This paper focuses on the uncertainty estimation of white matter lesions (WML) segmentation in magnetic resonance imaging (MRI). On one side, voxel-scale segmentation errors cause the erroneous delineation of the lesions; on the other side, lesion-scale detection errors lead to wrong lesion counts. Both of these factors are clinically relevant for the assessment of multiple sclerosis patients. This work aims to compare the ability of different voxel- and lesion- scale uncertainty measures to capture errors related to segmentation and lesion detection respectively. Our main contributions are (i) proposing new measures of lesion-scale uncertainty that do not utilise voxel-scale uncertainties; (ii) extending an error retention curves analysis framework for evaluation of lesion-scale uncertainty measures. Our results obtained on the multi-center testing set of 58 patients demonstrate that the proposed lesion-scale measures achieves the best performance among the analysed measures. All code implementations are provided at https://github.com/NataliiaMolch/MS_WML_uncs

深度神经网络已成为3D医学图像自动分割的金标准方法。然而，由于缺乏对所提供的结果评估可理解的不确定性评估，他们被临床医生的全部接受仍然受到阻碍。量化其不确定性的大多数方法，例如流行的蒙特卡洛辍学物，仅限于在体素水平上预测的某种不确定性度量。除了与真正的医学不确定性无关紧要之外，这在临床上并不令人满意，因为大多数感兴趣的对象（例如，脑部病变）是由素食组成的，其整体相关性可能不会简单地减少其个人不确定性的总和或平均值。在这项工作中，我们建议使用创新的图形神经网络方法超越体素评估，并从蒙特卡洛辍学模型的输出中训练。该网络允许融合体素不确定性的三个估计量：熵，方差和模型的置信度；并且可以应用于任何病变，无论其形状或大小如何。我们证明了我们方法对多发性硬化病变的任务的不确定性估计的优势。

分配转移或培训数据和部署数据之间的不匹配是在高风险工业应用中使用机器学习的重要障碍，例如自动驾驶和医学。这需要能够评估ML模型的推广以及其不确定性估计的质量。标准ML基线数据集不允许评估这些属性，因为培训，验证和测试数据通常相同分布。最近，已经出现了一系列专用基准测试，其中包括分布匹配和转移的数据。在这些基准测试中，数据集在任务的多样性以及其功能的数据模式方面脱颖而出。虽然大多数基准测试由2D图像分类任务主导，但Shifts包含表格天气预测，机器翻译和车辆运动预测任务。这使得可以评估模型的鲁棒性属性，并可以得出多种工业规模的任务以及通用或直接适用的特定任务结论。在本文中，我们扩展了偏移数据集，其中两个数据集来自具有高社会重要性的工业高风险应用程序。具体而言，我们考虑了3D磁共振脑图像中白质多发性硬化病变的分割任务以及海洋货物容器中功耗的估计。两项任务均具有无处不在的分配变化和由于错误成本而构成严格的安全要求。这些新数据集将使研究人员能够进一步探索新情况下的强大概括和不确定性估计。在这项工作中，我们提供了两个任务的数据集和基线结果的描述。

深度学习（DL）模型为各种医学成像基准挑战提供了最先进的性能，包括脑肿瘤细分（BRATS）挑战。然而，局灶性病理多隔室分割（例如，肿瘤和病变子区）的任务特别具有挑战性，并且潜在的错误阻碍DL模型转化为临床工作流程。量化不确定形式的DL模型预测的可靠性，可以实现最不确定的地区的临床审查，从而建立信任并铺平临床翻译。最近，已经引入了许多不确定性估计方法，用于DL医学图像分割任务。开发指标评估和比较不确定性措施的表现将有助于最终用户制定更明智的决策。在本研究中，我们探索并评估在Brats 2019-2020任务期间开发的公制，以对不确定量化量化（Qu-Brats），并旨在评估和排列脑肿瘤多隔室分割的不确定性估计。该公制（1）奖励不确定性估计，对正确断言产生高置信度，以及在不正确的断言处分配低置信水平的估计数，（2）惩罚导致更高百分比的无关正确断言百分比的不确定性措施。我们进一步基准测试由14个独立参与的Qu-Brats 2020的分割不确定性，所有这些都参与了主要的Brats细分任务。总体而言，我们的研究结果证实了不确定性估计提供了分割算法的重要性和互补价值，因此突出了医学图像分析中不确定性量化的需求。我们的评估代码在HTTPS://github.com/ragmeh11/qu-brats公开提供。

深度学习技术在检测医学图像中的对象方面取得了成功，但仍然遭受虚假阳性预测，可能会阻碍准确的诊断。神经网络输出的估计不确定性已用于标记不正确的预测。我们研究了来自神经网络不确定性估计的功能和基于形状的特征，这些特征是根据二进制预测计算出的，从二进制预测中，通过开发基于分类的后处理步骤来减少肝病病变检测中的假阳性，以用于不同的不确定性估计方法。我们证明了两个数据集上所有不确定性估计方法的神经网络的病变检测性能（相对于F1分数）的改善，分别包括腹部MR和CT图像。我们表明，根据神经网络不确定性估计计算的功能往往不会有助于降低假阳性。我们的结果表明，诸如阶级不平衡（真实假阳性比率）和从不确定性图提取的基于形状的特征之类的因素在区分假阳性和真实阳性预测方面起着重要作用

检测新的多发性硬化症（MS）病变是该疾病进化的重要标志。基于学习的方法的适用性可以有效地自动化此任务。然而，缺乏带有新型病变的注释纵向数据是训练健壮和概括模型的限制因素。在这项工作中，我们描述了一条基于学习的管道，该管道解决了检测和细分新MS病变的挑战性任务。首先，我们建议使用单个时间点对在分割任务进行训练的模型中使用转移学习。因此，我们从更轻松的任务中利用知识，并为此提供更多注释的数据集。其次，我们提出了一种数据综合策略，以使用单个时间点扫描生成新的纵向时间点。通过这种方式，我们将检测模型预算到大型合成注释数据集上。最后，我们使用旨在模拟MRI中数据多样性的数据实践技术。通过这样做，我们增加了可用的小注释纵向数据集的大小。我们的消融研究表明，每个贡献都会提高分割精度。使用拟议的管道，我们获得了MSSEG2 MICCAI挑战中新的MS病变的分割和检测的最佳分数。

机器学习算法支撑现代诊断辅助软件，这在临床实践中证明了有价值的，特别是放射学。然而，不准确的是，主要是由于临床样本的可用性有限，用于培训这些算法，妨碍他们在临床医生中更广泛的适用性，接受和识别。我们对最先进的自动质量控制（QC）方法进行了分析，可以在这些算法中实现，以估计其输出的确定性。我们验证了识别磁共振成像数据中的白质超收缩性（WMH）的大脑图像分割任务上最有前途的方法。 WMH是在上层前期成年中常见的小血管疾病的关联，并且由于其变化的尺寸和分布模式而尤其具有挑战性。我们的研究结果表明，不确定度和骰子预测的聚集在此任务的故障检测中最有效。两种方法在0.82至0.84的情况下独立改善平均骰子。我们的工作揭示了QC方法如何有助于检测失败的分割案例，从而使自动分割更可靠，适合临床实践。

迄今为止，已经提出了几种使用磁共振成像（MRI）鉴定/分割多发性硬化病（MS）病变的自动化策略，但它们的表现均优于人类专家，它们的作用差异很大。这主要是由于：MRI不稳定性起源于：歧义； MS的特殊变异； MRI关于MS的非特异性。医师部分管理依赖放射学/临床/解剖背景和经验的歧义产生的不确定性。为了模仿人类的诊断，我们提出了一个自动化框架，用于基于三个关键概念的MRI识别/分割MS病变的自动框架：1。不确定性建模； 2.两个分别训练的CNN的建议，一个针对病变优化的，另一个针对周围环境的病变进行了优化，分别针对轴向，冠状和矢状方向重复； 3.合奏分类器的定义合并不同CNN收集的信息。提出的框架经过单个成像模式，即流体侵蚀的反转恢复（FLAIR）的2016年MSSEG基准公共数据集进行了训练，验证和测试。与地面真相和7个人类评估者的比较证明，自动化者和人类评估者之间没有显着差异。

多发性硬化症（MS）是中枢神经系统的慢性炎症和退行性疾病，其特征在于，白色和灰质的外观与个体患者的神经症状和标志进行地平整相关。磁共振成像（MRI）提供了详细的体内结构信息，允许定量和分类MS病变，其批判性地通知疾病管理。传统上，MS病变在2D MRI切片上手动注释，一个流程效率低，易于观察室内误差。最近，已经提出了自动统计成像分析技术以基于MRI体素强度检测和分段段病变。然而，它们的有效性受到MRI数据采集技术的异质性和MS病变的外观的限制。通过直接从图像学习复杂的病变表现，深度学习技术已经在MS病变分割任务中取得了显着的突破。在这里，我们提供了全面审查最先进的自动统计和深度学习MS分段方法，并讨论当前和未来的临床应用。此外，我们审查了域适应等技术策略，以增强现实世界临床环境中的MS病变分段。

脑小血管疾病的成像标记提供了有关脑部健康的宝贵信息，但是它们的手动评估既耗时又受到实质性内部和间际变异性的阻碍。自动化评级可能受益于生物医学研究以及临床评估，但是现有算法的诊断可靠性尚不清楚。在这里，我们介绍了\ textIt {血管病变检测和分割}（\ textit {v textit {where valdo？}）挑战，该挑战是在国际医学图像计算和计算机辅助干预措施（MICCAI）的卫星事件中运行的挑战（MICCAI） 2021.这一挑战旨在促进大脑小血管疾病的小而稀疏成像标记的自动检测和分割方法的开发，即周围空间扩大（EPVS）（任务1），脑微粒（任务2）和预先塑造的鞋类血管起源（任务3），同时利用弱和嘈杂的标签。总体而言，有12个团队参与了针对一个或多个任务的解决方案的挑战（任务1 -EPVS 4，任务2 -Microbleeds的9个，任务3 -lacunes的6个）。多方数据都用于培训和评估。结果表明，整个团队和跨任务的性能都有很大的差异，对于任务1- EPV和任务2-微型微型且对任务3 -lacunes尚无实际的结果，其结果尤其有望。它还强调了可能阻止个人级别使用的情况的性能不一致，同时仍证明在人群层面上有用。

Objective: Convolutional neural networks (CNNs) have demonstrated promise in automated cardiac magnetic resonance image segmentation. However, when using CNNs in a large real-world dataset, it is important to quantify segmentation uncertainty and identify segmentations which could be problematic. In this work, we performed a systematic study of Bayesian and non-Bayesian methods for estimating uncertainty in segmentation neural networks. Methods: We evaluated Bayes by Backprop, Monte Carlo Dropout, Deep Ensembles, and Stochastic Segmentation Networks in terms of segmentation accuracy, probability calibration, uncertainty on out-of-distribution images, and segmentation quality control. Results: We observed that Deep Ensembles outperformed the other methods except for images with heavy noise and blurring distortions. We showed that Bayes by Backprop is more robust to noise distortions while Stochastic Segmentation Networks are more resistant to blurring distortions. For segmentation quality control, we showed that segmentation uncertainty is correlated with segmentation accuracy for all the methods. With the incorporation of uncertainty estimates, we were able to reduce the percentage of poor segmentation to 5% by flagging 31--48% of the most uncertain segmentations for manual review, substantially lower than random review without using neural network uncertainty (reviewing 75--78% of all images). Conclusion: This work provides a comprehensive evaluation of uncertainty estimation methods and showed that Deep Ensembles outperformed other methods in most cases. Significance: Neural network uncertainty measures can help identify potentially inaccurate segmentations and alert users for manual review.

简介白质超强度（WMHS）的自动分割是磁共振成像（MRI）神经影像分析的重要步骤。流体减弱的反转恢复（FLAIR加权）是MRI对比度，对于可视化和量化WMHS，这是脑小血管疾病和阿尔茨海默氏病（AD）特别有用的。临床MRI方案迁移到三维（3D）FLAIR加权的采集，以在所有三个体素维度中实现高空间分辨率。当前的研究详细介绍了深度学习工具的部署，以使自动化的WMH分割和表征从获得的3D Flair加权图像作为国家广告成像计划的一部分获得。 DDI研究中的642名参与者（283名男性，平均年龄：（65.18 +/- 9.33）年）中的材料和方法，在五个国家收集地点进行了培训和验证两个内部网络。在642名参与者的内部数据和一个外部数据集中，对三个模型进行了测试，其中包含来自国际合作者的29个情况。这些测试集进行了独立评估。使用了五个已建立的WMH性能指标与地面真理人体分割进行比较。测试的三个网络的结果，3D NNU-NET具有最佳性能，平均骰子相似性系数得分为0.78 +/- 0.10，其性能优于内部开发的2.5D模型和SOTA DEEP DEEP BAYESIAN网络。结论MRI协议中3D Flair加权图像的使用越来越多，我们的结果表明，WMH分割模型可以在3D数据上进行训练，并产生与无需更高的或更好的无需先进的WMH分割性能用于包括T1加权图像系列。

最近关于Covid-19的研究表明，CT成像提供了评估疾病进展和协助诊断的有用信息，以及帮助理解疾病。有越来越多的研究，建议使用深度学习来使用胸部CT扫描提供快速准确地定量Covid-19。兴趣的主要任务是胸部CT扫描的肺和肺病变的自动分割，确认或疑似Covid-19患者。在这项研究中，我们使用多中心数据集比较12个深度学习算法，包括开源和内部开发的算法。结果表明，合并不同的方法可以提高肺部分割，二元病变分割和多种子病变分割的总体测试集性能，从而分别为0.982,0.724和0.469的平均骰子分别。将得到的二元病变分段为91.3ml的平均绝对体积误差。通常，区分不同病变类型的任务更加困难，分别具有152mL的平均绝对体积差，分别为整合和磨碎玻璃不透明度为0.369和0.523的平均骰子分数。所有方法都以平均体积误差进行二元病变分割，该分段优于人类评估者的视觉评估，表明这些方法足以用于临床实践中使用的大规模评估。

脑转移经常发生在转移性癌症的患者中。早期和准确地检测脑转移对于放射治疗的治疗计划和预后至关重要。为了提高深入学习的脑转移检测性能，提出了一种称为体积级灵敏度特异性（VSS）的定制检测损失，该损失是单个转移检测灵敏度和（子）体积水平的特异性。作为敏感性和精度始终在转移水平中始终是折射率，可以通过调节VSS损耗中的重量而无需骰子分数系数进行分段转移来实现高精度或高精度。为了减少被检测为假阳性转移的转移样结构，提出了一种时间的现有量作为神经网络的额外输入。我们提出的VSS损失提高了脑转移检测的敏感性，将灵敏度提高了86.7％至95.5％。或者，它将精度提高了68.8％至97.8％。随着额外的时间现有量，在高灵敏度模型中，约45％的假阳性转移减少，高特异性模型的精度达到99.6％。所有转移的平均骰子系数约为0.81。随着高灵敏度和高特异性模型的集合，平均每位患者的1.5个假阳性转移需要进一步检查，而大多数真正的阳性转移确认。该集合学习能够区分从需要特殊专家审查或进一步跟进的转移候选人的高信心真正的阳性转移，特别适合实际临床实践中专家支持的要求。

Non-invasive prostate cancer detection from MRI has the potential to revolutionize patient care by providing early detection of clinically-significant disease (ISUP grade group >= 2), but has thus far shown limited positive predictive value. To address this, we present an MRI-based deep learning method for predicting clinically significant prostate cancer applicable to a patient population with subsequent ground truth biopsy results ranging from benign pathology to ISUP grade group~5. Specifically, we demonstrate that mixed supervision via diverse histopathological ground truth improves classification performance despite the cost of reduced concordance with image-based segmentation. That is, where prior approaches have utilized pathology results as ground truth derived from targeted biopsies and whole-mount prostatectomy to strongly supervise the localization of clinically significant cancer, our approach also utilizes weak supervision signals extracted from nontargeted systematic biopsies with regional localization to improve overall performance. Our key innovation is performing regression by distribution rather than simply by value, enabling use of additional pathology findings traditionally ignored by deep learning strategies. We evaluated our model on a dataset of 973 (testing n=160) multi-parametric prostate MRI exams collected at UCSF from 2015-2018 followed by MRI/ultrasound fusion (targeted) biopsy and systematic (nontargeted) biopsy of the prostate gland, demonstrating that deep networks trained with mixed supervision of histopathology can significantly exceed the performance of the Prostate Imaging-Reporting and Data System (PI-RADS) clinical standard for prostate MRI interpretation.

通过磁共振成像（MRI）评估肿瘤负担对于评估胶质母细胞瘤的治疗反应至关重要。由于疾病的高异质性和复杂性，该评估的性能很复杂，并且与高变异性相关。在这项工作中，我们解决了这个问题，并提出了一条深度学习管道，用于对胶质母细胞瘤患者进行全自动的端到端分析。我们的方法同时确定了肿瘤的子区域，包括第一步的肿瘤，周围肿瘤和手术腔，然后计算出遵循神经符号学（RANO）标准的当前响应评估的体积和双相测量。此外，我们引入了严格的手动注释过程，其随后是人类专家描绘肿瘤子区域的，并捕获其分割的信心，后来在训练深度学习模型时被使用。我们广泛的实验研究的结果超过了760次术前和504例从公共数据库获得的神经胶质瘤后患者（2021 - 2020年在19个地点获得）和临床治疗试验（47和69个地点，可用于公共数据库（在19个地点获得）（47和69个地点）术前/术后患者，2009-2011）并以彻底的定量，定性和统计分析进行了备份，表明我们的管道在手动描述时间的一部分中对术前和术后MRI进行了准确的分割（最高20比人更快。二维和体积测量与专家放射科医生非常吻合，我们表明RANO测量并不总是足以量化肿瘤负担。

对脑外伤（TBI）患者的准确预后很难为治疗，患者管理和长期护理提供信息至关重要。年龄，运动和学生反应性，缺氧和低血压以及计算机断层扫描（CT）的放射学发现等患者特征已被确定为TBI结果预测的重要变量。 CT是临床实践中选择的急性成像方式，因为其获取速度和广泛的可用性。但是，这种方式主要用于定性和半定量评估，例如马歇尔评分系统，该系统容易受到主观性和人为错误。这项工作探讨了使用最先进的，深度学习的TBI病变分割方法从常规获得的医院入院CT扫描中提取的成像生物标志物的预测能力。我们使用病变体积和相应的病变统计作为扩展TBI结果预测模型的输入。我们将我们提出的功能的预测能力与马歇尔分数进行比较，并与经典的TBI生物标志物配对。我们发现，在预测不利的TBI结果时，自动提取的定量CT功能的性能与Marshall分数相似或更好。利用自动地图集对齐，我们还确定额叶外病变是不良预后的重要指标。我们的工作可能有助于更好地理解TBI，并提供有关如何使用自动化神经影像分析来改善TBI后预测的新见解。

Generalization is an important attribute of machine learning models, particularly for those that are to be deployed in a medical context, where unreliable predictions can have real world consequences. While the failure of models to generalize across datasets is typically attributed to a mismatch in the data distributions, performance gaps are often a consequence of biases in the 'ground-truth' label annotations. This is particularly important in the context of medical image segmentation of pathological structures (e.g. lesions), where the annotation process is much more subjective, and affected by a number underlying factors, including the annotation protocol, rater education/experience, and clinical aims, among others. In this paper, we show that modeling annotation biases, rather than ignoring them, poses a promising way of accounting for differences in annotation style across datasets. To this end, we propose a generalized conditioning framework to (1) learn and account for different annotation styles across multiple datasets using a single model, (2) identify similar annotation styles across different datasets in order to permit their effective aggregation, and (3) fine-tune a fully trained model to a new annotation style with just a few samples. Next, we present an image-conditioning approach to model annotation styles that correlate with specific image features, potentially enabling detection biases to be more easily identified.

在许多临床背景下，检测所有病变对于评估疾病活动至关重要。尽管获取分割标签的耗时性，但标准方法仍将病变检测作为分割问题。在本文中，我们提出了一种仅依赖点标签的病变检测方法。我们的模型通过热图回归训练，可以以概率方式检测可变数量的病变。实际上，我们提出的后处理方法提供了一种直接估计病变存在不确定性的可靠方法。GAD病变检测的实验结果表明，与昂贵的分割标签的培训相比，我们的基于点的方法具有竞争性。最后，我们的检测模型为分割提供了合适的预训练。仅在17个细分样本上进行微调时，我们实现了与完整数据集的培训相当的性能。

尽管脑肿瘤分割的准确性最近取得了进步，但结果仍然遭受低可靠性和鲁棒性的影响。不确定性估计是解决此问题的有效解决方案，因为它提供了对分割结果的信心。当前的不确定性估计方法基于分位数回归，贝叶斯神经网络，集合和蒙特卡洛辍学者受其高计算成本和不一致的限制。为了克服这些挑战，在最近的工作中开发了证据深度学习（EDL），但主要用于自然图像分类。在本文中，我们提出了一个基于区域的EDL分割框架，该框架可以生成可靠的不确定性图和可靠的分割结果。我们使用证据理论将神经网络的输出解释为从输入特征收集的证据价值。遵循主观逻辑，将证据作为差异分布进行了参数化，预测的概率被视为主观意见。为了评估我们在分割和不确定性估计的模型的性能，我们在Brats 2020数据集上进行了定量和定性实验。结果证明了所提出的方法在量化分割不确定性和稳健分割肿瘤方面的最高性能。此外，我们提出的新框架保持了低计算成本和易于实施的优势，并显示了临床应用的潜力。