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解耦學習改進醫學重建中的隱式神經表示

文章摘要

隱式神經表示(INR)在醫學成像中通過物理信息無監督學習展現出強大潛力。傳統方法為每個受試者從頭訓練網絡,效率低且成像質量欠佳。最近基於初始化的方法注入人口先驗,但依賴高質量圖像且微調時易災難性遺忘。本研究提出DisINR框架,顯式解耦共享表示和受試者特定表示。它引入共享編碼器-解碼器對和受試者特定編碼器,通過可微前向模型從有限原始測量中預訓練共享模塊,無需預獲取高質量圖像。測試時僅優化受試者特定編碼器,共享對保持凍結,有效保留先驗。在三個典型醫學成像任務上,DisINR在重建精度和效率上顯著優於現有方法。

來源arXiv Computer Vision作者: Qing Wu, Xuanyu Tian, Chenhe Du, Haonan Zhang, Xiao Wang, Le Lu, Yuyao Zhang
解耦學習改進醫學重建中的隱式神經表示
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隱式神經表示(Implicit Neural Representations, INR)近年來在醫學成像領域嶄露頭角,成為一種極具潛力的範式。INR利用物理信息引導的無監督學習,能夠在無需大量標註數據的情況下實現高質量圖像重建。然而,傳統的INR方法存在一個顯著缺陷:對於每個新的受試者,都需要從頭開始優化整個網絡。這不僅導致訓練過程效率低下,而且成像質量往往難以達到最優。為了克服這一侷限,研究者們提出了基於初始化的方法,試圖通過預訓練網絡注入人羣先驗知識。這類方法雖然在一定程度上提升了性能,但過度依賴高質量圖像,並且在微調階段容易發生災難性遺忘,從而限制了其在實際臨牀中的應用。

針對上述挑戰,來自上海科技大學等機構的研究團隊提出了一種全新的INR框架——DisINR。該框架的核心創新在於顯式地將共享表示和受試者特定表示進行解耦。具體而言,DisINR架構包含一個共享的編碼器-解碼器對,以及多個受試者特定的編碼器。在圖像重建過程中,共享編碼器負責提取所有受試者共有的通用特徵,而受試者特定編碼器則負責捕獲個體差異。這兩種特徵被聯合解碼,生成最終的重建圖像。

為了訓練共享模塊,DisINR巧妙地集成了可微的前向模型。這使得模型能夠直接從有限的原始測量數據中學習,而無需預先獲取高質量圖像。這一設計徹底消除了對高質量圖像的依賴,大幅降低了數據採集成本。在測試階段,DisINR僅優化受試者特定編碼器,而共享的編碼器-解碼器對保持凍結狀態。這種機制有效地保留了從訓練數據中學習到的人羣先驗知識,同時避免了微調帶來的災難性遺忘。

研究團隊在三個具有代表性的醫學成像任務上對DisINR進行了全面評估,包括磁共振成像(MRI)、計算機斷層掃描(CT)和超聲成像。實驗結果表明,無論是重建精度還是計算效率,DisINR都顯著超越了當前最先進的INR方法。相關工作以論文形式發表在arXiv上,作者包括Qing Wu、Xuanyu Tian、Chenhe Du、Haonan Zhang、Xiao Wang、Le Lu和Yuyao Zhang。DisINR的提出為醫學圖像重建提供了一種高效且魯棒的解決方案,有望推動臨牀應用中實時、高質量成像技術的發展。

展開要點與分析

文章情報

工程師進階

要點

  • DisINR解耦共享與受試者特定表示,提升重建質量與效率。
  • 通過可微前向模型從原始測量預訓練,無需高質量圖像。
  • 測試時僅更新受試者特定編碼器,避免災難性遺忘。
  • 在多個醫學成像任務中超越現有技術。

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