？
答19：Insight Segmentation and Registration Toolkit。

问20：为什么叫Simple？
答20：简化版的ITK，C++库的Python封装。

问21：sitk相比其他图像库的优势？
答21：保留医学图像元数据：间距、方向、原点。

第11行：import torchvision

问23：torchvision提供什么？
答23：计算机视觉的数据集、模型、变换工具。

问24：vision是指什么？
答24：计算机视觉，让计算机"看懂"图像。

第14行：import glob

问27：glob是做什么的？
答27：文件路径模式匹配，如*.jpg找所有jpg文件。

问28：glob这个名字的由来？
答28：global的缩写，全局通配符扩展。

问29：这里导入glob但没用到，可能的原因？
答29：可能原来用glob查找文件，后来改用os.listdir。

第15行：import pandas as pd

问30：pandas在这里可能的用途？
答30：读取CSV格式的标注信息或记录训练日志。

问31：为什么没用到？
答31：可能改用直接读取文件夹的方式。

第16行：import matplotlib.pyplot as plt

问32：pyplot是什么？
答32：matplotlib的面向对象绘图接口。

问33：为什么叫pyplot？
答33：模仿MATLAB的plot函数设计的Python版本。

第17行：from PIL import Image

问34：PIL是什么的缩写？
答34：Python Imaging Library。

问35：为什么已有PIL还要导入SimpleITK？
答35：PIL处理普通图像，SimpleITK处理医学图像的3D体积和元数据。

第18-23行：重复导入

问36：这么多重复导入说明什么？
答36：代码没有经过清理，可能是多次实验的累积。

第24行：import PIL

问37：已经from PIL import Image，为什么还import PIL？
答37：可能想用PIL的其他功能，但实际没用到。

第26行：images=os.listdir('D:/LiverDataset/image')

问38：listdir返回什么？
答38：文件夹内所有文件和子文件夹的名称列表。

问39：为什么用D盘？
答39：Windows系统，D盘通常是数据盘，C盘是系统盘。

问40：LiverDataset说明什么？
答40：Liver是肝脏，这是肝脏分割数据集。

第27行：labels=os.listdir('D:/LiverDataset/label')

问41：label和image的对应关系是什么？
答41：同名文件，一个是原图，一个是标注。

第29-30行：image_list=[] label_list=[]

问42：为什么要创建空列表？
答42：准备存储完整的文件路径。

问43：列表和数组的区别？
答43：列表可变长度、存储任意类型；数组固定类型、支持向量运算。

第32-35行：第一个for循环

for i in images:file_path='D:/LiverDataset/image/{}/{}'.format(i,i)print(file_path)image_list.append(file_path)

问44：format是什么？
答44：字符串格式化方法，{}是占位符。

问45：为什么路径是image/{}/{}两个i？
答45：数据组织是：image文件夹/病人ID文件夹/病人ID文件。

问46：append是什么操作？
答46：在列表末尾添加元素。

问47：print的作用？
答47：调试用，确认路径正确。

第37-40行：第二个for循环

for i in labels:file_path='D:/LiverDataset/label/{}/{}'.format(i,i)print(file_path)label_list.append(file_path)

问48：这段代码有什么问题？
答48：没有检查image和label是否一一对应。

第42-46行：getarrayFromslice函数

def getarrayFromslice(file_path):image=sitk.ReadImage(file_path)img_array=sitk.GetArrayFromImage(image)shape=img_array.shapeprint(shape)

问49：为什么函数名有From和slice？
答49：从切片文件获取数组，但命名不准确，应该是from volume。

问50：ReadImage读取的是什么格式？
答50：SimpleITK的Image对象，包含像素数据和元数据。

问51：GetArrayFromImage做了什么转换？
答51：从SimpleITK Image转为numpy array，丢弃元数据。

问52：shape会是什么样的？
答52：(切片数, 高度, 宽度)，如(512, 512, 512)。

第48-49行：调用函数

for i in image_list:getarrayFromslice(i)

问53：这个循环的目的是什么？
答53：检查所有图像的尺寸，确保数据一致性。

问54：为什么只打印不保存？
答54：这是数据探索阶段，了解数据结构。

第52-99行：D3UnetData类

第52-53行：类定义

class D3UnetData(Dataset):def __init__(self,image_list,label_list,transformer):

问55：D3是什么意思？
答55：3D的意思，表示三维U-Net。

问56：为什么继承Dataset？
答56：PyTorch要求，实现__getitem__和__len__接口。

问57：transformer是什么？
答57：图像变换操作，如缩放、裁剪。

第54-56行：初始化

self.image_list=image_list
self.label_list=label_list
self.transformer=transformer

问58：self是什么？
答58：实例自身的引用，Python的面向对象机制。

第58-59行：__getitem__方法

def __getitem__(self,index):image=self.image_list[index]label=self.label_list[index]

问59：index从哪里来？
答59：DataLoader自动生成，从0到len-1。

问60：为什么叫__getitem__不叫get_item？
答60：Python魔术方法，支持[]索引操作。

第62-63行：读取图像

image_ct=sitk.ReadImage(image,sitk.sitkInt16)
label_ct=sitk.ReadImage(label,sitk.sitkInt8)

问61：sitkInt16是什么？
答61：16位有符号整数，范围-32768到32767。

问62：为什么image用Int16，label用Int8？
答62：CT值范围大需要16位，标签只有0/1用8位省内存。

问63：CT值的范围是多少？
答63：-1000(空气)到+3000(骨骼)，单位是Hounsfield。

第65-66行：切片选择

ct_array=sitk.GetArrayFromImage(image_ct)[250:300]
label_array=sitk.GetArrayFromImage(label_ct)[250:300]

问64：为什么选250:300？
答64：肝脏在腹部中间位置，这50层大概覆盖肝脏区域。

问65：如果总共只有200层怎么办？
答65：会报错，代码没有边界检查。

第68行：二值化

label_array[label_array>0]=1

问66：这是什么操作？
答66：布尔索引，将所有大于0的值设为1。

问67：为什么要这样做？
答67：确保标签只有0和1两类，可能原始数据有多个器官标注。

第70行：类型转换

ct_array=ct_array.astype(np.float32)

问68：为什么转float32？
答68：神经网络计算需要浮点数，32位在精度和内存间平衡。

问69：float32和float64的区别？
答69：32位精度7位小数，64位精度15位，深度学习32位够用。

第72-73行：转为张量

ct_array=torch.FloatTensor(ct_array).unsqueeze(0)
label_array=torch.LongTensor(label_array)

问70：FloatTensor和LongTensor的区别？
答70：FloatTensor存浮点数，LongTensor存整数索引。

问71：unsqueeze(0)在哪个维度添加？
答71：第0维，[50,512,512]变[1,50,512,512]。

问72：为什么label不需要unsqueeze？
答72：CrossEntropyLoss期望标签是类别索引，不需要通道维。

第75-76行：应用变换

ct_array=self.transformer(ct_array)
label_array=self.transformer(label_array)

问73：transformer会做什么？
答73：这里是Resize到96×96，减少内存使用。

第78行：返回

return ct_array,label_array

问74：返回的是元组吗？
答74：是的，Python自动打包成元组。

第80-81行：__len__方法

def __len__(self):return len(self.image_list)

问75：为什么需要__len__？
答75：DataLoader需要知道数据集大小来创建批次。

我继续分析剩余的每一行代码…

第83-99行：D3UnetData_test类

问76：为什么要单独的test类？
答76：测试集可能需要不同的预处理或采样策略。

ct_array=sitk.GetArrayFromImage(image_ct)[200:250]

问77：为什么test用200:250，train用250:300？
答77：避免数据泄露，训练和测试用不同的切片。

问78：这样分割合理吗？
答78：不合理！应该按病人分，不是按切片分。

第103-105行：定义变换

transformer=transforms.Compose([transforms.Resize((96,96)),
])

问79：Compose是什么？
答79：组合多个变换，按顺序执行。

问80：为什么缩放到96×96？
答80：原始512×512太大，3D卷积内存消耗巨大。

问81：96这个数字有什么特殊？
答81：是32的倍数，适合多次下采样（96→48→24→12→6）。

第107-109行：创建数据集

train_ds=D3UnetData(image_list,label_list,transformer)
test_ds=D3UnetData_test(image_list,label_list,transformer)
len(train_ds)

问82：ds是什么缩写？
答82：dataset的缩写。

问83：为什么train和test用同样的image_list？
答83：这是错误！训练集和测试集应该是不同的病人。

第112-113行：创建DataLoader

train_dl=DataLoader(train_ds,batch_size=2,shuffle=True)
test_dl=DataLoader(test_ds,batch_size=2,shuffle=True)

问84：dl是什么缩写？
答84：dataloader的缩写。

问85：batch_size=2为什么这么小？
答85：3D医学图像占用内存大，[2,1,50,96,96]已经很大了。

问86：测试集为什么要shuffle？
答86：不应该！测试集应该shuffle=False保持顺序。

第117-118行：测试加载

img,label=next(iter(train_dl))
print(img.shape,label.shape)

问87：iter是什么？
答87：创建迭代器对象，可以用next获取下一个。

问88：next做什么？
答88：从迭代器获取一个批次。

第121-122行：可视化

img_show=img[0,0,25,:,:].numpy()
plt.imshow(img_show,cmap='gray')

问89：[0,0,25,:,:]各维度是什么？
答89：[批次0，通道0，第25层，所有高，所有宽]。

问90：为什么选第25层？
答90：50层的中间，最可能看到肝脏。

问91：cmap='gray’是什么？
答91：colormap灰度颜色映射，CT图像是灰度的。

第125-126行：显示标签

label_show=label[0,25,:,:].numpy()
plt.imshow(label_show,cmap='gray')

问92：标签为什么没有通道维度？
答92：标签是类别索引[batch,depth,height,width]。

第129-145行：DoubleConv类

class DoubleConv(nn.Module):def __init__(self,in_channels,out_channels,num_groups=8):

问93：nn.Module是什么？
答93：PyTorch所有神经网络层的基类。

问94：in_channels和out_channels是什么？
答94：输入和输出的特征图数量（通道数）。

self.double_conv=nn.Sequential(nn.Conv3d(in_channels,out_channels,kernel_size=3,stride=1,padding=1),

问95：Sequential是什么？
答95：顺序容器，依次执行内部的层。

问96：Conv3d的kernel_size=3是什么意思？
答96：3×3×3的立方体卷积核。

问97：stride=1表示什么？
答97：卷积核每次移动1个像素。

问98：padding=1的作用？
答98：边缘填充1圈0，保持尺寸不变。

nn.GroupNorm(num_groups=num_groups,num_channels=out_channels),

问99：为什么不用BatchNorm3d？
答99：批次太小(2)，统计不稳定，GroupNorm不依赖批次大小。

问100：归一化的目的是什么？
答100：稳定训练，防止梯度消失或爆炸。

nn.ReLU(inplace=True),

问101：ReLU是什么？
答101：Rectified Linear Unit，max(0,x)激活函数。

问102：inplace=True是什么意思？
答102：原地操作，覆盖输入省内存。

第148-151行：测试DoubleConv

img.shape
net=DoubleConv(1,64,num_groups=8)
out=net(img)
print(out.shape)

问103：1→64通道变化意味着什么？
答103：从单通道CT图提取64种不同的特征。

第154-161行：Down类（下采样）

class Down(nn.Module):def __init__(self, in_channels, out_channels):super().__init__()

问104：super().init()做什么？
答104：调用父类Module的初始化，注册参数。

self.encoder = nn.Sequential(nn.MaxPool3d(2, 2),DoubleConv(in_channels, out_channels)
)

问105：MaxPool3d(2,2)是什么操作？
答105：2×2×2窗口取最大值，尺寸减半。

问106：为什么先池化再卷积？
答106：U-Net的设计，减少分辨率同时增加通道数。

第164-179行：Up类（上采样）

class Up(nn.Module):def __init__(self, in_channels, out_channels, trilinear=True):

问107：trilinear是什么？
答107：三线性插值，3D图像的平滑上采样方法。

if trilinear:self.up = nn.Upsample(scale_factor=2, mode='trilinear', align_corners=True)
else:self.up = nn.ConvTranspose3d(in_channels // 2, in_channels // 2, kernel_size=2, stride=2)

问108：Upsample和ConvTranspose3d的区别？
答108：Upsample插值无参数，ConvTranspose3d有可学习参数。

问109：//是什么运算？
答109：整数除法，向下取整。

问110：align_corners=True是什么？
答110：对齐角点像素，影响插值计算方式。

def forward(self, x1, x2):x1 = self.up(x1)

问111：x1和x2分别是什么？
答111：x1是深层特征要上采样，x2是浅层特征要拼接。

diffZ = x2.size()[2] - x1.size()[2]
diffY = x2.size()[3] - x1.size()[3]
diffX = x2.size()[4] - x1.size()[4]

问112：为什么要计算差值？
答112：上采样可能有尺寸误差，需要padding对齐。

x1 = F.pad(x1, [diffX // 2, diffX - diffX // 2, diffY // 2, diffY - diffY // 2, diffZ // 2, diffZ - diffZ // 2])

问113：这个padding顺序是什么？
答113：[左右，上下，前后]每个维度的padding量。

问114：为什么用diffX - diffX // 2？
答114：处理奇数差值，如diff=3时，一边pad 1，另一边pad 2。

x = torch.cat([x2, x1], dim=1)

问115：dim=1是哪个维度？
答115：通道维度，拼接特征图。

第182-187行：Out类

class Out(nn.Module):def __init__(self, in_channels, out_channels):super().__init__()self.conv = nn.Conv3d(in_channels, out_channels, kernel_size = 1)

问116：kernel_size=1的作用？
答116：1×1×1卷积，只改变通道数不改变空间尺寸。

问117：这里out_channels应该是多少？
答117：2，对应背景和肝脏两类。

第190-216行：UNet3d类

class UNet3d(nn.Module):def __init__(self, in_channels, n_classes, n_channels):

问118：三个参数分别是什么？
答118：输入通道(1)、类别数(2)、基础通道数(24)。

self.conv = DoubleConv(in_channels, n_channels)
self.enc1 = Down(n_channels, 2 * n_channels)
self.enc2 = Down(2 * n_channels, 4 * n_channels)
self.enc3 = Down(4 * n_channels, 8 * n_channels)
self.enc4 = Down(8 * n_channels, 8 * n_channels)

问119：通道数为什么是24,48,96,192,192？
答119：每层翻倍增加特征，最后一层保持防止爆内存。

问120：enc是什么缩写？
答120：encoder编码器，提取特征。

self.dec1 = Up(16 * n_channels, 4 * n_channels)

问121：为什么是16×n_channels？
答121：8(enc4)+8(enc3跳跃连接)=16。

def forward(self, x):x1 = self.conv(x)x2 = self.enc1(x1)x3 = self.enc2(x2)x4 = self.enc3(x3)x5 = self.enc4(x4)

问122：x1到x5的尺寸变化？
答122：

• x1: [2,24,50,96,96]
• x2: [2,48,25,48,48]
• x3: [2,96,12,24,24]
• x4: [2,192,6,12,12]
• x5: [2,192,3,6,6]

mask = self.dec1(x5, x4)
mask = self.dec2(mask, x3)
mask = self.dec3(mask, x2)
mask = self.dec4(mask, x1)
mask = self.out(mask)

问123：为什么叫mask？
答123：分割结果是掩码，标记每个像素的类别。

第219-223行：创建模型

model=UNet3d(1,2,24).cuda()
img,label=next(iter(train_dl))
print(img.shape,label.shape)
img=img.cuda()
pred=model(img)

问124：.cuda()做什么？
答124：把模型和数据移到GPU上。

问125：24这个基础通道数怎么选的？
答125：平衡性能和内存，太小欠拟合，太大爆显存。

第228-229行：定义损失和优化器

loss_fn=nn.CrossEntropyLoss()
optimizer=torch.optim.Adam(model.parameters(),lr=0.00001)

问126：CrossEntropyLoss包含什么操作？
答126：LogSoftmax + NLLLoss，多分类标准损失。

问127：Adam是什么？
答127：Adaptive Moment Estimation，自适应学习率优化器。

问128：lr=0.00001为什么这么小？
答128：医学图像精度要求高，小学习率稳定训练。

第232-289行：train函数

from tqdm import tqdm
def train(epoch, model, trainloader, testloader):

问129：tqdm是什么？
答129：进度条库，显示训练进度。

correct = 0
total = 0
running_loss = 0
epoch_iou = []

问130：这些变量分别统计什么？
答130：正确像素数、总像素数、累计损失、每批次IOU。

model.train()

问131：model.train()做什么？
答131：启用dropout和batch normalization的训练模式。

for x, y in tqdm(trainloader):x, y = x.to('cuda'), y.to('cuda')

问132：为什么用.to(‘cuda’)而不是.cuda()？
答132：.to()更通用，可以指定设备字符串。

y_pred = model(x)
loss = loss_fn(y_pred, y)

问133：y_pred的形状是什么？
答133：[2,2,50,96,96]，批次×类别×深×高×宽。

optimizer.zero_grad()
loss.backward()
optimizer.step()

问134：这三步分别做什么？
答134：清除梯度、反向传播计算梯度、更新参数。

问135：为什么要zero_grad？
答135：PyTorch梯度会累积，不清零会叠加。

with torch.no_grad():y_pred = torch.argmax(y_pred, dim=1)

问136：no_grad()的作用？
答136：禁用梯度计算，节省内存。

问137：argmax在dim=1做什么？
答137：在类别维度取最大值索引，得到预测类别。

correct += (y_pred == y).sum().item()
total += y.size(0)

问138：.item()是什么？
答138：将单元素张量转为Python数值。

intersection = torch.logical_and(y, y_pred)
union = torch.logical_or(y, y_pred)
batch_iou = torch.sum(intersection) / torch.sum(union)

问139：logical_and和logical_or是什么运算？
答139：逻辑与（交集）和逻辑或（并集）。

问140：IOU的值域是什么？
答140：0到1，1表示完全重合。

epoch_loss = running_loss / len(trainloader.dataset)
epoch_acc = correct / (total*96*96*50)

问141：为什么除以total×96×96×50？
答141：总像素数=批次数×每批像素数。

model.eval()

问142：eval()模式改变什么？
答142：关闭dropout，batch norm用运行统计。

if np.mean(epoch_test_iou)>0.9:static_dict=model.state_dict()torch.save(static_dict,'./checkpoint/{}_trainIOU_{}_testIOU_{}.pth'.format(epoch,round(np.mean(epoch_iou), 3),round(np.mean(epoch_test_iou),3)))

问143：state_dict包含什么？
答143：模型所有参数的字典。

问144：.pth是什么格式？
答144：PyTorch的模型文件扩展名。

问145：round(x, 3)做什么？
答145：保留3位小数。

第292-301行：训练循环

epochs = 100
train_loss = []
train_acc = []
test_loss = []
test_acc = []

问146：为什么创建这些列表但没用？
答146：可能原计划画损失曲线，但没实现。

for epoch in range(epochs):train(epoch, model, train_dl, test_dl)

问147：range(epochs)生成什么？
答147：0到99的整数序列。

第305-318行：预测和可视化

img,label=next(iter(train_dl))
print(img.shape,label.shape)
img=img.to('cuda')
pred=model(img)

问148：为什么又预测一次？
答148：训练后查看效果。

label_show=label[0,20,:,:]
plt.imshow(label_show,cmap='gray')

问149：为什么选第20层？
答149：随意选择的中间层查看。

preds=pred.cpu()

问150：为什么要.cpu()？
答150：matplotlib不能直接显示GPU张量。

plt.imshow(torch.argmax(preds.permute(1,2,0), axis=-1).detach().numpy(),cmap='gray')

问151：这行代码有什么问题？
答151：维度不对！preds是5维的，不能直接permute(1,2,0)。

plt.imshow(torch.argmax(pred.permute(1,2,0), axis=-1).detach().numpy())

问152：这行和上一行的区别？
答152：用了pred而不是preds，但pred在GPU上会报错。

问153：detach()的作用？
答153：断开计算图，返回不需要梯度的张量。

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