Medical image denoising is essential for improving image quality while minimizing the exposure of sensitive information, particularly when working with large-scale clinical datasets. This study explores distributed deep learning for denoising chest X-ray images from the NIH Chest X-ray14 dataset, using additive Gaussian noise as a lightweight obfuscation technique. We implement and evaluate U-Net and U-Net++ architectures under single-GPU, standard multi-GPU (DataParallel), and optimized multi-GPU training configurations using PyTorch's DistributedDataParallel (DDP) and Automatic Mixed Precision (AMP). Our results show that U-Net++ consistently delivers superior denoising performance, achieving competitive Peak Signal to Noise Ratio (PSNR) and Structured Similarity Index Method (SSIM) scores, though with less performance in Learned Perceptual Image Patch Similarity (LPIPS) compared to U-Net under low and moderate noise levels. This indicates U-Net++'s enhanced structural fidelity and low perceptual similarity. Meanwhile, our optimized training pipeline reduces training time by over 60% for both models compared to single-GPU training, and outperforms standard DataParallel by over 40%, with only a minor accuracy drop for both models (trading some accuracy for speed). These findings highlight the effectiveness of software-level optimization in distributed learning for medical imaging. This work demonstrates the practical viability of combining architectural design, lightweight obfuscation, and advanced distributed training strategies to accelerate and enhance medical image processing pipelines in real-world clinical and research environments. The full implementation is publicly available at: https://github.com/Suadey/medical-image-denoising-ddp.


翻译:医学图像去噪对于提升图像质量同时最小化敏感信息暴露至关重要,尤其是在处理大规模临床数据集时。本研究探索了分布式深度学习在去噪NIH Chest X-ray14数据集胸部X光图像中的应用,采用加性高斯噪声作为轻量级混淆技术。我们在单GPU、标准多GPU(DataParallel)以及使用PyTorch的DistributedDataParallel(DDP)和自动混合精度(AMP)的优化多GPU训练配置下,实现并评估了U-Net和U-Net++架构。结果表明,U-Net++始终提供更优的去噪性能,在低至中等噪声水平下,相较于U-Net,其峰值信噪比(PSNR)和结构相似性指数(SSIM)得分具有竞争力,尽管在感知图像块相似度学习(LPIPS)指标上表现稍逊。这体现了U-Net++在结构保真度上的增强和较低的感知相似性。同时,与单GPU训练相比,我们的优化训练流程使两种模型的训练时间减少了60%以上,并且性能优于标准DataParallel方法超过40%,而两种模型的精度仅略有下降(以少量精度换取速度)。这些发现凸显了软件层面优化在医学影像分布式学习中的有效性。本研究证明了结合架构设计、轻量级混淆和先进分布式训练策略,在实际临床和研究环境中加速并增强医学图像处理流程的实践可行性。完整实现已公开于:https://github.com/Suadey/medical-image-denoising-ddp。

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