ERV-Net:一种用于脑肿瘤分割的高效3D残差神经网络| 文献速递-深度学习肿瘤自动分割

Title

题目

ERV-Net: An efficient 3D residual neural network for brain tumor segmentation

ERV-Net:一种用于脑肿瘤分割的高效3D残差神经网络

01

文献速递介绍

脑肿瘤在全球范围内是致命的,与其他类型的肿瘤相比。胶质瘤是最具侵略性的脑肿瘤类型,通常分为高级别(HGG)和低级别(LGG)。胶质瘤的常见治疗方法包括放疗、化疗和手术(Tabatabai等,2010年),这些治疗方法依赖于医学影像分析。磁共振成像(MRI)是诊断胶质瘤最有用的辅助工具,因为它可以提供非侵入性成像和基于多模态图像的补充信息(Bauer,Wiest,Nolte和Reyes,2013年)。2018年多模态脑肿瘤分割挑战数据集(BRATS 2018)提供了四种不同的模态,即T1加权(T1)、T2加权(T2)、具有对比增强的T1加权(T1C)和液体衰减反转恢复(FLAIR)。对胶质瘤的精确分割不仅对准确评估至关重要,而且对治疗计划也很重要。然而,手动分割是一个复杂的项目,因为不同的医师在培训过程中可能具有不同的标准,因此会受到不确定误差的影响(Nyúl,Udupa和Zhang,2000年)。特别是,将其分割成类间和类内是一项极其艰巨和具有挑战性的任务。由于胶质瘤的类内具有可变的形状、位置和规律性(Pereira,Pinto,Alves和Silva,2016),即使是专家也很难识别。而且,肿瘤通常被健康的脑组织包围,例如脑脊液、灰质、白质(Havaei等,2017),导致模糊的肿瘤边界。此外,由于不同协议、设备和患者导致的噪声和强度不均匀性等伪影(Tustison等,2010年),也增加了分割的难度。

Abstract

摘要

Brain tumors are the most aggressive and mortal cancers, which lead to short life expectancy. A reliable and efficient automatic or semi-automatic segmentation method is significant for clinical practice. In recent years, deep learning-based methods achieve great success in brain tumor segmentation. However, due to the limitation of parameters and computational complexity, there is still much room for improvement in these methods. In this paper, we propose an efficient 3D residual neural network (ERV-Net) for brain tumor segmentation, which has less computational complexity and GPU memory consumption. In ERV-Net, a computation-efficient network, 3D ShuffleNetV2, is firstly utilized as encoder to reduce GPU memory and improve the efficiency of ERV-Net, and then the decoder with residual blocks (Res-decoder) is introduced to avoid degradation. Furthermore, a fusion loss function, which is composed of Dice loss and Cross-entropy loss, is developed to solve the problems of network convergence and data imbalance. Moreover, a concise and effective post-processing method is proposed to refine the coarse segmentation result of ERV-Net. The experimental results on the dataset of multimodal brain tumor segmentation challenge 2018 (BRATS 2018) demonstrate that ERV-Net achieves the best performance with Dice of 81.8%, 91.21% and 86.62% and Hausdorff distance of 2.70 mm, 3.88 mm and 6.79 mm for enhancing tumor, whole tumor and tumor core, respectively. Besides, ERV-Net also achieves high efficiency compared to the state-of-the-art methods.

脑肿瘤是最具侵略性和致命性的癌症之一,导致患者预期寿命较短。对于临床实践而言,一种可靠高效的自动或半自动分割方法至关重要。近年来,基于深度学习的方法在脑肿瘤分割方面取得了巨大成功。然而,由于参数和计算复杂性的限制,这些方法仍有很大的改进空间。本文提出了一种用于脑肿瘤分割的高效3D残差神经网络(ERV-Net),具有较低的计算复杂性和GPU内存消耗。在ERV-Net中,首先利用了计算高效的网络3D ShuffleNetV2作为编码器,以减少GPU内存并提高ERV-Net的效率,然后引入了具有残差块(Res-decoder)的解码器以避免性能退化。此外,还开发了一个融合损失函数,由Dice损失和交叉熵损失组成,以解决网络收敛和数据不平衡的问题。此外,还提出了一种简洁有效的后处理方法,以完善ERV-Net的粗分割结果。对2018年多模态脑肿瘤分割挑战数据集(BRATS 2018)的实验结果表明,ERV-Net在增强性肿瘤、全肿瘤和肿瘤核心方面分别达到了81.8%、91.21%和86.62%的Dice系数以及2.70 mm、3.88 mm和6.79 mm的Hausdorff距离,性能最佳。此外,与最先进的方法相比,ERV-Net也实现了高效率。

Method

方法

Fig. 1 shows the overview of the proposed method. Pre-processing and data augmentation techniques are firstly applied to the patches during the training. Secondly, ERV-Net, an efficient residual neural network, is introduced for brain tumor segmentation. Then, we propose a fusion loss function by combining a Dice loss and a Cross-entropy loss to keep training stable and reduce the impact of imbalanced data. Finally, a concise and effective post-processing method is proposed to further refine the segmentation result of ERV-Net.

图1 展示了提出方法的概述。在训练过程中,首先对补丁进行预处理和数据增强技术。其次,引入了ERV-Net,一种高效的残差神经网络,用于脑肿瘤分割。然后,我们提出了一个融合损失函数,将Dice损失和交叉熵损失相结合,以保持训练稳定并减少数据不平衡的影响。最后,提出了一种简洁有效的后处理方法,进一步改进ERV-Net的分割结果。

Conclusion

结论

In this paper, we proposed an efficient 3D residual neural network, i. e., ERV-Net for brain tumor segmentation. In order to obtain high performance and efficiency, we firstly utilized a very deep neural network with lightweight as the encoder of ERV-Net, which acquired a large receptive field and reduced the number of parameters. We verified the validity of our idea by comparing the performance and efficiency of the proposed method with three different encoders. Secondly, since the encoder-decoder architecture with a large number of convolutional layers was prone to get degradation, we presented a shallow decoder with residual blocks to alleviate the problem of degradation. The results demonstrated that the decoder with residual blocks outperformed the decoder without residual blocks. In addition, we proposed a fusion loss function by combing the advantages of Cross-entropy and Dice. We found that only using Cross-entropy or Dice as a loss function would lead to poor performance caused by imbalanced data or convergence issues. In particular, we proposed a novel post-processing method that taken full advantages of the probability of neural network and the distribution characteristics of brain tumors, which effectively improved our segmentation performance. Moreover, we compared the proposed method with the state-of-the-art approaches on the BRATS 2018 challenge. The results demonstrated that ERV-Net not only achieved the best performance, but also has the lowest computational complexity. From the comparison, we can find that although ERV-Net has the best efficiency, there is still room for improvement in decoder, since we do not consider the lightweight of decoder. In the future, we will continue to reduce the number of network parameters by applying lightweight technique in decoder. Besides, we will increase the layers of ERV-Net to obtain bigger receptive field, which aims to further improve the performance of ERV-Net. We will also try to replicate our model on the open-source deep learning platform paddle.

本文提出了一种高效的3D残差神经网络,即ERV-Net,用于脑肿瘤分割。为了获得高性能和高效率,我们首先利用了一个非常深的神经网络作为ERV-Net的编码器,该编码器具有轻量级特性,可以获取大的感受野并减少参数数量。我们通过将所提出的方法与三种不同的编码器进行性能和效率比较来验证我们的想法的有效性。其次,由于具有大量卷积层的编码器-解码器结构容易出现退化问题,我们提出了一个浅的残差块解码器来缓解退化问题。结果表明,具有残差块的解码器优于没有残差块的解码器。此外,我们提出了一个融合损失函数,结合了交叉熵和Dice的优点。我们发现,仅使用交叉熵或Dice作为损失函数会导致由于数据不平衡或收敛问题而导致性能较差。特别是,我们提出了一种新颖的后处理方法,充分利用了神经网络的概率和脑肿瘤的分布特性,有效提高了我们的分割性能。此外,我们将所提出的方法与BRATS 2018挑战中的最先进方法进行了比较。结果表明,ERV-Net不仅实现了最佳性能,而且具有最低的计算复杂度。

从比较中可以发现,虽然ERV-Net具有最佳的效率,但在解码器方面仍有改进的空间,因为我们并未考虑解码器的轻量级。在未来,我们将继续通过在解码器中应用轻量级技术来减少网络参数的数量。此外,我们将增加ERV-Net的层数,以获得更大的感受野,从而进一步提高ERV-Net的性能。我们还将尝试在开源深度学习平台Paddle上复现我们的模型。

Results

结果

5.1. Performance comparison

5.1.1. Performance comparison with the state-of-the-art methods withoutmodel ensemble

Because ShuffleNetV2 + Resdecoder (ERV-Net) is an efficient architecture, we mainly compare the result of our model with those of the BRATS 2018 challenge top performances without model ensemble. Table 1 illustrates the comparison results, where Myronenko (2018), Isensee et al. (2018), and Zhou et al. (2019) are the top participants of the BRATS 2018 challenge and only the results without model ensemble are listed here. For comparison, we also include the results of Xu, Xie, Liu, Cheng, Niu, and Zhang (2019), Hu, Liu, Wen, and Niu (2018), Carver (2018), and Islam (2018). From Table 1, we can find that ERVNet almost outperforms all state-of-the-art methods on all metrics except that Hausdorff distance is slightly lower than those of Zhou et al.

5.1. 性能比较

5.1.1. 与最先进方法在无模型集成情况下的性能比较

由于ShuffleNetV2 + Resdecoder(ERV-Net)是一种高效的架构,我们主要将我们模型的结果与BRATS 2018挑战中的顶尖表现进行比较,但不包括模型集成。表1展示了比较结果,其中Myronenko(2018年)、Isensee等人(2018年)和Zhou等人(2019年)是BRATS 2018挑战的顶级参与者,这里仅列出了未进行模型集成的结果。为了比较,我们还包括了Xu、Xie、Liu、Cheng、Niu和Zhang(2019年)、Hu、Liu、Wen和Niu(2018年)、Carver(2018年)和Islam(2018年)的结果。从表1中可以看出,ERV-Net在所有指标上几乎都优于所有最先进方法,除了Hausdorff距离略低于Zhou等人的结果。

Figure

图片

Fig. 1. Overview of the proposed method.

图1. 提出方法的概述。

图片

Fig. 2. The proposed ERV-Net architecture. Feature map dimensionality is noted next to the convolutional blocks, which represents the size of a block.

图2. 提出的ERV-Net架构。卷积块旁边标注了特征图的维度,表示一个块的大小。

图片

Fig. 3. Shuffle unit.

图3. 混洗单元。

图片

Fig. 4. Depthwise separable convolutions.

图4. 深度可分离卷积。

图片

Fig. 5. Visualization of the example from the BRATS 2018 dataset. Four different modalities, i.e., Flair, T1, T1C and T2, are shown from left to right. The fifth image is ground truth. Colors represent different tumors, i.e., green, yellow and red represent edema, enhancing tumor and necrotic and non-enhancing tumor core, respectively.

图5. BRATS 2018数据集示例的可视化。从左到右显示了四种不同的模态,即FLAIR、T1、T1C和T2。第五张图是地面真实数据。颜色代表不同的肿瘤,即绿色、黄色和红色分别代表水肿、增强肿瘤和坏死性和非增强性肿瘤核心。

图片

Fig. 6. Boxplots and scatter diagram of the results on the BRATS 2018 validation dataset obtained by ERV-Net.

图6. ERV-Net在BRATS 2018验证数据集上结果的箱线图和散点图。

图片

Fig. 7. Visualization of segmentation results on the BRATS 2018 validation dataset. The first and third rows represent the different cases respectively, and the second and fourth rows show the enlarged images of the details. The first column shows the original images. The 2–4 columns show segmentations of the different network architectures from left to right. Colors represent different tumors, i.e., green, yellow and red represent edema, enhancing tumor, and necrotic and non-enhancing tumor core, respectively.

图7. 在BRATS 2018验证数据集上的分割结果可视化。第一和第三行分别表示不同的案例,第二和第四行显示细节的放大图像。第一列显示原始图像。第2到4列从左到右显示不同网络架构的分割结果。颜色代表不同的肿瘤,即绿色、黄色和红色分别代表水肿、增强肿瘤和坏死性和非增强性肿瘤核心。

图片

Fig. 8. The first column shows the original image of Flair. The first and third rows show the visualization of the segmentation results with and without postprocessing on case Brats18_TCIA13_646_1 of the BRATS 2018 validation dataset. The second row shows enlarged images of details with and without postprocessing. Segmentation results of different network architectures are shown from left to right. Colors represent different tumors, i.e., green, yellow and red represent edema, enhancing tumor and necrotic and non-enhancing tumor core, respectively.

Fig. 8. 第一列显示Flair的原始图像。第一行和第三行显示了在BRATS 2018验证数据集的案例Brats18_TCIA13_646_1上进行了后处理和未经后处理的分割结果的可视化。第二行显示了进行了后处理和未经后处理的细节的放大图像。不同网络架构的分割结果从左到右显示。颜色代表不同的肿瘤,即绿色、黄色和红色分别代表水肿、增强肿瘤和坏死性和非增强性肿瘤核心。

Table

图片

Table 1 Performance comparison with the state-of-the-art methods.

表1与最先进方法的性能比较

图片

Table 2 The statistical significance validation related to Table 1. Bold denotes the p-value smaller than 0.05. – denotes the indicator is better than ERV-Net.

表2与表1相关的统计学显著性验证。粗体表示p值小于0.05。短横线表示该指标优于ERV-Net。

图片

Table 3 Performance comparison with the state-of-the-art methods with model ensemble.

表3与模型集成的最先进方法的性能比较。

图片

Table 4 The statistical significance validation related to Table 3. Bold denotes the p-value smaller than 0.05. – denotes the indicator is better than ERV-Net.

表4与表3相关的统计学显著性验证。粗体表示p值小于0.05。短横线表示该指标优于ERV-Net。

图片

Table 5 Performance comparison of the proposed method.

表5提出方法的性能比较。

图片

Table 6 Efficiency comparison in FLOPS, parameters and GPU memory consumption. denotes model ensemble.

表6在FLOPS、参数和GPU内存消耗方面的效率比较。表示模型集成。

图片

Table 7 Performance comparison of ERV-Net with different loss functions.

表7使用不同损失函数的ERV-Net的性能比较。

图片

Table 8 Performance comparison of the proposed method with and without post-processing.

表8提出方法在有和没有后处理情况下的性能比较。

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.rhkb.cn/news/339640.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系长河编程网进行投诉反馈email:809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

【机器学习】深入探索机器学习:利用机器学习探索股票价格预测的新路径

❀机器学习 📒1. 引言📒2. 多种机器学习算法的应用📒3. 机器学习在股票价格预测中的应用现状🎉数据收集与预处理🎉模型构建与训练🌈模型评估与预测🌞模型评估🌙模型预测⭐注意事项 &…

教你本地化部署与使用一款免费的LLM应用工程化平台

随着LLM应用的不断成熟,特别是在B端企业场景中的逐渐落地,其不再停留在原型与验证阶段,将面临着更高的工程化要求,无论是输出的稳定性、性能、以及成本控制等,都需要实现真正的“生产就绪”;但由于大量的应…

剖析【C++】——类和对象(下篇)——超详解——小白篇

目录 1.再谈构造函数 1.1 构造函数体赋值 1.2 初始化列表 1.3 explicit 关键字 2. Static成员 2.1 概念 2.2 特性 3. 友元 3.1 友元函数 3.2 友元类 3.3总结: 4. 内部类 1.概念 2.特性 示例代码: 代码分析 3.总结 5.再次理解类和对象 …

【Java面试】七、SpringMvc的执行流程、SpringBoot自动装配原理

文章目录 1、SpringMVC的执行流程1.1 视图阶段1.2 前后端分离阶段 2、SpringBoot自动配置原理3、框架常用的注解3.1 Spring的注解3.2 SpringMvc的注解3.3 SpringBoot的注解 4、面试 1、SpringMVC的执行流程 1.1 视图阶段 旧项目中,未前后端分离时,用到…

《mysql轻松学习·二》

1、创建数据表 contacts:数据表名 auto_increament:自动增长 primary key:主键 engineInnoDB default charsetutf8; 默认字符集utf8,不写就默认utf8 对数据表的操作: alter table 数据表名 add sex varchar(1); //添…

【C语言】字符串左旋(三种方法)

(方法3只给出思路参考) 问题 描述: 实现一个函数,可以左旋字符串中的k个字符。 例如: ABCD左旋一个字符得到BCDA ABCD左旋两个字符得到CDAB 分析 我们先来理解一下,什么叫“左旋”?其实是这…

d2-crud-plus 使用小技巧(六)—— 表单下拉选择 行样式 溢出时显示异常优化

问题 vue2 elementUI d2-crud-plus,数据类型为select时,行样式显示为tag样式,但是如果选择内容过长就会出现下面这种bug,显然用户体验不够友好。 期望 代码 js export const crudOptions (vm) > {return {...columns:…

QT 如何在 QListWidget 的选项中插入自定义组件

有时我们需要 QListWidget 完成更复杂的操作,而不仅限于添加文本或者图标,那么就会使用到 setItemWidget 函数,但是这也会伴生一个问题,插入自定义组件后,QListWidget 对选项点击事件的获取会收到阻塞,因…

QT 使用信号和槽,让QLabel的内容实时与QLineEdit同步,类似vue框架的双向绑定

在窗口里放置一个单行文本编辑器(QLineEdit)和一个标签控件(QLabel),实现的效果就是当编辑器的内容被编辑时,标 签控件同步显 示编辑控件里的内容 1)当 lineEdit 控件被用户编辑时,它…

重生之 SpringBoot3 入门保姆级学习(17、整合SSM)

重生之 SpringBoot3 入门保姆级学习&#xff08;17、整合SSM&#xff09; 4、数据访问4.1 整合 ssm 4、数据访问 4.1 整合 ssm pom.xml <?xml version"1.0" encoding"UTF-8"?> <project xmlns"http://maven.apache.org/POM/4.0.0" …

coze扣子自定义插件使用方式1

1&#xff0c;模型中的工具描述 2&#xff0c;大模型调用&#xff0c;触发接口&#xff1a;

谨以此文章记录我的蓝桥杯备赛过程

以国优秀结束了蓝桥杯cb组 鄙人来自电信学院&#xff0c;非科班出身&#xff0c;在寒假&#xff0c;大约2024年2月份&#xff0c;跟着黑马程序员将c基础语法学完了&#xff0c;因为过年&#xff0c;事情较多&#xff0c;没在学了。 最初就是抱着拿省三的态度去打这个比赛的&a…

linux指令-高阶指令用法

前言 linux操作系统的环境变量的使用基础需要先了解 提示&#xff1a;以下是本篇文章正文内容&#xff0c;下面案例可供参考 一、环境变量是什么&#xff1f; 在Linux系统中&#xff0c;环境变量是动态命名的值&#xff0c;这些值可以由shell&#xff08;如bash&#xff09;…

现代密码学-基础

安全业务 保密业务&#xff1a;数据加密 认证业务&#xff1a;保证通信真实性 完整性业务&#xff1a;保证所接收的消息未经复制、插入、篡改、重排或重放 不可否认业务&#xff1a;防止通信双方的某一方对所发消息的否认 访问控制&#xff1a;防止对网络资源的非授权访问&…

Java应用中的短信发送解决方案:RocketMQ实践指南

在当今的数字化时代&#xff0c;短信作为一种即时的通讯方式&#xff0c;被广泛应用于各种业务场景中&#xff0c;如用户身份验证、订单状态更新、营销推广等。对于Java应用来说&#xff0c;集成一个高效、可靠的短信发送服务是至关重要的。Apache RocketMQ 作为一款高性能、低…

《猎杀:对决》是适合什么样的人玩 Mac电脑怎么玩《猎杀:对决》

《猎杀&#xff1a;对决》是一款集合了生存、竞技和恐怖元素的多人在线游戏&#xff0c;自推出以来受到了广大玩家的热爱。本文将详细探讨《猎杀&#xff1a;对决》适合什么样的人玩以及Mac电脑怎么玩《猎杀&#xff1a;对决》。本文将一一解析&#xff0c;帮助你了解这款游戏是…

程序员的五大职业素养,你知道吗?

程序员职业生涯的挑战与机遇 在当今这个科技日新月异的时代&#xff0c;程序员作为技术行业的中坚力量&#xff0c;其职业生涯无疑充满了无数挑战与机遇。技术的快速迭代要求他们必须不断学习新知识、掌握新技能&#xff0c;以跟上时代的步伐。同时&#xff0c;云计算、人工智…

RFID防盗门:守护您的商品资产安全!

在新零售运营管理中&#xff0c;防盗是至关重要的一环。根据美国零售联合会发布的年度零售安全调查&#xff0c;2022年美国零售商损失了创纪录的1121亿美元。其中年度损失最大因素是由外部盗窃导致库存损失和员工内部盗窃造成的。 然而传统零售业商品资产盘点往往依赖人工排查&…

从零开始学习Linux(9)----文件系统

1.前言 1.铺垫 a.文件内容属性 b.访问文件之前&#xff0c;都得先打开&#xff0c;修改文件&#xff0c;都是通过执行代码的方式完成修改&#xff0c;文件必须被加载到内存中 c.谁打开文件&#xff1f;进程在打开文件 d.一个进程可以打开多少个文件呢&#xff1f;可以打开多个…

GSEA的算法只考虑排序吗

其实这个问题很好回答&#xff0c;只需要运行如下代码&#xff0c;如下的基因列表是顺序是完全相同&#xff0c;并且我们只是做了最基础的变换 library(clusterProfiler) library(org.Hs.eg.db)data(geneList, package"DOSE")ego1 <- gseGO(geneList geneLi…