Generative AI enables medical image segmentation in ultra low-data regimes

分割 计算机科学 人工智能 深度学习 图像分割 生成语法 机器学习 模式 过程(计算) 一般化 任务(项目管理) 生成模型 模式识别(心理学) 数学分析 管理 经济 社会学 数学 操作系统 社会科学
作者
Li Zhang,Basu Jindal,Ahmed M. Alaa,Robert N. Weinreb,David O. Wilson,Eran Segal,James Zou,Pengtao Xie
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1): 6486-6486 被引量:20
标识
DOI:10.1038/s41467-025-61754-6
摘要

Semantic segmentation of medical images is pivotal in applications like disease diagnosis and treatment planning. While deep learning automates this task effectively, it struggles in ultra low-data regimes for the scarcity of annotated segmentation masks. To address this, we propose a generative deep learning framework that produces high-quality image-mask pairs as auxiliary training data. Unlike traditional generative models that separate data generation from model training, ours uses multi-level optimization for end-to-end data generation. This allows segmentation performance to guide the generation process, producing data tailored to improve segmentation outcomes. Our method demonstrates strong generalization across 11 medical image segmentation tasks and 19 datasets, covering various diseases, organs, and modalities. It improves performance by 10-20% (absolute) in both same- and out-of-domain settings and requires 8-20 times less training data than existing approaches. This greatly enhances the feasibility and cost-effectiveness of deep learning in data-limited medical imaging scenarios.
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