轻量级肝脏与肝脏瘤2.5D分割网络阅读笔记
时间：2022-08-13 23:00:02
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作者丨李响
来源丨GiantPandaCV
文章目录
1 前言
2 方法概述
2.1 InceptionV1-V3 and convolution conversion
2.2 Residual block
2.3 2.5D 网络
3 RIU-Net 的整体结构
4 实验和可视化
5 总结
1 前言
最近一直在看医学图像的论文，所以打算写一系列的阅读笔记，语言比较简洁。上一篇阅读笔记（https://zhuanlan.zhihu.com/p在/505483978)中，分析了医学图像分割的混合物 Transformer 网络：UTNet，本笔记介绍的网络与 UTNet 思维完全不同，追求比较 U 设计更轻，但更准确。或者先给出论文地址(刚接收):https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1746809422000891 。
首先，分析本文的动机 LITS17 和 3DIRCADb 这类肝与肝肿瘤数据集3D 卷积网络具有学习上下文特征的能力，有效利用 CT 但训练和部署也会消耗大量的计算资源。因此，论文需要解决的问题是利用切片间的空间信息，保证分割的准确性。本阅读笔记首先总结论文中涉及的方法；然后详细介绍论文提出的内容 RIU-Net 结构；最后对实验和可视化部分进行了分析，并简要总结。
2 方法概述
这部分类似于前置依赖 Related Work，熟悉网络结构的读者可以省略相应的介绍。
2.1 InceptionV1-V3 and convolution conversion
先看下图 InceptionV1 并行包含模块1×1、3×3、5×5和7×7卷积核的大小。尽管该模块提高了网络的可行性，但它增加了网络参数。InceptionV2 使用两个3×3用卷积核代替一个5×5卷积序列，三个3×3用卷积核代替一个7×7卷积序列。InceptionV3 实现了将N×N更换卷积序列 为1×N和N×1卷积序列。3×3可替换卷积序列1×3和3×1卷积组合， 同理，5×5卷积序列可以替换为两组1×3和3×1卷积组合，7×7卷积序列可以替换为三组1×3和3×1卷积组合如下图所示（d），这里很清楚，这种处理使网络的参数更加理想化。
2.2 Residual block
关于 Res-Net 我就不多介绍想法了。在本文中，Residual block 也被嵌入到 InceptionV3 如下图所示。这样做，把 U-Net 的基础 block 替换为 RI(Res- Inception) 结构更薄更宽 Inception 卷积结构为基础卷积序列，具有残余连接，网络总参数比传统参数多 U-Net 降低了 节省计算资源的70%。
2.3 2.5D 网络
在医学图像分割中，充分利用医学图像切片间的空间信息非常重要。直接将 3D 图像输入网络，3D 图像将占据巨大的内存，或直接占用 3D 图像转换为 2D 图像，这也是不可取的，直接放弃了医学图像切片间的空间信息。所以出现了 2.5D 将一叠相邻切片作为网络的输入，生成与中心切片的分割图，既能节省计算资源，又能充分利用空间信息。
3 RIU-Net 的整体结构
在最后一部分，我们专注于论文中涉及的技术。基于此，让我们来看看网络的整体设计。网络架构是以 U-Net 为原型设计，模型仍呈现对称结构，左半部分为特征提取的编码器，右半部分为解码器，用于定位感兴趣的区域码器与解码器之间的普通跳跃连接，实现低语义信息与高语义特征的结合。整体框架由 9 个 RI(Res- Inception) 模块、4 下采样层，4 上采样层和一个1×1卷积层组成。如下图所示。
因为在肝脏和肝肿瘤的分割中，特别是肿瘤区域的大小不同，如果使用 U-Net 固定的卷积序列必然会限制感觉野，降低分割精度。这种设计可以通过不同的卷积核获得不同尺度图像的感觉野，从而保证分割精度。
4 实验和可视化
在这篇论文中，实验和可视化部分可以借鉴和使用 LiTS17 和 3DIRCADb 训练、验证和测试两个数据集。首先，让我们来看看消融实验的分，分别在两个数据集上进行消融实验分析。评价指标包括 Dice 系数、体积重叠误差(VOE)、相对体积误差(RVD)、平均对称表面距离(ASD)、均方根据对称面距离(RMSD)。
下表为消融分析 LiTS17/3DIRCADb 数据集上的肝脏定量分割结果，其中，RIU-Net-I 到 RIU-Net-IV 为不同的Inception，这对应于第二部分的介绍。
下表为消融分析 LiTS17/3DIRCADb 数据集中的肝肿瘤定量分割结果。如下图所示，红色代表肝脏区域，绿色代表肿瘤区域。
基于比较实验 VGGnet 框架的 FCN 网络、U-Net、R2U-Net、Attention U-Net 和 U-Net 以下是肝脏定量分割结果和肝肿瘤定量分割结果。RIU-Net 不但精度高，而且波动范围小。
如下图所示 6 种模型在 LiTS17 和 3DIRCADb 数据集中的可视化分割比较结果显示，论文中提出的网络效果瘤和小肿瘤时，论文中提出的网络效果更好。
最后，分别在下图中 LiTS17 和 3DIRCAb 数据集上分割肝脏和肝脏肿瘤 3D 错误可视化(红色和蓝色区域分别表示明显的过分和不分割错误，而绿色区域表示与黄金标准的一致性)。
5 总结
本文在保证精度的同时，大大降低了医学图像分割网络的参数。因此，我们需要关注培训和推理时间。下表显示了最低的比较时间成本。
综上所述，本文提出了一个医学图像肝肿瘤分割网络，其核心思想是建立一个轻量级网络，提取图像多尺度信息，充分节省计算资源。结合不同分辨率的特征图，可以避免过拟合。为节省计算资源，将 U-Net 所有卷积序列都被替换为 Inception 模块不仅可以减少参数，还可以提取更多的图像特征。此外，为了解决输入网络结构中的问题 2D 医学图像切片间的空间信息和图像无法使用 3D 图像又会占据巨大的内存的问题，论文中采用了 2.5D 输入形式，即将一叠相邻切片作为网络输入，并与中心切片生成分割图。最后，做了丰富的可视化工作。
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