Graph-Based Region and Boundary Aggregation for Biomedical Image Segmentation

计算机科学 人工智能 模式识别(心理学) 分割 图像分割 图形 特征提取 特征学习 特征(语言学) 理论计算机科学 语言学 哲学
作者
Yanda Meng,Hongrun Zhang,Yitian Zhao,Xiaoyun Yang,Yihong Qiao,Ian J. C. MacCormick,Xiaowei Huang,Yalin Zheng
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:41 (3): 690-701 被引量:97
标识
DOI:10.1109/tmi.2021.3123567
摘要

Segmentation is a fundamental task in biomedical image analysis. Unlike the existing region-based dense pixel classification methods or boundary-based polygon regression methods, we build a novel graph neural network (GNN) based deep learning framework with multiple graph reasoning modules to explicitly leverage both region and boundary features in an end-to-end manner. The mechanism extracts discriminative region and boundary features, referred to as initialized region and boundary node embeddings, using a proposed Attention Enhancement Module (AEM). The weighted links between cross-domain nodes (region and boundary feature domains) in each graph are defined in a data-dependent way, which retains both global and local cross-node relationships. The iterative message aggregation and node update mechanism can enhance the interaction between each graph reasoning module's global semantic information and local spatial characteristics. Our model, in particular, is capable of concurrently addressing region and boundary feature reasoning and aggregation at several different feature levels due to the proposed multi-level feature node embeddings in different parallel graph reasoning modules. Experiments on two types of challenging datasets demonstrate that our method outperforms state-of-the-art approaches for segmentation of polyps in colonoscopy images and of the optic disc and optic cup in colour fundus images. The trained models will be made available at: https://github.com/smallmax00/Graph_Region_Boudnary.
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