Automatic segmentation methods are an important advancement in medical image analysis. Machine learning techniques, and deep neural networks in particular, are the state-of-the-art for most medical image segmentation tasks. Issues with class imbalance pose a significant challenge in medical datasets, with lesions often occupying a considerably smaller volume relative to the background. Loss functions used in the training of deep learning algorithms differ in their robustness to class imbalance, with direct consequences for model convergence. The most commonly used loss functions for segmentation are based on either the cross entropy loss, Dice loss or a combination of the two. We propose a Unified Focal loss, a new framework that generalises Dice and cross entropy-based losses for handling class imbalance. We evaluate our proposed loss function on three highly class imbalanced, publicly available medical imaging datasets: Breast Ultrasound 2017 (BUS2017), Brain Tumour Segmentation 2020 (BraTS20) and Kidney Tumour Segmentation 2019 (KiTS19). We compare our loss function performance against six Dice or cross entropy-based loss functions, and demonstrate that our proposed loss function is robust to class imbalance, outperforming the other loss functions across datasets. Finally, we use the Unified Focal loss together with deep supervision to achieve state-of-the-art results without modification of the original U-Net architecture, with a mean Dice similarity coefficient (DSC)=0.948 on BUS2017, enhancing tumour region DSC=0.800 on BraTS20 and kidney tumour DSC=0.758 on KiTS19. This highlights the importance of carefully selecting a suitable loss function prior to the use of more complex architectures.


翻译:自动分割法是医学图像分析的一个重要进步。 机器学习技术,特别是深神经网络,是大多数医学图像分割任务的最新技术。 阶级不平衡问题在医疗数据集中构成重大挑战, 与背景相比, 损伤量通常要小得多。 深学习算法培训中所使用的损失函数在稳性与阶级失衡方面有所不同, 并对模型趋同产生直接后果。 用于分割的最常用损失函数 要么基于交叉导体损失, 骰子损失或者两者的组合。 我们提议了一个统一焦点损失, 一个新的框架, 将狄氏和跨星系损失概括化, 用于处理阶级失衡。 我们评估了三个高度等级失衡、 公开提供的医学成像数据集: 乳房超声2017 (BUS2017) 、 脑图摩分解 2020 (BraTS202020) 和 Kidney Tumour Crealctionation 2019 (KITS19) 。 我们比较了我们的损失函数与六个狄冰或跨柱体损失计算损失函数 新的框架, 显示我们最终损失函数与B20DLLLSDSDSDS) 的精度 的精度比值比值比值 。

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