U-NET 神经网络为什么会在医学图像分割表现好?

技术讨论 Admin ⋅ 于 3个月前 ⋅ 1370 阅读

作者:王沈(Shawn)
来源:https://www.zhihu.com/question/269914775/answer/586501606

Unet网络在被提出后,就大范围地用于医学图像的分割。其能在医学图像展现优秀的性能和它本身网络结构存在怎样的一种联系?这个问题在面试医疗影像算法岗位的时候,偶尔会提到,我这里提供一些个人的思考。问题中有两个关键词,【UNet】和【医疗影像】,接下来我们一一分析这两个关键词。

首先我们说说【UNet】

UNet最早发表在2015的MICCAI上,短短3年,引用量目前已经达到了4070,足以见得其影响力。而后成为大多做医疗影像语义分割任务的baseline,也启发了大量研究者去思考U型语义分割网络。而如今在自然影像理解方面,也有越来越多的语义分割和目标检测SOTA模型开始关注和使用U型结构,比如语义分割Discriminative Feature Network(DFN)(CVPR2018),目标检测Feature Pyramid Networks for Object Detection(FPN)(CVPR 2017)等。


我们言归正传,UNet只是一个网络结构的代号而已,我们究其细节,到底UNet是由哪些组件构成的呢?


UNet的结构,我认为有两个最大的特点,U型结构和skip-connection(如下图)。
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UNet的encoder下采样4次,一共下采样16倍,对称地,其decoder也相应上采样4次,将encoder得到的高级语义特征图恢复到原图片的分辨率。 相比于FCN和Deeplab等,UNet共进行了4次上采样,并在同一个stage使用了skip connection,而不是直接在高级语义特征上进行监督和loss反传,这样就保证了最后恢复出来的特征图融合了更多的low-level的feature,也使得不同scale的feature得到了的融合,从而可以进行多尺度预测和DeepSupervision。4次上采样也使得分割图恢复边缘等信息更加精细。

其次我们聊聊【医疗影像】

医疗影像有什么样的特点呢(尤其是相对于自然影像而言)?

1.图像语义较为简单、结构较为固定。我们做脑的,就用脑CT和脑MRI,做胸片的只用胸片CT,做眼底的只用眼底OCT,都是一个固定的器官的成像,而不是全身的。由于器官本身结构固定和语义信息没有特别丰富,所以高级语义信息和低级特征都显得很重要(UNet的skip connection和U型结构就派上了用场)。举两个例子直观感受下。


A.脑出血. 在CT影像上,高密度的区域就大概率是一块出血,如下图红色框区域。
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B.眼底水肿。左图原图,右图标注(不同灰度值代表不同的水肿病变区域)。在OCT上,凸起或者凹陷的区域就大概率是一个水肿病变的区域。
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2.数据量少。医学影像的数据获取相对难一些,很多比赛只提供不到100例数据。所以我们设计的模型不宜多大,参数过多,很容易导致过拟合。


原始UNet的参数量在28M左右(上采样带转置卷积的UNet参数量在31M左右),而如果把channel数成倍缩小,模型可以更小。缩小两倍后,UNet参数量在7.75M。缩小四倍,可以把模型参数量缩小至2M以内,非常轻量。个人尝试过使用Deeplab v3+和DRN等自然图像语义分割的SOTA网络在自己的项目上,发现效果和UNet差不多,但是参数量会大很多。


3.多模态。相比自然影像,医疗影像比较有趣和不同的一点是,医疗影像是具有多种模态的。以ISLES脑梗竞赛为例,其官方提供了CBF,MTT,CBV,TMAX,CTP等多种模态的数据。
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这就需要我们更好的设计网络去提取不同模态的特征feature。这里提供两篇论文供大家参考。

  • Joint Sequence Learning and Cross-Modality Convolution for 3D Biomedical Segmentation(CVPR 2017)
  • Dense Multi-path U-Net for Ischemic Stroke Lesion Segmentation in Multiple Image Modalities.



4.可解释性重要。由于医疗影像最终是辅助医生的临床诊断,所以网络告诉医生一个3D的CT有没有病是远远不够的,医生还要进一步的想知道,病灶在哪一层,在哪一层的哪个位置,分割出来了吗,能求体积嘛?同时对于网络给出的分类和分割等结果,医生还想知道为什么,所以一些神经网络可解释性的trick就有用处了,比较常用的就是画activation map。看网络的哪些区域被激活了,如下图。
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这里推荐两篇工作: @周博磊 老师的Learning Deep Features for Discriminative Localization(CVPR2016)和其实验室同学的 Deep Learning for Identifying Metastatic Breast Cancer(上图的出处)

BTW:没有偏题的意思,只是觉得医疗影像的特点和本问题息息相关,就一起总结了。



最后提一个问题,引发关注医疗影像的同学们思考和讨论?


前面有提到,UNet成为大多做医疗影像语义分割任务的baseline,也启发了大量研究者去思考U型语义分割网络。 那UNet还有什么不足呢?欢迎大家关注我的项目UNet-family,寻找答案:
https://github.com/ShawnBIT/UNet-family

同时也推荐,UNet++作者 @周纵苇 的分享:研习Unet:
https://zhuanlan.zhihu.com/p/44958351

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