latex

مُلَخَّص

تَجْمِيعُ التَعْلِيقَاتِ لِتَجْزِئَةِ الصُوَرِ الطِبِّيَّةِ هُوَ مُهِمَّةٌ تَسْتَغْرِقُ وَقْتاً طَوِيلاً وَتَتَطَلَّبُ خِبْرَةً فِي المَجالِ، مِمّا يُؤَدِّي إِلَى نَماذِجِ تَعَلُّمٍ عَمِيقٍ (Deep Learning, DL) مُرَكَّزَةٍ بِشَكْلٍ ضَيِّق وَذَاتِ فائِدَةٍ تَرْجُمِيَّةٍ مَحْدُودَةٍ. مُؤَخَّراً، أَحْدَثَت النَماذِجُ الأَساسِيَّةُ مِثْل نَمُوذَج Segment Anything Model (SAM) ثَوْرَةً فِي التَجْزِئَةِ الدَلالِيَّةِ بِقُدْرَةِ تَعْمِيمٍ اِسْتِثْنائِيَّةٍ دُونَ تَدْخُّلٍ مُسْبَقٍ عَبْرَ مُخْتَلِفِ المَجالاتِ، بِما فِي ذٰلِكَ التَصْوِيرُ الطِبِّيُّ، مِمّا يُبَسِّطُ عَمَلِيَّةَ التَعْلِيقِ. وَمَعَ ذٰلِكَ، لَم يُقَيَّم SAM بَعْدُ فِي بِيئَةِ تَجْمِيعِ الجُمْهُورِ لِتَجْمِيعِ التَعْلِيقَاتِ لِتَدْرِيبِ نَماذِجِ تَجْزِئَةِ 3D DL. فِي هٰذا العَمَلِ، نَسْتَكْشِفُ إِمْكانِيَّات SAM لِتَجْمِيعِ التَعْلِيقَاتِ "المُتَفَرِّقَة" مِن غَيْرِ الخُبَراءِ لِإِنْتَاجِ أَقْنِعَةِ تَجْزِئَةٍ "كَثِيفَةٍ" لِتَدْرِيبِ نَماذِج 3D nnU-Net، وَهُوَ نَمُوذَجُ تَجْزِئَةٍ حَدِيثٌ لِلتَعَلُّمِ العَمِيقِ. تُشِيرُ نَتَائِجُنَا إِلَى أَنَّ التَعْلِيقَاتِ المُوَلَّدَةَ بِواسِطَةِ SAM تُظْهِرُ دَرَجَاتِ Dice مُتَوَسِّطَةٍ عَالِيَةٍ مُقَارَنَةً بِالتَعْلِيقَاتِ الأَصْلِيَّةِ، وَلَكِنَّ نَماذِج nnU-Net المُدَرَّبَةَ عَلَى التَعْلِيقَاتِ المُوَلَّدَةِ بِواسِطَةِ SAM تُقَدِّمُ أَدَاءً أَسْوَأ بِشَكْلٍ مَلْحُوظٍ مِن نَماذِج nnU-Net المُدَرَّبَةِ عَلَى التَعْلِيقَاتِ الأَصْلِيَّةِ (\(p<0.001\)، جَمِيعُهَا).

المُقَدِّمَة

تُعْتَبَرُ تَجْزِئَةُ الصُوَرِ الطِبِّيَّةِ مِن أَهَمِّ المَهَامِّ فِي دَعْمِ اِتِّخَاذِ القَرَارَاتِ السَرِيرِيَّةِ بِمُسَاعَدَةِ الحاسُوب، حَيْثُ تُشَكِّلُ الأَساسَ لِلْعَدِيدِ مِن التَطْبِيقَاتِ اللاحِقَةِ بَدْءاً مِن التَشْخِيصِ وَحَتَّى التَخْطِيطِ لِلْعِلاجِ وَتَقْيِيمِ الاِسْتِجَابَةِ. وَمَعَ ذٰلِكَ، يَتَطَلَّبُ تَطْوِيرُ نَماذِجِ تَجْزِئَةِ الصُوَرِ الطِبِّيَّةِ خَبِيراً فِي المَجالِ (مِثْلَ أَخِصَّائِي الأَشِعَّةِ) لِتَوْفِيرِ تَعْلِيقَاتٍ يَدَوِيَّةٍ لِمُخْتَلِفِ الأَجْسَامِ المُهِمَّةِ عَبْرَ مَجْمُوعَةِ بَيَانَاتٍ تَدْرِيبِيَّةٍ تَتَكَوَّنُ مِن مِئَاتِ المَرْضَى، مِمّا يَجْعَلُهَا مُهِمَّةً شَاقَّةً وَتَسْتَغْرِقُ وَقْتاً طَوِيلاً (diaz2022monai, sebro2023totalsegmentator, wasserthal2023totalsegmentator). نَتِيجَةً لِذٰلِكَ، فَإِنَّ مُعْظَمَ مَجْمُوعَاتِ البَيَانَاتِ وَنَماذِجِ التَجْزِئَةِ الَّتِي تَمَّ تَطْوِيرُهَا فِي الأَدَبِيَّاتِ السَابِقَةِ تُرَكِّزُ "بِشَكْلٍ ضَيِّق" فَقَطْ عَلَى المُهِمَّةِ المَطْلُوبَةِ، مِمّا يُقَلِّلُ مِن فائِدَتِهَا السَرِيرِيَّةِ التَرْجُمِيَّةِ.

لِمُواجَهَةِ هٰذَا التَحَدِّي، تَمَّ اِقْتِرَاحُ العَدِيدِ مِن النَهْجِ المُخْتَلِفَةِ فِي السَنَوَاتِ الأَخِيرَةِ حَيْثُ يُمْكِنُ لِلْمُسْتَخْدِمِينَ اِسْتِخْدَامُ تَعْلِيقَاتٍ "مُتَفَرِّقَةٍ" تَسْتَغْرِقُ وَقْتاً أَقَلَّ، مِثْلَ الخَرْبَشَاتِ وَمُرَبَّعَاتِ الحُدُودِ، لِتَحْفِيزِ نَمُوذَجِ تَعَلُّمٍ عَمِيقٍ (DL) مُدَرَّبٍ مُسْبَقاً لِإِنْشَاءِ تَعْلِيقَاتٍ "كَثِيفَةٍ" مِثْلَ أَقْنِعَةِ الحُدُودِ التَفْصِيلِيَّةِ (diaz2022monai, ronneberger2015u, huang2018weakly). عَلَى الرَغْمِ مِن أَنَّ هٰذِهِ النَهْجَ قَدْ أَظْهَرَت تَقْلِيلاً كَبِيراً فِي وَقْتِ التَعْلِيقِ لِكُلِّ جِسْمٍ، إِلَّا أَنَّهَا تَتَطَلَّبُ مِن الخَبِيرِ لَيْسَ فَقَطْ إِنْشَاءَ هٰذِهِ التَعْلِيقَاتِ بِشَكْلٍ تَفَاعُلِيٍّ، وَلَكِنْ أَيْضاً تَحْسِينَهَا وَالتَحَقُّقَ مِنْهَا (diaz2022monai). لِذٰلِكَ، هُناكَ حَاجَةٌ مَلِحَّةٌ لِخَطِّ أَنَابِيبِ تَنْقِيحِ البَيَانَاتِ لِتَجْزِئَةِ الصُوَرِ الطِبِّيَّةِ الَّتِي مِن شَأْنِهَا أَنْ تَسْمَحَ لِغَيْرِ الخُبَراءِ بِتَعْلِيقِ مَجْمُوعَاتِ البَيَانَاتِ بِتَعْلِيقَاتٍ مُتَفَرِّقَةٍ دُونَ الحَاجَةِ إِلَى خَبِيرٍ فِي الحَلْقَةِ.

مُؤَخَّراً، أَحْدَثَت نَماذِجُ الأَساسِ الكَبِيرَةُ لِلتَعَلُّمِ العَمِيقِ المُدَرَّبَةِ بِطَرِيقَةِ الإِشْرَافِ الذَاتِيِّ عَلَى مَجْمُوعَاتِ بَيَانَاتٍ وَاسِعَةِ النِطَاقِ بِحَجْمِ مِلْيَارِ عَيِّنَةٍ ثَوْرَةً فِي مَجَالِ الرُؤْيَةِ الحاسُوبِيَّةِ بِفَضْلِ قَابِلِيَّتِهَا العَامَّةِ القَوِيَّةِ دُونَ الحَاجَةِ إِلَى التَحْسِين (kirillov2023segment, ma2024segment, butoi2023universeg). هٰذَا يَعْنِي أَنَّهَا لا تَحْتَاجُ إِلَى تَحْسِينٍ لِمَهَامِّ التَصْوِيرِ الطِبِّيِّ وَيُمْكِنُ تَشْغِيلُهَا مُبَاشَرَةً "خارِجَ الصُّنْدُوقِ". نَمُوذَجُ تَجْزِئَةِ أَيِّ شَيْءٍ (SAM) هُوَ أَحَدُ هٰذِهِ النَماذِجِ الأَساسِيَّةِ الشَّهِيرَةِ وَمَفْتُوحَةِ المَصْدَرِ المَبْنِيَّةِ عَلَى مُحَوِّلاتِ الرُؤْيَةِ (ViTs) مَعَ القُدْرَةِ عَلَى التَجْزِئَةِ الدَلالِيَّةِ دُونَ تَحْسِينٍ (kirillov2023segment, dosovitskiy2020image). يَعْمَلُ SAM مِن خِلالَ تَحْفِيزِ الصُوَرِ تَفَاعُلِيّاً بِتَعْلِيقَاتٍ مُتَفَرِّقَةٍ، مِثْلَ النِقَاطِ أَو مُرَبَّعَاتِ الحُدُودِ، لِإِنْتَاجِ أَقْنِعَةِ التَجْزِئَةِ.

أَشَارَت الأَدَبِيَّاتُ الحَدِيثَةُ إِلَى أَنَّ SAM يَحْمِلُ الكَثِيرَ مِن الوُعُودِ لِتَعْلِيقِ مَجْمُوعَاتِ البَيَانَاتِ الطِبِّيَّةِ بِاِسْتِخْدَامِ تَعْلِيقَاتٍ مُتَفَرِّقَةٍ (cheng2023sam, bui2023sam3d, quan2024slide, deng2023sam, mazurowski2023segment, ma2024segment). وَمَعَ ذٰلِكَ، فَإِنَّ النَهْجَ الحَالِيَّةَ مَحْدُودَةٌ بِتَقْيِيمِ SAM فِي إِعْدَادَاتٍ مُحَاكَاةٍ بَدَلاً مِن إِعْدَادٍ وَاقِعِيٍّ مَصْدَرُهُ الجُمْهُورُ وَلَمْ تُقَيِّمْ بَعْدُ فَعَّالِيَّةَ التَعْلِيقَاتِ الَّتِي يُنْشِئُهَا SAM لِتَدْرِيبِ نَماذِجِ التَجْزِئَةِ لِلتَعَلُّمِ العَمِيقِ ثُلاثِيِّ الأَبْعَادِ. الغَرَضُ مِن هٰذِهِ الدِرَاسَةِ هُوَ 1) تَقْيِيمُ SAM لِجَمْعِ التَعْلِيقَاتِ لِمَجْمُوعَاتِ البَيَانَاتِ الطِبِّيَّةِ مِن المُعَلِّقِينَ غَيْرِ الخُبَراءِ، وَ 2) التَحْقِيقُ فِي إِمْكَانِيَّةِ اِسْتِخْدَامِ التَعْلِيقَاتِ الَّتِي يُنْشِئُهَا SAM لِتَدْرِيبِ نَماذِجِ التَجْزِئَةِ لِلتَعَلُّمِ العَمِيقِ ثُلاثِيِّ الأَبْعَادِ.

الطُرُق

هٰذِهِ دِرَاسَةٌ اِسْتِرْجَاعِيَّةٌ اُسْتُخْدِمَتْ فِيهَا مَجْمُوعَاتُ بَيَانَاتٍ مُتَاحَةٌ لِلْعُمُومِ وَقَدْ تَمَّ الاِعْتِرَافُ بِهَا مِن قِبَلِ لَجْنَةِ المُرَاجَعَةِ المُؤَسَّسِيَّةِ لَدَيْنَا كَبَحْثٍ لا يَشْمَلُ الأَشْخَاصَ. يُمْكِنُ الوُصُولُ إِلَى الكود البَرْمَجِيِّ عَبْرَ: https://github.com/UM2ii/SAM_DataAnnotation

نَمُوذَجُ تَجْزِئَةِ أَيِّ شَيْءٍ

نَمُوذَجُ تَجْزِئَةِ أَيِّ شَيْءٍ هُوَ نَمُوذَجٌ أَساسِيٌّ لِرُؤْيَةِ الحاسُوبِ لِلتَجْزِئَةِ الدَلالِيَّةِ يَعْتَمِدُ عَلَى (ViTs) (kirillov2023segment, dosovitskiy2020image). يَتَكَوَّنُ مِن مُشَفِّرِ صُوَرٍ يَسْتَخْرِجُ الخَصَائِصَ مِن الصُورَةِ لِإِنْشَاءِ التَضْمِينَاتِ، وَمُشَفِّرِ تَلْمِيحَاتٍ يُنْشِئُ التَضْمِينَاتِ مِن التَعْلِيقَاتِ "المُتَفَرِّقَةِ" (مِثْلَ النِقَاطِ، صَنَادِيقِ التَحْدِيدِ)، وَمُفَكِّكِ قِناعٍ يَسْتَخْدِمُ تَضْمِينَاتِ الصُورَةِ وَالتَلْمِيحَاتِ لِإِنْتَاجِ أَقْنِعَةِ تَجْزِئَةٍ "كَثِيفَةٍ" لِلأَشْيَاءِ ذَاتِ الاِهْتِمَامِ فِي الصُورَةِ. يَتِمُّ تَدْرِيبُ نَمُوذَجِ تَجْزِئَةِ أَيِّ شَيْءٍ عَلَى مَجْمُوعَةِ بَيَانَاتٍ وَاسِعَةِ النِطَاقِ تَتَكَوَّنُ مِن أَكْثَرَ مِن 11 مِلْيُونِ صُورَةٍ مَعَ أَكْثَرَ مِن 1 مِلْيَارِ قِناعِ تَجْزِئَةٍ. هٰذَا يُمَكِّنُ نَمُوذَجَ تَجْزِئَةِ أَيِّ شَيْءٍ مِن تَحْقِيقِ قَابِلِيَّةِ تَعْمِيمٍ اِسْتِثْنَائِيَّةٍ بِدُونِ أَمْثِلَةٍ أَو بِأَمْثِلَةٍ قَلِيلَةٍ لِمَهَامِّ التَجْزِئَةِ الدَلالِيَّةِ عَبْرَ مُخْتَلِفِ المَجَالاتِ، بِمَا فِي ذٰلِكَ التَصْوِيرُ الطِبِّيُّ (cheng2023sam, bui2023sam3d, deng2023sam, mazurowski2023segment, ma2024segment).