MI-SegNet: Mutual Information-Based US Segmentation for Unseen Domain Generalization

摘要

• 解决医学成像泛化能力
• 提出了一种新的基于互信息(MI)的框架MI- segnet
• 分离解剖结构和领域特征
• 采用两个编码器提取相关特征：两个特征映射中出现的任何MI都将受到惩罚，以进一步促进单独的特征空间
• 分割只使用解剖特征图进行预测
• 训练过程中使用了交叉重建方法
• 代码链接

引言

领域自适应：网络可泛化到与源域不同的目标域
特征解耦（Feature Disentanglement）：许多研究人员没有直接在图像级别上解决域适应问题，而是专注于在潜在空间中解耦特征
互信息：测量两个随机变量之间共享信息的数量

方法

目标：训练一个分割网络，它可以泛化到未见的领域，并作为下游任务的良好预训练模型，而训练数据集只包含来自单个领域的图像
思路：

• 对于每个图像进行参数转换，两组参数用于空间(a1, a2)和域(d1, d2)转换
• 单个输入，根据空间和域配置参数的四种可能组合，创建四张转换后的图像(xa1d1, xa2d2, xa1d2, xa2d1)
• 使用两个编码器(Ea, Ed)分别提取解剖特征(fa1, fa2)和结构域特征(fd1, fd2)
• 使用互信息神经估计器(MINE)计算从同一图像中提取的解剖特征和域特征之间的互信息，并在训练过程中最小化
• 仅使用解剖特征来预测分割掩模(m1, m2)
• 然后将提取的解剖和域特征结合起来，输入到生成器网络(G)中，相应地重建图像(bxa1d1, bxa1d2, bxa2d1, bxa2d2)
• 转换后的图像中只有两张(xa1d1, xa2d2)被输入到网络中，而另外两张(xa1d2, xa2d1)仅用作重建的ground truth
  

互信息

MI定义为联合分布与随机变量fa和fd的边际分布乘积之间的Kullback-Leibler (KL)散度：


为了迫使结构编码器和域编码器提取解耦的特征，MI被作为一个损失来更新这两个编码器网络的权重：

分割和重建

分割损失：

重建损失函数：

数据转换

训练数据集只包含单个域的图像，因此需要丰富训练数据的多样性

领域转换

将单域图像转换为不同的域样式。这方面涉及到五种变换方法，即模糊度、锐度、噪声水平、亮度和对比度。所有域变换的可能性经验地设置为10%

空间转换

裁剪和翻转两部分：
对于裁剪，原始图像大小的[0.7,0.9]，然后将裁剪区域调整为原始大小，以引入不同形状的解剖结构。这里λ控制裁剪窗口的大小和位置。除了裁剪，水平翻转也涉及到。与域转换不同，标签也通过相同的空间转换进行相应的转换。翻转的概率§为5%，而裁剪的概率§为50%，以引入不同的解剖尺寸。然后这些图像以堆叠的方式进行转换:

交叉重建

根据实验结果，MI损失确实迫使两种表示具有最小的共享信息。然而，结构特征和领域特征之间MI的最小化并不一定使两个特征都包含各自的信息。该网络经常进入局部最优，其中域特征保持不变，所有信息都存储在解剖特征中。由于域特征中没有信息，因此两个表示之间的MI接近于零。
然而，这并不是我们的初衷。因此，引入交叉重构策略来解决这一问题。交叉重建损失将惩罚将所有信息汇总到一个表示中的行为。因此，它可以迫使每个编码器相应地提取信息特征，并防止整个网络进入局部最优。训练采用交替进行，具体过程如算法1所示