Transformation-Consistent Self-Ensembling Model for Semisupervised Medical Image Segmentation

分割 人工智能 计算机科学 正规化(语言学) 图像分割 模式识别(心理学) 深度学习 尺度空间分割 像素 医学影像学 数据集 计算机视觉
作者
Xiaomeng Li,Lequan Yu,Hao Chen,Chi‐Wing Fu,Lei Xing,Pheng‐Ann Heng
出处
期刊:IEEE transactions on neural networks and learning systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:32 (2): 523-534 被引量:350
标识
DOI:10.1109/tnnls.2020.2995319
摘要

A common shortfall of supervised deep learning for medical imaging is the lack of labeled data, which is often expensive and time consuming to collect. This article presents a new semisupervised method for medical image segmentation, where the network is optimized by a weighted combination of a common supervised loss only for the labeled inputs and a regularization loss for both the labeled and unlabeled data. To utilize the unlabeled data, our method encourages consistent predictions of the network-in-training for the same input under different perturbations. With the semisupervised segmentation tasks, we introduce a transformation-consistent strategy in the self-ensembling model to enhance the regularization effect for pixel-level predictions. To further improve the regularization effects, we extend the transformation in a more generalized form including scaling and optimize the consistency loss with a teacher model, which is an averaging of the student model weights. We extensively validated the proposed semisupervised method on three typical yet challenging medical image segmentation tasks: 1) skin lesion segmentation from dermoscopy images in the International Skin Imaging Collaboration (ISIC) 2017 data set; 2) optic disk (OD) segmentation from fundus images in the Retinal Fundus Glaucoma Challenge (REFUGE) data set; and 3) liver segmentation from volumetric CT scans in the Liver Tumor Segmentation Challenge (LiTS) data set. Compared with state-of-the-art, our method shows superior performance on the challenging 2-D/3-D medical images, demonstrating the effectiveness of our semisupervised method for medical image segmentation.

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