本发明公开了一种基于半监督深度学习的自适应脑胶质瘤分割方法。该方法包括:构建深度学习模型,该深度学习模型包括教师网络、学生网络和多层感知机;基于设定的损失函数训练所述深度学习模型,其中,教师网络以完整的多模态磁共振图像作为输入图像,学生网络以模态缺失的磁共振图像作为输入图像,并利用教师网络学习到的几何结构先验来指导学生网络的训练,所述多层感知机用于基于学生网络所提取的特征来估计所述模态缺失的磁共振图像的模态缺失情况;利用经训练的学生网络对采集的目标图像进行脑胶质瘤分割。本发明能够实现准确有效的脑胶质瘤分割,并适应于各种模态缺失情况的图像。
1.一种基于半监督深度学习的自适应脑胶质瘤分割方法,包括以下步骤:
构建深度学习模型,该深度学习模型包括教师网络、学生网络和多层感知机;
基于设定的损失函数训练所述深度学习模型,其中,教师网络以完整的多模态磁共振图像作为输入图像,所述完整的多模态磁共振图像包含带标注数据和无标注数据;学生网络以模态缺失的磁共振图像作为输入图像,所述模态缺失的磁共振图像包含带标注数据和无标注数据;并且利用教师网络学习到的几何结构先验来指导学生网络的训练;所述多层感知机用于基于学生网络所提取的特征来估计所述模态缺失的磁共振图像的模态缺失情况;
利用经训练的学生网络对采集的目标图像进行脑胶质瘤分割。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述损失函数包括空间几何特征约束项、分割损失约束项以及编码预测损失项,所述空间几何特征约束项反映教师网络和学生网络所提取的无标注数据的体素级别空间几何特征之间的损失,所述分割损失项反映教师网络和学生网络输出的分割图像的带标注数据之间的分割损失,
中国科学院深圳先进技术研究院提升了粤港地区及我国先进制造业和现代服务业的自主创新能力,推动我国自主知识产权新工业的建立,成为国际一流的工业研究院。 深圳先进院目前已初步构建了以科研为主的集科研、教育、产业、资本为一体的微型协同创新生态系统,由九个研究平台,国科大深圳先进技术学院,多个特色产业育成基地、多支产业发展基金、多个具有独立法人资质的新型专业科研机构等组成。开展先进技术研究,促进科技发展。信息、电子、通讯技术研究新材料、新能源技术研究高性能计算、自动化、精密机械研究生物医学与医疗仪器研究相关学历教育、博士后培养与学术交流。
评价单位:“科创中国”天津中科院先进科技成果技术转移转化专业科技服务团 (天津中科先进技术产业有限公司)
评价时间:2023-11-21
综合评价
为了帮助模型更好的从无标注数据中学习肿瘤区域的信息以摆脱训练模型时对带标注训练数据的依赖,在现有框架基础上,采用半监督结合知识蒸馏的训练策略,即采用预训练好的教师模型蒸馏训练学生模型,蒸馏训练时只采用少部分带有标注的训练数据。
对教师网络输入带有标注的数据进行预训练,随后在蒸馏训练时,同时对学生网络和教师网络输入带有标注的数据和大量无标注的数据。对于大量无分割标注的训练数据,设计了一个几何结构先验的损失约束。几何结构约束指对蒸馏训练中教师网络和学生网络编码器提取到的深层高维度空间几何特征进行降维,并通过设计对比损失约束无标注训练样本在学生网络与教师网络编码特征中空间结构中体素级别的差异。在一个实施例中,为了能够更有效地使教师模型的模态信息被学生模型捕捉,蒸馏训练时学生模型的权重使用教师模型的指数移动平均来进行更新。通过这种设计,利用教师网络学习到的几何结构先验来指导学生网络的训练,有利于获得更精确的分割效果,弥补了采用大量无标注数据进行训练可能导致的精确度不高的问题。
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