KAN-Mamba FusionNet：透過非線性建模重新定義醫學影像分割

Основные понятия

KAN-Mamba FusionNet 是一種用於醫學影像分割的新型神經網路架構，透過結合 Kolmogorov-Arnold Networks (KAN) 和 Mamba 層以及激活函數包 (BoA)，在不顯著增加計算成本的情況下提高了分割的準確性和穩健性。

Аннотация

本研究論文介紹了一種名為 KAN-Mamba FusionNet 的新型醫學影像分割架構。該架構旨在解決現有醫學影像分割技術的局限性，特別是在捕捉長距離依賴關係和有效處理影像分割資料集方面的能力。
研究目標
本研究旨在開發一種更準確、更穩健的醫學影像分割方法，以解決現有基於卷積神經網路 (CNN) 和 Transformer 的方法在捕捉長距離依賴關係和處理大型資料集方面的局限性。
方法

**KAN-Mamba FusionNet 架構：**該架構結合了 Kolmogorov-Arnold Networks (KAN) 和 Mamba 層的優勢，以提高對複雜醫學影像資料的表示能力。
**KAN 層：**KAN 層取代了傳統 Mamba 架構中的卷積層，以捕捉影像中的非線性複雜性，從而改善特徵表示。
**Mamba 層：**Mamba 層引入了自注意力機制，以捕捉輸入資料中的複雜上下文資訊，從而改善定位。
**激活函數包 (BoA)：**BoA 透過動態組合多個激活函數（ReLU、Tanh、Softplus、GELU 和 SiLU），為特徵提供更穩健的表示。
主要發現

與最先進的方法（如 U-Net、U-NeXt、Rolling-UNet、U-Mamba 和 Seg. U-KAN）相比，KAN-Mamba FusionNet 在 BUSI、Kvasir-Seg 和 GlaS 醫學影像分割資料集上始終表現出更好的 IoU 和 F1 分數。
消融研究表明，該架構的每個組成部分（特別是 BoA）都對整體效能提升做出了貢獻。
主要結論

KAN-Mamba FusionNet 透過結合 KAN 和 Mamba 的優勢，為醫學影像分割提供了一種新穎且有效的方法。
BoA 的使用提供了一種靈活的方法來增強神經網路的效能，解決了醫療保健領域中複雜的視覺資料問題。
意義
這項研究對醫學影像分割領域做出了重大貢獻，有可能透過更準確的分割遮罩改善患者的治療效果。
局限性和未來研究

未來的工作可以探索將 KAN-Mamba FusionNet 應用於其他醫學影像分割任務和資料集。
研究 BoA 中不同激活函數的影響將是有益的。

Статистика

在 BUSI、Kvasir-Seg 和 GlaS 資料集上，KAN-Mamba FusionNet 的 IoU 和 F1 分數均優於最先進的方法。
與其他最先進的方法相比，KAN-Mamba FusionNet 的計算成本（GFLOPs 和模型參數）具有競爭力。

Ключевые выводы из

KAN-Mamba FusionNet: Redefining Medical Image Segmentation with Non-Linear Modeling

by Akansh Agraw... в arxiv.org 11-20-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.11926.pdf

Дополнительные вопросы

KAN-Mamba FusionNet 如何應用於 3D 醫學影像分割？

將 KAN-Mamba FusionNet 應用於 3D 醫學影像分割需要進行一些架構上的調整，主要集中在如何處理三維數據：

輸入數據處理: 將原本處理二維影像的卷積層 (Convolutional Layers) 替換為三維卷積層 (3D Convolutional Layers)。這表示卷積核將會在三個維度上移動，提取三維空間特徵。
Mamba 模組調整: Mamba 模組中的狀態空間模型 (SSM) 需要適應三維數據。一種方法是使用三維注意力機制 (3D Attention Mechanism) 來捕捉三維空間關係。
KAN 模組調整: 與卷積層類似，KAN 模組中的線性變換也需要改用三維操作。
訓練策略: 由於 3D 醫學影像數據通常較大，訓練時可能需要採用分塊 (Patching) 或其他記憶體優化策略。

總之，將 KAN-Mamba FusionNet 應用於 3D 醫學影像分割需要對其架構進行調整以適應三維數據，並採用適當的訓練策略。

是否存在其他可以進一步提高 KAN-Mamba FusionNet 效能的架構修改？

除了上述針對 3D 醫學影像分割的調整，以下是一些可以進一步提高 KAN-Mamba FusionNet 效能的架構修改：

多尺度特徵融合 (Multi-scale Feature Fusion): 可以借鑒 U-Net++ 等模型的設計，在編碼器和解碼器之間建立更多跳躍連接 (Skip Connections)，融合不同尺度的特徵信息，提高分割精度。
形變增強 (Deformable Convolution): 使用形變卷積 (Deformable Convolution) 可以讓模型學習更靈活的感受野，更好地適應不同形狀和大小的目標區域。
條件生成對抗網路 (Conditional GAN): 可以將 KAN-Mamba FusionNet 作為生成器，結合判別器，構建條件生成對抗網路 (Conditional GAN) 框架，利用對抗訓練的方式進一步提高分割精度和生成結果的真實性。
更強大的注意力機制: 探索更強大的注意力機制，例如 Transformer 中的自注意力機制 (Self-Attention Mechanism)，可以更好地捕捉長距離依賴關係，提高模型對全局信息的理解能力。

隨著醫學影像技術的進步，未來醫學影像分割將面臨哪些挑戰和機遇？

挑戰:

更高維度的數據: 隨著 3D 醫學影像技術的發展，甚至出現了 4D 動態影像數據，如何有效地處理和分析這些高維數據將是一個巨大的挑戰。
更複雜的分割任務: 未來醫學影像分割將不僅僅局限於器官或病灶的分割，還需要對更細微的結構，例如血管、神經等進行精細分割，這對模型的精度和泛化能力提出了更高的要求。
數據隱私和安全: 隨著醫學影像數據的規模越來越大，數據隱私和安全問題也日益突出，如何設計既能保護患者隱私又能有效利用數據的分割模型將是一個重要的研究方向。

機遇:

更豐富的數據資源: 醫學影像技術的進步帶來了更豐富的數據資源，這為訓練更強大的分割模型提供了基礎。
更強大的計算能力: 隨著硬體技術的發展，例如 GPU 和 TPU 的性能不斷提升，為訓練和部署更複雜的分割模型提供了可能。
更廣泛的應用場景: 醫學影像分割技術的發展將推動其在更多醫療場景中的應用，例如輔助診斷、手術規劃、疾病預測等，為醫療領域帶來革命性的變化。