ProCNS: Progressive Prototype Calibration and Noise Suppression for Weakly-Supervised Medical Image Segmentation

人工智能 计算机科学 计算机视觉 校准 图像分割 噪音(视频) 分割 医学影像学 图像噪声 图像(数学) 模式识别(心理学) 数学 统计
作者
Yi-Xiang Liu,Li Lin,Kenneth K. Y. Wong,Xiaoying Tang
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:: 1-14
标识
DOI:10.1109/jbhi.2024.3522958
摘要

Weakly-supervised segmentation (WSS) has emerged as a solution to mitigate the conflict between annotation cost and model performance by adopting sparse annotation formats (e.g., point, scribble, block, etc.). Typical approaches attempt to exploit anatomy and topology priors to directly expand sparse annotations into pseudo-labels. However, due to lack of attention to the ambiguous boundaries in medical images and insufficient exploration of sparse supervision, existing approaches tend to generate erroneous and overconfident pseudo proposals in noisy regions, leading to cumulative model error and performance degradation. In this work, we propose a novel WSS approach, named ProCNS, encompassing two synergistic modules devised with the principles of progressive prototype calibration and noise suppression. Specifically, we design a Prototype-based Regional Spatial Affinity (PRSA) loss to maximize the pair- wise affinities between spatial and semantic elements, providing our model of interest with more reliable guidance. The affinities are derived from the input images and the prototype-refined predictions. Meanwhile, we propose an Adaptive Noise Perception and Masking (ANPM) module to obtain more enriched and representative prototype representations, which adaptively identifies and masks noisy regions within the pseudo proposals, reducing potential erroneous interference during prototype computation. Furthermore, we generate specialized soft pseudo-labels for the noisy regions identified by ANPM, providing supplementary supervision. Extensive experiments on six medical image segmentation tasks involving different modalities demonstrate that the proposed framework significantly outperforms representative state-of-the-art methods. Code and data are available at https://github.com/LyxDLiI/ProCNS.
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