A flexible 2.5D medical image segmentation approach with in-slice and cross-slice attention

分割 人工智能 计算机视觉 计算机科学 图像(数学) 图像分割 模式识别(心理学)
作者
Amarjeet Kumar,Hongxu Jiang,Muhammad Imran,Cyndi Valdes,Gabriela Molina León,Dahyun Kang,Parvathi Nataraj,Yuyin Zhou,Michael D. Weiss,Wei Shao
出处
期刊:Computers in Biology and Medicine [Elsevier BV]
卷期号:182: 109173-109173 被引量:31
标识
DOI:10.1016/j.compbiomed.2024.109173
摘要

Deep learning has become the de facto method for medical image segmentation, with 3D segmentation models excelling in capturing complex 3D structures and 2D models offering high computational efficiency. However, segmenting 2.5D images, characterized by high in-plane resolution but lower through-plane resolution, presents significant challenges. While applying 2D models to individual slices of a 2.5D image is feasible, it fails to capture the spatial relationships between slices. On the other hand, 3D models face challenges such as resolution inconsistencies in 2.5D images, along with computational complexity and susceptibility to overfitting when trained with limited data. In this context, 2.5D models, which capture inter-slice correlations using only 2D neural networks, emerge as a promising solution due to their reduced computational demand and simplicity in implementation. In this paper, we introduce CSA-Net, a flexible 2.5D segmentation model capable of processing 2.5D images with an arbitrary number of slices. CSA-Net features an innovative Cross-Slice Attention (CSA) module that effectively captures 3D spatial information by learning long-range dependencies between the center slice (for segmentation) and its neighboring slices. Moreover, CSA-Net utilizes the self-attention mechanism to learn correlations among pixels within the center slice. We evaluated CSA-Net on three 2.5D segmentation tasks: (1) multi-class brain MR image segmentation, (2) binary prostate MR image segmentation, and (3) multi-class prostate MR image segmentation. CSA-Net outperformed leading 2D, 2.5D, and 3D segmentation methods across all three tasks, achieving average Dice coefficients and HD95 values of 0.897 and 1.40 mm for the brain dataset, 0.921 and 1.06 mm for the prostate dataset, and 0.659 and 2.70 mm for the ProstateX dataset, demonstrating its efficacy and superiority. Our code is publicly available at: https://github.com/mirthAI/CSA-Net.
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