一种基于VNet和WGAN融合的肝脏分割方法 

Computational and Mathematical Methods in Medicine   2021 

       虽然基于二维卷积神经网络的肝脏分割方法取得了不错的效果，但仍然存在层间信息的缺乏，在一定程度上造成分割精度的严重损失。同时，在2D分割网络中更有效地利用高级和低级特征是一个具有挑战性的问题。因此，设计并实现了一个2.5D卷积神经网络 VNet-WGAN，以提高肝脏分割的准确性。

       传统的肝脏分割方法，包括主动轮廓模型、聚类、水平集、图切割方法和区域生长方法，提取灰度、形状，医学图像的结构和纹理信息来手动分割肝脏。这些方法的效率仅限于大型数据库。但是，使用这些方法对数据进行预处理非常耗时。

       而深度学习在通用性和效率方面优于传统的肝脏分割方法。在深度学习网络中，FCN和UNet是医学图像分割方法中使用的典型分割模型。随后，从这两个网络衍生出许多网络，例如：添加了均值偏移聚类算法以减少肝脏的过度分割；为了进一步提高图像增强的准确性，提出了一种基于统计阈值的图像增强技术，该技术利用累积分布函数（CDF）排除非肝脏区域；为了提高训练和推理速度，有论文在最后一层将亚像素卷积与双线性插值相结合。

       很多模型在医学图像处理中可以得到相对准确的分割结果，但数据采集和标注的困难在很大程度上阻碍了足够大数据集的构建。为了克服这个问题，传统的图像增强技术（例如几何变换-可以生成新的数据）然而，它们在检测医学数据中的生物变化方面并不可靠。2014年，Goodfellow等人提出生成对抗网络（GAN）模型。它使用无监督训练方法通过对抗学习进行训练，目的是估计数据样本的潜在分布并生成新的数据样本。GAN 还可以实现不同模态图像之间的转换。由于GAN不需要提前知道理论分布，可以自动推断出真实的数据集，进一步扩展了数据的规模和多样性，为数据扩展提供了新的方法，缓解了智能诊断的数据需求问题

Contributions：

1. 通过将切片及其上下相邻切片堆叠作为网络输入，将中心切片对应的分割图作为输出，使用两个串联的卷积核来充分提取层内和层间信息。在保持较高的分割精度的同时，空间特性可以降低内存占用率和计算量；

2. 为充分利用网络的高层和低层特征，在VNet网络的long-skip连接结构中加入链式残差池化模块CRP，获取更丰富的语义信息，有效提高肝脏分割的准确率；

3. 在基本的WGAN生成器网络中引入边界损失函数，以弥补Dice损失函数对边缘像素精度考虑的不足。利用边界和Dice加权融合的复合损失函数，分别从区域和边界增强模型的分割能力。

Methodology of This Article：
1. GAN是由生成模型G和判别模型D组成的生成对抗网络，可以表示为G和D之间的极小极大博弈问题。G学习给定噪声的分布（如均匀分布和正态分布）和合成它们。D区分训练样本来自真实样本还是生成样本。 GAN使用对抗学习的概念来获得更好的生成结果。Adversary是指当判别模型D的判别能力越来越强时，生成模型G生成的图像会越来越真实，最终达到一个平衡。

2. Luc等人首次将GAN应用于图像分割。通常语义分割结果往往需要使用CRF和其他后处理技术进行改进，以获得更逼真的轮廓。因此，GAN 本身具有出色的生成能力，可用于改进结果。然而，GAN 也存在训练不稳定、梯度消失、模式崩溃等缺点。基于这些问题，已经衍生出许多流行的架构，包括条件 GAN（CGAN）、DCGAN（深度卷积GAN）和InfoGAN（信息最大化GAN）。一定程度上解决了GAN的弊端。但是，在解决训练过程中的稳定性问题方面仍然存在一些不足。WGAN的出现解决了 GAN 训练的不稳定问题，同时提供了一个可靠的指标，即 Wasserstein 距离用于训练。与JS（Jensen-Shannon）和KL（Kullback-Leibler）相比，Wasserstein距离可以自然地衡量离散分布和连续分布之间的距离，完全避免了GAN中常见的训练稳定和梯度消失的问题。

3. VNet网络结构包括一个编码器和一个解码器，继承了UNet的跳跃连接，以弥补特征提取过程中的信息丢失。此外，VNet使用ResNet的短路连接机制，将每个阶段的输入和输出相加，以学习残差函数；同时用Dice损失函数代替交叉熵损失函数，提高目标分割区域的灵敏度。虽然 VNet 网络为处理 3D 医学图像提供了参考，但医学图像数据大多较小，GPU 内存有限，这仍然会导致网络在训练过程中过度拟合和不稳定，尤其是对于3D数据。

Methods：
       由于WGAN模型完全解决了GAN的训练不稳定性问题，因此，在训练过程中，不再需要仔细平衡生成器和判别器的训练水平。由于这一优良特性，采用WGAN作为模型的基本结构，并设计了改进的VNet作为肝脏分割的生成器。判别网络是一个简单的CNN网络，它判断输入图像是生成器生成的“假图像”（分割的结果）还是“真实图像”（注释图像）。

1.Generator：网络的输入是相关切片及其相邻的上下两个切片，中间切片作为输出结果。在训练过程中，使用大小为 1×3×3和3×1×1的卷积核来提取层内和层间信息。这种卷积方法类似于可分离深度卷积，无需3D CNN生成的大量计算即可提取医学数据的3D特征，并缩短了训练时间。在改进的卷积模块中，VNet的跳跃连接部分增加了两个链式残差池化模块CRP，具有池化和卷积操作，以更有效地利用高级和低级特征信息。链式池化操作可以显着增加感受野，因为可以从高分辨率特征图中提取边缘信息，并且可以通过低分辨率提取全局信息。因此，像素的分类精度进一步提高。

       同时，残差结构有利于梯度的反向传播。该模块包括两个池化卷积块、两个残差结构、一个激活函数、批量归一化和dropout层（解决某些特征只有在其他特征存在时才有用的场景，也可以增强神经网络的鲁棒性，有效缓解过拟合问题，并在一定程度上实现正则化）。网络使用1×5×5的卷积核，保证池化后的图像尺寸与输入图像尺寸一致；池化之后是卷积操作，然后，输出结果输入到下一个池化卷积模块；最后，将两个特征图合并。在网络训练过程中，网络模型越复杂，需要学习的特征越多，训练时间越长，容易导致过拟合问题。因此，本研究对现有的网络模型进行了微调：具体方法是添加批量归一化（BN）以在每次revolution后对具有不同分布的数据进行归一化。因此，每一层数据都可以转换成相同的分布，网络模型的最优结果更容易收敛，从而在很大程度上加快了网络模型的训练速度

2.Discriminator：判别器的输入是生成器的输出结果和原始图像的注释图像，它们首先融合，然后输入到CNN网络。最后，第二个分类器输出判别器的输出信号。判别器包括一组条件池化块、四组卷积块、两个全连接层和最后两个分类层。一组条件卷积池化块包含两个卷积层和一个最大池化层。每个卷积层由卷积核、归一化和激活函数组成。

3.Loss Function：本文方法的损失函数由生成器和判别器的损失函数组成。Dice loss更多地关注区域的相似性，而忽略了空间信息（例如远离标签区域的错误分割部分）因此，为了最小化分割边界和标签边界之间的距离，提出Dice loss和边界损失的合成函数：在这个合成函数中，边界损失通过边缘匹配度来控制网络损失的程度，合成函数仅评估边界上的像素，当边界上的像素与ground truth的边界完全一致时，边界损失值等于0，而当边界与真实结果不重合时，则通过其与边界的距离来评估。本研究的实验结果表明，合成损失函数是Dice损失和边界损失的加权融合。其中，一个控制区域，一个控制边界，可以实现更好的分割性能。在实践中，Dice损失分数在训练开始时非常高。随着训练的进行，边界损失的比例增加，这说明边界的准确性在训练的后期得到了更多的关注，并且正在处理增强的边界细节信息。