Deep Learning (DL) holds great promise in reshaping the healthcare systems given its precision, efficiency, and objectivity. However, the brittleness of DL models to noisy and out-of-distribution inputs is ailing their deployment in the clinic. Most systems produce point estimates without further information about model uncertainty or confidence. This paper introduces a new Bayesian deep learning framework for uncertainty quantification in segmentation neural networks, specifically encoder-decoder architectures. The proposed framework uses the first-order Taylor series approximation to propagate and learn the first two moments (mean and covariance) of the distribution of the model parameters given the training data by maximizing the evidence lower bound. The output consists of two maps: the segmented image and the uncertainty map of the segmentation. The uncertainty in the segmentation decisions is captured by the covariance matrix of the predictive distribution. We evaluate the proposed framework on medical image segmentation data from Magnetic Resonances Imaging and Computed Tomography scans. Our experiments on multiple benchmark datasets demonstrate that the proposed framework is more robust to noise and adversarial attacks as compared to state-of-the-art segmentation models. Moreover, the uncertainty map of the proposed framework associates low confidence (or equivalently high uncertainty) to patches in the test input images that are corrupted with noise, artifacts or adversarial attacks. Thus, the model can self-assess its segmentation decisions when it makes an erroneous prediction or misses part of the segmentation structures, e.g., tumor, by presenting higher values in the uncertainty map.


翻译:深度学习( DL) 在根据精确度、效率和客观性重塑医疗保健系统方面有着巨大的希望。 然而, DL 模型对于超音和超分配投入的模糊性正在限制其在诊所的部署。 大多数系统在不提供关于模型不确定性或信心的进一步信息的情况下生成点估计数。 本文引入了一个新的巴伊西亚深度学习框架, 用于分解神经网络的分解性量化, 特别是编码器- 解码器结构。 拟议的框架使用Taylor序列缩影来传播和学习根据培训数据分配模型参数的前两个时刻( 平均值和共变数) 。 但是, DL 模型对于超频度和分配参数的难度正在缩小, 使证据的分解度限制程度降低。 产出由两张地图组成: 分解图和不确定性图的图谱图谱图的不确定性图解图解图。 与州级图解图解结构相比, 测试图解的图谱结构是更强的。 测试模型中, 与州级图谱结构的图谱结构是等的。

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