引言：目前，自然圖像-文本的多模態(tài)預(yù)訓(xùn)練模型已經(jīng)在各種各樣的下游任務(wù)上取得了非常好的效果，但是由于域之間的差異很難直接遷移到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。同時(shí)，獲取有標(biāo)注的醫(yī)學(xué)圖像領(lǐng)域的數(shù)據(jù)集通常需要大量的專業(yè)知識(shí)和較高的成本，所以從對(duì)應(yīng)的放射學(xué)報(bào)告中得到有效監(jiān)督從而提高性能成為一種可能。本文主要介紹醫(yī)學(xué)的多模態(tài)模型的進(jìn)展，這些模型方法在下游的分類、分割、檢索、圖像生成等任務(wù)上均取得了性能的提升。

Contrastive Learning of Medical Visual Representations from Paired Images and Text

http://arxiv.org/abs/2010.00747

這篇文章提出了ConVIRT框架，核心思想其實(shí)就是多模態(tài)的對(duì)比學(xué)習(xí)，是CLIP之前的工作，CLIP文中也有說受到ConVIRT的啟發(fā)，其使用其實(shí)的是ConVIRT的簡化版本。ConVIRT的整體架構(gòu)如下：

主要流程比較直觀：一張圖片先做隨機(jī)變換得到不同的視圖，然后進(jìn)入Image Encoder，最后接一個(gè)非線性變化得到512維的特征表示；對(duì)與該圖片配對(duì)的放射學(xué)報(bào)告，首先進(jìn)行隨機(jī)采樣得到其中的某句話，然后進(jìn)入TextEncoder，最后通過得到512維的特征表示；最后分別對(duì)圖片和文本計(jì)算infoNCE loss。 GLoRIA: A Multimodal Global-Local Representation Learning Framework for Label-efficient Medical Image Recognition【ICCV2021】

https://ieeexplore.ieee.org/document/9710099/

本文主要從全局和局部進(jìn)行醫(yī)學(xué)圖像的表示學(xué)習(xí)，提出GLoRIA模型，主要使用注意機(jī)制，通過匹配放射學(xué)報(bào)告中的單詞和圖像子區(qū)域來學(xué)習(xí)圖像的全局-局部表示。其中創(chuàng)建上下文感知的局部圖像表示是通過學(xué)習(xí)基于特定單詞的重要圖像子區(qū)域的注意力權(quán)重。如下圖中基于單詞“effusion”（積液）得到的圖像區(qū)域積液的權(quán)重就比較大。

下圖是進(jìn)行全局和局部學(xué)習(xí)的方法圖。給定一對(duì)醫(yī)學(xué)圖像和報(bào)告，首先使用圖像編碼器和文本編碼器分別提取圖像和文本特征。

全局圖像-文本表示是通過全局對(duì)比損失進(jìn)行學(xué)習(xí)的。為了學(xué)習(xí)局部表征，首先基于圖像子區(qū)域特征和詞級(jí)特征計(jì)算相似性矩陣，以生成注意力加權(quán)圖像表示（Attention weighted image representation）。首先計(jì)算文本和圖像特征的所有組合之間的點(diǎn)積相似性：

上式得到的表示的是個(gè)單詞和個(gè)圖像子區(qū)域的相似性矩陣，表示的就是第個(gè)單詞和第個(gè)圖像子區(qū)域之間的相似性。之后通過下面的softmax得到注意力權(quán)重：

對(duì)于報(bào)告中的每個(gè)單詞，我們根據(jù)其與所有圖像子區(qū)域的相似性計(jì)算注意力加權(quán)圖像表示：

之后通過局部的對(duì)比損失來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)：使用函數(shù)計(jì)算單詞與其相應(yīng)的注意力加權(quán)圖像特征之間的相似性。

在給定詞表示的情況下，Local contrastive loss的目標(biāo)是使注意加權(quán)圖像區(qū)域表示的后驗(yàn)概率最大化：

本文主要在圖像分類、檢索和分割上進(jìn)行性能評(píng)估。其中分類和檢索也是結(jié)合全局和局部圖像文本相似性去實(shí)現(xiàn)的。具體來說：通過圖像和文本表示提取特征后，基于全局圖像和文本表示計(jì)算全局相似度；利用基于詞的注意加權(quán)圖像表示和對(duì)應(yīng)的詞表示計(jì)算局部相似度。通過全局相似度和局部相似度的平均得到最終的圖像文本相似度。

但對(duì)于分類來說，其沒有具體的文本表示，GLoRIA的做法是預(yù)生成合理的文本，以描述分類類別中每種疾病子類型、嚴(yán)重程度和位置。通過隨機(jī)組合子類型、嚴(yán)重性和位置的可能單詞生成文本提示來作為每個(gè)分類類的文本。 MedCLIP: Contrastive Learning from Unpaired Medical Images and Text【EMNLP 2022】

http://arxiv.org/abs/2210.10163

這篇文章提出了MedCLIP模型，出發(fā)點(diǎn)一方面是醫(yī)學(xué)圖像文本數(shù)據(jù)集比互聯(lián)網(wǎng)上的一般圖像文本數(shù)據(jù)集要少幾個(gè)數(shù)量級(jí)，另一方面是以前的方法會(huì)遇到許多假陰性，即來自不同患者的圖像和報(bào)告可能具有相同的語義，但被錯(cuò)誤地視為負(fù)樣本。所以MedCLIP通過將圖片文本對(duì)進(jìn)行解耦然后進(jìn)行對(duì)比學(xué)習(xí)，通過引入外部醫(yī)學(xué)知識(shí)而減少假陰性。

假設(shè)有個(gè)成對(duì)的圖像文本樣本、個(gè)標(biāo)記的圖像和個(gè)醫(yī)學(xué)句子。以前的方法只能使用對(duì)樣本，但MedCLIP將個(gè)圖像文本對(duì)分別解耦為個(gè)圖像和個(gè)句子。最終能夠通過遍歷所有可能的組合來獲得圖像文本對(duì)，所以這樣就可以得到倍的監(jiān)督信號(hào)。 為了完成額外的監(jiān)督，MedCLIP利用外部醫(yī)學(xué)知識(shí)來構(gòu)建知識(shí)驅(qū)動(dòng)的語義相似性。這里MedCLIP使用了外部工具M(jìn)etaMap，MetaMap是可以從原始句子中提取統(tǒng)一醫(yī)學(xué)語言系統(tǒng)（UMLS）中定義的實(shí)體。遵循之前工作的做法，主要關(guān)注14種主要實(shí)體類型。同樣，對(duì)于帶有診斷標(biāo)簽的圖像，也是利用MetaMap將原始類映射到UMLS概念，從而與文本中的實(shí)體對(duì)齊，例如，“Normal”映射到“No Findings”。接下來就可以從提取的圖像和文本實(shí)體中構(gòu)建multi-hot向量，分別為和。因此，通過這種方式統(tǒng)一了圖像和文本的語義。對(duì)于任何圖像和文本，MedCLIP就可以通過比較相應(yīng)的和來衡量它們的語義相似性。 MedCLIP通過構(gòu)建的語義標(biāo)簽和來連接圖像和文本，首先可以得到soft targets：

表示的就是醫(yī)學(xué)語義的相似性。對(duì)圖片和文本分別進(jìn)行softmax：

另外我們也可以通過直接將圖像和文本特征計(jì)算余弦相似性得到logit，同樣進(jìn)行softmax處理：

因此，Semantic Matching Loss是logits和soft targets之間的交叉熵：

Multi-Granularity Cross-modal Alignment for Generalized Medical Visual Representation Learning【NIPS 2022】

http://arxiv.org/abs/2210.06044

這篇文章提出MGCA框架，通過多粒度跨模態(tài)對(duì)齊學(xué)習(xí)通用醫(yī)學(xué)視覺表示。如下圖所示，醫(yī)學(xué)圖像和放射學(xué)報(bào)告會(huì)在不同層級(jí)自然而然表現(xiàn)出多粒度語義對(duì)應(yīng)關(guān)系：疾病層級(jí)、實(shí)例層級(jí)和病理區(qū)域?qū)蛹?jí)。

圖像和文本首先分別經(jīng)過圖像和文本編碼器，得到一系列token表示，然后通過下面三個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)三個(gè)粒度的對(duì)應(yīng)：

Instance-wise Image-Text Alignment (ITA)：進(jìn)行實(shí)例級(jí)別的對(duì)齊，即圖像文本的對(duì)比損失。 Cross-attention-based Token-wise Alignment (CTA)：基于交叉注意力機(jī)制的token級(jí)別的對(duì)齊。這個(gè)模塊的出發(fā)點(diǎn)對(duì)應(yīng)到前面的病理區(qū)域級(jí)別，用CTA模塊來顯式匹配和對(duì)齊局部的醫(yī)學(xué)圖像和放射學(xué)報(bào)告。思路是進(jìn)行token級(jí)別的對(duì)齊，使用交叉注意計(jì)算生成的視覺和文本token之間的一個(gè)匹配。形式上，對(duì)于第個(gè)圖像文本對(duì)中的第個(gè)視覺token，我們讓去和對(duì)應(yīng)的文本中的所有token計(jì)算其對(duì)應(yīng)的跨模態(tài)文本嵌入，看作得到了和圖片token相似的文本信息。

之后采用local image-to-text alignment 損失來將圖片token接近其交叉模態(tài)文本嵌入，但將推離其他跨模態(tài)文本嵌入，同時(shí)考慮到不同的視覺標(biāo)記具有不同的重要性（例如，包含病理的視覺標(biāo)記顯然比具有不相關(guān)信息的視覺標(biāo)記更重要），我們在計(jì)算LIA損失時(shí)為視覺token分配權(quán)重。因此，如下：

Cross-modal Prototype Alignment (CPA)：ITA 和 CTA 都將來自不同實(shí)例的樣本視為負(fù)對(duì)，所以可能會(huì)把有許多類似的語義的樣本在嵌入空間推開，例如相同的疾病的對(duì)。因此，CPA模塊是為了進(jìn)行疾病級(jí)別的對(duì)齊。首先使用迭代的聚類算法Sinkhorn-Knopp，文本和圖像分別被聚類算法預(yù)測結(jié)果是和，同時(shí)有個(gè)可學(xué)習(xí)的原型聚類中心，，可以直接計(jì)算得到圖像/文本和每個(gè)類中心的softmax概率：

跨模態(tài)疾病水平（即原型）對(duì)齊是通過進(jìn)行跨模態(tài)預(yù)測和優(yōu)化以下兩個(gè)交叉熵?fù)p失來實(shí)現(xiàn)的。使用 作為“偽標(biāo)簽”來訓(xùn)練圖像表示，作為“偽標(biāo)簽”來訓(xùn)練文本表示：

最后，CPA損失是所有圖像報(bào)告對(duì)中兩個(gè)預(yù)測損失的平均值：

MGCA總的目標(biāo)是三個(gè)模塊目標(biāo)的加權(quán)和。 LViT: Language meets Vision Transformer in Medical Image Segmentation

http://arxiv.org/abs/2206.14718

LViT 模型主要用于醫(yī)學(xué)圖像分割，是一個(gè)雙 U 結(jié)構(gòu)，由一個(gè) U 形 CNN 分支和一個(gè) U 形 Transformer 分支組成。CNN 分支負(fù)責(zé)圖片輸入和預(yù)測輸出，ViT 分支用于合并圖像和文本信息，利用 Transformer 處理跨模態(tài)信息。

U 形 ViT 分支設(shè)計(jì)用于合并圖像特征和文本特征。第一層DownViT模塊接收文本特征輸入和來自第一層DownCNN模塊的圖像特征輸入。特定的跨模態(tài)特征合并操作由以下等式表示：

后續(xù) DownViT 模塊既接收來自上層 DownViT 模塊的特征，又接收來自相應(yīng)層的 DownCNN 模塊的特征。 然后，對(duì)應(yīng)尺寸的特征通過 UpViT 模塊傳輸回 CNN-ViT 交互模塊。并且該特征與相應(yīng)層的 DownCNN 模塊中的特征合并。這將最大限度地提取圖像全局特征，并避免由于文本注釋的不準(zhǔn)確性而導(dǎo)致的模型性能振蕩。 PLAM模塊的設(shè)計(jì)如上圖b所示，旨在保留圖像的局部特征，并進(jìn)一步合并文本中的語義特征；

為了擴(kuò)展 LViT 的半監(jiān)督版本，LViT使用指數(shù)偽標(biāo)簽迭代機(jī)制（EPI）。其中表示模型的預(yù)測，通過不簡單地使用一代模型預(yù)測的偽標(biāo)簽作為下一代模型的目標(biāo)從而避免偽標(biāo)簽質(zhì)量下降。因此，EPI可以逐步優(yōu)化模型對(duì)每個(gè)未標(biāo)記像素的分割預(yù)測結(jié)果，并對(duì)噪聲標(biāo)簽具有魯棒性。

為了進(jìn)一步利用文本信息來指導(dǎo)偽標(biāo)簽的生成，設(shè)計(jì)了Languane-Vision Loss函數(shù)。首先計(jì)算對(duì)應(yīng)于偽標(biāo)簽的文本特征向量和用于對(duì)比標(biāo)簽的文本特征向量之間的余弦相似性TextSim。之后根據(jù)TextSim，選擇相似度最高的對(duì)比文本，并找到與該文本對(duì)應(yīng)的圖像mask。然后再計(jì)算圖片的偽標(biāo)簽和對(duì)比標(biāo)簽之間的相似性：

對(duì)比標(biāo)簽主要提供近似位置的標(biāo)簽信息，而不是邊界的細(xì)化。因此的主要目的是避免差異顯著的分割錯(cuò)誤或錯(cuò)誤標(biāo)記病例。因此只在未標(biāo)記的情況下使用LV損失，在沒有標(biāo)簽的情況下，可以避免偽標(biāo)簽質(zhì)量的急劇惡化。 Adapting Pretrained Vision-Language Foundational Models to Medical Imaging Domains

http://arxiv.org/abs/2210.04133

目前許多生成模型雖然表現(xiàn)出了出色的生成能力，但它們通常不能很好地推廣到特定領(lǐng)域，例如醫(yī)學(xué)圖像領(lǐng)域。但是，利用生成模型生成一些醫(yī)學(xué)圖像出來可能有助于緩解醫(yī)療數(shù)據(jù)集的匱乏。因此，這項(xiàng)工作主要是研究將大型預(yù)訓(xùn)練基礎(chǔ)模型的表示能力擴(kuò)展到醫(yī)學(xué)概念，具體來說，本文是利用擴(kuò)散模型stable diffusion生成醫(yī)學(xué)圖像。

主要是利用了穩(wěn)定擴(kuò)散模型的架構(gòu)，將整個(gè)設(shè)定轉(zhuǎn)化為了放射學(xué)的圖像和文本。具體流程如上圖二所示，給定隨機(jī)噪聲進(jìn)行去噪，在這個(gè)過程中會(huì)有文本作為條件去影響去噪的過程，最后使用VAE的解碼器進(jìn)行圖像的生成。整個(gè)工作是比較偏實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證性的。主要從stable diffusion的各個(gè)模塊進(jìn)行訓(xùn)練，包括VAE、Text Encoder、Textual Projection、Textual Embeddings Fine-tuning、U-Net Fine-tuning。

通過兩個(gè)簡單的prompt：“肺部射線照片”和“帶有可見胸腔積液的射線照片”來測試不同設(shè)置下的生成能力。并通過定量的FID指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。

從定性和定量的結(jié)果來看，表現(xiàn)最好的是U-Net訓(xùn)練的第二種設(shè)定，能夠生成較好的圖片的同時(shí)還能匹配文本的語義，能夠理解有無“胸腔積液”的區(qū)別。 Generalized radiograph representation learning via cross-supervision between images and free-text radiology reports【Natural Machine Intelligence 2022】

https://arxiv.org/abs/2111.03452

本文提出REFERS模型，主要通過在圖像和文本對(duì)上進(jìn)行交叉監(jiān)督學(xué)習(xí)去得到放射學(xué)表征。

主要考慮到每項(xiàng)患者研究通常都有一份自由文本報(bào)告但是通常涉及不止一張 X 光片。首先通過radiograph transformer來提取不同視圖的相關(guān)特征表示。為了充分利用每份報(bào)告的信息，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于注意力機(jī)制的視圖融合模塊，以同時(shí)處理患者研究中的所有射線照片并融合多個(gè)特征。 接下來進(jìn)行交叉監(jiān)督學(xué)習(xí)，從自由文本放射學(xué)報(bào)告中獲取監(jiān)督信號(hào)。主要通過兩個(gè)任務(wù)：reportgeneration和study–report representation consistency reinforcement實(shí)現(xiàn)監(jiān)督。第一項(xiàng)任務(wù)采用原始放射學(xué)報(bào)告中的自由文本來監(jiān)督radiograph transformer的訓(xùn)練過程。第二項(xiàng)任務(wù)加強(qiáng)了患者研究的視覺表示與其相應(yīng)報(bào)告的文本表示之間的一致性。第一項(xiàng)任務(wù)主要通過report transformer在給定圖像和前面的token的條件下進(jìn)行token的生成：

第二項(xiàng)任務(wù)通過圖像和文本的對(duì)比來實(shí)現(xiàn)。 RoentGen: Vision-Language Foundation Model for Chest X-ray Generation

http://arxiv.org/abs/2211.12737

本文提出了RoentGen，是用于合成高保真的胸片的生成模型，能夠通過自由形式的醫(yī)學(xué)語言文本prompt進(jìn)行插入、組合和修改各種胸片的成像，同時(shí)能夠具有相應(yīng)醫(yī)學(xué)概念的高度的圖像相關(guān)性。

使用RoentGen對(duì)胸部X射線圖像進(jìn)行文本到圖像合成流程如上圖所示。使用微調(diào)或重新訓(xùn)練的U-Net 對(duì)隨機(jī)高斯噪聲進(jìn)行降噪，同時(shí)此過程中會(huì)有文本編碼器從醫(yī)療文本提示得到的編碼。最后VAE的解碼器將去噪的向量映射到像素空間，從而產(chǎn)生高保真、多樣化的胸部射線圖像。 其中，微調(diào)或重新訓(xùn)練的具體方式是這樣的：使用文本編碼器和VAE，對(duì)提示和相應(yīng)的圖像進(jìn)行編碼，并將采樣噪聲添加到后者的潛在表示中，之后U-Net進(jìn)行預(yù)測原始采樣噪聲：

計(jì)算真實(shí)噪聲和預(yù)測噪聲之間的MSE loss，由此提高生成能力：

總結(jié)：目前醫(yī)學(xué)多模態(tài)通過不同的模型設(shè)計(jì)從而學(xué)習(xí)局部語義、獲取更多相關(guān)知識(shí)信息、盡可能利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)集、生成圖像以盡可能彌補(bǔ)數(shù)據(jù)量少的問題，在下游的多種任務(wù)上得到了性能提升。如何進(jìn)一步學(xué)習(xí)更加通用的醫(yī)學(xué)模型、如何將其應(yīng)用到實(shí)際中是仍然值得思考和探索的。

審核編輯 ：李倩