arxiv.org·2026/10/23
针对胎儿先天性心脏病(CHD)阳性样本稀缺、现有生成方法仍依赖阳性样本的问题,Pos4CHD 提出仅用正常样本的 mask-to-image 反事实合成框架:先基于自建胎儿四腔心超声数据集及专家标注训练 FE-Gen,通过可学习语义查询和直方图正则化缓解超声直方图漂移并提升图像-掩码对齐;再按临床先验规则操纵语义掩码模拟 EbA、TAPVC、VSD 等结构异常,由 FE-Gen 渲染伪阳性图像,经质量过滤后增强下游训练数据。作者报告 FE-Gen 较 ControlNet 的图像-掩码 DSC 提升 3.96%;在下游任务中,零样本分类 EbA 达 93.25% ACC、TAPVC 达 72.92% ACC,VSD 检测 mAP50 提升 6.95%,胎儿心脏分割 DSC 提升 10.49%,均优于基线。失败样本多为细微 VSD 缺损未显现,精确合成细微结构仍受限。
为什么重要 为胎儿先心病等罕见阳性数据闭环提供 mask 驱动合成方案,可提升分类、检测与分割训练。适合 医学影像算法工程师、医疗数据闭环与合成数据研究者
正例稀缺仍是开发胎儿先天性心脏病(CHD)自动诊断系统的主要瓶颈,尤其对于罕见亚型。尽管正常病例可以较容易地获得,但正例由于低发病率和隐私问题难以收集,导致严重类别不平衡或正训练样本缺失。现有工作借助条件生成模型合成正例,但它们通常是任务特定的并且需要正训练样本,阻碍了其在胎儿 CHD 中的应用。
为此,我们提出一种用于胎儿超声心动图的无正例掩码引导反事实生成框架,即 Pos4CHD,它能够在只有正常样本的情况下,从语义掩码真实、高质量地合成伪正样本。技术上,我们首先开发 FE-Gen,一种面向胎儿心脏超声合成的掩码引导生成模型,可减轻直方图漂移并增强图像-掩码空间对齐。在 FE-Gen 基础上,Pos4CHD 采用掩码到图像生成范式进行 CHD 合成。它首先操纵语义掩码以模拟胎儿心脏结构异常,然后渲染解剖一致的图像。
在内部数据集上的大量实验,连同专家评估,展示了合成图像的视觉保真度(-12.97 FID)和解剖一致性(+3.96% DSC)。在多样真实世界 CHD 诊断任务上的进一步验证显示出有前景的结果和一致提升,包括零样本分类(在 EbA 上达到 93.25% ACC,在 TAPVC 上达到 72.92% ACC)、病灶检测(在 VSD 上 +6.95% mAP50)以及解剖分割(胎儿心脏 +10.49% DSC),与基线相比。代码和模型已在 GitHub 公开。
The scarcity of positive cases remains a major bottleneck in developing automated diagnostic systems for fetal Congenital Heart Defects~(CHDs), particularly for rare subtypes.
Although normal cases are accessible with effort, positive cases are hard to collect due to low incidence rates and privacy concerns, causing severe class imbalance or absence of positive training samples.
Existing works resort to synthesizing positives with conditional generative models, but they are task-specific and require positive training samples, hindering application for fetal CHDs.
To this end, we propose a positive-free mask-guided counterfactual generation framework for fetal echocardiography, namely Pos4CHD, which enables realistic, high-quality synthesis of pseudo-positive samples from semantic masks, with only normal samples at hand.
Technically, we first develop FE-Gen, a mask-guided generative model tailored for fetal heart ultrasound synthesis that mitigates histogram drift and enhances image-mask spatial alignment.
Building on FE-Gen, Pos4CHD employs a mask-to-image generation paradigm for CHD synthesis.
It first manipulates semantic masks to simulate fetal-heart structural anomalies and then renders anatomically consistent images.
Extensive experiments on in-house datasets, together with expert evaluations, demonstrate the visual fidelity~($-12.97$ FID) and anatomical consistency~(+3.96% DSC) of synthesized images.
Further validations across diverse real-world CHD diagnosis tasks exhibit promising results and consistent increments, including zero-shot classification~(achieving 93.25% ACC on EbA and 72.92% ACC on TAPVC), lesion detection~(+6.95% mAP50 on VSD), and anatomy segmentation~(+10.49% DSC on fetal heart) compared with baselines.
Codes and models are publicly available on hrefhttps://github.com/DREAMXFAR/Pos4CHDGitHub.
EbA ACC
zero-shot 合成训练
TAPVC ACC
zero-shot 合成训练
VSD mAP50
较真实数据基线
分割 DSC
20 张真实样本时
注释 · 官方报告相对真实数据或基线的提升。出自 Sec IV-B2



EVIDENCE / METHODS
表格
术语解释面向胎儿超声的 mask 条件扩散生成器,强调图像保真和 mask 对齐。 的 DSC 高于 ControlNet
| 模型 | 条件 | FID↓ | DSC↑ |
|---|---|---|---|
| Real Data | — | 0.00 | 80.75 |
| SD-LoRA | text | 147.42 | 10.72 |
| ControlNet | mask | 161.10 | 75.68 |
| Ours | mask | 148.13 | 79.52 |
注释 · FID 越低越好,DSC 越高越好;Real Data 作参考。出自 表 1
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