這次我們要解讀的工作發表在 IPMI 2023（IPMI全名 Information Processing in Medical Imaging，兩年一屆，是醫學影像分析處理領域公認的最具特色的會議），同時也是 Test Time Adaptation 系列的文章，之前的 TTA 論文解決在：

CoTTA

EcoTTA

DIGA

對 TTA 不了解的同學可以先看上面這幾篇新工作。基于深度學習的醫學成像解決方案的一個主要問題是，當一個模型在不同于其訓練的數據分布上進行測試時，性能下降。將源模型適應于測試時的目標數據分布是解決數據移位問題的一種有效的解決方案。以前的方法通過使用熵最小化或正則化等技術將模型適應于目標分布來解決這個問題。

在這些方法中，模型仍然通過使用完整測試數據分布的無監督損失反向傳播更新。但是在現實世界的臨床環境中，實時將模型適應于新的測試圖像更有意義，并且需要避免在推理過程中由于隱私問題和部署時缺乏計算資源的情況。TTA 在遇到來自未知領域的圖像時，有望提高深度學習模型的魯棒性。本文要介紹的工作屬于 Fully Test Time Adaptation，既在推理時需要網絡要做完整的反向傳播。下表簡單列出幾種常見 settings，其中 Fully TTA 只需要 target data 和 test loss。

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現有的 TTA 方法性能較差，原因在于未標記的目標域圖像提供的監督信號不足，或者受到源域中預訓練策略和網絡結構的特定要求的限制。這篇工作目標是將源域中的預訓練與目標域中的適應分開，以實現高性能且更具一般性的 TTA，而不對預訓練策略做出假設。

概述

這篇工作（被叫做 UPL-TTA）提出了一種用于醫學圖像分割的 “Uncertainty-aware Pseudo Label guided Fully Test Time Adaptation" 方法，該方法不要求預訓練模型在適應到目標領域之前在源域中進行額外的輔助分支訓練或采用特定策略。

如下圖所示，以嬰兒腦部 MRI 腫瘤分割為例，從 HASTE 跨域到 TrueFISP，UPL-TTA 的效果要比不做任何適應的結果好很多。

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UPL-TTA 首先引入了 Test Time Growing（TTG），也就是說，在目標領域中多次復制源模型的預測頭部。并為它們的輸入圖像和特征映射添加一系列隨機擾動（例如，Dropout，空間變換），以獲得多個不同的分割預測。然后，通過這些預測的集成來獲取目標領域圖像的偽標簽。為了抑制潛在不正確的偽標簽的影響，引入了集成方法和 MC dropout 不確定性估計來獲得可靠性 Map?？煽肯袼氐膫螛撕炗糜诒O督每個預測頭部的輸出，而不可靠像素的預測則通過平均預測圖上的熵最小化進行規范化。

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具體實現

Pre-trained Model from the Source Domain

第一步我們需要優化一個源域的預訓練模型，即 Fig. 2 的 A 部分， 和 分別表示編碼器和解碼器的初始權重：

Test-Time Growing for Adaptation

對于 TTG 的過程，首先對于一張圖像 首先需要一個空間變換 ，包括隨即翻轉，旋轉 π/2，π 和 3π/2。然后經過 Dropout（特征級別的擾動）后在輸入到 decoder中，再進行空間變換逆過程，得到概率圖。

上面概述里我們提到過，通過在目標領域中多次復制源模型的預測頭部，并為它們的輸入圖像和特征映射添加一系列隨機擾動（例如，Dropout，空間變換），以獲得多個不同的分割預測。最后，對 K 個頭進行集成：

Supervision with Reliable Pseudo Labels

這一步我們關注如何獲得一個可靠的偽標簽。Fig. 2 中的 Reliable map 簡單理解為一個 Mask，用于優化偽標簽。設定一個 的閾值，我們通過對概率圖的值大小確定 的每個像素的值，只保留偽標簽中較高可信度的像素：

到這里我們會得到三個目標，一個是 K 個頭輸出的預測圖，第二個是偽標簽，還有用于優化偽標簽的 Mask：

Mean Prediction-Based Entropy Minimization

熵最小化是 TTA 中很常用的手段，但是在 UPL-TTA 中，我們有 K 個集成。假設一種情況，第 K-1 個頭的的預測概率是 0，第 K 個頭的預測概率是 1，這時兩個頭的熵值都是最小的，但是一旦平均下來之后，0.5 對應的熵就是大的。所以我們需要同時熵最小化 K 個頭：

Adaptation by Self-training

最后，我們的優化目標是下面兩個損失：

實驗

數據集：

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和其他 SOTA 方法的對比：

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可視化結果：

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下圖是自訓練中不同訓練步驟的偽標簽。Epoch 0 表示“僅源域”（自適應之前），n 表示目標域驗證集上的最佳輪數。在（c）-（g）中，只有可靠的偽標簽用顏色編碼。

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消融實驗：

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總結

這篇 IPMI 2023 工作提出了一種完全測試時間自適應的方法，該方法能夠在不知道源模型的訓練策略的情況下，將源模型適應到未標記的目標域。在沒有訪問源域圖像的情況下，提出的基于不確定性的偽標簽引導的 TTA 方法通過測試時間增長（TTG）為目標域中的同一樣本生成多個預測輸出。它生成高質量的偽標簽和相應的可靠性Map，為未標記的目標域提供有效的監督。具有不可靠偽標簽的像素通過對復制的頭部的平均預測進行熵最小化進一步規范化，這也引入了隱式的一致性規范化。在胎兒腦分割的雙向跨模態 TTA 實驗中，優于幾種最先進的 TTA 方法。未來，實現該方法的 3d 版本并將其應用于其他分割任務是很有興趣的方向。

審核編輯：彭菁