Diversity matters: Cross-head mutual mean-teaching for semi-supervised medical image segmentation

过度拟合 计算机科学 一致性(知识库) 人工智能 相互信息 分割 特征(语言学) 机器学习 一般化 模式识别(心理学) 集合(抽象数据类型) 边界判定 数据集 数据挖掘 人工神经网络 数学 支持向量机 哲学 程序设计语言 数学分析 语言学
作者
Wei Li,Ruifeng Bian,Wenyi Zhao,Weijin Xu,Huihua Yang
出处
期刊:Medical Image Analysis [Elsevier BV]
卷期号:97: 103302-103302 被引量:3
标识
DOI:10.1016/j.media.2024.103302
摘要

Semi-supervised medical image segmentation (SSMIS) has witnessed substantial advancements by leveraging limited labeled data and abundant unlabeled data. Nevertheless, existing state-of-the-art (SOTA) methods encounter challenges in accurately predicting labels for the unlabeled data, giving rise to disruptive noise during training and susceptibility to erroneous information overfitting. Moreover, applying perturbations to inaccurate predictions further impedes consistent learning. To address these concerns, we propose a novel cross-head mutual mean-teaching network (CMMT-Net) incorporated weak-strong data augmentations, thereby benefiting both co-training and consistency learning. More concretely, our CMMT-Net extends the cross-head co-training paradigm by introducing two auxiliary mean teacher models, which yield more accurate predictions and provide supplementary supervision. The predictions derived from weakly augmented samples generated by one mean teacher are leveraged to guide the training of another student with strongly augmented samples. Furthermore, two distinct yet synergistic data perturbations at the pixel and region levels are introduced. We propose mutual virtual adversarial training (MVAT) to smooth the decision boundary and enhance feature representations, and a cross-set CutMix strategy to generate more diverse training samples for capturing inherent structural data information. Notably, CMMT-Net simultaneously implements data, feature, and network perturbations, amplifying model diversity and generalization performance. Experimental results on three publicly available datasets indicate that our approach yields remarkable improvements over previous SOTA methods across various semi-supervised scenarios. The code is available at https://github.com/Leesoon1984/CMMT-Net.
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