诊断阿尔茨海默病（AD）的早期阶段（AD）对于及时治疗至关重要以缓慢进一步恶化。可视化广告早期阶段的形态特征是巨大的临床价值。在这项工作中，提出了一种新的多向感知生成的对抗网络（MP-GaN）来可视化表明不同阶段患者的广告严重程度的形态特征。具体地，通过将​​新的多向映射机制引入模型中，所提出的MP-GaN可以有效地捕获突出全局特征。因此，通过利用来自发电机的类别辨别图，所提出的模型可以通过源域和预定义目标域之间的MR图像变换清楚地描绘微妙的病变。此外，通过集成对抗性损失，分类损失，周期一致性损失和\ emph {l} 1惩罚，MP-GaN中的单个发电机可以学习多类的类鉴别映射。对阿尔茨海默病神经影像倡议（ADNI）数据集进行了广泛的实验结果表明，与现有方法相比，MP-GAN实现了卓越的性能。由MP-GaN可视化的病变也与临床医人观察到的一致。

生成的对抗网络（GAN）是在众多领域成功使用的一种强大的深度学习模型。它们属于一个称为生成方法的更广泛的家族，该家族通过从真实示例中学习样本分布来生成新数据。在临床背景下，与传统的生成方法相比，GAN在捕获空间复杂，非线性和潜在微妙的疾病作用方面表现出增强的能力。这篇综述评估了有关gan在各种神经系统疾病的成像研究中的应用的现有文献，包括阿尔茨海默氏病，脑肿瘤，脑老化和多发性硬化症。我们为每个应用程序提供了各种GAN方法的直观解释，并进一步讨论了在神经影像学中利用gans的主要挑战，开放问题以及有希望的未来方向。我们旨在通过强调如何利用gan来支持临床决策，并有助于更好地理解脑部疾病的结构和功能模式，从而弥合先进的深度学习方法和神经病学研究之间的差距。

The existence of completely aligned and paired multi-modal neuroimaging data has proved its effectiveness in diagnosis of brain diseases. However, collecting the full set of well-aligned and paired data is expensive or even impractical, since the practical difficulties may include high cost, long time acquisition, image corruption, and privacy issues. A realistic solution is to explore either an unsupervised learning or a semi-supervised learning to synthesize the absent neuroimaging data. In this paper, we are the first one to comprehensively approach cross-modality neuroimage synthesis task from different perspectives, which include the level of the supervision (especially for weakly-supervised and unsupervised), loss function, evaluation metrics, the range of modality synthesis, datasets (aligned, private and public) and the synthesis-based downstream tasks. To begin with, we highlight several opening challenges for cross-modality neuroimage sysnthesis. Then we summarize the architecture of cross-modality synthesis under various of supervision level. In addition, we provide in-depth analysis of how cross-modality neuroimage synthesis can improve the performance of different downstream tasks. Finally, we re-evaluate the open challenges and point out the future directions for the remaining challenges. All resources are available at https://github.com/M-3LAB/awesome-multimodal-brain-image-systhesis

主观认知下降（SCD）是阿尔茨海默氏病（AD）的临床前阶段，甚至在轻度认知障碍（MCI）之前就发生。渐进式SCD将转换为MCI，并有可能进一步发展为AD。因此，通过神经成像技术（例如，结构MRI）对进行性SCD的早期鉴定对于AD的早期干预具有巨大的临床价值。但是，现有的基于MRI的机器/深度学习方法通​​常会遇到小样本大小的问题，这对相关的神经影像学分析构成了巨大挑战。我们旨在解决本文的主要问题是如何利用相关领域（例如AD/NC）协助SCD的进展预测。同时，我们担心哪些大脑区域与进行性SCD的识别更加紧密相关。为此，我们提出了一个注意引导自动编码器模型，以进行有效的跨域适应，以促进知识转移从AD到SCD。所提出的模型由四个关键组成部分组成：1）用于学习不同域的共享子空间表示的功能编码模块，2）用于自动定义大脑中定义的兴趣障碍区域的注意模块，3）用于重构的解码模块原始输入，4）用于鉴定脑疾病的分类模块。通过对这四个模块的联合培训，可以学习域不变功能。同时，注意机制可以强调与脑部疾病相关的区域。公开可用的ADNI数据集和私人CLAS数据集的广泛实验证明了该方法的有效性。提出的模型直接可以在CPU上仅5-10秒进行训练和测试，并且适用于具有小数据集的医疗任务。

Diabetic Retinopathy (DR) is a leading cause of vision loss in the world, and early DR detection is necessary to prevent vision loss and support an appropriate treatment. In this work, we leverage interactive machine learning and introduce a joint learning framework, termed DRG-Net, to effectively learn both disease grading and multi-lesion segmentation. Our DRG-Net consists of two modules: (i) DRG-AI-System to classify DR Grading, localize lesion areas, and provide visual explanations; (ii) DRG-Expert-Interaction to receive feedback from user-expert and improve the DRG-AI-System. To deal with sparse data, we utilize transfer learning mechanisms to extract invariant feature representations by using Wasserstein distance and adversarial learning-based entropy minimization. Besides, we propose a novel attention strategy at both low- and high-level features to automatically select the most significant lesion information and provide explainable properties. In terms of human interaction, we further develop DRG-Net as a tool that enables expert users to correct the system's predictions, which may then be used to update the system as a whole. Moreover, thanks to the attention mechanism and loss functions constraint between lesion features and classification features, our approach can be robust given a certain level of noise in the feedback of users. We have benchmarked DRG-Net on the two largest DR datasets, i.e., IDRID and FGADR, and compared it to various state-of-the-art deep learning networks. In addition to outperforming other SOTA approaches, DRG-Net is effectively updated using user feedback, even in a weakly-supervised manner.

Magnetic resonance (MR) and computer tomography (CT) images are two typical types of medical images that provide mutually-complementary information for accurate clinical diagnosis and treatment. However, obtaining both images may be limited due to some considerations such as cost, radiation dose and modality missing. Recently, medical image synthesis has aroused gaining research interest to cope with this limitation. In this paper, we propose a bidirectional learning model, denoted as dual contrast cycleGAN (DC-cycleGAN), to synthesize medical images from unpaired data. Specifically, a dual contrast loss is introduced into the discriminators to indirectly build constraints between real source and synthetic images by taking advantage of samples from the source domain as negative samples and enforce the synthetic images to fall far away from the source domain. In addition, cross-entropy and structural similarity index (SSIM) are integrated into the DC-cycleGAN in order to consider both the luminance and structure of samples when synthesizing images. The experimental results indicate that DC-cycleGAN is able to produce promising results as compared with other cycleGAN-based medical image synthesis methods such as cycleGAN, RegGAN, DualGAN, and NiceGAN. The code will be available at https://github.com/JiayuanWang-JW/DC-cycleGAN.

In biomedical image analysis, the applicability of deep learning methods is directly impacted by the quantity of image data available. This is due to deep learning models requiring large image datasets to provide high-level performance. Generative Adversarial Networks (GANs) have been widely utilized to address data limitations through the generation of synthetic biomedical images. GANs consist of two models. The generator, a model that learns how to produce synthetic images based on the feedback it receives. The discriminator, a model that classifies an image as synthetic or real and provides feedback to the generator. Throughout the training process, a GAN can experience several technical challenges that impede the generation of suitable synthetic imagery. First, the mode collapse problem whereby the generator either produces an identical image or produces a uniform image from distinct input features. Second, the non-convergence problem whereby the gradient descent optimizer fails to reach a Nash equilibrium. Thirdly, the vanishing gradient problem whereby unstable training behavior occurs due to the discriminator achieving optimal classification performance resulting in no meaningful feedback being provided to the generator. These problems result in the production of synthetic imagery that is blurry, unrealistic, and less diverse. To date, there has been no survey article outlining the impact of these technical challenges in the context of the biomedical imagery domain. This work presents a review and taxonomy based on solutions to the training problems of GANs in the biomedical imaging domain. This survey highlights important challenges and outlines future research directions about the training of GANs in the domain of biomedical imagery.

创伤性脑损伤（TBI）患者的脑网络分析对于其意识水平评估和预后评估至关重要，这需要分割某些意识相关的大脑区域。但是，由于很难收集TBI患者的手动注释的MR扫描，因此很难构建TBI分割模型。数据增强技术可用于缓解数据稀缺问题。但是，常规数据增强策略（例如空间和强度转化）无法模仿创伤性大脑中的变形和病变，这限制了后续分割任务的性能。为了解决这些问题，我们提出了一种名为TBIGA的新型医学图像授课模型，以通过配对的脑标签图合成TBI MR扫描。我们的TBIGAN方法的主要优势在于，它可以同时生成TBI图像和相应的标签映射，这在以前的医学图像的先前涂上方法中尚未实现。我们首先按照粗到细节的方式在边缘信息的指导下生成成分的图像，然后将合成强度图像用作标签上填充的先验。此外，我们引入了基于注册的模板增强管道，以增加合成图像对的多样性并增强数据增强能力。实验结果表明，提出的TBIGAN方法可以产生具有高质量和有效标签图的足够合成的TBI图像，这可以大大改善与替代方案相比的2D和3D创伤性脑部分割性能。

生成对抗网络（GAN）具有许多潜在的医学成像应用，包括数据扩展，域适应和模型解释。由于图形处理单元（GPU）的记忆力有限，因此在低分辨率的医学图像上对当前的3D GAN模型进行了训练，因此这些模型要么无法扩展到高分辨率，要么容易出现斑驳的人工制品。在这项工作中，我们提出了一种新颖的端到端GAN体系结构，可以生成高分辨率3D图像。我们通过使用训练和推理之间的不同配置来实现这一目标。在训练过程中，我们采用了层次结构，该结构同时生成图像的低分辨率版本和高分辨率图像的随机选择子量。层次设计具有两个优点：首先，对高分辨率图像训练的记忆需求在子量之间摊销。此外，将高分辨率子体积固定在单个低分辨率图像上可确保子量化之间的解剖一致性。在推断期间，我们的模型可以直接生成完整的高分辨率图像。我们还将具有类似层次结构的编码器纳入模型中，以从图像中提取特征。 3D胸CT和脑MRI的实验表明，我们的方法在图像生成中的表现优于最新技术。我们还证明了所提出的模型在数据增强和临床相关特征提取中的临床应用。

多发性硬化症（MS）是一种慢性神经系统疾病，其特征是大脑白质病变的发展。相对于其他MRI模态，T2流体减弱的反转恢复（FLAIR）脑磁共振成像（MRI）提供了MS病变的卓越可视化和表征。 MS中的后续大脑FLAIR MRI为临床医生提供了有用的信息，以监测疾病进展。在这项研究中，我们提出了对生成对抗网络（GAN）的新颖修饰，以预测MS以固定时间间隔的MS预测未来病变特异性MRI。我们在鉴别器中使用受监督的引导注意力和扩张卷积，该歧视者支持对生成图像是否实现的明智预测，这是基于对病变区域的关注，这反过来又有可能帮助改善生成器以预测病变区域将来的考试更准确。我们将我们的方法与几个基线和一种最先进的CF-Sagan模型进行了比较[1]。总之，我们的结果表明，与其他总体性能相似的模型相比，所提出的方法可实现更高的准确性，并减少病变区域预测误差的标准偏差。

在临床医学中，磁共振成像（MRI）是诊断，分类，预后和治疗计划中最重要的工具之一。然而，MRI遭受了固有的慢数据采集过程，因为数据在k空间中顺序收集。近年来，大多数MRI重建方法在文献中侧重于整体图像重建而不是增强边缘信息。这项工作通过详细说明了对边缘信息的提高来阐述了这一趋势。具体地，我们通过结合多视图信息介绍一种用于快速多通道MRI重建的新型并行成像耦合双鉴别器生成的对抗网络（PIDD-GaN）。双判别设计旨在改善MRI重建中的边缘信息。一个鉴别器用于整体图像重建，而另一个鉴别器是负责增强边缘信息的负责。为发电机提出了一种具有本地和全局剩余学习的改进的U-Net。频率通道注意块（FCA块）嵌入在发电机中以结合注意力机制。引入内容损耗以培训发电机以获得更好的重建质量。我们对Calgary-Campinas公共大脑MR DataSet进行了全面的实验，并将我们的方法与最先进的MRI重建方法进行了比较。在MICCAI13数据集上进行了对剩余学习的消融研究，以验证所提出的模块。结果表明，我们的PIDD-GaN提供高质量的重建MR图像，具有良好的边缘信息。单图像重建的时间低于5ms，符合加快处理的需求。

深度学习已被广​​泛用于医学图像分割，并且录制了录制了该领域深度学习的成功的大量论文。在本文中，我们使用深层学习技术对医学图像分割的全面主题调查。本文进行了两个原创贡献。首先，与传统调查相比，直接将深度学习的文献分成医学图像分割的文学，并为每组详细介绍了文献，我们根据从粗略到精细的多级结构分类目前流行的文献。其次，本文侧重于监督和弱监督的学习方法，而不包括无监督的方法，因为它们在许多旧调查中引入而且他们目前不受欢迎。对于监督学习方法，我们分析了三个方面的文献：骨干网络的选择，网络块的设计，以及损耗功能的改进。对于虚弱的学习方法，我们根据数据增强，转移学习和交互式分割进行调查文献。与现有调查相比，本调查将文献分类为比例不同，更方便读者了解相关理由，并将引导他们基于深度学习方法思考医学图像分割的适当改进。

由于受试者辍学或扫描失败，在纵向研究中不可避免地扫描是不可避免的。在本文中，我们提出了一个深度学习框架，以预测获得的扫描中缺少扫描，从而迎合纵向婴儿研究。由于快速的对比和结构变化，特别是在生命的第一年，对婴儿脑MRI的预测具有挑战性。我们引入了值得信赖的变质生成对抗网络（MGAN），用于将婴儿脑MRI从一个时间点转换为另一个时间点。MGAN具有三个关键功能：（i）图像翻译利用空间和频率信息以进行详细信息提供映射；（ii）将注意力集中在具有挑战性地区的质量指导学习策略。（iii）多尺度杂种损失函数，可改善组织对比度和结构细节的翻译。实验结果表明，MGAN通过准确预测对比度和解剖学细节来优于现有的gan。

组织病理学依赖于微观组织图像的分析来诊断疾病。组织制备的关键部分正在染色，从而使染料用于使显着的组织成分更具区分。但是，实验室协议和扫描设备的差异导致相应图像的显着混淆外观变化。这种变异增加了人类错误和评估者间的变异性，并阻碍了自动或半自动方法的性能。在本文中，我们引入了一个无监督的对抗网络，以在多个数据采集域中翻译（因此使）整个幻灯片图像。我们的关键贡献是：（i）一种对抗性体系结构，该架构使用信息流分支通过单个发电机 - 歧视器网络在多个域中学习，该信息流分支优化可感知损失，以及（ii）在培训过程中包含一个附加功能提取网络，以指导指导指导的额外功能提取网络。转换网络以保持组织图像中的所有结构特征完整。我们：（i）首先证明了提出的方法对120例肾癌的H \＆e幻灯片的有效性，以及（ii）显示了该方法对更一般问题的好处，例如基于灵活照明的自然图像增强功能和光源适应。

\ textit {objection：}基于gadolinium的对比剂（GBCA）已被广泛用于更好地可视化脑磁共振成像中的疾病（MRI）。然而，大脑和身体内部的gadolin量引起了人们对使用GBCA的安全问题。因此，在提供类似的对比度信息的同时，可以减少甚至消除GBCA暴露的新方法的发展将在临床上具有重大用途。 \ textit {方法：}在这项工作中，我们提出了一种基于深度学习的方法，用于对脑肿瘤患者的对比增强T1合成。 3D高分辨率完全卷积网络（FCN）通过处理和聚合并行的多尺度信息保持高分辨率信息，旨在将前对比度MRI序列映射到对比度增强的MRI序列。具体而言，将三个前对比的MRI序列T1，T2和表观扩散系数图（ADC）用作输入，而对比后T1序列则被用作目标输出。为了减轻正常组织与肿瘤区域之间的数据不平衡问题，我们引入了局部损失，以改善肿瘤区域的贡献，从而可以更好地增强对肿瘤的增强结果。 \ textIt {结果：}进行了广泛的定量和视觉评估，我们提出的模型在大脑中达到28.24db的PSNR，在肿瘤区域达到21.2db。 \ textit {结论和意义：}我们的结果表明，用深度学习产生的合成对比图像代替GBCA的潜力。代码可在\ url {https://github.com/chenchao666/contrast-enhanced-mri-synthesis中获得

具有高分辨率的视网膜光学相干断层扫描术（八八）对于视网膜脉管系统的定量和分析很重要。然而，八颗图像的分辨率与相同采样频率的视野成反比，这不利于临床医生分析较大的血管区域。在本文中，我们提出了一个新型的基于稀疏的域适应超分辨率网络（SASR），以重建现实的6x6 mm2/低分辨率/低分辨率（LR）八八粒图像，以重建高分辨率（HR）表示。更具体地说，我们首先对3x3 mm2/高分辨率（HR）图像进行简单降解，以获得合成的LR图像。然后，采用一种有效的注册方法在6x6 mm2图像中以其相应的3x3 mm2图像区域注册合成LR，以获得裁切的逼真的LR图像。然后，我们提出了一个多级超分辨率模型，用于对合成数据进行全面监督的重建，从而通过生成的对流策略指导现实的LR图像重建现实的LR图像，该策略允许合成和现实的LR图像可以在特征中统一。领域。最后，新型的稀疏边缘感知损失旨在动态优化容器边缘结构。在两个八八集中进行的广泛实验表明，我们的方法的性能优于最先进的超分辨率重建方法。此外，我们还研究了重建结果对视网膜结构分割的性能，这进一步验证了我们方法的有效性。

背景：虽然卷积神经网络（CNN）实现了检测基于磁共振成像（MRI）扫描的阿尔茨海默病（AD）痴呆的高诊断准确性，但它们尚未应用于临床常规。这是一个重要原因是缺乏模型可理解性。最近开发的用于导出CNN相关性图的可视化方法可能有助于填补这种差距。我们调查了具有更高准确性的模型还依赖于先前知识预定义的判别脑区域。方法：我们培训了CNN，用于检测痴呆症和Amnestic认知障碍（MCI）患者的N = 663 T1加权MRI扫描的AD，并通过交叉验证和三个独立样本验证模型的准确性= 1655例。我们评估了相关评分和海马体积的关联，以验证这种方法的临床效用。为了提高模型可理解性，我们实现了3D CNN相关性图的交互式可视化。结果：跨三个独立数据集，组分离表现出广告痴呆症与控制的高精度（AUC $ \ GEQUQ $ 0.92）和MCI与控制的中等精度（AUC $ \约0.75美元）。相关性图表明海马萎缩被认为是广告检测的最具信息性因素，其其他皮质和皮质区域中的萎缩额外贡献。海马内的相关评分与海马体积高度相关（Pearson的r $ \大约$ -0.86，p <0.001）。结论：相关性地图突出了我们假设先验的地区的萎缩。这加强了CNN模型的可理解性，这些模型基于扫描和诊断标签以纯粹的数据驱动方式培训。

精神分裂症是一种慢性神经精神疾病，会引起大脑内部的不同结构改变。我们假设将深度学习应用于结构性神经影像学数据集可以检测到与疾病相关的改变，并提高分类和诊断准确性。我们使用单一可用的，常规的T1加权MRI扫描测试了这一假设，我们使用标准后处理方法从中提取了3D全脑结构。然后在三个开放数据集上开发，优化和评估了一个深度学习模型，并对精神分裂症患者进行T1加权MRI扫描。我们提出的模型优于基准模型，该模型还使用3D CNN体系结构对结构MR图像进行了训练。我们的模型几乎能够完美地（ROC曲线下的区域= 0.987），将精神分裂症患者与看不见的结构MRI扫描中的健康对照区分开。区域分析将皮质下区域和心室局部作为最预测的大脑区域。皮层结构在人类的认知，情感和社会功能中起关键作用，这些区域的结构异常与精神分裂症有关。我们的发现证实了精神分裂症与皮质下大脑结构的广泛改变有关，皮层结构信息在诊断分类中提供了突出的特征。总之，这些结果进一步证明了深度学习的潜力，以改善精神分裂症的诊断，并从单个标准的T1加权脑MRI中确定其结构性神经影像学特征。

Late-life depression (LLD) is a highly prevalent mood disorder occurring in older adults and is frequently accompanied by cognitive impairment (CI). Studies have shown that LLD may increase the risk of Alzheimer's disease (AD). However, the heterogeneity of presentation of geriatric depression suggests that multiple biological mechanisms may underlie it. Current biological research on LLD progression incorporates machine learning that combines neuroimaging data with clinical observations. There are few studies on incident cognitive diagnostic outcomes in LLD based on structural MRI (sMRI). In this paper, we describe the development of a hybrid representation learning (HRL) framework for predicting cognitive diagnosis over 5 years based on T1-weighted sMRI data. Specifically, we first extract prediction-oriented MRI features via a deep neural network, and then integrate them with handcrafted MRI features via a Transformer encoder for cognitive diagnosis prediction. Two tasks are investigated in this work, including (1) identifying cognitively normal subjects with LLD and never-depressed older healthy subjects, and (2) identifying LLD subjects who developed CI (or even AD) and those who stayed cognitively normal over five years. To the best of our knowledge, this is among the first attempts to study the complex heterogeneous progression of LLD based on task-oriented and handcrafted MRI features. We validate the proposed HRL on 294 subjects with T1-weighted MRIs from two clinically harmonized studies. Experimental results suggest that the HRL outperforms several classical machine learning and state-of-the-art deep learning methods in LLD identification and prediction tasks.

基于深度学习的疾病检测和分割算法承诺提高许多临床过程。然而，由于数据隐私，法律障碍和非统一数据采集协议，此类算法需要大量的注释训练数据，通常在医学环境中不可用。具有注释病理学的合成数据库可以提供所需的培训数据量。我们展示了缺血性卒中的例子，即利用基于深度学习的增强的病变分割的改善是可行的。为此，我们训练不同的图像到图像转换模型，以合成大脑体积的磁共振图像，并且没有来自语义分割图的中风病变。此外，我们培养一种生成的对抗性网络来产生合成病变面具。随后，我们组合这两个组件来构建大型合成描边图像数据库。使用U-NET评估各种模型的性能，该U-NET在临床测试集上培训以进行段中风病变。我们向最佳性能报告$ \ mathbf {72.8} $％[$ \ mathbf {70.8 \ pm1.0} $％]的骰子分数，这胜过了单独临床图像培训的模型培训$ \ mathbf { 67.3} $％[$ \ mathbf {63.2 \ pm1.9} $％]，并且接近人类互相互联网骰子评分$ \ mathbf {76.9} $％。此外，我们表明，对于仅为10或50个临床案例的小型数据库，与使用不使用合成数据的设置相比，合成数据增强产生了显着的改进。据我们所知，这提出了基于图像到图像翻译的合成数据增强的第一个比较分析，并将第一应用于缺血性卒中。