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.

机器学习驱动的医学图像分割已成为医学图像分析的标准。然而，深度学习模型易于过度自信预测。这导致了重新关注医学成像和更广泛的机器学习社区中的校准预测。校准预测是标签概率的估计，其对应于置信度的标签的真正预期值。这种校准的预测在一系列医学成像应用中具有效用，包括在不确定性和主动学习系统下的手术规划。同时，它通常是对许多医疗应用的实际重视的准确体积测量。这项工作调查了模型校准和体积估计之间的关系。我们在数学上和经验上展示，如果每个图像校准预测器，我们可以通过期望每像素/图像的体素的概率得分来获得正确的体积。此外，我们表明校准分类器的凸组合保持体积估计，但不保留校准。因此，我们得出结论，具有校准的预测因子是足够但不是必需的来获得体积的无偏估计。我们验证了我们对18种不同（校准的）培训策略的主题验证了我们关于Brats 2018的胶质瘤体积估计的任务的集合，以及Isles 2018数据集的缺血性卒中病变估计。

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。

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。

医学图像分割模型的性能指标用于衡量参考注释和预测之间的一致性。在开发此类模型中，使用了一组通用指标，以使结果更具可比性。但是，公共数据集中的分布与临床实践中遇到的案例之间存在不匹配。许多常见的指标无法衡量这种不匹配的影响，尤其是对于包含不确定，小或空参考注释的临床数据集。因此，可能无法通过此类指标来验证模型在临床上有意义的一致性。评估临床价值的维度包括独立于参考注释量的大小，考虑参考注释的不确定性，体积计和/或位置一致性的奖励以及对空参考注释正确分类的奖励。与普通的公共数据集不同，我们的内部数据集更具代表性。它包含不确定的，小或空的参考注释。我们研究了有关深度学习框架的预测的公开度量指标，以确定哪些设置共同指标可提供有意义的结果。我们将公共基准数据集进行比较而没有不确定，小或空参考注释。该代码将发布。

Brain tumor imaging has been part of the clinical routine for many years to perform non-invasive detection and grading of tumors. Tumor segmentation is a crucial step for managing primary brain tumors because it allows a volumetric analysis to have a longitudinal follow-up of tumor growth or shrinkage to monitor disease progression and therapy response. In addition, it facilitates further quantitative analysis such as radiomics. Deep learning models, in particular CNNs, have been a methodology of choice in many applications of medical image analysis including brain tumor segmentation. In this study, we investigated the main design aspects of CNN models for the specific task of MRI-based brain tumor segmentation. Two commonly used CNN architectures (i.e. DeepMedic and U-Net) were used to evaluate the impact of the essential parameters such as learning rate, batch size, loss function, and optimizer. The performance of CNN models using different configurations was assessed with the BraTS 2018 dataset to determine the most performant model. Then, the generalization ability of the model was assessed using our in-house dataset. For all experiments, U-Net achieved a higher DSC compared to the DeepMedic. However, the difference was only statistically significant for whole tumor segmentation using FLAIR sequence data and tumor core segmentation using T1w sequence data. Adam and SGD both with the initial learning rate set to 0.001 provided the highest segmentation DSC when training the CNN model using U-Net and DeepMedic architectures, respectively. No significant difference was observed when using different normalization approaches. In terms of loss functions, a weighted combination of soft Dice and cross-entropy loss with the weighting term set to 0.5 resulted in an improved segmentation performance and training stability for both DeepMedic and U-Net models.

我们研究不同损失功能对医学图像病变细分的影响。尽管在处理自然图像时，跨凝结（CE）损失是最受欢迎的选择，但对于生物医学图像分割，由于其处理不平衡的情况，软骰子损失通常是首选的。另一方面，这两个功能的组合也已成功地应用于此类任务中。一个较少研究的问题是在存在分布（OOD）数据的情况下所有这些损失的概括能力。这是指在测试时间出现的样本，这些样本是从与训练图像不同的分布中得出的。在我们的情况下，我们将模型训练在始终包含病变的图像上，但是在测试时间我们也有无病变样品。我们通过全面的实验对内窥镜图像和糖尿病脚图像的溃疡分割进行了全面的实验，分析了不同损失函数对分布性能的最小化对分布性能的影响。我们的发现令人惊讶：在处理OOD数据时，CE-DICE损失组合在分割分配图像中表现出色，这使我们建议通过这种问题采用CE损失，因为它的稳健性和能够概括为OOD样品。可以在\ url {https://github.com/agaldran/lesion_losses_ood}找到与我们实验相关的代码。

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。

现代深层神经网络在医学图像分割任务中取得了显着进展。然而，最近观察到他们倾向于产生过于自信的估计，即使在高度不确定性的情况下，导致校准差和不可靠的模型。在这项工作中，我们介绍了错误的预测（MEEP）的最大熵，分割网络的培训策略，这些网络选择性地惩罚过度自信预测，仅关注错误分类的像素。特别是，我们设计了一个正规化术语，鼓励出于错误的预测，增加了复杂场景中的网络不确定性。我们的方法对于神经结构不可知，不会提高模型复杂性，并且可以与多分割损耗功能耦合。我们在两个具有挑战性的医学图像分割任务中将拟议的策略基准：脑磁共振图像（MRI）中的白质超强度病变，心脏MRI中的心房分段。实验结果表明，具有标准分割损耗的耦合MEEP不仅可以改善模型校准，而且还导致分割质量。

胎儿超声（US）中胎盘的自动分割由于（i）（i）胎盘外观的高度多样性而具有挑战性我们禁止在妊娠晚期进行整个胎盘评估的观点。在这项工作中，我们通过多任务学习方法解决了这三个挑战，该方法结合了单个卷积神经网络中胎盘位置（例如，前，后部）和语义胎盘分段的分类。通过分类任务，模型可以从更大，更多样化的数据集中学习，同时在有限的训练集条件下提高分割任务的准确性。通过这种方法，我们研究了多个评估者的注释的变异性，并表明我们的自动分割（前胎盘的骰子为0.86，后胎盘的骰子为0.83），与观察者内和观察者间的变异性相比，我们的自动段性能达到了人级的性能。最后，我们的方法可以使用由三个阶段组成的多视图US采集管道提供整个胎盘分割：多探针图像采集，图像融合和图像分段。这会导致对较大结构（例如胎盘中的胎盘）的高质量分割，其图像伪像降低，这超出了单个探针的视野。

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。

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.

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

在深度学习方法的输出中测量不确定性在几种方面有用，例如协助解释产出，帮助对最终用户建立信心，并改善网络的培训和性能。已经提出了几种不同的方法来估计不确定性，包括分别使用测试时间辍学和增强的认知（与所使用的模型有关）和Aleatoric（与数据有关的模型有关）。这些不确定性源不仅不同，而且还受参数设置（例如，辍学率或类型和增强级别）的约束，它们建立了更加不同的不确定性类别。这项工作调查了不确定性与这些类别的不同之处以及空间模式的不同，以解决它们是否提供在使用不确定性时应捕获的有用信息的问题。我们采取了良好的特征性的挑战数据集，以证明不同类别的不确定性的大小和空间模式都存在实质性差异，并讨论了这些类别在各种用例中的含义。

语义图像分割是手术中的背景知识和自治机器人的重要前提。本领域的状态专注于在微创手术期间获得的传统RGB视频数据，但基于光谱成像数据的全景语义分割并在开放手术期间获得几乎没有注意到日期。为了解决文献中的这种差距，我们正在研究基于在开放手术环境中获得的猪的高光谱成像（HSI）数据的以下研究问题：（1）基于神经网络的HSI数据的充分表示是完全自动化的器官分割，尤其是关于数据的空间粒度（像素与Superpixels与Patches与完整图像）的空间粒度？ （2）在执行语义器官分割时，是否有利用HSI数据使用HSI数据，即RGB数据和处理的HSI数据（例如氧合等组织参数）？根据基于20猪的506个HSI图像的全面验证研究，共注释了19个类，基于深度的学习的分割性能 - 贯穿模态 - 与输入数据的空间上下文一致。未处理的HSI数据提供优于RGB数据或来自摄像机提供商的处理数据，其中优势随着输入到神经网络的输入的尺寸而增加。最大性能（应用于整个图像的HSI）产生了0.89（标准偏差（SD）0.04）的平均骰子相似度系数（DSC），其在帧间间变异性（DSC为0.89（SD 0.07）的范围内。我们得出结论，HSI可以成为全自动手术场景理解的强大的图像模型，其具有传统成像的许多优点，包括恢复额外功能组织信息的能力。

深度学习算法的最新进展为解决许多医学图像分析问题带来了重大好处。培训深度学习模型通常需要具有专家标记注释的大型数据集。但是，获取专家标记的注释不仅昂贵，而且主观，容易出错，并且观察者内部变异性会引入标签。由于解剖学的模棱两可，使用深度学习模型来细分医学图像时，这尤其是一个问题。基于图像的医学诊断工具使用经过不正确分段标签训练的深度学习模型可以导致错误的诊断和治疗建议。与单评论注释相比，多评价者注释可能更适合于使用小型培训集的深度学习模型进行训练。本文的目的是开发和评估一种基于MRI中病变特征的多评价者注释和解剖学知识来生成概率标签的方法，以及一种使用概率的标签使用归一化活动性损失作为A的病变特征的解剖学知识，以训练分割模型”。耐噪声损失的功能。通过将17个膝盖MRI扫描的二进制基础真理进行比较，以评估该模型，以用于临床分割和检测骨髓病变（BML）。该方法与二进制跨透镜损失函数相比，该方法成功提高了精度14，召回22和骰子得分8％。总体而言，这项工作的结果表明，使用软标签的拟议归一化主动损失成功地减轻了嘈杂标签的影响。

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。

风险（OAR）的器官的分割是具有图像引导放射治疗的癌症治疗所需的前提。因此，分割任务的自动化是高临床相关性的。基于深度学习（DL）的医学图像分割是目前最成功的方法，但遭受背景类别和解剖学上给定的器官尺寸差异，这在头部和颈部（汉）区域中最严重。为了解决汉族地区特定的类别不平衡问题我们首先优化当前最好的通用分割框架的补丁大小，基于介绍的类不平衡测量，第二，介绍了课堂自适应骰子损失补偿高度不平衡的设置。补丁大小和损耗功能都是对类别不平衡有直接影响的参数，并且它们的优化导致骰子得分的3 \％增加了95％Hausdorff距离的22％，最后达到0.8美元\ PM0.15 $和3.17美元\ PM1.7 $ mm用于使用单个和简单的神经网络分割七汉机关的分割。补丁大小优化和类自适应骰子损耗均可在基于DL的基于DL的分段方法中简单集成，并允许提高类别不平衡分段任务的性能。

医学图像分割的深度学习模型可能会出乎意料地且出乎意料地失败，而与训练图像相比，在不同中心获得的病理案例和图像，标签错误违反了专家知识。此类错误破坏了对医学图像细分的深度学习模型的可信赖性。检测和纠正此类故障的机制对于将该技术安全地转化为诊所至关重要，并且可能是对未来人工智能法规（AI）的要求。在这项工作中，我们提出了一个值得信赖的AI理论框架和一个实用系统，该系统可以使用后备方法和基于Dempster-Shafer理论的失败机制增强任何骨干AI系统。我们的方法依赖于可信赖的AI的可行定义。我们的方法会自动放弃由骨干AI预测的体素级标签，该标签违反了专家知识，并依赖于这些体素的后备。我们证明了拟议的值得信赖的AI方法在最大的报告的胎儿MRI的注释数据集中，由13个中心的540个手动注释的胎儿脑3D T2W MRI组成。我们值得信赖的AI方法改善了在各个中心获得的胎儿脑MRI和各种脑异常的胎儿的最先进的主链AI的鲁棒性。

主要的神经影像学研究推动了1.0 mm以下的3T MRI采集分辨率，以改善结构定义和形态学。然而，只有很少的时间 - 密集的自动化图像分析管道已被验证为高分辨率（雇用）设置。另一方面，有效的深度学习方法很少支持多个固定分辨率（通常1.0 mm）。此外，缺乏标准的杂交数据分辨率以及具有足够覆盖的扫描仪，年龄，疾病或遗传方差的多样化数据的有限可用性会带来额外的，未解决的挑战培训网络。将分辨率独立于基于深度学习的分割，即在一系列不同的体素大小上以其本地分辨率进行分辨率的能力，承诺克服这些挑战，但目前没有这种方法。我们现在通过向决议独立的分割任务（VINN）引入VINOSEIZED独立的神经网络（VINN）来填补这个差距，并呈现FastSurfervinn，（i）建立并实施决议独立，以获得深度学习作为同时支持0.7-1.0 mm的第一种方法分割，（ii）显着优于跨决议的最先进方法，（iii）减轻雇用数据集中存在的数据不平衡问题。总体而言，内部分辨率 - 独立性相互益处雇用和1.0 mm MRI分割。通过我们严格验证的FastSurfervinn，我们将为不同的神经视线镜分析分发一个快速工具。此外，VINN架构表示更广泛应用的有效分辨率的分段方法