融合注意力和多尺度特征的街景图像语义分割

为了解决在街道场景图像语义分割任务中传统U-Net网络在多尺度类别下目标分割的准确率较低和图像上下文特征的关联性较差等问题,提出一种改进U-Net的语义分割网络AS-UNet,实现对街道场景图像的精确分割.首先,在U-Net网络中融入空间通道挤压激励(spatial and channel squeeze&excitation block, scSE)注意力机制模块,在通道和空间两个维度来引导卷积神经网络关注与分割任务相关的语义类别,以提取更多有效的语义信息;其次,为了获取图像的全局上下文信息,聚合多尺度特征图来进行特征增强,将空洞空间金字塔池化(atrous spatial pyramid pooling, ASPP)多尺度特征融合模块嵌入到U-Net网络中;最后,通过组合使用交叉熵损失函数和Dice损失函数来解决街道场景目标类别不平衡的问题,进一步提升分割的准确性.实验结果表明,在街道场景Cityscapes数据集和Cam Vid数据集上AS-UNet网络模型的平均交并比(mean intersection over union, MIo U)相较于传统U-Net网络分别提...     

基于改进U-Net的宫颈细胞核图像分割

原始的U-Net采用跳跃结构结合高低层的图像信息,使得U-Net模型有良好的分割效果,但是分割结果在宫颈细胞核边缘依然存在分割欠佳、过分割和欠分割等不足.由此提出了改进型U-Net网络图像分割方法.首先将稠密连接的DenseNet引入U-Net的编码器部分,以解决编码器部分相对简单,不能提取相对抽象的高层语义特征.然后对二元交叉熵损失函数中的宫颈细胞核和背景给予不同的权重,使网络更加注重细胞核特征的学习.最后在池化操作过程中,对池化域内的像素值分配合理的权值,解决池化层丢失信息的问题.实验证明,改进型U-Net网络使宫颈细胞核分割效果更好,模型也越鲁棒,过分割和欠分割比率也越少.显然,改进型U-Net是更有效的图像分割方法.     

基于U-Net特征融合优化策略的遥感影像语义分割方法

高分辨率遥感影像的空间分辨率高、地物信息丰富、复杂程度高、各类地物的大小尺寸不一,这为分割精度的提高带来了一定的难度.为提高遥感影像语义分割精度,解决U-Net模型在结合深层语义信息与浅层位置信息时受限的问题,文中提出了一种基于U-Net特征融合优化策略的遥感影像语义分割方法.该方法采用基于U-Net模型的编码器-译码器结构,在特征提取部分沿用U-Net模型的编码器结构,提取多个层级的特征信息;在特征融合部分保留U-Net的跳跃连接结构,同时使用提出的特征融合优化策略,实现了高层语义特征与底层位置特征的融合-优化-再融合.此外特征融合优化策略还使用空洞卷积获取了更多的全局特征,并采用Sub-Pixel卷积层代替传统转置卷积,实现了自适应上采样.所提方法在ISPRS的Potsdam数据集和Vaihingen数据集上得到了验证,其总体分割精度、Kappa系数和平均交并比mIoU 3个评价指标在Potsdam数据集上分别为86.2％,0.82,0.77,在Vaihingen数据集上分别为84.5％,0.79,0.69;相比传统的U-Net模型,所提方法的3个评价指标在Potsdam数据集上分别提高了5.8％,8％,8％,在Vaihingen数据集上分别提高了3.5％,4％,11％.实验结果表明,基于U-Net特征融合优化策略的遥感影像语义分割方法,在Potsdam数据集和Vaihingen数据集上都能达到很好的语义分割效果,提高了遥感影像的语义分割精度.     

基于改进U-Net网络的多尺度番茄病害分割算法

针对当前农作物病害分割与识别模型病斑分割精度低、数据集不充分、训练速度过慢等问题,构建了一种基于改进的U-Net网络多尺度番茄叶部病害分割算法。在U-Net网络结构基础上进行改进,减小图像输入尺寸,在编码器中使用非对称Inception多通道卷积替换传统卷积,实现多尺度提取病害特征,提升模型准确度;在解码器中加入注意力模块,关注番茄病害边缘,减小上采样噪声;引入GN加速模型收敛,并将改进U-Net网络用在PlantVillage数据集上进行预训练,提高模型的分割准确度和速度。改进后的方法准确率、召回率和MIoU分别为92.9%、91.1%、93.6%,实验结果表明,该方法能够有效地提高模型对番茄的病害分割性能。     

基于特征融合和注意力机制的超声影像分割网络

针对医学超声影像中图像受斑点噪声干扰、细节信息丢失、目标边界模糊等问题,提出一种基于特征融合和注意力机制的超声影像分割网络,整体结构采用编码器-解码器网络结构。首先,使用编码器模块对图像进行上下文特征提取,提取全局特征信息;然后,设计多尺度特征提取模块,捕获更广泛的语义信息;最后,在解码器模块中加入双注意力机制,沿空间和通道两个维度细化特征信息,加强对超声心动图影像中左心室区域的关注,使模型对有噪声的输入图像具有鲁棒性。实验结果表明,所提出的网络在超声心动图心尖四腔心数据集上的实验分割结果的Dice系数达到93.11%,平均交并比（mIoU）为86.80%,较传统的U-Net卷积神经网络分别提升了3.06个百分点和3.95个百分点,有效获取了左心室区域细节信息和边界信息,取得了较好的分割结果。     

一种辅助新型冠状病毒肺炎检测的肺实质分割算法

新型冠状病毒肺炎给人类健康及社会经济造成了巨大的负面影响,而X光胸片中的肺实质提取成为新型冠状病毒肺炎诊断过程中的关键环节。在U-Net的基础上,提出一种结合编解码模式的肺实质分割算法。应用特征融合思想,构建A形特征融合模块,充分学习深层特征的语义信息。引入注意力机制,在深层卷积神经网络中加入密集空洞卷积模块和残差多核池化模块,扩大卷积感受野并提取上下文特征信息。通过改进可变形卷积和分割损失函数,提升网络模型的泛化能力和鲁棒性。实验结果表明,该算法的分割准确度、Dice系数、敏感度、Jaccard指数分别为98.16%、98.32%、98.13%、98.54%,能够实现X光胸片中肺实质部位的有效分割。     

基于光流场与语义特征融合的心脏Cine-MRI左心室心肌分割方法

由于运动原因会造成活体心脏MRI图像中左心室心内膜与心肌边缘轮廓模糊,进而导致分割不准确以及分割精度较低,针对这些问题,本文提出一种基于光流场与语义特征融合的心脏4D Cine-MRI (magnetic resonance imaging)左心室心肌分割模型OSFNet.该模型包含了光流场计算和语义分割网络:将光流场计算得到的运动特征与图像语义特征进行融合,通过网络学习达到了最优的分割效果.模型采用编码器-解码器结构,本文提出的多感受野平均池化模块用于提取多尺度语义特征,减少了特征丢失;解码器部分使用了多路上采样方法和跳跃连接,保证了语义特征被有效还原.本文使用ACDC公开数据集对模型进行训练与测试,并分别与DenseNet和U-Net在左心室内膜分割、左心室内膜和心肌分割目标上进行对比.实验结果表明, OSFNet在Dice和HD等多个指标上取得了最佳效果.     

U-Net支气管超声弹性图像纵膈淋巴结分割

目的 超声弹性成像技术已逐步应用于支气管淋巴结良恶性的诊断,帮助确定肺癌分期。在支气管超声弹性图像中,淋巴结区域的精确定位对诊断准确度具有重要影响,但通常依赖专业医师的手动分割,费时费力。为此,本文设计了一种注意力上下文编码器网络(attention context encoder network,ACE-Net)。方法 本文网络模型包括编码器、上下文提取器和解码器3部分。使用在Image Net数据集上预训练且去掉平均池化层和全连接层的34层残差网络Res Net-34作为编码器提取特征,上下文提取器从编码器的输出中进一步提取高级语义信息,同时保留尽可能多的空间信息,基于AG(attention gate)的解码器可以抑制输入图像中的不相关区域,同时突出对当前任务更关键的特征。结果 实验在本文收集的包含支气管超声弹性图像及对应分割标签的数据集上进行,与6种典型的U-Net结构深度网络模型的分割性能进行对比,数据集中的每幅图像中的淋巴结都由专业医师手动分割标注。基础U-Net网络得到淋巴结分割结果的Dice系数、敏感度和特异度分别为0.820 7、85.08%和96.82%,其他改进网...     

基于U-Net网络的医学图像分割研究综述

近年来随着深度学习技术的快速发展,卷积神经网络(CNN)成为语义分割的重要支撑框架,被广泛运用于多种目标检测与分割的任务当中。在医学图像分割任务中,U-Net网络以其优异的分割性能、可拓展性的网络结构等特点成为该领域研究的热点。如今有众多学者从网络的结构等方面对U-Net进行改进以优化网络性能、提升分割准确度。研究通过对相关文献的分析,首先介绍了基于U-Net的经典改进模型;然后阐述了六大U-Net改进机制：注意力机制、inception模块、残差结构、空洞机制、密集连接结构以及集成网络结构;随后介绍了医学图像分割常用评价指标和非结构化改进方案,这些非结构化改进方法包括数据增强、优化器、激活函数和损失函数四个方面;之后列举并分析了在肺结节、视网膜血管、皮肤病和颅内肿瘤新冠肺炎四大医学图像分割领域的改进模型;最后对U-Net网络的未来发展进行展望,为相关研究提供思路。     

基于多尺度特征融合与注意力机制的脊柱CT图像分割

本文针对医学脊柱CT图像因骨密度不均匀、骨骼结构复杂或图像成像分辨率低等因素造成的分割精度较低的问题,提出一种基于卷积-反卷积神经网络的CT图像脊柱分割方法.通过引入多尺度残差模块及注意力机制改进U-Net网络,训练特征模型并进行测试.在真实数据集上的实验结果表明,该方法能有效提高CT图像中脊柱的分割精度及分割效率,Dice系数评估值为0.97,IOU系数评估值为0.94.     

引入注意力机制和多视角融合的脑肿瘤MR图像U-Net分割模型

目的 脑肿瘤核磁共振（magnetic resonance,MR）图像分割对评估病情和治疗患者具有重要意义。虽然深度卷积网络在医学图像分割中取得了良好表现,但由于脑胶质瘤的恶性程度与外观表现有巨大差异,脑肿瘤MR图像分割仍是一项巨大挑战。图像语义分割的精度取决于图像特征的提取和处理效果。传统的U-Net网络以一种低效的拼接方式集成高层次特征和低层次特征,从而导致图像有效信息丢失,此外还存在未能充分利用上下文信息和空间信息的问题。对此,本文提出一种基于注意力机制和多视角融合U-Net算法,实现脑肿瘤MR图像的分割。方法 在U-Net的解码和编码模块之间用多尺度特征融合模块代替传统的卷积层,进行多尺度特征映射的提取与融合;在解码模块的级联结构中添加注意力机制,增加有效信息的权重,避免信息冗余;通过融合多个视角训练的模型引入3维图像的空间信息。结果 提出的模型在BraTS18（Multimodal Brain Tumor Segmentation Challenge 2018）提供的脑肿瘤MR图像数据集上进行验证,在肿瘤整体区域、肿瘤核心区域和肿瘤增强区域的Dice score分别为0.907、0.838和0.819,与其他方法进行对比,较次优方法分别提升了0.9%、1.3%和0.6%。结论 本文方法改进了传统U-Net网络提取和利用图像语义特征不足的问题,并引入了3维MR图像的空间信息,使得肿瘤分割结果更加准确,具有良好的研究和应用价值。     

自适应模态融合双编码器MRI脑肿瘤分割网络

目的 评估肿瘤的恶性程度是临床诊断中的一项具有挑战性的任务。因脑肿瘤的磁共振成像呈现出不同的形状和大小,肿瘤的边缘模糊不清,导致肿瘤分割具有挑战性。为有效辅助临床医生进行肿瘤评估和诊断,提高脑肿瘤分割精度,提出一种自适应模态融合双编码器分割网络D3D-Net(double3DNet)。方法 本文提出的网络使用多个编码器和特定的特征融合的策略,采用双层编码器用于充分提取不同模态组合的图像特征,并在编码部分利用特定的融合策略将来自上下两个子编码器的特征信息充分融合,去除冗余特征。此外,在编码解码部分使用扩张多纤维模块在不增加计算开销的前提下捕获多尺度的图像特征,并引入注意力门控以保留细节信息。结果 采用BraTS2018(brain tumor segmentation 2018)、BraTS2019和BraTS2020数据集对D3D-Net网络进行训练和测试,并进行了消融实验。在BraTS2018数据集上,本模型在增强肿瘤、整个肿瘤、肿瘤核心的平均Dice值与3D U-Net相比分别提高了3.6%,1.0%,11.5%,与DMF-Net(dilatedmulti-fibernetwork...     

融合空洞卷积与注意力的胃癌组织切片分割

目的 病理组织切片检查是诊断胃癌的金标准,准确发现切片中的病变区域有助于及时确诊并开展后续治疗。然而,由于病理切片图像的复杂性、病变细胞与正常细胞形态差异过小等问题,传统的语义分割模型并不能达到理想的分割效果。基于此,本文提出了一种针对病理切片的语义分割方法ADEU-Net （attention-dilated-efficient U-Net++）,提高胃癌区域分割的精度,实现端到端分割。方法 ADEU-Net使用经过迁移学习的EfficientNet作为编码器部分,增强图像特征提取能力。解码器采用了简化的U-Net++短连接方式,促进深浅层特征融合的同时减少网络参数量,并重新设计了其中的卷积模块提高梯度传递能力。中心模块使用空洞卷积对编码器输出结果进行多尺度的特征提取,增强模型对不同尺寸切片的鲁棒性。编码器与解码器的跳跃连接使用了注意力模块,以抑制背景信息的特征响应。结果 在2020年“华录杯”江苏大数据开发与应用大赛（简称“SEED”大赛）数据集中与其他经典方法比较,验证了一些经典模型在该分割任务中难以拟合的问题,同时实验得出修改特征提取方式对结果有较大提升,本文方法在分割准确度上比原始U-Net提高了18.96%。在SEED数据集与2017年中国大数据人工智能创新创业大赛（brain of things,BOT）数据集中进行了消融实验,验证了本文方法中各个模块均有助于提高病理切片的分割效果。在SEED数据集中,本文方法ADEU-Net比基准模型在Dice系数、准确度、敏感度和精确度上分别提升了5.17%、2.7%、3.69%、4.08%;在BOT数据集中,本文方法的4项指标分别提升了0.47%、0.06%、4.30%、6.08%。结论 提出的ADEU-Net提升了胃癌病理切片病灶点分割的精度,同时具有良好的泛化性能。     

深度迭代融合的脑部磁共振图像颅骨去除网络

目的 去除颅骨是脑部磁共振图像处理和分析中的重要环节。由于脑部组织结构复杂以及采集设备噪声的影响导致现有方法不能准确分割出脑部区域,为此提出一种深度迭代融合的卷积神经网络模型实现颅骨的准确去除。方法 本文DIFNet（deep iteration fusion net）模型的主体结构由编码器和解码器组成,中间的跳跃连接方式由多个上采样迭代融合构成。其中编码器由残差卷积组成,以便浅层语义信息更容易流入深层网络,避免出现梯度消失的现象。解码器网络由双路上采样模块构成,通过具有不同感受野的反卷积操作,将输出的特征图相加后作为模块输出,有效还原更多细节上的特征。引入带有L2正则的Dice损失函数训练网络模型,同时采用内部数据增强方法,有效提高模型的鲁棒性和泛化能力。结果 为了验证本文模型的分割性能,分别利用两组数据集与传统分割算法和主流的深度学习分割模型进行对比。在训练数据集同源的NFBS（neurofeedback skull-stripped）测试数据集上,本文方法获得了最高的平均Dice值和灵敏度,分别为99.12%和99.22%。将在NFBS数据集上训练好的模型直接应用于LPBA40（loni probabilistic brain atlas 40）数据集,本文模型的Dice值可达98.16%。结论 本文提出的DIFNet模型可以快速、准确地去除颅骨,相比于主流的颅骨分割模型,精度有较高提升,并且模型具有较好的鲁棒性和泛化能力。     

融合跨阶段深度学习的脑肿瘤MRI图像分割

目的 磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)作为一种非侵入性的软组织对比成像方式,可以提供有关脑肿瘤的形状、大小和位置等有价值的信息,是用于脑肿瘤患者检查的主要方法,在脑肿瘤分割任务中发挥着重要作用。由于脑肿瘤本身复杂多变的形态、模糊的边界、低对比度以及样本梯度复杂等问题,导致高精度脑肿瘤MRI图像分割非常具有挑战性,目前主要依靠专业医师手动分割,费时且可重复性差。对此,本文提出一种基于U-Net的改进模型,即CSPU-Net(cross stage partial U-Net)脑肿瘤分割网络,以实现高精度的脑肿瘤MRI图像分割。方法 CSPU-Net在U-Net结构的上下采样中分别加入两种跨阶段局部网络结构(cross stage partial module, CSP)提取图像特征,结合GDL(general Dice loss)和WCE(weighted cross entropy)两种损失函数解决训练样本类别不平衡问题。结果 在BraTS (brain tumor segmentation) 2018和BraTS 2019两个数据集上进行实...     

U-Net与自适应阈值脉冲耦合神经网络相结合的眼底血管分割方法

由于眼底血管结构复杂多变,且图像中血管与背景对比度低,眼底血管分割存在巨大困难,尤其是微小型血管难以分割.基于深层全卷积神经网络的U-Net能够有效提取血管图像全局及局部信息,但由于其输出为灰度图像,并采用硬阈值实现二值化,这会导致血管区域丢失、血管过细等问题.针对这些问题,提出一种结合U-Net与脉冲耦合神经网络(P...     

U-Net通道变换网络在腺体图像分割中的应用

目的 腺体医学图像分割是将医学图像中的腺体区域与周围组织分离出来的过程,对分割精度有极高要求。传统模型在对腺体医学图像分割时,因腺体形态多样性和小目标众多的特点,容易出现分割不精细或误分割等问题,对此根据腺体医学图像的特点对U-Net型通道变换网络分割模型进行改进,实现对腺体图像更高精度分割。方法 首先在U-Net型通道变换网络的编码器前端加入ASPP_SE （spatial pyramid pooling_squeeze-and-excitation networks）模块与ConvBatchNorm模块的组合,在增强编码器提取小目标特征信息能力的同时,防止模型训练出现过拟合现象。其次在编码器与跳跃连接中嵌入简化后的密集连接,增强编码器相邻模块特征信息融合。最后在通道融合变换器（channel cross fusion with Transformer,CCT）中加入细化器,将自注意力图投射到更高维度,提高自注意机制能力,增强编码器全局模块特征信息融合。简化后的密集连接与CCT结合使用,模型可以达到更好效果。结果 改进算法在公开腺体数据集MoNuSeg （multi-organ nuclei segmentation challenge）和Glas （gland segmentation）上进行实验。以Dice系数和IoU （intersection over union）系数为主要指标,在MoNuSeg的结果为80.55%和67.32%,在Glas数据集的结果为92.23%和86.39%,比原U-Net型通道变换网络分别提升了0.88%、1.06%和1.53%、2.43%。结论 本文提出的改进算法在腺体医学分割上优于其他现有分割算法,能满足临床医学腺体图像分割要求。     

注意力机制下密集空洞卷积的肺部图像分割

目的 卷积神经网络（convolutional neural network,CNN）在计算机辅助诊断（computer-aided diagnosis,CAD）肺部疾病方面具有广泛的应用,其主要工作在于肺部实质的分割、肺结节检测以及病变分析,而肺实质的精确分割是肺结节检出和肺部疾病诊断的关键。因此,为了更好地适应计算机辅助诊断系统要求,提出一种融合注意力机制和密集空洞卷积的具有编码—解码模式的卷积神经网络,进行肺部分割。方法 将注意力机制引入网络的解码部分,通过增大关键信息权重以突出目标区域抑制背景像素干扰。为了获取更广更深的语义信息,将密集空洞卷积模块部署在网络中间,该模块集合了Inception、残差结构以及多尺度空洞卷积的优点,在不引起梯度爆炸和梯度消失的情况下,获得了更深层次的特征信息。针对分割网络常见的特征丢失等问题,对网络中的上/下采样模块进行改进,利用多个不同尺度的卷积核级联加宽网络,有效避免了特征丢失。结果 在LUNA （lung nodule analysis）数据集上与现有5种主流分割网络进行比较实验和消融实验,结果表明,本文模型得到的预测图更接近于标签图像。Dice相似系数、交并比（intersection over union,IoU）、准确度（accuracy,ACC）以及敏感度（sensitivity,SE）等评价指标均优于对比方法,相比于性能第2的模型,分别提高了0.443%,0.272%,0.512%以及0.374%。结论 本文提出了一种融合注意力机制与密集空洞卷积的肺部分割网络,相对于其他分割网络取得了更好的分割效果。