许多生物学和医疗任务需要描绘出图像体积的3D曲线结构，例如血管和神经突。这通常是使用通过最大程度地减少不捕获这些结构拓扑特性的体素损失函数来训练的神经网络完成的。结果，回收结构的连通性通常是错误的，这减少了它们的实用性。在本文中，我们建议通过最大程度地减少其2D预测的拓扑感知损失的总和来提高结果的3D连接性。这足以提高准确性并减少提供所需的注释培训数据所需的注释工作。
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我们提出了一种使用持久性同源性（pH）的新的更有效的方法，一种方法来比较两个数据集的拓扑，用于训练深度网络以在空中图像中描绘道路网络和显微镜扫描中的神经元过程。它的本质是一种新的过滤功能，从两个现有技术的融合导出：基于阈值的过滤，以前用于将深网络培训到分段医学图像，并用高度函数过滤，以便在比较2D和3D形状之前使用。我们通过实验证明，深入的网络培训了我们的持久性同源性的损失，即道路网络和神经元过程的重建，这些过程比现有的拓扑和非拓扑损失功能更好地保持原件的连接性。
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基于深入的学习划定3D结构的方法取决于准确的注释来培训网络。然而，在实践中，无论多么有认可，人们都有多么认真地划分3D和大规模的困难，部分原因是数据往往是难以在视觉上解释的，并且部分是因为3D接口很尴尬。在本文中，我们介绍了一种明确地占用诠释的方法。为此，我们将注释视为有效轮廓模型，可以在保留其拓扑时变形本身。这使我们能够联合培训网络和原始注释中的潜在错误。结果是一种提升培训的深网络性能的方法，患有可能不准确的注释。
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与许多研究领域相关的管状网络样结构（例如血管，神经元或道路）的准确分割与许多研究领域有关。对于这种结构，拓扑是它们最重要的特征。特别保留连接性：在血管网络的情况下，缺少连接的容器完全改变了血液流动的动力学。我们介绍了一种新颖的相似性度量，称为Centerlinedice（短CLDICE），该度量是根据分割掩模及其（形态）骨骼的相交进行计算的。从理论上讲，我们证明，CLDICE保证拓扑保存至二进制2D和3D分割的同型等效性。扩展这一点，我们提出了一种计算高效，可区分的损失函数（软性的），用于训练任意的神经分割网络。我们在五个公共数据集上基准了软性损失，包括船只，道路和神经元（2D和3D）。对软性播放的培训可通过更准确的连通性信息，更高的图形相似性和更好的体积分数进行分割。
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有许多方法可以使用弱监管来培训网络到分段2D图像。相比之下，现有的3D方法依赖于3D图像卷的2D片的子集的全监督。在本文中，我们提出了一种真正无弱监督的方法，即我们只需要在目标对象的表面上提供一组稀疏的3D点，这是一项可以快速完成的便捷任务。我们使用3D点以使3D模板变形，使其大致与目标对象轮廓匹配，并且我们介绍了利用粗略模板提供的监控以培训网络以找到准确边界的体系结构。我们评估我们在计算机断层扫描（CT），磁共振图像（MRI）和电子显微镜（EM）图像数据集中的方法的性能。我们将表明，在减少监督成本下，它始终以3D弱监管方式表现出更传统的方法。
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深度学习方法为多级医学图像细分实现了令人印象深刻的表现。但是，它们的编码不同类别（例如遏制和排除）之间拓扑相互作用的能力受到限制。这些约束自然出现在生物医学图像中，对于提高分割质量至关重要。在本文中，我们介绍了一个新型的拓扑交互模块，将拓扑相互作用编码为深神经网络。该实施完全基于卷积，因此非常有效。这使我们有能力将约束结合到端到端培训中，并丰富神经网络的功能表示。该方法的功效在不同类型的相互作用上得到了验证。我们还证明了该方法在2D和3D设置以及跨越CT和超声之类的不同模式中的专有和公共挑战数据集上的普遍性。代码可在以下网址找到：https：//github.com/topoxlab/topointeraction
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详细的肺气道分割是支撑周围肺癌病变的支撑室干预和治疗的临床重要任务。卷积神经网络（CNN）是医学图像分析的有前途的工具，但对于出现不平衡功能分布的情况，案件的性能较差，这对于气道数据是正确的，因为气管和主要支气管在大部分voxels中占主导支气管和远端节段支气管仅占用一小部分。在本文中，我们提出了一个可区分的拓扑保存距离变换（DTPDT）框架，以提高气道分割的性能。首先提出了拓扑保存的替代（TPS）学习策略，以均衡课堂分布的培训进度。此外，卷积距离变换（CDT）旨在识别具有提高灵敏度的破裂现象，从而最大程度地减少了预测和地面真实之间距离图的变化。提出的方法已通过公开可用的参考气道细分数据集进行验证。
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除了每个像素精度外，拓扑正确性也对具有微尺度结构的图像的分割也至关重要，例如卫星图像和生物医学图像。在本文中，通过利用数字拓扑理论，我们识别对拓扑至关重要的图像中的位置。通过专注于这些关键的位置，我们提出了一种新的同谐扭曲损失来培训深度图像分割网络以获得更好的拓扑精度。为了有效地识别这些拓扑关键的位置，我们提出了一种利用距离变换的新算法。所提出的算法以及损耗函数，自然地推广到2D和3D设置中的不同拓扑结构。拟议的损失函数有助于深度网络在拓扑知识的指标方面实现更好的性能，优于最先进的拓扑保存分段方法。
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捕获图像的全局拓扑对于提出对其域的准确分割至关重要。但是，大多数现有的分割方法都不能保留给定输入的初始拓扑，这对许多下游基于对象的任务有害。对于大多数在本地尺度上工作的深度学习模型来说，这是更真实的。在本文中，我们提出了一种新的拓扑深度图像分割方法，该方法依赖于新的泄漏损失：Pathloss。我们的方法是Baloss [1]的扩展，其中我们希望改进泄漏检测，以更好地恢复图像分割的接近度。这种损失使我们能够正确定位并修复预测中可能发生的关键点（边界中的泄漏），并基于最短路径搜索算法。这样，损失最小化仅在必要时才能强制连接，并最终提供了图像中对象边界的良好定位。此外，根据我们的研究，与无需使用拓扑损失的方法相比，我们的Pathloss学会了保持更强的细长结构。通过我们的拓扑损失函数培训，我们的方法在两个代表性数据集上优于最先进的拓扑感知方法：电子显微镜和历史图。
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事实证明，深度卷积神经网络在语义分割任务中非常有效。引入了最流行的损失功能，以提高体积分数，例如Sorensen骰子系数。根据设计，DSC可以解决类不平衡；但是，它不能识别类中的实例不平衡。结果，大型前景实例可以主导次要实例，并且仍然产生令人满意的Sorensen骰子系数。然而，错过实例将导致检测性能不佳。这代表了诸如疾病进展监测等应用中的一个关键问题。例如，必须在多发性硬化症患者的随访中定位和监视小规模病变。我们提出了一个新型的损失功能家族，绰号斑点损失，主要旨在最大化实例级检测指标，例如F1得分和灵敏度。 BLOB损失是针对语义分割问题而设计的，其中实例是类中连接的组件。我们在五个复杂的3D语义分割任务中广泛评估了基于DSC的斑点损失，这些任务具有明显的实例异质性，从纹理和形态上讲。与软骰子损失相比，我们的MS病变改善了5％，肝肿瘤改善了3％，考虑F1分数的显微镜细分任务平均提高了2％。
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临床实践中使用的医学图像是异质的，与学术研究中研究的扫描质量不同。在解剖学，伪影或成像参数不寻常或方案不同的极端情况下，预处理会分解。最需要对这些变化的方法可靠。提出了一种新颖的深度学习方法，以将人脑快速分割为132个区域。提出的模型使用有效的U-NET型网络，并从不同视图和分层关系的交点上受益，以在端到端训练期间融合正交2D平面和脑标签。部署了弱监督的学习，以利用部分标记的数据来进行整个大脑分割和颅内体积（ICV）的估计。此外，数据增强用于通过生成具有较高的脑扫描的磁共振成像（MRI）数据来扩展模型训练，同时保持数据隐私。提出的方法可以应用于脑MRI数据，包括头骨或任何其他工件，而无需预处理图像或性能下降。与最新的一些实验相比，使用了不同的Atlases的几项实验，以评估受过训练模型的分割性能，并且与不同内部和不同内部和不同内部方法的现有方法相比，结果显示了较高的分割精度和鲁棒性。间域数据集。
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由胰腺管网络的具有挑战性的分割任务激发，本文解决了两个通常遇到生物医学成像问题的问题：分割的拓扑一致性，以及昂贵或困难的注释。我们的贡献如下：a）我们提出了一个拓扑评分，该评分衡量了预测和地面真理分割之间的拓扑和几何一致性，应用于模型选择和验证。 b）我们在时间序列图像数据上为这一困难的嘈杂任务提供了完整的深度学习方法。在我们的方法中，我们首先使用半监管的U-NET体系结构，适用于通用分割任务，该任务共同训练自动编码器和分割网络。然后，随着时间的流逝，我们使用循环的跟踪来进一步改善预测的拓扑。这种半监督的方法使我们能够利用未经通知的数据来学习特征表示，尽管我们的带注释的培训数据的变化非常有限，但该特征表示具有较高可变性的数据。我们的贡献在具有挑战性的分割任务上得到了验证，从嘈杂的实时成像共聚焦显微镜中定位胎儿胰腺中的管状结构。我们表明，我们的半监督模型不仅优于完全监督和预训练的模型，而且还优于在训练过程中考虑拓扑一致性的方法。此外，与经过平均循环得分为0.762的CLDICE的U-NET相比，我们的方法的平均环路得分为0.808。
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人类生理学中的各种结构遵循特异性形态，通常在非常细的尺度上表达复杂性。这种结构的例子是胸前气道，视网膜血管和肝血管。可以观察到可以观察到可以观察到可以观察到可以观察到空间排列的磁共振成像（MRI），计算机断层扫描（CT），光学相干断层扫描（OCT）等医学成像模式（MRI），计算机断层扫描（CT），可以观察到空间排列的大量2D和3D图像的集合。这些结构在医学成像中的分割非常重要，因为对结构的分析提供了对疾病诊断，治疗计划和预后的见解。放射科医生手动标记广泛的数据通常是耗时且容易出错的。结果，在过去的二十年中，自动化或半自动化的计算模型已成为医学成像的流行研究领域，迄今为止，许多计算模型已经开发出来。在这项调查中，我们旨在对当前公开可用的数据集，细分算法和评估指标进行全面审查。此外，讨论了当前的挑战和未来的研究方向。
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我们介绍$ \ texit {inextremis} $，弱监督3D方法使用特别弱的列车时间注释训练深度图像分割网络：仅在感兴趣对象的边界处只有6个重点点击。我们的全自动方法培训结束到底，不需要任何测试时间注释。从极端点，3D边界框在感兴趣的对象周围提取。然后，生成连接极端点的深层测地仪以增加边界盒内的“注释”体素的量。最后，使用来自条件随机场制剂的弱监督正则损耗来促进均匀区域的预测一致性。对前庭施瓦马瘤分段的大开放数据集进行了广泛的实验。 $ \ Textit {Inextremis} $获得竞争性能，基于边界框的其他弱监管技术完全监督和表现。此外，给定固定的注释时间预算，$ \ textit {inextremis} $胜过全面监督。我们的代码和数据在线获得。
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The clinical interest is often to measure the volume of a structure, which is typically derived from a segmentation. In order to evaluate and compare segmentation methods, the similarity between a segmentation and a predefined ground truth is measured using popular discrete metrics, such as the Dice score. Recent segmentation methods use a differentiable surrogate metric, such as soft Dice, as part of the loss function during the learning phase. In this work, we first briefly describe how to derive volume estimates from a segmentation that is, potentially, inherently uncertain or ambiguous. This is followed by a theoretical analysis and an experimental validation linking the inherent uncertainty to common loss functions for training CNNs, namely cross-entropy and soft Dice. We find that, even though soft Dice optimization leads to an improved performance with respect to the Dice score and other measures, it may introduce a volume bias for tasks with high inherent uncertainty. These findings indicate some of the method's clinical limitations and suggest doing a closer ad-hoc volume analysis with an optional re-calibration step.
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气道分割对于检查，诊断和预后的肺部疾病至关重要，而其手动描述则不当。为了减轻这种耗时且潜在的主观手动程序，研究人员提出了从计算机断层扫描（CT）图像自动分割气道的方法。但是，一些小型气道分支（例如，支气管和终末支气管）显着加剧了通过机器学习模型的自动分割难度。特别是，气道分支中体素值和严重的数据失衡的方差使计算模块容易导致不连续和假阴性预测。注意机制表明了分割复杂结构的能力，而模糊逻辑可以减少特征表示的不确定性。因此，由模糊注意力层给出的深度注意力网络和模糊理论的整合应该是升级的解决方案。本文提出了一种有效的气道分割方法，包括一个新型的模糊注意力神经网络和全面的损失函数，以增强气道分割的空间连续性。深层模糊集由特征图中的一组体素和可学习的高斯成员功能制定。与现有的注意机制不同，所提出的特异性模糊注意力解决了不同渠道中异质特征的问题。此外，提出了一种新的评估指标来评估气道结构的连续性和完整性。该方法的效率已通过在包括精确的09和LIDC数据集在内的开放数据集上进行测试，以及我们的内部Covid-19和纤维化肺病数据集证明了这一建议的效率。
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Convolutional Neural Networks (CNNs) have been recently employed to solve problems from both the computer vision and medical image analysis fields. Despite their popularity, most approaches are only able to process 2D images while most medical data used in clinical practice consists of 3D volumes. In this work we propose an approach to 3D image segmentation based on a volumetric, fully convolutional, neural network. Our CNN is trained end-to-end on MRI volumes depicting prostate, and learns to predict segmentation for the whole volume at once. We introduce a novel objective function, that we optimise during training, based on Dice coefficient. In this way we can deal with situations where there is a strong imbalance between the number of foreground and background voxels. To cope with the limited number of annotated volumes available for training, we augment the data applying random non-linear transformations and histogram matching. We show in our experimental evaluation that our approach achieves good performances on challenging test data while requiring only a fraction of the processing time needed by other previous methods.
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混凝土是建筑，桥梁和道路的标准施工材料。由于安全在这种结构的设计，监测和维护中起着核心作用，因此了解混凝土的开裂行为非常重要。计算机断层扫描捕获建筑材料的微观结构，并允许研究裂纹启动和传播。大3D图像中的裂缝表面的手动分割是不可行的。在本文中，综述了3D图像的自动裂缝分段方法并进行了比较。经典图像处理方法（边缘检测滤波器，模板匹配，最小路径和区域生长算法）和学习方法（卷积神经网络，随机林）在半合成3D图像上进行测试和测试。它们的性能强烈依赖于参数选择，该参数选择应适应图像的灰度范围和混凝土的几何特性。通常，学习方法表现最佳，特别是对于薄裂缝和低灰度对比度。
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MRI中胎儿结构的体积测量很耗时，并且容易发生错误，因此需要自动分割。由于胎盘模糊边界和胎儿脑皮层复杂的褶皱，胎盘分割和准确的胎儿脑分割进行回旋评估特别具有挑战性。在本文中，我们研究了对问题的轮廓骰子损失的使用，并将其与其他边界损失以及联合骰子和横向内向损失进行比较。通过侵蚀，扩张和XOR操作员有效地计算出每个切片的损失。我们描述了类似于轮廓骰子指标的损失的新公式。骰子损失和轮廓骰子的组合为胎盘分割提供了最佳性能。对于胎儿脑部分割，最佳性能的损失是结合骰子丢失，随后是骰子和轮廓骰子损失的骰子，其性能比其他边界损失更好。
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用于图像分割的深卷卷卷神经网络不会明确学习标签结构，并且可能会在类似树状结构（例如气道或血管）分割的圆柱形结构中产生不正确的结构（例如，具有断开的圆柱形结构）的分割。在本文中，我们提出了一种新型的标签改进方法，以从初始分割中纠正此类错误，并隐含地包含有关标签结构的信息。该方法具有两个新颖的部分：1）生成合成结构误差的模型，以及2）产生合成分割（带有误差）的标签外观仿真网络，其外观与实际初始分段相似。使用这些合成分割和原始图像，对标签改进网络进行了训练，以纠正错误并改善初始分割。该方法对两个分割任务进行了验证：来自胸部计算机断层扫描（CT）扫描和大脑3D CT血管造影（CTA）图像的脑血管分割的气道分割。在这两种应用中，我们的方法都大大优于标准的3D U-NET和其他先前的改进方法。当使用其他未标记的数据进行模型培训时，改进甚至更大。在消融研究中，我们证明了所提出方法的不同组成部分的值。
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