本技术公开一种对比学习辅助的双区平衡一致性学习的半监督图像分割方法及其系统。训练时构建图像分割网络架构,包括学生模型、教师模型、双区平衡一致性学习策略模块、利用硬负样本的对比学习模块、EMA模块;双区平衡一致性学习策略是根据不确定性进行划分,并通过损失权重来平衡模型对不同区域的关注度来提高一致性学习的整体效果。硬负样本的对比学习模块能够从一致性学习的分割结果中提取类样本,学习不同类的特征表示,同时利用硬负样本进一步提高分割结果中的类间对比和类内一致性。本发明平衡模型对高不确定性区域和低不确定性区域的关注度,以及分割结果中的类可分离性不足的问题,从而提高医学图像的分割准确性。
背景技术
现代医学影像技术的发展,使得医生能够通过各种不同的成像方法和设备,获得人体内部解剖结构和组织器官的详细图像,实现诊断、治疗和监测疾病。借助计算机辅助分析医学图像在临床诊疗中的作用日益显著。
医学图像分割旨在判断图像中每个像素的类别,从图像中划分出所需要的解剖结构,比如器官、肿瘤等。准确的分割可以提供更可靠的解剖结构信息,也能反映具体疾病的病理学特征,也是计算机辅助疾病诊断以及后续制定治疗计划的重要步骤。基于深度学习的医学图像分割方法近年来在技术上取得了很大的进步,尤其是在识别病灶、解剖结构等方面展现出卓越的性能。基于深度学习的医学图像分割方法通常采取全监督学习的形式,这意味着模型需要大量标注数据用于训练。而半监督学习可以从大量的未标注数据中学习信息,再结合少量的有标签数据训练和优化分割模型,达到接近全监督模型的分割效果。因此,半监督分割方法已成为缓解医学图像分割中标注数据不足的问题的有效方法。
在半监督医学图像分割领域中,一致性正则化是主流方法之一,主要在Mean-Teacher(MT)方法上进行改进,该方法包括两个模型,分别是学生模型和教师模型。对于标签图像,是将其输入到学生模型中,得到分割结果之后用图像的真实标签进行监督;对于无标签图像,则需要对其施加不同的随机扰动,比如高斯噪声等,然后分别输入到学生模型和教师模型中,得到两个模型的预测分割结果,在对两个分割结果计算一致性损失。学生模型通过一致性损失和监督损失进行反向传播,梯度更新模型的参数,教师模型的参数由学生模型参数的指数移动平均(EMA)来更新。
但是,目前的基于Mean-Teacher改进的方法中还存在一些不足之处:(1)基础的MT模型在只选择高不确定性区域或低不确定性区域计算一致性损失时,模型效果都能提升,其中只选择高不确定区域进行一致性学习时效果更好。这表明,分别在两部分区域进行一致性学习都是有意义的。因此,如何平衡模型对高不确定性区域和低不确定性区域的关注度,以进一步提高一致性学习的整体效果成为了一个挑战。(2)基于一致性学习的方法只计算不同扰动下预测之间的MSE损失。MSE损失只计算体素之间的差异,而不用于感知类信息。因此,仅使用一致性学习实现的半监督模型不能保证分割结果中的类可分离性。
综上所述,目前的一致性方法会导致模型无法充分利用无标签图像的信息,从而影响模型的分割准确性。
实现思路