鉴于其精确，效率和客观性，深入学习（DL）在重塑医疗保健系统方面具有很大的承诺。然而，DL模型到嘈杂和分发输入的脆性是在诊所的部署中的疾病。大多数系统产生点估计，无需进一步了解模型不确定性或信心。本文介绍了一个新的贝叶斯深度学习框架，用于分割神经网络中的不确定量化，特别是编码器解码器架构。所提出的框架使用一阶泰勒级近似传播，并学习模型参数分布的前两个矩（均值和协方差，通过最大化培训数据来最大限度地提高界限。输出包括两个地图：分段图像和分段的不确定性地图。细分决定中的不确定性被预测分配的协方差矩阵捕获。我们评估了从磁共振成像和计算机断层扫描的医学图像分割数据上提出的框架。我们在多个基准数据集上的实验表明，与最先进的分割模型相比，所提出的框架对噪声和对抗性攻击更加稳健。此外，所提出的框架的不确定性地图将低置信度（或等效高不确定性）与噪声，伪像或对抗攻击损坏的测试输入图像中的贴片。因此，当通过在不确定性地图中呈现更高的值，该模型可以自评测出现错误预测或错过分割结构的一部分，例如肿瘤。

在不确定，嘈杂或对抗性环境中学习是深度神经网络（DNN）的具有挑战性的任务。我们提出了一种在贝叶斯估计和变分推理时构建的强大学习的新理论上和有效的方法。我们制定通过DNN层层的密度传播的问题，并使用集合密度传播（ENDP）方案来解决它。ENPP方法允许我们在贝叶斯DNN的层上传播变分概率分布的片段，使得能够估计模型输出的预测分布的平均值和协方差。我们使用Mnist和CiFar-10数据集的实验表明，训练有素的模型的鲁棒性与随机噪声和对抗性攻击的稳健性显着改善。

Clinical diagnostic and treatment decisions rely upon the integration of patient-specific data with clinical reasoning. Cancer presents a unique context that influence treatment decisions, given its diverse forms of disease evolution. Biomedical imaging allows noninvasive assessment of disease based on visual evaluations leading to better clinical outcome prediction and therapeutic planning. Early methods of brain cancer characterization predominantly relied upon statistical modeling of neuroimaging data. Driven by the breakthroughs in computer vision, deep learning became the de facto standard in the domain of medical imaging. Integrated statistical and deep learning methods have recently emerged as a new direction in the automation of the medical practice unifying multi-disciplinary knowledge in medicine, statistics, and artificial intelligence. In this study, we critically review major statistical and deep learning models and their applications in brain imaging research with a focus on MRI-based brain tumor segmentation. The results do highlight that model-driven classical statistics and data-driven deep learning is a potent combination for developing automated systems in clinical oncology.

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.

随着深度学习方法的进步，如深度卷积神经网络，残余神经网络，对抗网络的进步。 U-Net架构最广泛利用生物医学图像分割，以解决目标区域或子区域的识别和检测的自动化。在最近的研究中，基于U-Net的方法在不同应用中显示了最先进的性能，以便在脑肿瘤，肺癌，阿尔茨海默，乳腺癌等疾病的早期诊断和治疗中发育计算机辅助诊断系统等，使用各种方式。本文通过描述U-Net框架来提出这些方法的成功，然后通过执行1）型号的U-Net变体进行综合分析，2）模特内分类，建立更好的见解相关的挑战和解决方案。此外，本文还强调了基于U-Net框架在持续的大流行病，严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-COV-2）中的贡献也称为Covid-19。最后，分析了这些U-Net变体的优点和相似性以及生物医学图像分割所涉及的挑战，以发现该领域的未来未来的研究方向。

在过去的十年中，卷积神经网络（Convnets）主导了医学图像分析领域。然而，发现脉搏的性能仍然可以受到它们无法模拟图像中体素之间的远程空间关系的限制。最近提出了众多视力变压器来解决哀悼缺点，在许多医学成像应用中展示最先进的表演。变压器可以是用于图像配准的强烈候选者，因为它们的自我注意机制能够更精确地理解移动和固定图像之间的空间对应。在本文中，我们呈现透射帧，一个用于体积医学图像配准的混合变压器-Cromnet模型。我们还介绍了三种变速器的变形，具有两个散晶变体，确保了拓扑保存的变形和产生良好校准的登记不确定性估计的贝叶斯变体。使用来自两个应用的体积医学图像的各种现有的登记方法和变压器架构进行广泛验证所提出的模型：患者间脑MRI注册和幻影到CT注册。定性和定量结果表明，传输和其变体导致基线方法的实质性改进，展示了用于医学图像配准的变压器的有效性。

深度展开是一种基于深度学习的图像重建方法，它弥合了基于模型和纯粹的基于深度学习的图像重建方法之间的差距。尽管深层展开的方法实现了成像问题的最新性能，并允许将观察模型纳入重建过程，但它们没有提供有关重建图像的任何不确定性信息，这严重限制了他们在实践中的使用，尤其是用于安全 - 关键成像应用。在本文中，我们提出了一个基于学习的图像重建框架，该框架将观察模型纳入重建任务中，并能够基于深层展开和贝叶斯神经网络来量化认知和核心不确定性。我们证明了所提出的框架在磁共振成像和计算机断层扫描重建问题上的不确定性表征能力。我们研究了拟议框架提供的认知和态度不确定性信息的特征，以激发未来的研究利用不确定性信息来开发更准确，健壮，可信赖，不确定性，基于学习的图像重建和成像问题的分析方法。我们表明，所提出的框架可以提供不确定性信息，同时与最新的深层展开方法实现可比的重建性能。

基于深度学习的图像重建方法在许多成像方式中表现出令人印象深刻的经验表现。这些方法通常需要大量的高质量配对训练数据，这在医学成像中通常不可用。为了解决这个问题，我们为贝叶斯框架内的学习重建提供了一种新颖的无监督知识转移范式。提出的方法分为两个阶段学习重建网络。第一阶段训练一个重建网络，其中包括一组有序对，包括椭圆的地面真相图像和相应的模拟测量数据。第二阶段微调在没有监督的情况下将经过验证的网络用于更现实的测量数据。通过构造，该框架能够通过重建图像传递预测性不确定性信息。我们在低剂量和稀疏视图计算机断层扫描上提出了广泛的实验结果，表明该方法与几种最先进的监督和无监督的重建技术具有竞争力。此外，对于与培训数据不同的测试数据，与仅在合成数据集中训练的学习方法相比，所提出的框架不仅在视觉上可以显着提高重建质量，而且在PSNR和SSIM方面也可以显着提高重建质量。

自动肿瘤或病变分割是用于计算机辅助诊断的医学图像分析的关键步骤。尽管基于卷积神经网络（CNN）的现有方法已经达到了最先进的表现，但医疗肿瘤分割中仍然存在许多挑战。这是因为，尽管人类视觉系统可以有效地检测到2D图像中的对称性，但常规CNN只能利用翻译不变性，忽略医学图像中存在的进一步固有的对称性，例如旋转和反射。为了解决这个问题，我们通过编码那些固有的对称性来学习更精确的表示形式，提出了一个新型的群体模棱两可的分割框架。首先，在每个方向上都设计了基于内核的模棱两可的操作，这使其能够有效地解决现有方法中学习对称性的差距。然后，为了保持全球分割网络，我们设计具有层面对称性约束的独特组层。最后，基于我们的新框架，对现实世界临床数据进行的广泛实验表明，一个群体含量的res-unet（名为GER-UNET）优于其基于CNN的常规对应物，并且在最新的分段方法中优于其最新的分段方法。肝肿瘤分割，COVID-19肺部感染分割和视网膜血管检测的任务。更重要的是，新建的GER-UNET还显示出在降低样品复杂性和过滤器的冗余，升级当前分割CNN和划定器官上的其他医学成像方式上的潜力。

Medical image segmentation (MIS) is essential for supporting disease diagnosis and treatment effect assessment. Despite considerable advances in artificial intelligence (AI) for MIS, clinicians remain skeptical of its utility, maintaining low confidence in such black box systems, with this problem being exacerbated by low generalization for out-of-distribution (OOD) data. To move towards effective clinical utilization, we propose a foundation model named EvidenceCap, which makes the box transparent in a quantifiable way by uncertainty estimation. EvidenceCap not only makes AI visible in regions of uncertainty and OOD data, but also enhances the reliability, robustness, and computational efficiency of MIS. Uncertainty is modeled explicitly through subjective logic theory to gather strong evidence from features. We show the effectiveness of EvidenceCap in three segmentation datasets and apply it to the clinic. Our work sheds light on clinical safe applications and explainable AI, and can contribute towards trustworthiness in the medical domain.

半监督学习在医疗领域取得了重大进展，因为它减轻了收集丰富的像素的沉重负担，用于针对语义分割任务。现有的半监督方法增强了利用从有限标记数据获得的现有知识从未标记数据提取功能的能力。然而，由于标记数据的稀缺性，模型提取的特征在监督学习中受到限制，并且对未标记数据的预测质量也无法保证。两者都将妨碍一致培训。为此，我们提出了一种新颖的不确定性感知计划，以使模型自动学习地区。具体而言，我们采用Monte Carlo采样作为获得不确定性地图的估计方法，该方法可以作为损失损失的重量，以强制根据监督学习和无监督学习的特征将模型专注于有价值的区域。同时，在后退过程中，我们通过增强不同任务之间的梯度流动，联合无监督和监督损失来加速网络的融合。定量地，我们对三个挑战的医疗数据集进行了广泛的实验。实验结果表明，最先进的对应物的理想改善。

Automatic segmentation is essential for the brain tumor diagnosis, disease prognosis, and follow-up therapy of patients with gliomas. Still, accurate detection of gliomas and their sub-regions in multimodal MRI is very challenging due to the variety of scanners and imaging protocols. Over the last years, the BraTS Challenge has provided a large number of multi-institutional MRI scans as a benchmark for glioma segmentation algorithms. This paper describes our contribution to the BraTS 2022 Continuous Evaluation challenge. We propose a new ensemble of multiple deep learning frameworks namely, DeepSeg, nnU-Net, and DeepSCAN for automatic glioma boundaries detection in pre-operative MRI. It is worth noting that our ensemble models took first place in the final evaluation on the BraTS testing dataset with Dice scores of 0.9294, 0.8788, and 0.8803, and Hausdorf distance of 5.23, 13.54, and 12.05, for the whole tumor, tumor core, and enhancing tumor, respectively. Furthermore, the proposed ensemble method ranked first in the final ranking on another unseen test dataset, namely Sub-Saharan Africa dataset, achieving mean Dice scores of 0.9737, 0.9593, and 0.9022, and HD95 of 2.66, 1.72, 3.32 for the whole tumor, tumor core, and enhancing tumor, respectively. The docker image for the winning submission is publicly available at (https://hub.docker.com/r/razeineldin/camed22).

Glioblastomas是最具侵略性的快速生长的主要脑癌，起源于大脑的胶质细胞。准确鉴定恶性脑肿瘤及其子区域仍然是医学图像分割中最具挑战性问题之一。脑肿瘤分割挑战（Brats）是自动脑胶质细胞瘤分割算法的流行基准，自于其启动。在今年的挑战中，Brats 2021提供了2,000名术前患者的最大多参数（MPMRI）数据集。在本文中，我们提出了两个深度学习框架的新聚合，即在术前MPMRI中的自动胶质母细胞瘤识别的Deepseg和NNU-Net。我们的集合方法获得了92.00,87.33和84.10和Hausdorff距离为3.81,8.91和16.02的骰子相似度分数，用于增强肿瘤，肿瘤核心和全肿瘤区域，单独进行。这些实验结果提供了证据表明它可以在临床上容易地应用，从而助攻脑癌预后，治疗计划和治疗反应监测。

脑肿瘤分割是医学图像分析中最具挑战性问题之一。脑肿瘤细分的目标是产生准确描绘脑肿瘤区域。近年来，深入学习方法在解决各种计算机视觉问题时表现出了有希望的性能，例如图像分类，对象检测和语义分割。基于深度学习的方法已经应用于脑肿瘤细分并取得了有希望的结果。考虑到最先进技术所制作的显着突破，我们使用本调查来提供最近开发的深层学习脑肿瘤分割技术的全面研究。在本次调查中选择并讨论了100多篇科学论文，广泛地涵盖了网络架构设计，在不平衡条件下的细分等技术方面，以及多种方式流程。我们还为未来的发展方向提供了富有洞察力的讨论。

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。

机器学习和计算机视觉技术近年来由于其自动化，适合性和产生惊人结果的能力而迅速发展。因此，在本文中，我们调查了2014年至2022年之间发表的关键研究，展示了不同的机器学习算法研究人员用来分割肝脏，肝肿瘤和肝脉管结构的研究。我们根据感兴趣的组织（肝果，肝肿瘤或肝毒剂）对被调查的研究进行了划分，强调了同时解决多个任务的研究。此外，机器学习算法被归类为受监督或无监督的，如果属于某个方案的工作量很大，则将进一步分区。此外，对文献和包含上述组织面具的网站发现的不同数据集和挑战进行了彻底讨论，强调了组织者的原始贡献和其他研究人员的贡献。同样，在我们的评论中提到了文献中过度使用的指标，这强调了它们与手头的任务的相关性。最后，强调创新研究人员应对需要解决的差距的关键挑战和未来的方向，例如许多关于船舶分割挑战的研究的稀缺性以及为什么需要早日处理他们的缺席。

部署在医学成像任务上的机器学习模型必须配备分布外检测功能，以避免错误的预测。不确定依赖于深神经网络的分布外检测模型是否适合检测医学成像中的域移位。高斯流程可以通过其数学结构可靠地与分布数据点可靠地分开分发数据点。因此，我们为分层卷积高斯工艺提出了一个参数有效的贝叶斯层，该过程融合了在Wasserstein-2空间中运行的高斯过程，以可靠地传播不确定性。这直接用远距离的仿射操作员在分布中直接取代了高斯流程。我们对脑组织分割的实验表明，所得的架构接近了确定性分割算法（U-NET）的性能，而先前的层次高斯过程尚未实现。此外，通过将相同的分割模型应用于分布外数据（即具有病理学（例如脑肿瘤）的图像），我们表明我们的不确定性估计导致分布外检测，以优于以前的贝叶斯网络和以前的贝叶斯网络的功能基于重建的方法学习规范分布。为了促进未来的工作，我们的代码公开可用。

尽管脑肿瘤分割的准确性最近有所提高，但结果仍然表现出较低的置信度和稳健性。不确定性估计是改变这种情况的一种有效方法，因为它提供了对分割结果的信心。在本文中，我们提出了一个可信赖的脑肿瘤分割网络，该网络可以产生可靠的分割结果和可靠的不确定性估计，而不会过多的计算负担和骨干网络的修改。在我们的方法中，不确定性是使用主观逻辑理论明确建模的，该理论将主干神经网络的预测视为主观观点，通过将分割的类概率参数视为差异分布。同时，可信赖的分割框架学习了从功能中收集可靠证据的功能，从而导致最终分割结果。总体而言，我们统一的可信赖分割框架使该模型具有可靠性和鲁棒性，对分布式样本。为了评估我们的模型在鲁棒性和可靠性方面的有效性，在Brats 2019数据集中进行了定性和定量实验。

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。

多模式学习通过在预测过程中同样组合多个输入数据模式来重点关注培训模型。但是，这种相等的组合可能不利于预测准确性，因为不同的方式通常伴随着不同水平的不确定性。通过几种方法研究了使用这种不确定性来组合模式，但是成功有限，因为这些方法旨在处理特定的分类或细分问题，并且不能轻易地转化为其他任务，或者遭受数值的不稳定性。在本文中，我们提出了一种新的不确定性多模式学习者，该学习者通过通过跨模式随机网络预测（CRNP）测量特征密度来估计不确定性。 CRNP旨在几乎不需要适应来在不同的预测任务之间转换，同时进行稳定的培训过程。从技术角度来看，CRNP是探索随机网络预测以估算不确定性并结合多模式数据的第一种方法。对两个3D多模式医学图像分割任务和三个2D多模式计算机视觉分类任务的实验显示了CRNP的有效性，适应性和鲁棒性。此外，我们提供了有关不同融合功能和可视化的广泛讨论，以验证提出的模型。