GSS
flowchart TD subgraph InputData["Multi-Modale Eingabe"] I1["Multi-modale MRT<br/>(FLAIR, T1, T1ce, T2)"] --> I2["Modalitätsmaske<br/>(Verwaltung fehlender Modalitäten)"] I2 --> I3["Binäre Masken verfolgen<br/>verfügbare Modalitäten"] end subgraph ForwardPass["Encoder-Decoder Netzwerk"] FP1["Modalitätsspezifische<br/>Encoder"] --> FP2["Merkmalsextraktion<br/>& Fusion"] FP2 --> FP3["Individuelle Modalitäts-<br/>vorhersagen"] FP3 --> FP4["Softmax-Anwendung<br/>für jede Modalität"] end subgraph GSS["Gruppenspezifische Selbstüberwachung"] direction TB G1["Erzeugung von Konfidenzmasken"] subgraph RegionDetection["Regionsklassifikation"] RD1["Hohe Konfidenz<br/>(Vorh. > 0,65)"] RD2["Mittlere Konfidenz<br/>(Vorh. > 0,75 in anderen<br/>verfügbaren Modalitäten)"] RD3["Niedrige Konfidenz<br/>(Verbleibende Regionen)"] end subgraph RegionFusion["Adaptive Fusionsstrategie"] RF1["Verwendung von FLAIR<br/>Primäre Modalität"] RF2["Gewichteter Durchschnitt<br/>verfügbarer Modalitäten"] RF3["Minimale Vorhersage<br/>(Konservative Fusion)"] end subgraph TeacherGen["Lehrer-Modell-Generierung"] TG1["Fusionierung basierend auf<br/>Konfidenzregionen"] TG2["Wertebegrenzung<br/>(0,005, 1,0)"] TG3["Normalisierung der<br/>Wahrscheinlichkeitsverteilung"] end G1 --> RegionDetection RD1 --> RF1 RD2 --> RF2 RD3 --> RF3 RF1 --> TG1 RF2 --> TG1 RF3 --> TG1 TG1 --> TG2 --> TG3 end subgraph LossCalc["Mehrkomponenten-Verlustfunktion"] L1["Dice-Verlust<br/>(pro Modalität<br/>Segmentierung)"] L2["KL-Divergenz-Verlust<br/>(Wissensdestillation<br/>Gewicht: 0,5)"] L3["Kombinierter Verlust"] L1 --> L3 L2 --> L3 end subgraph GMDOpt["GMD-Optimierung"] GMD1["Berechnung aufgaben-<br/>spezifischer Gradienten"] GMD2["Erkennung & Lösung<br/>von Gradientenkonflikten"] GMD3["Parameter-Aktualisierung"] GMD1 --> GMD2 --> GMD3 end InputData --> ForwardPass ForwardPass --> FP4 FP4 --> G1 GSS --> |"Lehrer-Modell"| L2 FP4 --> |"Schüler-Modelle"| L1 L3 --> GMDOpt
Schlüsselkomponenten
Komponente | Implementierungsdetails |
---|---|
Datenvorbereitung | - Binäre Masken verfolgen verfügbare Modalitäten - Verarbeitet beliebige Kombinationen fehlender Modalitäten - Unterstützt unausgewogene Datensätze mit unterschiedlicher Verfügbarkeit |
Multi-Branch-Netzwerk | - Modalitätsspezifische Encoder-Zweige - Gemeinsame Cross-Attention-Fusionsmodule - Spezialisierte Decoder für jede Modalität |
Konfidenzbasierte Regionsklassifikation | - Regionen mit HOHER Konfidenz (>0,65): Bereiche, in denen die FLAIR-Modalität starke Vorhersagen hat - Regionen mit MITTLERER Konfidenz (>0,75): Bereiche, in denen andere verfügbare Modalitäten stärkere Vorhersagen haben - Regionen mit NIEDRIGER Konfidenz: Bereiche mit Unsicherheit über alle Modalitäten hinweg |
Adaptive Fusionsstrategie | - HOHE Konfidenz: Verwendung der primären Modalität (FLAIR) - MITTLERE Konfidenz: Gewichteter Durchschnitt verfügbarer Modalitäten - NIEDRIGE Konfidenz: Minimale Vorhersage (konservativster Ansatz) |
Wissensdestillations-Pipeline | - Lehrer-Modell durch optimale Fusion kombinierter Regionen erstellt - Begrenzung und Normalisierung gewährleisten gültige Wahrscheinlichkeitsverteilung - Schülermodelle lernen vom Lehrer durch KL-Divergenz-Verlust |
Verlustkomponenten | - Dice-Verlust für direkte Segmentierungsüberwachung - KL-Divergenz-Verlust für Wissensdestillation (Gewicht: 0,5) - Kombinierte Optimierung durch GMD (Lösung von Gradientenkonflikten) |
Gradient-Manipulation für Deep Learning (GMD)
Zur Optimierung unseres Multi-Task-Lernansatzes verwenden wir GMD, eine Technik zur effektiven Handhabung von Gradientenkonflikten:
- Erkennung von Konflikten: Identifiziert widersprüchliche Gradienten zwischen verschiedenen Aufgaben durch negative Skalarprodukte
- Projektionsbasierte Lösung: Projiziert konfliktbehaftete Gradientenkomponenten, um destruktive Interferenz zu verhindern
- Spezifische Parameterbehandlung: Unterschiedliche Handhabung von gemeinsam genutzten vs. aufgabenspezifischen Parametern
Vorteile unseres Ansatzes
- Robust bei fehlenden Daten: Funktioniert effektiv mit jeder Kombination verfügbarer Modalitäten
- Regionsadaptives Lernen: Wendet unterschiedliche Fusionsstrategien basierend auf Konfidenzleveln in verschiedenen Regionen an
- Modalitätsübergreifender Wissenstransfer: Modalitätsspezifische Zweige profitieren von Informationen aus anderen Modalitäten
- Konfliktfreie Optimierung: GMD verhindert destruktive Gradienteninterferenz zwischen Aufgaben
- Klinische Anwendbarkeit: Arbeitet mit realistischen klinischen Szenarien, in denen Daten unvollständig sind
- Leistungserhaltung: Behält hohe Leistung auch bei erheblich fehlenden Daten bei
Implementierungsdetails
Die Lehrer-Vorhersage wird durch ein dreistufiges Konfidenzsystem sorgfältig konstruiert:
# Hohe Konfidenz: FLAIR-Vorhersage direkt verwenden
pred_mask_l = flair_pred > 0.65
# Mittlere Konfidenz: Gewichteten Durchschnitt verfügbarer Modalitäten verwenden
pred_mask_m = ((t1ce_pred > 0.75)*mask[0,1] + (t1_pred > 0.75)*mask[0,2] +
(t2_pred > 0.75)*mask[0,3]) == (mask[0,1]+mask[0,2]+mask[0,3])
# Niedrige Konfidenz: Minimale Vorhersagen verwenden (konservativster Ansatz)
pred_mask_s = (all_one - pred_mask_l - pred_mask_m) == all_one
teacher_pred = pred_mask_l*flair_pred + pred_mask_m*weighted_average + pred_mask_s*minimum_pred