Unet神经网络为什么会在医学图像分割表现好？

这个问题在面试医疗影像算法岗位的时候，偶尔会提到，我这里提供一些个人的思考。问题中有两个关键词，【UNet】和【医疗影像】，接下来我们一一分析这两个关键词。

首先我们说说【UNet】。

UNet最早发表在2015的MICCAI上，短短3年，引用量目前已经达到了4070，足以见得其影响力。而后成为大多做医疗影像语义分割任务的baseline，也启发了大量研究者去思考U型语义分割网络。而如今在自然影像理解方面，也有越来越多的语义分割和目标检测SOTA模型开始关注和使用U型结构，比如语义分割Discriminative Feature Network(DFN)(CVPR2018)，目标检测Feature Pyramid Networks for Object Detection(FPN)(CVPR 2017)等。

我们言归正传，UNet只是一个网络结构的代号而已，我们究其细节，到底UNet是由哪些组件构成的呢？

UNet的结构，我认为有两个最大的特点，U型结构和skip-connection（如下图）。

UNet的encoder下采样4次，一共下采样16倍，对称地，其decoder也相应上采样4次，将encoder得到的高级语义特征图恢复到原图片的分辨率。

相比于FCN和Deeplab等，UNet共进行了4次上采样，并在同一个stage使用了skip connection，而不是直接在高级语义特征上进行监督和loss反传，这样就保证了最后恢复出来的特征图融合了更多的low-level的feature，也使得不同scale的feature得到了的融合，从而可以进行多尺度预测和DeepSupervision。4次上采样也使得分割图恢复边缘等信息更加精细。

其次我们聊聊【医疗影像】，医疗影像有什么样的特点呢（尤其是相对于自然影像而言）？

1.图像语义较为简单、结构较为固定。我们做脑的，就用脑CT和脑MRI，做胸片的只用胸片CT，做眼底的只用眼底OCT，都是一个固定的器官的成像，而不是全身的。由于器官本身结构固定和语义信息没有特别丰富，所以高级语义信息和低级特征都显得很重要(UNet的skip connection和U型结构就派上了用场)。举两个例子直观感受下。

A.脑出血. 在CT影像上，高密度的区域就大概率是一块出血，如下图红色框区域。

B.眼底水肿。左图原图，右图标注(不同灰度值代表不同的水肿病变区域)。在OCT上，凸起或者凹陷的区域就大概率是一个水肿病变的区域。

2.数据量少。医学影像的数据获取相对难一些，很多比赛只提供不到100例数据。所以我们设计的模型不宜多大，参数过多，很容易导致过拟合。

原始UNet的参数量在28M左右(上采样带转置卷积的UNet参数量在31M左右)，而如果把channel数成倍缩小，模型可以更小。缩小两倍后，UNet参数量在7.75M。缩小四倍，可以把模型参数量缩小至2M以内，非常轻量。个人尝试过使用Deeplab v3+和DRN等自然图像语义分割的SOTA网络在自己的项目上，发现效果和UNet差不多，但是参数量会大很多。

3.多模态。相比自然影像，医疗影像比较有趣和不同的一点是，医疗影像是具有多种模态的。以ISLES脑梗竞赛为例，其官方提供了CBF,MTT,CBV,TMAX,CTP等多种模态的数据。

这就需要我们更好的设计网络去提取不同模态的特征feature。这里提供两篇论文供大家参考。

Joint Sequence Learning and Cross-Modality Convolution for 3D Biomedical Segmentation(CVPR 2017) ,

Dense Multi-path U-Net for Ischemic Stroke Lesion Segmentation in Multiple Image Modalities.

4.可解释性重要。由于医疗影像最终是辅助医生的临床诊断，所以网络告诉医生一个3D的CT有没有病是远远不够的，医生还要进一步的想知道，病灶在哪一层，在哪一层的哪个位置，分割出来了吗，能求体积嘛？同时对于网络给出的分类和分割等结果，医生还想知道为什么，所以一些神经网络可解释性的trick就有用处了，比较常用的就是画activation map。看网络的哪些区域被激活了，如下图。

这里推荐两篇工作： @周博磊 老师的Learning Deep Features for Discriminative Localization(CVPR2016)和其实验室同学的 Deep Learning for Identifying Metastatic Breast Cancer（上图的出处）

BTW:没有偏题的意思，只是觉得医疗影像的特点和本问题息息相关，就一起总结了。

最后提一个问题，引发关注医疗影像的同学们思考和讨论？

前面有提到，UNet成为大多做医疗影像语义分割任务的baseline，也启发了大量研究者去思考U型语义分割网络。 那UNet还有什么不足呢？欢迎大家关注我的项目UNet-family，寻找答案。

同时也推荐，UNet++作者 @周纵苇 的分享：研习Unet。

好的，在高铁上完成了这个一直想回答的问题，开心~

根据UNet的结构，它能够结合底层和高层的信息。

底层(深层)信息：经过多次下采样后的低分辨率信息。能够提供分割目标在整个图像中上下文语义信息，可理解为反应目标和它的环境之间关系的特征。这个特征有助于物体的类别判断（所以分类问题通常只需要低分辨率/深层信息，不涉及多尺度融合）

高层(浅层)信息：经过concatenate操作从encoder直接传递到同高度decoder上的高分辨率信息。能够为分割提供更加精细的特征，如梯度等。

为什么适用于医学图像？

（1）因为医学图像边界模糊、梯度复杂，需要较多的高分辨率信息。高分辨率用于精准分割。

（2）人体内部结构相对固定，分割目标在人体图像中的分布很具有规律，语义简单明确，低分辨率信息能够提供这一信息，用于目标物体的识别。

UNet结合了低分辨率信息（提供物体类别识别依据）和高分辨率信息（提供精准分割定位依据），完美适用于医学图像分割。

（个人观点，有望交流讨论）