Semi-Supervised CT Lesion Segmentation Using Uncertainty-Based Data Pairing and SwapMix

计算机科学 一致性(知识库) 分割 人工智能 数据一致性 医学影像学 配对 数据挖掘 标记数据 模式识别(心理学) 机器学习 数据库 超导电性 量子力学 物理
作者
Pengchong Qiao,Han Li,Guoli Song,Hu Han,Zhiqiang Gao,Yonghong Tian,Yongsheng Liang,Xi Li,S. Kevin Zhou,Jie Chen
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:42 (5): 1546-1562
标识
DOI:10.1109/tmi.2022.3232572
摘要

Semi-supervised learning (SSL) methods show their powerful performance to deal with the issue of data shortage in the field of medical image segmentation. However, existing SSL methods still suffer from the problem of unreliable predictions on unannotated data due to the lack of manual annotations for them. In this paper, we propose an unreliability-diluted consistency training (UDiCT) mechanism to dilute the unreliability in SSL by assembling reliable annotated data into unreliable unannotated data. Specifically, we first propose an uncertainty-based data pairing module to pair annotated data with unannotated data based on a complementary uncertainty pairing rule, which avoids two hard samples being paired off. Secondly, we develop SwapMix, a mixed sample data augmentation method, to integrate annotated data into unannotated data for training our model in a low-unreliability manner. Finally, UDiCT is trained by minimizing a supervised loss and an unreliability-diluted consistency loss, which makes our model robust to diverse backgrounds. Extensive experiments on three chest CT datasets show the effectiveness of our method for semi-supervised CT lesion segmentation.
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