医学图像图深度学习分割算法综述

精准分割医学图像中的器官或病灶,是医学图像智能分析领域的重要难题,其在临床上对于疾病的辅助诊疗有着重要应用价值。在解决医学图像信息表征及对非欧空间生理组织结构准确建模等挑战性问题方面,基于图深度学习的医学图像分割技术取得了重要突破,展现出显著的信息特征提取及表征优势,可获得更为精准的分割结果,已成为该领域新兴研究热点。为更好促进医学图像图深度学习分割算法的研究发展,对该领域的技术进展及应用现状做了系统的梳理总结。介绍了图的定义及图卷积网络的基本结构,详细阐述了谱图卷积和空域图卷积操作。根据GCN结合残差模块、注意力机制模块及学习模块三种技术结构模式,归纳并总结了其在医学图像分割中的研究进展。对图深度学习算法在医学图像分割领域的应用和发展做了概要总结和展望,为该领域的技术发展提供参考和新的研究思路。     

从图卷积网络到图散射网络：回顾与展望

在图像与图形处理中,非欧氏空间数据与传统欧氏空间数据共同构成了数据的不同表达形式。随着面向图像、音频等传统信号的处理技术已经发展了数十年并趋于成熟,诸如图等非欧氏空间数据的兴起,对非欧氏空间的数据处理提取提出了更高的要求。图卷积网络的出现将面向传统信号的深度学习网络模型和卷积操作拓展到了图上,在一定程度上解决了学术界和工业界对图信号处理的需求。然而,空域特征聚合的图卷积网络容易产生过平滑问题。本文回顾了从图卷积网络到图散射网络的发展进程,分别梳理空域图卷积网络和谱域图卷积网络;并以图卷积网络为桥梁引出了图散射网络,比较和总结了图散射网络的前沿的理论和方法。传统的谱域图卷积网络虽然可以通过滤波器设计避免过平滑问题,但由于可训练参数较少、输出特征比较单一,往往存在表达能力不足的问题。图散射网络的提出很好地解决了图卷积网络中存在的问题。一方面,图散射变换将面向传统信号的散射变换操作拓展到图信号处理上,通过多尺度小波分解提取图信号的多分辨率特征,在保证网络稳定性的前提下解决了空域图卷积网络的特征过平滑问题;另一方面,相较于传统的谱域图卷积网络,图散射网络输出能够提取多尺度带通特征,增强模型的表...     

基于图卷积网络和自编码器的半监督网络表示学习模型

为了保留网络结构信息和节点特征信息,结合图卷积神经网络(GCN)和自编码器(AE),提出可扩展的半监督深度网络表示学习模型(Semi-GCNAE).利用GCN捕获节点的K阶邻域中所有节点的结构和特征信息,并将捕获的信息作为AE的输入.AE对GCN捕获的K阶邻域信息进行特征提取和非线性降维,并结合Laplacian特征映射保留节点的团簇结构信息.引入集成学习方法联合训练GCN和AE,使模型习得的节点低维向量表示能同时保留网络结构信息和节点特征信息.在5个真实数据集上的广泛评估表明,文中模型习得的节点低维向量表示可以有效保留网络的结构和节点特征信息,并在节点分类、可视化和网络重构任务上性能较优.     

结合图卷积的深层神经网络用于文本分类

随着图卷积网络的发展,图卷积网络已经应用到很多任务中,其中就包含文本分类任务.通过将文本数据表示成图数据,进而在图上应用图卷积,从而捕获文本的结构信息和单词间的长距离依赖关系获得了良好的分类效果.但将文本建模成图模型后,图卷积网络面临着文本上下文语义信息和局部特征信息表示不充分的问题.提出一种新的模型,利用双向长短时记...     

基于图卷积网络的运动想象识别

运动想象识别将大脑的神经活动信号转为编码输出以实现意念控制,是脑机接口的一个重要研究方向.近年来深度学习算法的应用进一步提高了运动想象识别的准确率,但是当前基于深度学习的运动想象分析都将多路脑电信号作为二维矩阵信号,忽视了不同节点的空间关联信息.为了解决这个问题,将图卷积网络算法应用到运动想象分类中,通过多个节点脑电信...     

面向动态交通流预测的双流图卷积网络

准确的交通流预测能够为管理部门提供合理的决策依据,为驾驶员提供实时的道路状况预警,是交通领域至关重要的问题.近年来,相关研究利用图卷积神经网络(GCN)处理非欧式空间结构的特点,对来自复杂路网的交通流数据进行空间相关性建模.然而,现有基于图卷积的交通流预测方法未能充分考虑空间相关性的有向性和动态性这两个重要特点.考虑到...     

面向COVID-19疫情预测的图卷积神经网络时空数据学习

目的 当前的疾病传播研究主要集中于时序数据和传染病模型,缺乏运用空间信息提升预测精度的探索和解释。在处理时空数据时需要分别提取时间特征和空间特征,再进行特征融合得到较为可靠的预测结果。本文提出一种基于图卷积神经网络（graph convolutional neural network,GCN）的时空数据学习方法,能够运用空间模型端对端地学习时空数据,代替此前由多模块单元相集成的模式。方法 依据数据可视化阶段呈现出的地理空间、高铁线路、飞机航线与感染人数之间的正相关关系,将中国各城市之间的空间分布关系和交通连接关系映射成网络图并编码成地理邻接矩阵、高铁线路直达矩阵、飞机航线直达矩阵以及飞机航线或高铁线路直达矩阵。按滑动时间窗口对疫情数据进行切片后形成张量,依次分批输入到图深度学习模型中参与卷积运算,通过信息传递、反向传播和梯度下降更新可训练参数。结果 在新型冠状病毒肺炎疫情数据集上的实验结果显示,采用GCN学习这一时空数据的分布特征相较于循环神经网络模型,在训练过程中表现出了更强的拟合能力,在训练时间层面节约75%以上的运算成本,在两类损失函数下的平均测试集损失能够下降80%左右。结论 本文所采用的时空数据学习方法具有较低的运算成本和较高的预测精度,尤其在空间特征强于时间特征的时空数据中有着更好的性能,并且为流行病传播范围和感染人数的预测提供了新的方法和思路,有助于相关部门在公共卫生事件中制定应对措施和疾病防控决策。     

基于图卷积神经网络的药物-靶标亲和力预测算法

近年来,由于药物开发比较耗时,且常常伴有安全性问题,使用深度学习技术预测药物-靶标亲和力（Drug -Target Affiinity,DTA）成为一个有效的替代方案。基于此,提出采用基于图卷积神经网络的算法来有效捕获药物的结构信息,学习被表示成图的药物特征,使用一维卷积神经网络学习蛋白质特征。将所提出的方法分别在两个基准药物靶标结合亲和数据集上进行了验证,并与已有的先进模型进行比较。     

深度卷积神经网络在医学图像分割中的应用研究

在临床医学影像诊断中,仅靠医生个人经验和传统技术手段难以精准识别医学图像结果,而依托计算机技术对医学图像处理,不仅能提高医生对医学图像的诊断效率,而且能减少医生的主观性判断,有利于提升医学诊断质量。在计算机领域卷积神经网络（Convolutional Neural Network,CNN）对图像分析具有显著优势。基于此,文章分析深度卷积神经网络在医学图像分割中的应用。     

基于图卷积神经网络的函数自动命名

函数自动命名技术旨在为输入的源代码自动生成目标函数名,增强程序代码的可读性以及加速软件开发进程,是软件工程领域中一项重要的研究任务.现有基于机器学习的技术主要是通过序列模型对源代码进行编码,进而自动生成函数名,但存在长程依赖问题和代码结构编码问题.为了更好的提取程序中的结构信息和语义信息,本文提出了一个基于图卷积(Gr...     

基于图卷积与外积的协同过滤推荐模型

推荐系统帮助用户主动找到满足其偏好的个性化物品并推荐给用户.协同过滤算法是推荐系统中较为经典的算法,但是其会受到数据冷启动和稀疏性的限制,具有可解释性差和模型泛化能力差等缺点.针对其缺点进行研究,通过将原始的评分矩阵以用户—项目二部图的形式作为输入,将图卷积神经网络设计为一种图自编码器的变体,通过迭代的聚合邻居节点信息得到用户和项目的潜在向量表示,并在其基础上结合卷积神经网络,提出了一种基于卷积矩阵分解的推荐算法,提升了模型的可解释性和泛化能力,同时融合辅助信息也解决了数据的稀疏性问题,并使推荐的性能分别得到了1.4％和1.7％的提升.为今后在基于图神经网络的推荐方向上提供了一种新的思路.     

基于层次意图解耦的图卷积神经网络推荐模型

当前意图推荐研究提取出的用户意图趋向扁平化,忽略了意图间的层次关系。针对以上问题,提出了一种基于层次意图解耦的图卷积神经网络推荐模型(HIDR),将用户—项目交互图划分为多个动态交互子图,以刻画从细粒度到粗粒度的用户意图层次图。首先,在每个意图交互子图中根据节点高阶连接性自适应地聚合来自高阶邻域的信息,解耦提取用户细粒度意图表示;然后,依据低层次细粒度意图之间的相似关系在高层网络上构建粗粒度意图超节点,显式建模从细粒度到粗粒度的意图层次结构;最后,将解耦得到的层次意图向量聚合为高质量的用户和项目表示,并进行内积预测和迭代优化。在Gowalla和Amazon-book两个数据集上的实验结果表明,相较于最优基线模型CLSR,HIDR的召回率(recall)分别提升了10.82%、6.63%,归一化折损累计增益(NDCG)分别提升了14.65%、9.63%,精度(precision)分别提升了10.46%和7.73%。     

多时相遥感影像的深度卷积匹配算法研究

针对传统人工设计的特征描述符在面对几何差异和辐射差异较大、地物变化明显的多时相遥感影像时,容易造成大量误匹配问题,提出一种适用于遥感影像的双筛选双约束的卷积神经网络匹配算法,通过CNN提取影像深层语义特征图,在特征图中筛选同时满足优先最大原则和精确极值原则的关键点,并在对应位置提取512维描述符。在特征匹配阶段,通过由粗到精的反向匹配约束和RANSAC约束相结合的策略,保证了误匹配点有效剔除的同时保留一定数量的正确匹配点对,提高了匹配的精度。实验结果表明：该方法的匹配数量适中,正确匹配率较实验选取的其他算法相比有所提高,影像配准误差减小2个像素左右,匹配运行时间提升明显,匹配效果良好并且具有一定的适应性和鲁棒性。     

多通道卷积的图像超分辨率方法

目的 超分辨率技术在实际生活中具有较为广泛的应用。经典的基于卷积神经网络的超分辨率（SRCNN）方法存在重建图像纹理结构模糊以及网络模型训练收敛过慢等问题。针对这两个问题,在SRCNN的基础上,提出一种多通道卷积的图像超分辨率（MCSR）算法。方法 通过增加残差链接,选择MSRA初始化方法对网络权值进行初始化,加快模型收敛;引入多通道映射提取更加丰富的特征,使用多层3×3等小卷积核代替单层9×9等大卷积核,更加有效地利用特征,增强模型的超分辨率重构效果。结果 MCSR迭代4×10⁶次即可收敛,在Set5与Set14数据集上边长放大3倍后的平均峰值信噪比分别是32.84 dB和29.28 dB,与SRCNN相比提升显著。结论 MCSR收敛速度更快,并且可以生成轮廓清晰的高分辨率图像,超分辨率效果更加优秀。     

深度学习模型GoogleNet-PNN对肝硬化的识别

针对传统机器学习人工提取特征耗时耗力,并且提取高质量特征存在一定困难等问题,将基于深度学习的方法,首次结合卷积神经网络和概率神经网络,提出了一种新的模型GoogleNet-PNN,其自动学习特征,避免了手动提取特征的繁琐性,而且结合了PNN训练容易、收敛速度快等特点,在肝病分类的实验中取得了较好的效果;并使用了迁移学习的方法,通过在自然图像集的预训练,然后应用到医学图像,避免了因样本不足而出现的过拟合问题,实验结果最终表明识别准确率要优于其他方法,达到了98%的客观识别率。     

融合图卷积和差异性池化函数的点云数据分类分割模型

目的 深度网络用于3维点云数据的分类分割任务时,精度与模型在全局和局部特征上的描述能力密切相关。现有的特征提取网络,往往将全局特征和不同尺度下的局部特征相结合,忽略了点与点之间的结构信息和位置关系。为此,通过在分类分割模型中引入图卷积神经网络（graph convolution neural network,GCN）和改进池化层函数,增强局部特征表征能力和获取更丰富的全局特征,改善模型对点云数据的分类分割性能。方法 GCN模块通过K近邻算法构造图结构,利用相邻点对的边缘卷积获取局部特征,在深度网络模型中动态扩展GCN使模型获得完备的局部特征。在池化层,通过选择差异性的池化函数,联合提取多个全局特征并进行综合,保证模型在数据抖动时的鲁棒性。结果 在ModelNet40、ShapeNet和S3DIS（stanford large-scale 3D indoor semantics）数据集上进行分类、部分分割以及语义场景分割实验,验证模型的分类分割性能。与PointNet相比,在ModelNet40分类实验中,整体精度和平均分类精度分别提升4%和3.7%;在ShapeNet部分分割数据集和S3DIS室内场景数据集中,平均交并比（mean intersection-over-union, mIoU）分别高1.4%和9.8%。采用不同的池化函数测试结果表明,本文提出的差异性池化函数与PointNet提出的池化函数相比,平均分类精度提升了0.9%,有效改善了模型性能。结论 本文改进的网络模型可以有效获取点云数据中的全局和局部特征,实现更优的分类和分割效果。     

问题引导的空间关系图推理视觉问答模型

目的 现有视觉问答模型的研究主要从注意力机制和多模态融合角度出发,未能对图像场景中对象之间的语义联系显式建模,且较少突出对象的空间位置关系,导致空间关系推理能力欠佳。对此,本文针对需要空间关系推理的视觉问答问题,提出利用视觉对象之间空间关系属性结构化建模图像,构建问题引导的空间关系图推理视觉问答模型。方法 利用显著性注意力,用Faster R-CNN(region-based convolutional neural network)提取图像中显著的视觉对象和视觉特征;对图像中的视觉对象及其空间关系结构化建模为空间关系图;利用问题引导的聚焦式注意力进行基于问题的空间关系推理。聚焦式注意力分为节点注意力和边注意力,分别用于发现与问题相关的视觉对象和空间关系;利用节点注意力和边注意力权重构造门控图推理网络,通过门控图推理网络的信息传递机制和控制特征信息的聚合,获得节点的深度交互信息,学习得到具有空间感知的视觉特征表示,达到基于问题的空间关系推理;将具有空间关系感知的图像特征和问题特征进行多模态融合,预测出正确答案。结果 模型在VQA(visual question answering)v2...     

融合时空图卷积的多人交互行为识别

目的 多人交互行为的识别在现实生活中有着广泛应用。现有的关于人类活动分析的研究主要集中在对单人简单行为的视频片段进行分类,而对于理解具有多人之间关系的复杂人类活动的问题还没有得到充分的解决。方法 针对多人交互动作中两人肢体行为的特点,本文提出基于骨架的时空建模方法,将时空建模特征输入到广义图卷积中进行特征学习,通过谱图卷积的高阶快速切比雪夫多项式进行逼近。同时对骨架之间的交互信息进行设计,通过捕获这种额外的交互信息增加动作识别的准确性。为增强时域信息的提取,创新性地将切片循环神经网络（recurrent neural network,RNN）应用于视频动作识别,以捕获整个动作序列依赖性信息。结果 本文在UT-Interaction数据集和SBU数据集上对本文算法进行评估,在UT-Interaction数据集中,与H-LSTCM（hierarchical long short-term concurrent memory）等算法进行了比较,相较于次好算法提高了0.7%,在SBU数据集中,相较于GCNConv（semi-supervised classification with graph convolutional networks）、RotClips+MTCNN（rotating cliips+multi-task convolutional neural netowrk）、SGC（simplifying graph convolutional）等算法分别提升了5.2%、1.03%、1.2%。同时也在SBU数据集中进行了融合实验,分别验证了不同连接与切片RNN的有效性。结论 本文提出的融合时空图卷积的交互识别方法,对于交互类动作的识别具有较高的准确率,普遍适用于对象之间产生互动的行为识别。