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UTADC-Net: Unsupervised Topological-Aware Diffusion Condensation Network for Medical Image Segmentation

图像分割 计算机科学 分割 人工智能 图像(数学) 网(多面体) 尺度空间分割 模式识别(心理学) 拓扑(电路) 扩散 计算机视觉 数学 物理 组合数学 几何学 热力学
作者
Yue Peng,Ruodai Wu,Binfu Xiong,Fuqiang Chen,Jun Ma,Yaoqin Xie,Jing Cai,Wenjian Qin
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:30 (2): 1466-1478
标识
DOI:10.1109/jbhi.2025.3596007
摘要

Medical image segmentation plays a crucial role in computer-aided diagnosis and treatment planning. Unsupervised segmentation methods that can effectively leverage unlabeled data bring significant promise in clinical application. However, they remain a challenging task in maintaining anatomical structure topological consistency that often produces anatomical structure breaks, connectivity errors, or boundary discontinuities. To address these issues, we propose a novel Unsupervised Topological-Aware Diffusion Condensation Network (UTADC-Net) for medical image segmentation. Specifically, we design a diffusion condensation-based framework that achieves structural consistency in segmentation results by effectively modeling long-range dependencies between pixels and incorporating topological constraints. First, to effectively fuse local details and global semantic information, we employ a pixel-centric patch embedding module by simultaneously modeling local structural features and inter-region interactions. Second, to enhance the topological consistency of segmentation results, we introduce an adaptive topological constraint mechanism that guides the network to learn anatomically aligned structural representations through pixel-level topological relationships and corresponding loss functions. Extensive experiments conducted on three public medical image datasets demonstrate that our proposed UTADC-Net significantly outperforms existing unsupervised methods in terms of segmentation accuracy and topological structure preservation. Notably, our method demonstrates segmentation results with excellent anatomical structural consistency. These results indicate that our framework provides a novel and practical solution for unsupervised medical image segmentation.
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