基于深度学习的疾病检测和分割算法承诺提高许多临床过程。然而，由于数据隐私，法律障碍和非统一数据采集协议，此类算法需要大量的注释训练数据，通常在医学环境中不可用。具有注释病理学的合成数据库可以提供所需的培训数据量。我们展示了缺血性卒中的例子，即利用基于深度学习的增强的病变分割的改善是可行的。为此，我们训练不同的图像到图像转换模型，以合成大脑体积的磁共振图像，并且没有来自语义分割图的中风病变。此外，我们培养一种生成的对抗性网络来产生合成病变面具。随后，我们组合这两个组件来构建大型合成描边图像数据库。使用U-NET评估各种模型的性能，该U-NET在临床测试集上培训以进行段中风病变。我们向最佳性能报告$ \ mathbf {72.8} $％[$ \ mathbf {70.8 \ pm1.0} $％]的骰子分数，这胜过了单独临床图像培训的模型培训$ \ mathbf { 67.3} $％[$ \ mathbf {63.2 \ pm1.9} $％]，并且接近人类互相互联网骰子评分$ \ mathbf {76.9} $％。此外，我们表明，对于仅为10或50个临床案例的小型数据库，与使用不使用合成数据的设置相比，合成数据增强产生了显着的改进。据我们所知，这提出了基于图像到图像翻译的合成数据增强的第一个比较分析，并将第一应用于缺血性卒中。

生成的对抗网络（GAN）是在众多领域成功使用的一种强大的深度学习模型。它们属于一个称为生成方法的更广泛的家族，该家族通过从真实示例中学习样本分布来生成新数据。在临床背景下，与传统的生成方法相比，GAN在捕获空间复杂，非线性和潜在微妙的疾病作用方面表现出增强的能力。这篇综述评估了有关gan在各种神经系统疾病的成像研究中的应用的现有文献，包括阿尔茨海默氏病，脑肿瘤，脑老化和多发性硬化症。我们为每个应用程序提供了各种GAN方法的直观解释，并进一步讨论了在神经影像学中利用gans的主要挑战，开放问题以及有希望的未来方向。我们旨在通过强调如何利用gan来支持临床决策，并有助于更好地理解脑部疾病的结构和功能模式，从而弥合先进的深度学习方法和神经病学研究之间的差距。

Clinical diagnostic and treatment decisions rely upon the integration of patient-specific data with clinical reasoning. Cancer presents a unique context that influence treatment decisions, given its diverse forms of disease evolution. Biomedical imaging allows noninvasive assessment of disease based on visual evaluations leading to better clinical outcome prediction and therapeutic planning. Early methods of brain cancer characterization predominantly relied upon statistical modeling of neuroimaging data. Driven by the breakthroughs in computer vision, deep learning became the de facto standard in the domain of medical imaging. Integrated statistical and deep learning methods have recently emerged as a new direction in the automation of the medical practice unifying multi-disciplinary knowledge in medicine, statistics, and artificial intelligence. In this study, we critically review major statistical and deep learning models and their applications in brain imaging research with a focus on MRI-based brain tumor segmentation. The results do highlight that model-driven classical statistics and data-driven deep learning is a potent combination for developing automated systems in clinical oncology.

创伤性脑损伤（TBI）患者的脑网络分析对于其意识水平评估和预后评估至关重要，这需要分割某些意识相关的大脑区域。但是，由于很难收集TBI患者的手动注释的MR扫描，因此很难构建TBI分割模型。数据增强技术可用于缓解数据稀缺问题。但是，常规数据增强策略（例如空间和强度转化）无法模仿创伤性大脑中的变形和病变，这限制了后续分割任务的性能。为了解决这些问题，我们提出了一种名为TBIGA的新型医学图像授课模型，以通过配对的脑标签图合成TBI MR扫描。我们的TBIGAN方法的主要优势在于，它可以同时生成TBI图像和相应的标签映射，这在以前的医学图像的先前涂上方法中尚未实现。我们首先按照粗到细节的方式在边缘信息的指导下生成成分的图像，然后将合成强度图像用作标签上填充的先验。此外，我们引入了基于注册的模板增强管道，以增加合成图像对的多样性并增强数据增强能力。实验结果表明，提出的TBIGAN方法可以产生具有高质量和有效标签图的足够合成的TBI图像，这可以大大改善与替代方案相比的2D和3D创伤性脑部分割性能。

机器学习和计算机视觉技术近年来由于其自动化，适合性和产生惊人结果的能力而迅速发展。因此，在本文中，我们调查了2014年至2022年之间发表的关键研究，展示了不同的机器学习算法研究人员用来分割肝脏，肝肿瘤和肝脉管结构的研究。我们根据感兴趣的组织（肝果，肝肿瘤或肝毒剂）对被调查的研究进行了划分，强调了同时解决多个任务的研究。此外，机器学习算法被归类为受监督或无监督的，如果属于某个方案的工作量很大，则将进一步分区。此外，对文献和包含上述组织面具的网站发现的不同数据集和挑战进行了彻底讨论，强调了组织者的原始贡献和其他研究人员的贡献。同样，在我们的评论中提到了文献中过度使用的指标，这强调了它们与手头的任务的相关性。最后，强调创新研究人员应对需要解决的差距的关键挑战和未来的方向，例如许多关于船舶分割挑战的研究的稀缺性以及为什么需要早日处理他们的缺席。

对疾病的诊断或图像分割医学图像训练计算机视觉相关算法是缺乏训练数据，标记的样品，和隐私问题的困难所致。出于这个原因，一个强大的生成方法来创建合成数据后高度寻求。然而，大多数三维图像生成器需要额外的图像输入或者是非常占用大量内存。为了解决这些问题，我们建议调整视频生成技术3-d图像生成。使用时间GAN（TGAN）架构，我们将展示我们能够产生逼真的头部和颈部PET图像。我们还表明，通过调节肿瘤口罩发电机，我们能够控制肿瘤的几何形状和位置，在生成的图像。为了测试合成影像的用途，我们使用合成的图像训练分割模型。空调真实肿瘤掩模合成图像被自动分割，和对应的真实图像也分割。我们评估使用的骰子得分的分割，并找到两个数据集（0.65合成数据，0.70的真实数据）同样的分割算法执行。然后，各种radionomic特征在分割的肿瘤体积为每个数据集来计算。真实的和合成的特征分布的比较显示，8七个特征分布有统计学不显着差异（p> 0.05）。还计算所有radionomic特征之间的相关系数，它是示出了所有在真实数据组中的强统计相关的在合成数据集被保留。

从磁共振成像（MRI）数据（称为颅骨条状）中去除非脑信号是许多神经图像分析流的组成部分。尽管它们很丰富，但通常是针对具有特定采集特性的图像量身定制的，即近乎各向异性的分辨率和T1加权（T1W）MRI对比度，这些分辨率在研究环境中很普遍。结果，现有的工具倾向于适应其他图像类型，例如在诊所常见的快速旋转回声（FSE）MRI中获得的厚切片。尽管近年来基于学习的大脑提取方法已获得吸引力，但这些方法面临着类似的负担，因为它们仅对训练过程中看到的图像类型有效。为了在成像协议的景观中实现强大的颅骨缠身，我们引入了Synthstrip，这是一种快速，基于学习的脑萃取工具。通过利用解剖学分割来生成具有解剖学，强度分布和远远超过现实医学图像范围的完全合成训练数据集，Synthstrip学会了成功推广到各种真实获得的大脑图像，从而消除了使用训练数据的需求目标对比。我们证明了合成条的功效对受试者人群的各种图像采集和决议的功效，从新生儿到成人。我们显示出与流行的颅骨基线的准确性的实质性提高 - 所有这些基线都采用单个训练有素的模型。我们的方法和标记的评估数据可在https://w3id.org/synthstrip上获得。

多发性硬化症（MS）是中枢神经系统的慢性炎症和退行性疾病，其特征在于，白色和灰质的外观与个体患者的神经症状和标志进行地平整相关。磁共振成像（MRI）提供了详细的体内结构信息，允许定量和分类MS病变，其批判性地通知疾病管理。传统上，MS病变在2D MRI切片上手动注释，一个流程效率低，易于观察室内误差。最近，已经提出了自动统计成像分析技术以基于MRI体素强度检测和分段段病变。然而，它们的有效性受到MRI数据采集技术的异质性和MS病变的外观的限制。通过直接从图像学习复杂的病变表现，深度学习技术已经在MS病变分割任务中取得了显着的突破。在这里，我们提供了全面审查最先进的自动统计和深度学习MS分段方法，并讨论当前和未来的临床应用。此外，我们审查了域适应等技术策略，以增强现实世界临床环境中的MS病变分段。

为了实现良好的性能和概括性，医疗图像分割模型应在具有足够可变性的大量数据集上进行培训。由于道德和治理限制以及与标签数据相关的成本，经常对科学发展进行扼杀，并经过对有限数据的培训和测试。数据增强通常用于人为地增加数据分布的可变性并提高模型的通用性。最近的作品探索了图像合成的深层生成模型，因为这种方法将使有效的无限数据生成多种多样的数据，从而解决了通用性和数据访问问题。但是，许多提出的解决方案限制了用户对生成内容的控制。在这项工作中，我们提出了Brainspade，该模型将基于合成扩散的标签发生器与语义图像发生器结合在一起。我们的模型可以在有或没有感兴趣的病理的情况下产生完全合成的大脑标签，然后产生任意引导样式的相应MRI图像。实验表明，Brainspade合成数据可用于训练分割模型，其性能与在真实数据中训练的模型相当。

最近关于Covid-19的研究表明，CT成像提供了评估疾病进展和协助诊断的有用信息，以及帮助理解疾病。有越来越多的研究，建议使用深度学习来使用胸部CT扫描提供快速准确地定量Covid-19。兴趣的主要任务是胸部CT扫描的肺和肺病变的自动分割，确认或疑似Covid-19患者。在这项研究中，我们使用多中心数据集比较12个深度学习算法，包括开源和内部开发的算法。结果表明，合并不同的方法可以提高肺部分割，二元病变分割和多种子病变分割的总体测试集性能，从而分别为0.982,0.724和0.469的平均骰子分别。将得到的二元病变分段为91.3ml的平均绝对体积误差。通常，区分不同病变类型的任务更加困难，分别具有152mL的平均绝对体积差，分别为整合和磨碎玻璃不透明度为0.369和0.523的平均骰子分数。所有方法都以平均体积误差进行二元病变分割，该分段优于人类评估者的视觉评估，表明这些方法足以用于临床实践中使用的大规模评估。

Recent advances in computer vision have shown promising results in image generation. Diffusion probabilistic models in particular have generated realistic images from textual input, as demonstrated by DALL-E 2, Imagen and Stable Diffusion. However, their use in medicine, where image data typically comprises three-dimensional volumes, has not been systematically evaluated. Synthetic images may play a crucial role in privacy preserving artificial intelligence and can also be used to augment small datasets. Here we show that diffusion probabilistic models can synthesize high quality medical imaging data, which we show for Magnetic Resonance Images (MRI) and Computed Tomography (CT) images. We provide quantitative measurements of their performance through a reader study with two medical experts who rated the quality of the synthesized images in three categories: Realistic image appearance, anatomical correctness and consistency between slices. Furthermore, we demonstrate that synthetic images can be used in a self-supervised pre-training and improve the performance of breast segmentation models when data is scarce (dice score 0.91 vs. 0.95 without vs. with synthetic data).

The existence of completely aligned and paired multi-modal neuroimaging data has proved its effectiveness in diagnosis of brain diseases. However, collecting the full set of well-aligned and paired data is expensive or even impractical, since the practical difficulties may include high cost, long time acquisition, image corruption, and privacy issues. A realistic solution is to explore either an unsupervised learning or a semi-supervised learning to synthesize the absent neuroimaging data. In this paper, we are the first one to comprehensively approach cross-modality neuroimage synthesis task from different perspectives, which include the level of the supervision (especially for weakly-supervised and unsupervised), loss function, evaluation metrics, the range of modality synthesis, datasets (aligned, private and public) and the synthesis-based downstream tasks. To begin with, we highlight several opening challenges for cross-modality neuroimage sysnthesis. Then we summarize the architecture of cross-modality synthesis under various of supervision level. In addition, we provide in-depth analysis of how cross-modality neuroimage synthesis can improve the performance of different downstream tasks. Finally, we re-evaluate the open challenges and point out the future directions for the remaining challenges. All resources are available at https://github.com/M-3LAB/awesome-multimodal-brain-image-systhesis

了解脑损伤的强度特征是定义神经系统研究和预测疾病负担和结局的基于图像的生物标志物的关键。在这项工作中，我们提出了一种基于前景的新型生成方法，用于对局部病变特征进行建模，该方法既可以在健康图像上产生合成病变，又可以从病理图像中综合受试者特异性的伪健康图像。此外，该方法可以用作数据增强模块，以生成用于训练大脑图像分割网络的合成图像。在磁共振成像（MRI）上获得的多发性硬化症（MS）脑图像的实验表明，所提出的方法可以生成高度逼真的伪健康和伪病理学脑图像。与传统的数据增强方法以及最近的病变感知数据增强技术Carvemix相比，使用合成图像进行数据扩展可改善大脑图像分割的性能。该代码将在https://github.com/dogabasaran/lesion-synthesis中发布。

数据已成为当今世界上最有价值的资源。随着数据驱动算法的大量扩散，例如基于深度学习的方法，数据的可用性引起了极大的兴趣。在这种情况下，特别需要高质量的培训，验证和测试数据集。体积数据是医学中非常重要的资源，因为它范围从疾病诊断到治疗监测。如果数据集足够，则可以培训模型来帮助医生完成这些任务。不幸的是，在某些情况和应用程序中，大量数据不可用。例如，在医疗领域，罕见疾病和隐私问题可能导致数据可用性受到限制。在非医学领域，获得足够数量的高质量数据的高成本也可能引起人们的关注。解决这些问题的方法可能是生成合成数据，以结合其他更传统的数据增强方法来执行数据增强。因此，关于3D生成对抗网络（GAN）的大多数出版物都在医疗领域内。生成现实合成数据的机制的存在是克服这一挑战的好资产，尤其是在医疗保健中，因为数据必须具有良好的质量并且接近现实，即现实，并且没有隐私问题。在这篇综述中，我们提供了使用GAN生成现实的3D合成数据的作品的摘要。因此，我们概述了具有共同体系结构，优势和缺点的这些领域中基于GAN的方法。我们提出了一种新颖的分类学，评估，挑战和研究机会，以提供医学和其他领域甘恩当前状态的整体概述。

尽管数据增强和转移学习有所进步，但卷积神经网络（CNNS）难以推广到看不见的域。在分割大脑扫描时，CNN对分辨率和对比度的变化非常敏感：即使在相同的MRI模式内，则性能可能会跨数据集减少。在这里，我们介绍了Synthseg，第一个分段CNN无关紧要对比和分辨率。 Synthseg培训，用从分段上的生成模型采样的合成数据培训。至关重要，我们采用域随机化策略，我们完全随机开启了合成培训数据的对比度和解决。因此，Synthseg可以在没有再培训或微调的情况下对任何目标结构域进行真实扫描，这是首次分析大量的异构临床数据。因为Synthseg仅需要进行培训（无图像），所以它可以从通过不同群体的对象（例如，老化和患病）的自动化方法获得的标签中学习，从而实现广泛的形态变异性的鲁棒性。我们展示了Synthseg在六种方式的5,300扫描和十项决议中，与监督CNN，最先进的域适应和贝叶斯分割相比，它表现出无与伦比的泛化。最后，我们通过将其施加到心脏MRI和CT分割来证明SyntheeG的恒定性。

对从FFPE组织块制备的载玻片上切割的染色组织的光学显微镜检查是组织诊断的金标准。此外，任何病理学家的诊断能力和专业知识都取决于他们在常见和稀有变体形态上的直接经验。最近，深度学习方法已被用来成功显示此类任务的高度准确性。但是，获得专家级注释的图像是一项昂贵且耗时的任务，人为合成的组织学图像可能会非常有益。在这里，我们提出了一种方法，不仅可以生成组织学图像，从而重现普通疾病的诊断形态特征，而且还提供了产生新的和罕见形态的用户能力。我们的方法涉及开发一种生成的对抗网络模型，该模型综合了由类标签约束的病理图像。我们研究了该框架合成现实的前列腺和结肠组织图像的能力，并评估了这些图像在增强机器学习方法的诊断能力以及通过一组经验丰富的解剖病理学家的可用性方面的实用性。我们的框架生成的合成数据在训练深度学习模型中进行了类似于实际数据进行诊断。病理学家无法区分真实图像和合成图像，并显示出相似的前列腺癌分级的观察者间一致性。我们扩展了从结肠活检中显着复杂图像的方法，并表明也可以再现了此类组织中的复杂微环境。最后，我们介绍了用户通过简单的语义标签标记来生成深层组织学图像的能力。

深度学习已被广​​泛用于医学图像分割，并且录制了录制了该领域深度学习的成功的大量论文。在本文中，我们使用深层学习技术对医学图像分割的全面主题调查。本文进行了两个原创贡献。首先，与传统调查相比，直接将深度学习的文献分成医学图像分割的文学，并为每组详细介绍了文献，我们根据从粗略到精细的多级结构分类目前流行的文献。其次，本文侧重于监督和弱监督的学习方法，而不包括无监督的方法，因为它们在许多旧调查中引入而且他们目前不受欢迎。对于监督学习方法，我们分析了三个方面的文献：骨干网络的选择，网络块的设计，以及损耗功能的改进。对于虚弱的学习方法，我们根据数据增强，转移学习和交互式分割进行调查文献。与现有调查相比，本调查将文献分类为比例不同，更方便读者了解相关理由，并将引导他们基于深度学习方法思考医学图像分割的适当改进。

In medical image analysis, automated segmentation of multi-component anatomical structures, which often have a spectrum of potential anomalies and pathologies, is a challenging task. In this work, we develop a multi-step approach using U-Net-based neural networks to initially detect anomalies (bone marrow lesions, bone cysts) in the distal femur, proximal tibia and patella from 3D magnetic resonance (MR) images of the knee in individuals with varying grades of osteoarthritis. Subsequently, the extracted data are used for downstream tasks involving semantic segmentation of individual bone and cartilage volumes as well as bone anomalies. For anomaly detection, the U-Net-based models were developed to reconstruct the bone profiles of the femur and tibia in images via inpainting so anomalous bone regions could be replaced with close to normal appearances. The reconstruction error was used to detect bone anomalies. A second anomaly-aware network, which was compared to anomaly-na\"ive segmentation networks, was used to provide a final automated segmentation of the femoral, tibial and patellar bones and cartilages from the knee MR images containing a spectrum of bone anomalies. The anomaly-aware segmentation approach provided up to 58% reduction in Hausdorff distances for bone segmentations compared to the results from the anomaly-na\"ive segmentation networks. In addition, the anomaly-aware networks were able to detect bone lesions in the MR images with greater sensitivity and specificity (area under the receiver operating characteristic curve [AUC] up to 0.896) compared to the anomaly-na\"ive segmentation networks (AUC up to 0.874).

现在，人工智能（AI）可以自动解释医学图像以供临床使用。但是，AI在介入图像中的潜在用途（相对于参与分类或诊断的图像），例如在手术期间的指导，在很大程度上尚未开发。这是因为目前，使用现场分析对现场手术收集的数据进行了事后分析，这是因为手术AI系统具有基本和实际限制，包括道德考虑，费用，可扩展性，数据完整性以及缺乏地面真相。在这里，我们证明从人类模型中创建逼真的模拟图像是可行的替代方法，并与大规模的原位数据收集进行了补充。我们表明，对现实合成数据的训练AI图像分析模型，结合当代域的概括或适应技术，导致在实际数据上的模型与在精确匹配的真实数据训练集中训练的模型相当地执行的模型。由于从基于人类的模型尺度的合成生成培训数据，因此我们发现我们称为X射线图像分析的模型传输范式（我们称为Syntheex）甚至可以超越实际数据训练的模型，因为训练的有效性较大的数据集。我们证明了合成在三个临床任务上的潜力：髋关节图像分析，手术机器人工具检测和COVID-19肺病变分割。 Synthex提供了一个机会，可以极大地加速基于X射线药物的智能系统的概念，设计和评估。此外，模拟图像环境还提供了测试新颖仪器，设计互补手术方法的机会，并设想了改善结果，节省时间或减轻人为错误的新技术，从实时人类数据收集的道德和实际考虑方面摆脱了人为错误。

随着深度学习方法的进步，如深度卷积神经网络，残余神经网络，对抗网络的进步。 U-Net架构最广泛利用生物医学图像分割，以解决目标区域或子区域的识别和检测的自动化。在最近的研究中，基于U-Net的方法在不同应用中显示了最先进的性能，以便在脑肿瘤，肺癌，阿尔茨海默，乳腺癌等疾病的早期诊断和治疗中发育计算机辅助诊断系统等，使用各种方式。本文通过描述U-Net框架来提出这些方法的成功，然后通过执行1）型号的U-Net变体进行综合分析，2）模特内分类，建立更好的见解相关的挑战和解决方案。此外，本文还强调了基于U-Net框架在持续的大流行病，严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-COV-2）中的贡献也称为Covid-19。最后，分析了这些U-Net变体的优点和相似性以及生物医学图像分割所涉及的挑战，以发现该领域的未来未来的研究方向。