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医学图像分割之TransUNet

一只慢慢飞的笨笨鸟 2023-05-29 08:00:02

简介医学图像分割之TransUNet

一、背景

开头处先说明下TransUNet的地位：它是第一个将transformer用于U型结构的网络。

一、背景

医学图像分割是发展卫生保健系统的先决条件，尤其对疾病诊断和质量方案。在各种医学图像分割模型中，U型结构，也就是U-Net非常流行。

二、提出问题

由于卷积运算的内在局限性，或者说是卷积运算中，感受野小的原因，导致U-Net在建模过程中，远程依赖方面受限。
transformer是全局自注意机制的可替代结构。但由于transformer的低级细节不足，导致其定位能力受限。

三、解决问题

在解决U型结构感受野小、远程依赖受限的问题上，很多作者给出的解决办法是使用自注意力机制。由于Transformer中自带自注意力机制，作者是第一个将transformer和U-Net相结合的人。

由于U-Net结构在医学图像分割中非常流行，可以说是默认的医学图像分割的backbone了，所以作者选择在U-Net结构上进行改编。
由于transformer的输入为1D的序列，所以在其训练的所有阶段只关注了建模的上下文信息，导致缺少含有细节定位信息的高分辨率特征。所以作者选择将transformer与U-Net结构相结合，将transformer作为U型结构的encoder部分。
transformer作为encoder部分，对transformer后的编码特征是 $frac{HW}{P^{2}}*D$ ，为了恢复空间信息，将 $frac{HW}{P^{2}}*D$ 恢复至 $frac{H}{P}*frac{W}{P}*D$ ，然后使用U-Net的decoder部分，上采样恢复分辨率至 H*W。虽然也能产生合理的结果，但结果比较粗糙，缺少高分辨率的细节信息。也就是说此时的结构不是transformer的最佳应用，因为通常 $frac{H}{P}*frac{W}{P }$ 比H*W小很多，分辨率在恢复至H*W过程中，不可避免导致定位信息的损失。为了弥补这种定位细节信息的损失，作者继续提出了CNN-Transformer的混合结构。
CNN-Transformer作为U型结构的encoder部分。因为CNN能提取到低级定位细节信息，正好弥补Transformer缺少低级定位信息的不足。在此部分，作者选择使用resnet50的前3阶段作为CNN部分。将resnet50第三阶段得到的特征图作为transformer的patch来源。从而使得transUNet的U型结构得到闭环。

图1 TransUNet结构简图

四、网络结构详解

从图中也可以看出，TransUNet的网络结构可以分为三部分学习，分别是CNN部分（resnet50的前三层）、transformer部分、U-Net的decoder部分。

CNN部分（ResNet50的前三层）

CNN部分作者选用了ResNet50的前三层，至于为什么CNN选用的ResNet50，作者并没有给出原因。我的理解是：U-Net的decoder部分除去encoder5外，还有4层，从上往下计数，decoder4和transformer的结果进行skip-connection，上面还剩3层decoder，所以此处采用的ResNet50的前三层，方便后续的跳跃连接。

TranUNet中的该部分代码中，要将这三层的每层结果进行保存，每层的结果还要用于skip-connection，除此之外，第三层的特征图还要产生一系列的patches，作为transformer的输入内容。ResNet50的前三层结构如下图所示：

图3 ResNet50网络结构

transformer部分

此处的transformer部分采用了12层，也就是将transformer运算重复了12次。首先将CNN部分的第三层获得的特征图进行P=16处理，获得16*16=256个patches。将一系列patches输入到transformer模块中，获得 (n_patch, D）= $frac{HW}{P^{2}}*D$ 维度的结果，为了恢复特征图的空间结构，reshape至 $frac{H}{P}*frac{W}{P}*D$ ，然后进行上采样操作。

关于transformer的具体实现，我想仔细学一些Vis Transformer，然后出一篇博客，详细讲解。