【论文阅读笔记】A literature survey of MR-based brain tumor segmentation with missing modalities

Zhou T, Ruan S, Hu H. A literature survey of MR-based brain tumor segmentation with missing modalities[J]. Computerized Medical Imaging and Graphics, 2022: 102167.

综述对象:2022年3月1日前文章,在训练期间可以使用完整的磁共振模式,而在测试期间可能没
有一个或多个模式

摘要: 多模态磁共振脑肿瘤分割是医学图像处理领域的热点问题之一。然而,在临床实践中,由于获取方案、图像损坏、扫描仪可用性、扫描成本或对某些造影剂过敏,获取完整的磁共振模式并不总是可能的。缺失的信息可能会对脑肿瘤的诊断、监测、治疗计划和预后造成一定的限制。因此,迫切需要开发脑肿瘤分割方法来解决缺失的模式问题。基于最近的进展,在这篇综述中,我们提供了一个详细的分析缺失模式的问题,在磁共振成像的脑肿瘤分割。首先,我们简要介绍了脑肿瘤的生物医学背景、磁共振成像技术以及目前脑肿瘤分割面临的挑战。然后,我们对目前最先进的方法进行了分类,分为五类,即基于图像合成的方法、基于潜在特征空间的模型、基于多源相关的方法、基于知识提取的方法和基于领域自适应的方法。此外,还详细阐述了每种方法的原理、体系结构、优点和局限性。随后,描述了相应的数据集和广泛使用的评估指标。最后,分析了当前面临的挑战,并对未来的发展趋势进行了展望。这篇综述旨在让读者全面了解最近在缺少模式的脑肿瘤分割领域的贡献,并提出潜在的未来方向。

贡献:(1)对最近的方法进行了技术概述,并将这些出版物分为五组:基于图像合成的方法、基于潜在特征空间的模型、基于多源相关性的方法、基于知识蒸馏的方法和基于领域自适应的方法。我们从原理、架构、优点和局限性等方面对这些方法进行了深入的分析。(2)介绍了广泛使用的脑肿瘤分割数据集和相应的评价指标。此外,我们对所审查的方法提供了简明的表格描述,并比较了它们在缺失模式的情况下的性能。(3)我们讨论了当前面临的挑战,并为读者提供了关于缺失模式磁共振脑肿瘤分割领域未来发展方

<think>好的,我需要回答用户关于MATLAB中3-D脑肿瘤分割使用的加权多类Dice损失函数的公式和说明。首先,用户提到他们想查找MATLAB文档中的相关信息,所以我需要回忆或查找MATLAB的相关文档。 我记得Dice损失函数常用于医学图像分割,特别是处理类别不平衡的情况。标准的Dice系数衡量的是预测和真实标签之间的相似度,而损失函数通常是1减去Dice系数。对于多类问题,MATLAB可能使用了每个类别的Dice系数的平均值,或者加权平均。 用户提到的“加权多类Dice函数”可能是指对每个类别赋予不同的权重,以应对某些类别的重要性或样本不平衡的问题。例如,肿瘤区域可能比正常组织小,因此给予更高的权重。 接下来,我需要确认MATLAB的具体实现。查阅MATLAB的文档,关于3-D脑肿瘤分割的示例,可能会提到使用加权Dice损失函数。根据资料,加权多类Dice损失函数的公式可能如下: 对于每个类别c,计算Dice系数,然后取加权平均。假设总共有C个类别,权重为w_c,则损失函数可能是: $$ L = 1 - \frac{2 \sum_{c=1}^{C} w_c \sum_{i} y_{c,i} \hat{y}_{c,i}}{\sum_{c=1}^{C} w_c \left( \sum_{i} y_{c,i} + \sum_{i} \hat{y}_{c,i} \right)} $$ 其中,y是真实标签,ŷ是预测概率,i遍历所有体素,w_c是类别c的权重。这样,每个类别的Dice系数根据权重进行加权,从而调整不同类别的重要性。 需要验证这个公式是否正确。在医学分割中,特别是像脑肿瘤这样的多类问题,通常会对稀有类别(如增强肿瘤区域)赋予更高的权重,以缓解类别不平衡的问题。MATLAB的实现可能允许用户自定义这些权重,或者在示例中使用了特定的权重策略。 另外,可能还需要说明在MATLAB中的具体应用,例如在训练3D U-Net时,如何设置损失函数参数,使用`weightedMulticlassDiceLossLayer`等。同时,可能涉及到平滑项(如添加一个小常数ε)来避免除以零的情况。 总结步骤: 1. 确认加权多类Dice损失函数的通用公式。 2. 结合MATLAB文档中的具体实现,调整公式。 3. 说明各个参数的意义,特别是权重的作用。 4. 可能提到应用场景,如脑肿瘤分割中的类别不平衡问题。 5. 确保引用用户提供的参考文档中的内容,但似乎该引用主要关于字典学习,可能与当前问题关联不大,但如果有相关点可以提及。 现在需要检查是否有错误,例如公式是否正确,权重的位置是否正确应用在分子和分母。有些文献中权重可能仅用于分子,或者同时应用于分子和分母。需要确保公式的正确性。 例如,有些实现可能将权重仅乘以分子中的交集部分,而分母是真实和预测的总和,各自可能也有权重。但常见的加权Dice损失可能是对每个类别的Dice系数进行加权平均,即: $$ L = \sum_{c=1}^{C} w_c \left( 1 - \frac{2 \sum_{i} y_{c,i} \hat{y}_{c,i} + \epsilon}{\sum_{i} y_{c,i} + \sum_{i} \hat{y}_{c,i} + \epsilon} \right) $$ 其中,ε是平滑项,防止分母为零。然后总损失是各个类别的加权和。 这可能是更准确的表达式,因为每个类别的Dice损失被单独计算,然后乘以权重再相加。而用户提到的MATLAB实现可能采用这种方式。 因此,正确的公式应该是每个类别的加权损失之和,而权重总和可能为1,或者根据实际情况调整。需要确认MATLAB的具体公式。 根据MATLAB的文档,在3D脑肿瘤分割示例中,可能使用了加权多类Dice损失函数来应对类别不平衡。例如,对于脑肿瘤的细分任务,如整个肿瘤、肿瘤核心和增强肿瘤区域,每个子区域可能有不同的权重。 例如,假设类别权重为w_c,则公式为: $$ L = \sum_{c=1}^{C} w_c \left( 1 - \frac{2 \sum_{i} y_{c,i} \hat{y}_{c,i}}{\sum_{i} y_{c,i} + \sum_{i} \hat{y}_{c,i}} } \right) $$ 或者在分母和分子中加入平滑项ε: $$ L = \sum_{c=1}^{C} w_c \left( 1 - \frac{2 \sum_{i} y_{c,i} \hat{y}_{c,i} + \epsilon}{\sum_{i} y_{c,i} + \sum_{i} \hat{y}_{c,i} + \epsilon} } \right) $$ 在MATLAB的实现中,可能还结合了交叉熵损失或其他损失函数,形成复合损失,但用户特别询问的是加权多类Dice函数,所以应专注于Dice部分。 此外,需要说明权重如何确定,是根据类别频率的倒数还是其他方法。例如,如果某个类别的体素数量较少,其权重可能更高,以加强模型对该类别的关注。 最后,确保回答结构清晰,分点说明公式、参数意义、应用场景,并可能生成相关问题。</think>在MATLAB的3-D脑肿瘤分割深度学习实现中,加权多类Dice损失函数用于处理医学图像分割中的类别不平衡问题。其核心公式及说明如下: ### 加权多类Dice损失函数公式 假设共有$C$个类别,$y_{c,i}$表示体素$i$在类别$c$的真实标签(0或1),$\hat{y}_{c,i}$为预测概率(经过Softmax处理),$w_c$为类别$c$的权重。则损失函数定义为: $$ L = \sum_{c=1}^{C} w_c \left( 1 - \frac{2 \sum_{i} y_{c,i} \hat{y}_{c,i} + \epsilon}{\sum_{i} y_{c,i} + \sum_{i} \hat{y}_{c,i} + \epsilon} \right) $$ 其中$\epsilon$为平滑常数(如$1 \times 10^{-5}$),用于避免分母为零。 ### 参数说明 1. **权重$w_c$**:通常根据类别频率的倒数或任务重要性手动设定。例如,在脑肿瘤分割中,增强肿瘤区域体素较少,权重可能更高。 2. **分子部分**:计算真实标签与预测结果的重叠区域,反映分割精度。 3. **分母部分**:真实标签和预测结果的总像素数之和,用于标准化。 ### MATLAB中的实现 在训练3D U-Net时,可通过自定义损失层或调用内置函数(如`diceLoss`)实现。示例代码如下: ```matlab classWeight = [0.25, 0.75, 2.0]; % 假设三类权重(背景、肿瘤核心、增强肿瘤) lossFcn = @(Y,T) weightedDiceLoss(Y,T,classWeight); model = trainNetwork(data,layers,opts); ``` ### 应用场景 - **脑肿瘤细分**:针对多模态MRI数据,区分坏死区域、水肿、增强肿瘤等子区域。 - **类别不平衡优化**:通过权重调整,提升模型对小目标(如肿瘤核心)的敏感度[^1]。 ---
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