Lung Nodule Segmentation and Uncertain Region Prediction with an Uncertainty-Aware Attention Mechanism

分割 计算机科学 人工智能 杠杆(统计) 交叉口(航空) 模式识别(心理学) 图像分割 特征(语言学) 注释 尺度空间分割 计算机视觉 语言学 哲学 工程类 航空航天工程
作者
Yu Han,Qiuli Wang,Yue Zhang,Zhulin An,Chen Liu,Xiaohong Zhang,S. Kevin Zhou
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:43 (4): 1284-1295
标识
DOI:10.1109/tmi.2023.3332944
摘要

Radiologists possess diverse training and clinical experiences, leading to variations in the segmentation annotations of lung nodules and resulting in segmentation uncertainty. Conventional methods typically select a single annotation as the learning target or attempt to learn a latent space comprising multiple annotations. However, these approaches fail to leverage the valuable information inherent in the consensus and disagreements among the multiple annotations. In this paper, we propose an Uncertainty-Aware Attention Mechanism (UAAM) that utilizes consensus and disagreements among multiple annotations to facilitate better segmentation. To this end, we introduce the Multi-Confidence Mask (MCM), which combines a Low-Confidence (LC) Mask and a High-Confidence (HC) Mask. The LC mask indicates regions with low segmentation confidence, where radiologists may have different segmentation choices. Following UAAM, we further design an Uncertainty-Guide Multi-Confidence Segmentation Network (UGMCS-Net), which contains three modules: a Feature Extracting Module that captures a general feature of a lung nodule, an Uncertainty-Aware Module that produces three features for the annotations' union, intersection, and annotation set, and an Intersection-Union Constraining Module that uses distances between the three features to balance the predictions of final segmentation and MCM. To comprehensively demonstrate the performance of our method, we propose a Complex-Nodule Validation on LIDC-IDRI, which tests UGMCS-Net's segmentation performance on lung nodules that are difficult to segment using common methods. Experimental results demonstrate that our method can significantly improve the segmentation performance on nodules that are difficult to segment using conventional methods.
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