3D残差U-Net是一种改进的深度学习模型,专为3D医学图像分割而设计。它结合了U-Net架构的强大特征提取能力与残差网络的优势,通过残差块增强梯度流动并缓解深层网络训练的梯度消失问题。3D卷积核可有效处理体积数据,保留空间信息,提高分割精度。下采样和上采样路径融合,提供多尺度特征,提升复杂结构的检测性能。其应用包括肿瘤检测、器官分割等,显著提高医学图像分析的自动化水平。

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 title Python和MATLAB及Julia示例3D残差U-Net 
  MATLAB: 残差模块
        : 上采样层
        : 跳跃连接
  Python: 3D 卷积层
        : 残差块
        : U-Net 结构
        : 跳跃连接
  Julia: 3D 残差块
       :  U-Net 编码器和解码器模块
       : 构建 3D 残差 U-Net

Python和C++胶体粒子三维残差算法模型和细化亚像素算法 | 亚图跨际

深度应用案例

🌵Python示例

在 Python 中实现 3D 残差 U-Net 涉及使用深度学习框架,如 PyTorch。3D 残差 U-Net 结合了 U-Net 的分割能力和残差网络的优势,适用于医学图像分割等需要处理三维数据的任务。下面是如何用 PyTorch 实现 3D 残差 U-Net 的详细代码。

步骤分解

我们将实现以下组件:

代码实现

确保已安装 PyTorch,可以通过 pip install torch 安装。

 import torch
 import torch.nn as nn
 import torch.nn.functional as F
 ​
 class ResidualBlock(nn.Module):
     def __init__(self, in_channels, out_channels, kernel_size=3, stride=1, padding=1):
         super(ResidualBlock, self).__init__()
         self.conv1 = nn.Conv3d(in_channels, out_channels, kernel_size, stride, padding)
         self.bn1 = nn.BatchNorm3d(out_channels)
         self.conv2 = nn.Conv3d(out_channels, out_channels, kernel_size, stride, padding)
         self.bn2 = nn.BatchNorm3d(out_channels)

         # 如果输入和输出通道数不同,需要调整捷径
         if in_channels != out_channels:
             self.shortcut = nn.Conv3d(in_channels, out_channels, kernel_size=1)
         else:
             self.shortcut = nn.Identity()
 ​
     def forward(self, x):
         shortcut = self.shortcut(x)
         x = F.relu(self.bn1(self.conv1(x)))
         x = self.bn2(self.conv2(x))
         x += shortcut
         return F.relu(x)
 ​
 class UpConv(nn.Module):
     def __init__(self, in_channels, out_channels):
         super(UpConv, self).__init__()
         self.up = nn.ConvTranspose3d(in_channels, out_channels, kernel_size=2, stride=2)
 ​
     def forward(self, x):
         return self.up(x)
 ​
 class ResidualUNet3D(nn.Module):
     def __init__(self, in_channels, out_channels):
         super(ResidualUNet3D, self).__init__()

         # 编码路径
         self.enc1 = ResidualBlock(in_channels, 64)
         self.pool1 = nn.MaxPool3d(2)
         self.enc2 = ResidualBlock(64, 128)
         self.pool2 = nn.MaxPool3d(2)
         self.enc3 = ResidualBlock(128, 256)
         self.pool3 = nn.MaxPool3d(2)
         self.enc4 = ResidualBlock(256, 512)
 ​
         # 瓶颈层
         self.bottleneck = ResidualBlock(512, 1024)
 ​
         # 解码路径
         self.up3 = UpConv(1024, 512)
         self.dec3 = ResidualBlock(1024, 512)
         self.up2 = UpConv(512, 256)
         self.dec2 = ResidualBlock(512, 256)
         self.up1 = UpConv(256, 128)
         self.dec1 = ResidualBlock(256, 128)
         self.final_conv = nn.Conv3d(128, out_channels, kernel_size=1)
 ​
     def forward(self, x):
         # 编码路径
         e1 = self.enc1(x)
         p1 = self.pool1(e1)
         e2 = self.enc2(p1)
         p2 = self.pool2(e2)
         e3 = self.enc3(p2)
         p3 = self.pool3(e3)
         e4 = self.enc4(p3)
 ​
         # 瓶颈层
         b = self.bottleneck(e4)
 ​
         # 解码路径
         d3 = self.up3(b)
         d3 = torch.cat((d3, e4), dim=1)
         d3 = self.dec3(d3)

         d2 = self.up2(d3)
         d2 = torch.cat((d2, e3), dim=1)
         d2 = self.dec2(d2)

         d1 = self.up1(d2)
         d1 = torch.cat((d1, e2), dim=1)
         d1 = self.dec1(d1)
 ​
         out = self.final_conv(d1)
         return out
 ​
 # 示例实例化
 model = ResidualUNet3D(in_channels=1, out_channels=2)
 print(model)

代码解析

训练建议