论文阅读:基于深度学习的肺肿瘤PET-CT图像融合

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3. 基于协同学习机制的 CNN 肺肿瘤图像融合


3.1 网络架构


image.png
三部分:

  • 两个独立的编码器
  • 协同学习与融合模块
  • 图像重建部分

3.1.1 特定模态编码器


编码器:
(卷积层×2+最大池化层)×3

每一 次卷积后都进行以 0 为均值,单位方差分布的归一化。
归一化之后再使用 LeakyReLU 函数进行激活。

卷积层输出:
F=LeakyReLU(W∗X+b)F = LeakyReLU(W*X+b)F=LeakyReLU(WX+b)

image.png

3.1.2 协同学习CNN激活函数


ReLU
LeakyReLU

3.1.3 协同学习CNN损失函数


交叉熵损失函数

e=−[ylog(p)+(1−y)log(1−p)]e = -[ylog(p)+(1-y)log(1-p)]e=[ylog(p)+(1y)log(1p)]

3.1.4 多模态特征协同学习和融合模块


(1)协同学习

两部分:
协同学习单元
融合操作

FCT:w∗h∗cF_{CT}: w*h*cFCT:whc
FPET:w∗h∗cF_{PET}: w*h*cFPET:whc
穿插堆叠:Xmulti:w∗h∗2cX_{multi}: w*h*2cXmulti:wh2c
卷积核:j∗j∗mj*j*mjjm,m是模态数=2

融合图计算公式:
Ffusion=LeakyReLU(Wmulti∗Xmulti+bmulti)F_{fusion} = LeakyReLU(W_{multi}*X_{multi}+b_{multi})Ffusion=LeakyReLU(WmultiXmulti+bmulti)

image.png

(2)融合

融合计算公式:
Fco−learned=Ffusion⊗(FCT⊕FPET)F_{co-learned} = F_{fusion} \otimes (F_{CT}\oplus F_{PET})Fcolearned=Ffusion(FCTFPET)
像素级相乘,利用FfusionF_{fusion}Ffusion加权。

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3.1.5 重建


最高一级FfusionF_{fusion}Ffusion进行一次 上采样和两次卷积,然后与比其低一级的FfusionF_{fusion}Ffusion进行堆叠,之后再次进行上述操作, 重复至所有尺度FfusionF_{fusion}Ffusion均完成以上操作。
反卷积部分 使用批量标准化和 LeakyReLU 函数进行激活。

3.2 肺肿瘤图像融合实验


PET 图像的分辨率 为 168×168,CT 图像的分辨率为 512×512。
CT 图像去除轮廓外目标。

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PET 图像先上采样,再配准。

image.png

整理后共有 800 对多模态 PET/CT 肺肿瘤图片用于图像融合,经过尺度变换、裁剪等数据增强方法,将训练集扩大到 2500 对多模态图片。其中 80%用于训练,20%用于测试。

3.3 实验结果与分析


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4. 基于 VGG19-GAN 的肺肿瘤图像融合


4.1 VGG19-GAN 图像融合框架


融合框架:
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合成图像是运行过程中唯一需要更新的数据,即融合所需迭代的参数。
在生成合成图像时,VGG19 模型参数在训练中无须更新。

选取第八到第十二个卷积层(Convolution 3x3-512)输出内容特征;
其余层输出风格特征。

4.2 VGG19 卷积神经网络


VGG模型框架:
在这里插入图片描述

4.3 VGG19-GAN损失函数


4.3.1 Gram矩阵


n 维欧式空间中任意 k 个向量之间两两的内积所组成的矩阵,称为这 k 个向量的格拉姆矩阵(Gram matrix)

image.png
A×ATA \times A^TA×AT就是A的Gram矩阵。

Gram 矩阵是一种基于特征表示的统计方法,通常用于计算输入图像的风格信息。
对于输入图像,首先使用 CNN 提取出其在某一层的特征图(C×H×W),
Gram 矩阵的计算可以通过将该特征图重塑为一个大小为 C×H×W 的矩阵,
然后计算其转置矩阵和自身的乘积得到,
Gij=∑k=1CFikFjkG_{ij} = \sum_{k=1}^{C} F_{ik} F_{jk}Gij=k=1CFikFjk
FikF_{ik}Fik表示特征图中第i个通道的第k个像素值;
FjkF_{jk}Fjk表示特征图中第j个通道的第k个像素值;
GijG_{ij}Gij表示第݅个通道和第݆个通道之间的相关性。

4.3.2 损失函数分析


(1)内容损失

平方误差,L2损失。
Econtent=12∑i=1n(yi−ti)2E_{content} = \frac{1}{2} \sum_{i=1}^n (y_i - t_i)^2Econtent=21i=1n(yiti)2

(2)风格损失

Gram 矩阵实质上是不同特征之间的偏心协方差矩阵。
在每个特征层中,每个数字代表了特定位置的特定卷积核卷积所得到的结果,反映了相应特征的显著程度和两两特征之间的相关性。
对角线元素还可以表明每个特征在图像中出现的频率。

假设有两个图像ܺ和ܻ,它们的 Gram 矩阵分别为GXG_XGXGYG_YGY。那么生成图像的风格损失函数为它们 Gram 矩阵之间的均方误差。
Estyle(X,Y)=1C2×H2×W2∑i=1C∑j=1C∑k=1H∑l=1W(GXi,j(k,l)−GYi,j(k,l))2E_{style}(X,Y) = \frac{1}{C^2 \times H^2 \times W^2} \sum_{i=1}^C \sum_{j=1}^C \sum_{k=1}^H \sum_{l=1}^W(G_{X_{i,j}}(k,l) - G_{Y_{i,j}}(k,l))^2Estyle(X,Y)=C2×H2×W21i=1Cj=1Ck=1Hl=1W(GXi,j(k,l)GYi,j(k,l))2

(3)生成图像损失

生成目标的损失函数是内容损失函数和风格损失函数的加权和。
E(G)=αEcontent(C,G)+βEstyle(S,G)E(G) = \alpha E_{content}(C,G) + \beta E_{style}(S,G)E(G)=αEcontent(C,G)+βEstyle(S,G)
C为内容图像,S为风格图像,G代表了生成图像。

4.4 VGG19-GAN激活函数


Softmax 函数,又称归一化指数函数。

image.png

4.5 VGG19-GAN 的肺肿瘤图像融合实验


将不同模态的图像分别作为 Content 图像与 Style 图像作为输入查看融合结果, 将两个模态的输入进行互换再次查看输出结果。

4.6 实验结果与分析


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