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基于近似贝叶斯深度图像先验的参数映射中的去噪和不确定性估计。

Denoising and uncertainty estimation in parameter mapping with approximate Bayesian deep image priors.

机构信息

Department of Radiation Sciences, Umeå University, Umeå, Sweden.

Department of Computing Science, Umeå University, Umeå, Sweden.

出版信息

Magn Reson Med. 2023 Dec;90(6):2557-2571. doi: 10.1002/mrm.29823. Epub 2023 Aug 15.

DOI:10.1002/mrm.29823
PMID:37582257
Abstract

PURPOSE

To mitigate the problem of noisy parameter maps with high uncertainties by casting parameter mapping as a denoising task based on Deep Image Priors.

METHODS

We extend the concept of denoising with Deep Image Prior (DIP) into parameter mapping by treating the output of an image-generating network as a parametrization of tissue parameter maps. The method implicitly denoises the parameter mapping process by filtering low-level image features with an untrained convolutional neural network (CNN). Our implementation includes uncertainty estimation from Bernoulli approximate variational inference, implemented with MC dropout, which provides model uncertainty in each voxel of the denoised parameter maps. The method is modular, so the specifics of different applications (e.g., T1 mapping) separate into application-specific signal equation blocks. We evaluate the method on variable flip angle T1 mapping, multi-echo T2 mapping, and apparent diffusion coefficient mapping.

RESULTS

We found that deep image prior adapts successfully to several applications in parameter mapping. In all evaluations, the method produces noise-reduced parameter maps with decreased uncertainty compared to conventional methods. The downsides of the proposed method are the long computational time and the introduction of some bias from the denoising prior.

CONCLUSION

DIP successfully denoise the parameter mapping process and applies to several applications with limited hyperparameter tuning. Further, it is easy to implement since DIP methods do not use network training data. Although time-consuming, uncertainty information from MC dropout makes the method more robust and provides useful information when properly calibrated.

摘要

目的

通过将参数映射建模为基于深度图像先验的去噪任务,来减轻具有高不确定性的嘈杂参数图的问题。

方法

我们通过将图像生成网络的输出视为组织参数图的参数化,将深度图像先验(DIP)的去噪概念扩展到参数映射中。该方法通过使用未经训练的卷积神经网络(CNN)过滤低水平的图像特征,来隐式地对参数映射过程进行去噪。我们的实现包括使用 MC 辍学进行贝努利近似变分推断的不确定性估计,这为去噪参数图的每个体素提供了模型不确定性。该方法是模块化的,因此不同应用(例如 T1 映射)的具体细节分别分离到特定于应用的信号方程块中。我们在可变翻转角 T1 映射、多回波 T2 映射和表观扩散系数映射上评估了该方法。

结果

我们发现深度图像先验成功地适应了参数映射中的几个应用。在所有评估中,与传统方法相比,该方法产生的噪声降低的参数图具有降低的不确定性。所提出方法的缺点是计算时间长,并且从去噪先验中引入了一些偏差。

结论

DIP 成功地对参数映射过程进行了去噪,并且适用于具有有限超参数调整的几个应用。此外,由于 DIP 方法不使用网络训练数据,因此易于实现。尽管耗时,但 MC 辍学的不确定性信息使该方法更稳健,并在正确校准时提供有用的信息。

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