Structure Boundary Preserving Segmentation for Medical Image with Ambiguous Boundary

本文聚焦医疗影像处理中边界模糊问题,提出新框架。该框架提出边界关键点选择算法,通过BPB和BPMG编码关键点,以对抗方式训练SBE。实验表明,此框架可嵌入不同分割网络,在两个数据集上提升性能,改善边界分割精度。

具有模糊边界的医疗影像边界结构保护分割

论文标题

Structure Boundary Preserving Segmentation for Medical Image with Ambiguous Boundary

论文来源

[CVPR 2020] https://openaccess.thecvf.com/content_CVPR_2020/html/Lee_Structure_Boundary_Preserving_Segmentation_for_Medical_Image_With_Ambiguous_Boundary_CVPR_2020_paper.html

1 背景梳理

在医疗影像处理领域,想要获得准确的分割结果往往存在以下挑战:边界结构模糊、异质性纹理以及缺乏领域知识的分割区域不确定性,即使是专家也会由于经验技巧的差异从而给出不同的描述。随着深度学习的发展,越来越多的自动分割方法被提出,但是很少有方法将医疗影像的特点或难点比如边界结构模糊和异质性纹理显式地考虑进来。如下图所示,在面对边界模糊的医疗超声影像时,U-Net [1]并不能很好地实现边界细节的分割。因此本文着重从以下两个角度切入:

  • 由于成像质量以及异质性纹理等因素,医疗图像往往边界结构模糊
  • 在没有专家知识的情况很难自动预测出正确的目标区域

2 论文贡献

文章的方法设计上的贡献主要有:

  • 提出了一种可用于拟合目标区域的边界关键点选择算法,随后通过 Boundary Preserving Block (BPB) 和 Boundary Point Map Generator (BPMG) 来编码选择好的关键点。
  • 在不需要用户交互的情况下自动使用边界关键点信息。以对抗的方式使用 Shape Boundary-aware Evaluator (SBE) 训练网络,并将分割区域是否与关键点一致反馈给分割网络。
  • 提出的方法可以泛化到不同的分割模型,并通过实验验证了有效性。

3 方法

网络整体的框架如下图所示,由分割网络、Boundary Preserving Block (BPB)、Shape Boundary-aware Evaluator (SBE) 组成。

Boundary Key Point Selection Algorithm:
首先对ground-truth segmentation map使用传统的边缘检测算法。在边界上随机选择nnn个点构成点集,其中tt

### 基于模糊粗糙集的医学图像分割中的边界损失方法 在医学图像分割任务中,边界损失(Boundary-wise Loss)是一种优化策略,用于提高模型对目标边界区域的敏感性。这种方法通过显式地关注对象的边缘区域,能够显著改善分割结果的质量,尤其是在处理复杂的解剖结构时[^1]。 基于模糊粗糙集的医学图像分割结合了模糊逻辑和粗糙集理论,旨在处理数据的不确定性与不完整性。模糊粗糙集的核心思想是利用上下近似来定义边界区域,并通过这些区域的特性设计损失函数。具体来说,边界损失方法通常会结合以下几种技术: 1. **模糊集合定义**: 在模糊粗糙集中,目标边界可以通过模糊隶属度函数来表示。这种表示方式允许将像素的不确定性纳入考虑范围,从而更准确地描述边界区域[^2]。 2. **边界损失公式化**: 边界损失函数的设计通常是基于边缘检测算子(如Sobel或Canny)的结果。通过将预测边界与真实边界进行比较,边界损失可以量化模型在边界区域的表现。一个常见的公式为: ```python def boundary_loss(y_true, y_pred): # 计算真实边界和预测边界的差异 true_boundary = compute_boundary(y_true) pred_boundary = compute_boundary(y_pred) loss = tf.reduce_mean(tf.abs(true_boundary - pred_boundary)) return loss ``` 这里的 `compute_boundary` 是一个边缘检测函数,能够提取输入图像中的边界信息[^3]。 3. **结合模糊粗糙集**: 模糊粗糙集理论被用来增强边界损失的鲁棒性。例如,可以通过定义模糊上下近似来重新构建损失函数,使得模型更加关注不确定区域的优化。这一过程可以有效减少过拟合现象,同时提升分割精度[^4]。 4. **综合优化策略**: 为了进一步提升性能,边界损失通常与其他损失函数(如Dice Loss或Cross-Entropy Loss)结合使用。这种组合策略能够在全局和局部层面同时优化模型表现[^5]。 ```python def combined_loss(y_true, y_pred): dice_loss_value = dice_loss(y_true, y_pred) boundary_loss_value = boundary_loss(y_true, y_pred) total_loss = dice_loss_value + 0.5 * boundary_loss_value return total_loss ``` 上述代码展示了如何将Dice Loss与边界损失结合,形成一种综合的损失函数。 ### 相关问题
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