CiSeg: Unsupervised Cross-Modality Adaptation for 3D Medical Image Segmentation via Causal Intervention

计算机科学 人工智能 虚假关系 分割 推论 机器学习 因果推理 一般化 领域(数学分析) 模式识别(心理学) 一致性(知识库) 残余物 无监督学习 源代码 域适应 语义学(计算机科学) 适应(眼睛) 领域知识 图像分割 因果结构 编码器 合成数据 数据建模 因果模型 潜变量 任务分析
作者
Peiqing Lv,Yaonan Wang,Min Liu,Zhe Zhang,Yunfeng Ma,Licheng Liu,Erik Meijering
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:45 (4): 1293-1310
标识
DOI:10.1109/tmi.2025.3620585
摘要

Unsupervised domain adaptation (UDA) addresses the domain shift problem by transferring knowledge from labeled source domain data (e.g. CT) to unlabeled target domain data (e.g. MRI). While state-of-the-art methods reduce domain gaps via image- or feature-level alignment, their reliance on spurious correlations in the training data often limits generalization across domains. To overcome this limitation, we propose the Causal Intervention Segmentation Network (CiSeg), a novel framework that first integrates causal inference into UDA. A Structural Causal Model (SCM) is first constructed for the source domain to disentangle causal variables from bias variables, alleviating the impact of spurious correlations. Based on this SCM, we introduce a Counterfactual Disentanglement (CD) module to decompose the source domain's latent features into distinct causal and bias components, effectively eliminating their mutual dependencies. To enhance cross-domain consistency, two auxiliary components are introduced: Prototype-guided Contrastive Learning (PCL) and Causal-bias Residual Alignment (CBRA). PCL aligns pixel-level representations with their corresponding semantic prototypes, promoting stronger intra-class consistency and clearer inter-class separability. CBRA employs adversarial learning to align causal and bias residual features across domains, further enhancing feature-level invariance. Extensive experiments on cardiac, abdominal multi-organ, and BraTS18 segmentation tasks demonstrate that CiSeg outperforms state-of-the-art methods, achieving superior segmentation performance and robust cross-domain generalization. Code and models are available at https://github.com/lvpeiqing/CiSeg.
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