即插即用系列 | CVPR 2025 AmbiSSL：首个注释模糊感知的半监督医学图像分割框架

论文题目：Annotation Ambiguity Aware Semi-Supervised Medical Image Segmentation

论文原文（paper）：https://openaccess.thecvf.com/content/CVPR2025/html/Kumari_Annotation_Ambiguity_Aware_Semi-Supervised_Medical_Image_Segmentation_CVPR_2025_paper.html
GitHub 仓库链接：https://github.com/AITricks/AITricks
会议：CVPR 2025
关键词：医学图像分割、半监督学习、不确定性估计、多专家标注

- - 1. 核心思想
  - 2. 背景与动机
  - - 2.1 文本背景与痛点
    - 2.2 动机图解分析
  - 3. 主要创新点
  - 4. 方法细节
  - - 4.1 整体网络架构
    - 4.2 核心创新模块详解
    - 4.3 理念与机制总结
  - 5. 即插即用模块的作用
  - 6. 实验分析
  - 总结
  - 7. 获取即插即用代码关注【AI即插即用】

1. 核心思想

本文提出了一个名为AmbiSSL的新颖框架，旨在同时解决医学图像分割中“高质量标注稀缺”和“专家标注存在歧义（Ambiguity）”两大难题。核心思想是利用**随机剪枝（Randomized Pruning）**构建多样化的解码器，从而在无标签数据上生成多样性的伪标签（Diverse Pseudo-labels）。结合半监督隐分布学习（SSLDL），模型能够利用极少量的多专家标注数据和海量无标签数据，学习到一个能够生成多种合理分割结果的共享隐空间，从而模拟临床诊断中的真实不确定性。

2. 背景与动机

2.1 文本背景与痛点

深度学习在医学图像分割中取得了显著进展，但在临床落地时面临两个主要障碍：

数据获取难：获取大量像素级精度的医学标注数据极其昂贵且耗时。虽然半监督学习（SSL）利用无标签数据缓解了这一问题，但现有SSL方法通常只输出单一的确定性掩膜。
固有模糊性（Ambiguity）：由于病灶边界模糊、成像对比度低或专家主观经验差异，医学图像往往没有唯一的“标准答案”，多位专家可能给出不同的标注。忽略这种模糊性会误导下游诊断。

现有的方法要么只做半监督（忽略模糊性），要么只做模糊感知分割（依赖全量多专家标注），缺乏将二者结合的有效方案。

2.2 动机图解分析

看图说话：

Top (传统半监督分割)：如图1上部分所示，传统SSL方法利用少量有标签数据和大量无标签数据，但最终网络通过简单的“输入-输出”映射，强制对每个图像生成单一的标签图（Single Label Map）。这掩盖了病灶可能存在的多种形态。
Middle (现有模糊感知分割)：如图1中间部分所示，这类方法虽然能生成多个标签图（Multiple Label Maps）来反映不确定性，但它们严重依赖全量有标签数据（Full labeled data），无法利用容易获取的无标签数据，导致数据利用率低。
Bottom (本文 AmbiSSL)：如图1下部分所示，AmbiSSL填补了上述两者的空白。它既利用了无标签数据（Abundant unlabeled data），又只需要极少量的多专家标注数据（Limited labeled data），最终实现了“利用半监督数据生成多模态分割结果”的目标。

3. 主要创新点

首个模糊感知半监督框架：率先在半监督医学图像分割任务中引入注释模糊性感知，打破了SSL只能输出确定性结果的限制。
多样化伪标签生成模块 (DPG)：提出通过对解码器进行随机剪枝（Randomized Pruning）来构建多个差异化解码器，从而为无标签数据生成多样且合理的伪标签集。
半监督隐分布学习 (SSLDL)：构建了一个共享隐空间，针对有标签数据使用正态分布建模，而针对伪标签数据创新性地使用拉普拉斯分布建模，以增强对伪标签噪声的鲁棒性。
交叉解码器监督 (CDS)：利用剪枝解码器之间的差异性，通过交叉监督机制让它们互相指导学习，提升了特征提取的互补性和模型的泛化能力。

4. 方法细节

4.1 整体网络架构

AmbiSSL 的整体数据流是一个基于Probabilistic U-Net改进的变分自编码器（VAE）结构，并融入了半监督逻辑：

输入流：图像x xx输入到主干编码器E θ b E^b_{\theta}Eθb提取特征。
隐变量流：
- 先验网络 (Prior Net)：仅根据图像x xx预测隐变量分布。
- 后验网络 (Posterior Net)：根据图像x xx和标注集合Y s e t Y_{set}Yset（或伪标签集）预测隐变量分布。
解码与输出：从分布中采样的隐向量z zz与主干特征拼接，输入到三个并行的解码器（主解码器D θ b D^b_{\theta}Dθb+ 两个剪枝解码器D ϕ b , D ξ b D^b_{\phi}, D^b_{\xi}Dϕb,Dξb），最终输出多样化的分割图。

4.2 核心创新模块详解

模块 A：多样化伪标签生成 (DPG)

内部结构与流向：
该模块的核心在于如何从无标签数据中“无中生有”地创造多样性。
1. 随机剪枝 (Pruning)：基于主干解码器D θ b D^b_{\theta}Dθb，通过对最后几层的权重矩阵应用随机掩膜（Mask），生成两个变体解码器D ϕ b D^b_{\phi}Dϕb和D ξ b D^b_{\xi}Dξb。
2. 特征差异化：由于权重被随机部分置零，即使输入相同的特征，三个解码器也会产生略有差异的特征表达。
3. 伪标签生成：从先验分布中采样隐向量z zz，分别输入这三个解码器，生成三个不同的伪分割图P ^ \hat{P}P^。
4. 集成增强：为了提高伪标签质量，论文还将不同解码器的输出进行集成（Ensemble），形成最终用于训练的伪标签集。

模块 B：半监督隐分布学习 (SSLDL)

设计理念：
这是为了让模型学习到一个能够编码“分割风格”的隐空间。
- 有标签数据：使用标注集Y s e t Y_{set}Yset计算后验分布，强制先验分布（仅看图）去逼近后验分布（看图+看答案）。这里采用多元正态分布。
- 无标签数据（创新点）：使用DPG模块生成的伪标签集P ^ s e t \hat{P}_{set}P^set代替真实标注来计算后验。
- 关键机制：对于无标签数据，作者使用**拉普拉斯分布（Laplace Distribution）**而不是正态分布来建模。
- 为什么用拉普拉斯？因为伪标签不可避免地包含噪声。正态分布对离群点（Outliers）非常敏感（平方惩罚），而拉普拉斯分布的拖尾更长，对错误标签的容忍度更高，避免模型对伪标签过度自信（Overfitting）。

模块 C：交叉解码器监督 (CDS)

工作机制：
类似于半监督中的“Co-training”思想。
- 解码器ϕ \phiϕ生成的预测结果，作为解码器ξ \xiξ的监督信号（伪真值）。
- 反之亦然。
- 这种交叉机制强迫两个经过不同剪枝的解码器去学习互补的特征，修正彼此的认知偏差。

4.3 理念与机制总结

AmbiSSL 的成功在于它建立了一个协同进化的闭环：

随机剪枝提供了初始的“差异性视图”（View Diversity）。
隐分布学习（特别是拉普拉斯分布）将这种差异性安全地编码进隐空间，防止噪声干扰。
交叉监督利用这种差异性进行相互校准，提升模型在无标签数据上的泛化能力。

最终，这个系统解决了动机图中提出的核心问题：利用无标签数据填补了“单一结果”与“多专家不确定性”之间的鸿沟。

5. 即插即用模块的作用

本文提出的技术具有很强的通用性，以下是可独立应用场景：

随机剪枝解码器 (Randomized Pruned Decoders)：
- 适用场景：任何需要**模型集成（Ensemble）**效果但显存受限的场景。
- 应用：通过剪枝最后几层而不是训练多个完整模型，可以低成本地获取不确定性估计或提升泛化能力。
拉普拉斯分布伪标签建模 (Laplace for Pseudo-labels)：
- 适用场景：所有涉及**伪标签（Pseudo-labeling）**的半监督学习任务。
- 应用：当你怀疑伪标签质量不高、存在噪声时，使用拉普拉斯分布代替KL散度中的正态分布，可以显著防止模型在错误标签上过拟合。
交叉解码器监督 (CDS)：
- 适用场景：多分支网络的训练。
- 应用：在多任务学习或多模态学习中，让不同分支互相“教学”，是提升特征鲁棒性的通用策略。

6. 实验分析

论文在两个公开数据集上进行了验证：LIDC-IDRI（肺结节，4位专家标注）和ISIC（皮肤病变，3位专家标注）。

实验结论关键点：

极少标签下的优越性：仅使用5% 或 10%的有标签数据，AmbiSSL 的表现（GED和Soft Dice指标）就显著优于现有的半监督方法（如Baseline I/II/III）和模糊感知方法（如Prob U-Net）。
数据利用效率：对比实验显示，引入无标签数据后，AmbiSSL 的性能大幅提升，证明了该框架有效地从无标签数据中挖掘出了有用的不确定性信息。
多样性与准确性并存：GED指标（越低越好）的下降表明生成的分割图分布与专家的一致性很高，而不是盲目地生成杂乱的掩膜。