有了大规模标记的数据集，深度学习在医学图像分割方面已取得了重大成功。但是，由于广泛的专业知识要求和昂贵的标签工作，在临床实践中获取大量注释是具有挑战性的。最近，对比学习表明，在未标记的数据上进行视觉表示学习的能力很强，在许多领域中实现了令人印象深刻的性能与监督的学习。在这项工作中，我们提出了一个新型的多尺度多视图全球对比度学习（MMGL）框架，以彻底探索不同尺度的全球和局部特征，并观察到可靠的对比度学习表现，从而通过有限的注释来改善细分性能。在MM-WHS数据集上进行的广泛实验证明了MMGL框架对半监视的心脏图像分割的有效性，从而超过了最先进的对比度学习方法，这是通过较大的余量。

医学图像分析中的自动分割是一个具有挑战性的任务，需要大量手动标记的数据。然而，手动注释的医疗数据通常是费力的，并且大多数现有的基于学习的方法都无法准确地描绘对象边界而没有有效的几何约束。对比学习，自我监督学习的子区域最近被指出在多个应用领域的有希望的方向。在这项工作中，我们提出了一种具有几何约束的新型对比体Voxel-Wise表示蒸馏（CVRD）方法，用于学习具有有限注释的体积医学图像分割的全球局部视觉表示。我们的框架可以通过捕获3D空间上下文和丰富的解剖信息，有效地学习全球和局部特征。具体地，我们引入了一种体素到体积对比算法来学习来自3D图像的全局信息，并建议对局部体素到体素蒸馏进行，以明确地利用嵌入空间中的本地线索。此外，我们将基于弹性交互的主动轮廓模型集成为几何正则化术语，以实现以端到端的学习方式实现快速且可靠的对象划分。结果对心房分割挑战，数据集展示了我们所提出的方案的优势，尤其是在具有非常有限数量的注释数据的设置中。代码将在https://github.com/charlesyou999648/cvrd上获得。

A key requirement for the success of supervised deep learning is a large labeled dataset -a condition that is difficult to meet in medical image analysis. Selfsupervised learning (SSL) can help in this regard by providing a strategy to pre-train a neural network with unlabeled data, followed by fine-tuning for a downstream task with limited annotations. Contrastive learning, a particular variant of SSL, is a powerful technique for learning image-level representations. In this work, we propose strategies for extending the contrastive learning framework for segmentation of volumetric medical images in the semi-supervised setting with limited annotations, by leveraging domain-specific and problem-specific cues. Specifically, we propose (1) novel contrasting strategies that leverage structural similarity across volumetric medical images (domain-specific cue) and (2) a local version of the contrastive loss to learn distinctive representations of local regions that are useful for per-pixel segmentation (problem-specific cue). We carry out an extensive evaluation on three Magnetic Resonance Imaging (MRI) datasets. In the limited annotation setting, the proposed method yields substantial improvements compared to other self-supervision and semi-supervised learning techniques. When combined with a simple data augmentation technique, the proposed method reaches within 8% of benchmark performance using only two labeled MRI volumes for training, corresponding to only 4% (for ACDC) of the training data used to train the benchmark. The code is made public at https://github.com/krishnabits001/domain_specific_cl. 34th Conference on Neural Information Processing Systems (NeurIPS 2020),

监管基于深度学习的方法，产生医学图像分割的准确结果。但是，它们需要大量标记的数据集，并获得它们是一种艰苦的任务，需要临床专业知识。基于半/自我监督的学习方法通​​过利用未标记的数据以及有限的注释数据来解决此限制。最近的自我监督学习方法使用对比损失来从未标记的图像中学习良好的全球层面表示，并在像想象网那样的流行自然图像数据集上实现高性能。在诸如分段的像素级预测任务中，对于学习良好的本地级别表示以及全局表示来说至关重要，以实现更好的准确性。然而，现有的局部对比损失的方法的影响仍然是学习良好本地表现的限制，因为类似于随机增强和空间接近定义了类似和不同的局部区域;由于半/自我监督设置缺乏大规模专家注释，而不是基于当地地区的语义标签。在本文中，我们提出了局部对比损失，以便通过利用从未标记的图像的未标记图像的伪标签获得的语义标签信息来学习用于分割的良好像素级别特征。特别地，我们定义了建议的损失，以鼓励具有相同伪标签/标签的像素的类似表示，同时与数据集中的不同伪标签/标签的像素的表示。我们通过联合优化标记和未标记的集合和仅限于标记集的分割损失，通过联合优化拟议的对比损失来进行基于伪标签的自培训和培训网络。我们在三个公共心脏和前列腺数据集上进行了评估，并获得高分割性能。

医学图像分割或计算voxelwise语义面具是一个基本又具有挑战性的任务，用于计算体素级语义面具。为了提高编码器 - 解码器神经网络在大型临床队列中执行这项任务的能力，对比学习提供了稳定模型初始化和增强编码器而无需标签的机会。然而，多个目标对象（具有不同的语义含义）可能存在于单个图像中，这使得适应传统的对比学习方法从普遍的“图像级分类”到“像素级分段”中的问题。在本文中，我们提出了一种简单的语义感知对比学习方法，利用注意掩模来推进多对象语义分割。简而言之，我们将不同的语义对象嵌入不同的群集而不是传统的图像级嵌入。我们在与内部数据和Miccai挑战2015 BTCV数据集中的多器官医学图像分段任务中评估我们提出的方法。与目前的最先进的培训策略相比，我们拟议的管道分别产生了两种医学图像分割队列的骰子评分的大幅提高5.53％和6.09％（P值<0.01）。通过Pascal VOC 2012 DataSet进一步评估了所提出的方法的性能，并在MiOU（P值<0.01）上实现了2.75％的大幅提高。

关于对比学习的最新研究仅通过在医学图像分割的背景下利用很少的标签来实现出色的性能。现有方法主要关注实例歧视和不变映射。但是，他们面临三个常见的陷阱：（1）尾巴：医疗图像数据通常遵循隐式的长尾分配。盲目利用训练中的所有像素会导致数据失衡问题，并导致性能恶化； （2）一致性：尚不清楚分割模型是否由于不同解剖学特征之间的类内变化而学会了有意义但一致的解剖学特征； （3）多样性：整个数据集中的切片内相关性已得到明显降低的关注。这促使我们寻求一种有原则的方法来战略利用数据集本身，以发现不同解剖学观点的类似但不同的样本。在本文中，我们介绍了一种新型的半监督医学图像分割框架，称其为您自己的解剖结构（MONA），并做出了三个贡献。首先，先前的工作认为，每个像素对模型培训都同样重要。我们从经验上观察到，仅此单单就不太可能定义有意义的解剖特征，这主要是由于缺乏监督信号。我们通过使用更强大的数据增强和最近的邻居展示了学习不变的两个简单解决方案。其次，我们构建了一组目标，鼓励模型能够以无监督的方式将医学图像分解为解剖特征的集合。最后，我们在具有不同标记设置的三个基准数据集上的广泛结果验证了我们提出的MONA的有效性，该数据在不同的标签设置下实现了新的最新设置。

视觉变形金刚（VIT）S表现出可观的全球和本地陈述的自我监督学习表现，可以转移到下游应用程序。灵感来自这些结果，我们介绍了一种新的自我监督学习框架，具有用于医学图像分析的定制代理任务。具体而言，我们提出：（i）以新的3D变压器为基础的型号，被称为往返变压器（Swin Unet），具有分层编码器，用于自我监督的预训练; （ii）用于学习人类解剖学潜在模式的定制代理任务。我们展示了来自各种身体器官的5,050个公共可用的计算机断层扫描（CT）图像的提出模型的成功预培训。通过微调超出颅穹窿（BTCV）分割挑战的预先调整训练模型和来自医疗细分牌组（MSD）数据集的分割任务，通过微调训练有素的模型来验证我们的方法的有效性。我们的模型目前是MSD和BTCV数据集的公共测试排行榜上的最先进的（即第1号）。代码：https://monai.io/research/swin-unetr.

具有病理注释的计算机断层扫描（CT）样品很难获得。结果，计算机辅助诊断（CAD）算法在小型数据集（例如带有1,018个样本的LIDC-IDRI）上进行了培训，从而限制了其准确性和可靠性。在过去的五年中，通过二维（2D）和三维（3D）自我监督学习（SSL）算法为CT病变的无监督表示量身定制了几项作品。 2D算法很难捕获3D信息，并且现有的3D算法在计算上很重。轻巧的3D SSL仍然是要探索的边界。在本文中，我们提出了螺旋形对比度学习（SCL），该学习以计算有效的方式产生3D表示。 SCL首先使用信息保护螺旋变换将3D病变转换为2D平面，然后使用2D对比度学习学习转换不变的特征。为了进行增强，我们考虑自然图像增强和医疗图像增强。我们通过在嵌入层上训练分类头来评估SCL。实验结果表明，对于无监督的代表性学习，SCL在LIDC-IDRI（89.72％），LNDB（82.09％）和天奇（90.16％）上实现了最先进的准确性。使用10％的带计算的注释数据，SCL的性能与监督学习算法的性能相当（Lidc-Idri的85.75％比85.03％，78.20％vs. 73.44％的LNDB和87.85％vs. 83.34％vs. 83.34％and。天奇，分别）。同时，与其他3D SSL算法相比，SCL将计算工作减少了66.98％，这证明了该方法在无监督的预训练中的效率。

在本文中，我们提出了一个新型的相互一致性网络（MC-NET+），以有效利用未标记的数据进行半监督的医学图像分割。 MC-NET+模型的动机是通过观察到的，即经过有限注释训练的深模型很容易输出不确定的，易于分类的预测，例如模棱两可的区域（例如，粘合边缘或薄分支）进行医学图像分割。利用这些具有挑战性的样品可以使半监督分割模型训练更有效。因此，我们提出的MC-NET+模型由两个新设计组成。首先，该模型包含一个共享的编码器和多个略有不同的解码器（即使用不同的上采样策略）。计算多个解码器输出的统计差异以表示模型的不确定性，这表明未标记的硬区域。其次，我们在一个解码器的概率输出和其他解码器的软伪标签之间应用了一种新颖的相互一致性约束。通过这种方式，我们最大程度地减少了训练过程中多个输出（即模型不确定性）的差异，并迫使模型在此类具有挑战性的区域中产生不变的结果，旨在使模型训练正规化。我们将MC-NET+模型的细分结果与三个公共医疗数据集中的五种最先进的半监督方法进行了比较。具有两个标准半监督设置的扩展实验证明了我们模型的优越性能，而不是其他方法，这为半监督医学图像分割设定了新的最新技术。我们的代码将在https://github.com/ycwu1997/mc-net上公开发布。

卷积神经网络（CNN）已经实现了医学图像细分的最先进性能，但需要大量的手动注释进行培训。半监督学习（SSL）方法有望减少注释的要求，但是当数据集大小和注释图像的数量较小时，它们的性能仍然受到限制。利用具有类似解剖结构的现有注释数据集来协助培训，这有可能改善模型的性能。然而，由于目标结构的外观不同甚至成像方式，跨解剖结构域的转移进一步挑战。为了解决这个问题，我们提出了跨解剖结构域适应（CS-CADA）的对比度半监督学习，该学习适应一个模型以在目标结构域中细分相似的结构，这仅需要通过利用一组现有现有的现有的目标域中的限制注释源域中相似结构的注释图像。我们使用特定领域的批归归量表（DSBN）来单独地标准化两个解剖域的特征图，并提出跨域对比度学习策略，以鼓励提取域不变特征。它们被整合到一个自我兼容的均值老师（SE-MT）框架中，以利用具有预测一致性约束的未标记的目标域图像。广泛的实验表明，我们的CS-CADA能够解决具有挑战性的跨解剖结构域移位问题，从而在视网膜血管图像和心脏MR图像的帮助下，在X射线图像中准确分割冠状动脉，并借助底底图像，分别仅给定目标域中的少量注释。

医学图像分割是许多临床方法的基本和关键步骤。半监督学习已被广​​泛应用于医学图像分割任务，因为它减轻了收购专家审查的注释的沉重负担，并利用了更容易获得的未标记数据的优势。虽然已被证明是通过实施不同分布下的预测的不变性的一致性学习，但现有方法无法充分利用来自未标记数据的区域级形状约束和边界级距离信息。在本文中，我们提出了一种新颖的不确定性引导的相互一致学习框架，通过将任务中的一致性学习与自组合和交叉任务一致性学习从任务级正则化的最新预测集成了任务内的一致性学习，从而有效地利用了未标记的数据利用几何形状信息。该框架是由模型的估计分割不确定性指导，以便为一致性学习选择相对某些预测，以便有效地利用来自未标记数据的更可靠的信息。我们在两个公开的基准数据集中广泛地验证了我们提出的方法：左心房分割（LA）数据集和大脑肿瘤分割（BRATS）数据集。实验结果表明，我们的方法通过利用未标记的数据和优于现有的半监督分段方法来实现性能增益。

Recent advances in self-supervised learning (SSL) in computer vision are primarily comparative, whose goal is to preserve invariant and discriminative semantics in latent representations by comparing siamese image views. However, the preserved high-level semantics do not contain enough local information, which is vital in medical image analysis (e.g., image-based diagnosis and tumor segmentation). To mitigate the locality problem of comparative SSL, we propose to incorporate the task of pixel restoration for explicitly encoding more pixel-level information into high-level semantics. We also address the preservation of scale information, a powerful tool in aiding image understanding but has not drawn much attention in SSL. The resulting framework can be formulated as a multi-task optimization problem on the feature pyramid. Specifically, we conduct multi-scale pixel restoration and siamese feature comparison in the pyramid. In addition, we propose non-skip U-Net to build the feature pyramid and develop sub-crop to replace multi-crop in 3D medical imaging. The proposed unified SSL framework (PCRLv2) surpasses its self-supervised counterparts on various tasks, including brain tumor segmentation (BraTS 2018), chest pathology identification (ChestX-ray, CheXpert), pulmonary nodule detection (LUNA), and abdominal organ segmentation (LiTS), sometimes outperforming them by large margins with limited annotations.

从医用试剂染色图像中分割牙齿斑块为诊断和确定随访治疗计划提供了宝贵的信息。但是，准确的牙菌斑分割是一项具有挑战性的任务，需要识别牙齿和牙齿斑块受到语义腔区域的影响（即，在牙齿和牙齿斑块之间的边界区域中存在困惑的边界）以及实例形状的复杂变化，这些变化均未完全解决。现有方法。因此，我们提出了一个语义分解网络（SDNET），该网络介绍了两个单任务分支，以分别解决牙齿和牙齿斑块的分割，并设计了其他约束，以学习每个分支的特定类别特征，从而促进语义分解并改善该类别的特征牙齿分割的性能。具体而言，SDNET以分裂方式学习了两个单独的分割分支和牙齿的牙齿，以解除它们之间的纠缠关系。指定类别的每个分支都倾向于产生准确的分割。为了帮助这两个分支更好地关注特定类别的特征，进一步提出了两个约束模块：1）通过最大化不同类别表示之间的距离来学习判别特征表示，以了解判别特征表示形式，以减少减少负面影响关于特征提取的语义腔区域； 2）结构约束模块（SCM）通过监督边界感知的几何约束提供完整的结构信息，以提供各种形状的牙菌斑。此外，我们构建了一个大规模的开源染色牙菌斑分割数据集（SDPSEG），该数据集为牙齿和牙齿提供高质量的注释。 SDPSEG数据集的实验结果显示SDNET达到了最新的性能。

自动描绘器官风险（OAR）和总肿瘤体积（GTV）对于放射治疗计划具有重要意义。然而，在有限的像素（体素）向内注释下，学习强大的描绘的强大表示是一个具有挑战性的任务。在像素级别的对比学习可以通过从未标记数据学习密集的表示来缓解对注释的依赖性。最近在该方向上的研究设计了特征图上的各种对比损失，以产生地图中每个像素的鉴别特征。然而，同一地图中的像素不可避免地共享语义，其实际上可能影响同一地图中的像素的辨别，并导致与其他地图中的像素相比。为了解决这些问题，我们提出了分离的区域级对比学习计划，即Separeg，其核心是将每个图像分离成区域并分别对每个区域进行编码。具体地，Separeg包括两个组件：结构感知图像分离（SIS）模块和器官和室内间蒸馏（IID）模块。 SIS被提出在图像集上运行以重建在结构信息的指导下设置的区域。将通过典型的对比损失交叉区域从此学习机关间代表。另一方面，提出了IID来解决设定的区域中的数量不平衡，因为通过利用器官表示，微小器官可以产生较少的区域。我们进行了广泛的实验，以评估公共数据集和两个私有数据集的提出模型。实验结果表明了拟议模型的有效性，始终如一地实现比最先进的方法更好的性能。代码可在https://github.com/jcwang123/separate_cl上获得。

在许多图像引导的临床方法中，医学图像分割是一个基本和关键的步骤。基于深度学习的细分方法的最新成功通常取决于大量标记的数据，这特别困难且昂贵，尤其是在医学成像领域中，只有专家才能提供可靠和准确的注释。半监督学习已成为一种吸引人的策略，并广泛应用于医学图像分割任务，以训练注释有限的深层模型。在本文中，我们对最近提议的半监督学习方法进行了全面综述，并总结了技术新颖性和经验结果。此外，我们分析和讨论现有方法的局限性和几个未解决的问题。我们希望这篇评论可以激发研究界探索解决这一挑战的解决方案，并进一步促进医学图像细分领域的发展。

本文为半监督医学图像分割提供了一个简单而有效的两阶段框架。我们的主要洞察力是探索用标记和未标记的（即伪标记）图像的特征表示学习，以增强分段性能。在第一阶段，我们介绍了一种炼层的不确定感知方法，即Aua，以改善产生高质量伪标签的分割性能。考虑到医学图像的固有歧义，Aua自适应地规范了具有低歧义的图像的一致性。为了提高代表学习，我们提出了一种舞台适应性的对比学习方法，包括边界意识的对比损失，以规范第一阶段中标记的图像，并在第二阶段中的原型感知对比损失优化标记和伪标记的图像阶段。边界意识的对比损失仅优化分段边界周围的像素，以降低计算成本。原型感知对比损失通过为每个类构建质心来充分利用标记的图像和伪标记的图像，以减少对比较的计算成本。我们的方法在两个公共医学图像分割基准上实现了最佳结果。值得注意的是，我们的方法在结肠肿瘤分割的骰子上以5.7％的骰子依赖于只有5％标记的图像而表现出5.7％。

手术场景细分对于促使机器人手术的认知援助至关重要。但是，以逐帧方式以像素为单位的注释视频是昂贵且耗时的。为了大大减轻标签负担，在这项工作中，我们从机器人手术视频中研究了半监督的场景细分，这实际上是必不可少的，但以前很少探索。我们考虑在等距采样下的临床上适当的注释情况。然后，我们提出了PGV-CL，这是一种新型的伪标签引导的跨视频对比学习方法，以增强场景分割。它有效地利用了未标记的数据来实现可信赖和全球模型的正则化，从而产生更具歧视性的特征表示。具体来说，对于可信赖的表示学习，我们建议合并伪标签以指导对选择，从而获得更可靠的代表对像素对比度。此外，我们将代表学习空间从以前的图像级扩展到交叉视频，该图像可以捕获全球语义以使学习过程受益。我们广泛评估了公共机器人手术数据集Edovis18和公共白内障数据集Cadis的方法。实验结果证明了我们方法的有效性，在不同的标签比下始终超过了最先进的半监督方法，甚至超过了10.1％标签的destovis18上的全面监督培训。

自我监督的学习（SSL）通过大量未标记的数据的先知，在各种医学成像任务上取得了出色的性能。但是，对于特定的下游任务，仍然缺乏有关如何选择合适的借口任务和实现细节的指令书。在这项工作中，我们首先回顾了医学成像分析领域中自我监督方法的最新应用。然后，我们进行了广泛的实验，以探索SSL中的四个重要问题用于医学成像，包括（1）自我监督预处理对不平衡数据集的影响，（2）网络体系结构，（3）上游任务对下游任务和下游任务和下游任务的适用性（4）SSL和常用政策用于深度学习的堆叠效果，包括数据重新采样和增强。根据实验结果，提出了潜在的指南，以在医学成像中进行自我监督预处理。最后，我们讨论未来的研究方向并提出问题，以了解新的SSL方法和范式时要注意。

现代自我监督的学习算法通常强制执行跨视图实例的表示的持久性。虽然非常有效地学习整体图像和视频表示，但这种方法成为在视频中学习时空时间细粒度的特征的子最优，其中场景和情况通过空间和时间演变。在本文中，我们介绍了上下文化的时空对比学习（Const-CL）框架，以利用自我监督有效学习时空时间细粒度的表示。我们首先设计一种基于区域的自我监督的借口任务，该任务要求模型从一个视图中学习将实例表示转换为上下文特征的另一个视图。此外，我们介绍了一个简单的网络设计，有效地调和了整体和本地表示的同时学习过程。我们评估我们对各种下游任务和CONST-CL的学习表现，实现了四个数据集的最先进结果。对于时空行动本地化，Const-CL可以使用AVA-Kinetics验证集的检测到框实现39.4％的地图和30.5％地图。对于对象跟踪，Const-CL在OTB2015上实现了78.1％的精度和55.2％的成功分数。此外，Const-CL分别在视频动作识别数据集，UCF101和HMDB51上实现了94.8％和71.9％的前1个微调精度。我们计划向公众发布我们的代码和模型。

我们提出了一项新的自我监督的预测变压器预测，以进行密集的预测任务。它基于将像素级表示与全局图像表示形式进行比较的对比损失。该策略可产生更好的本地功能，适用于密集的预测任务，而不是基于全球图像表示的对比预训练。此外，我们的方法不会遭受批次大小的减小，因为对比度损失所需的负面示例数量是局部特征数量的顺序。我们证明了训练策略对两个密集预测任务的有效性：语义分割和单眼深度估计。