Robust Deep 3-D Blood Vessel Segmentation Using Structural Priors

分割 人工智能 计算机科学 稳健性(进化) 深度学习 基本事实 模式识别(心理学) 推论 图像分割 编码器 卷积神经网络 计算机视觉
作者
Xuelu Li,Raja Bala,Vishal Monga
出处
期刊:IEEE transactions on image processing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:: 1-1
标识
DOI:10.1109/tip.2021.3139241
摘要

Deep learning has enabled significant improvements in the accuracy of 3-D blood vessel segmentation. Open challenges remain in scenarios where labeled 3-D segmentation maps for training are severely limited, as is often the case in practice, and in ensuring robustness to noise. Inspired by the observation that 3-D vessel structures project onto 2-D image slices with informative and unique edge profiles, we propose a novel deep 3-D vessel segmentation network guided by edge profiles. Our network architecture comprises a shared encoder and two decoders that learn segmentation maps and edge profiles jointly. 3-D context is mined in both the segmentation and edge prediction branches by employing bidirectional convolutional long-short term memory (BCLSTM) modules. 3-D features from the two branches are concatenated to facilitate learning of the segmentation map. As a key contribution, we introduce new regularization terms that: a) capture the local homogeneity of 3-D blood vessel volumes in the presence of biomarkers; and b) ensure performance robustness to domain-specific noise by suppressing false positive responses. Experiments on benchmark datasets with ground truth labels reveal that the proposed approach outperforms state-of-the-art techniques on standard measures such as DICE overlap and mean Intersection-over-Union. The performance gains of our method are even more pronounced when training is limited. Furthermore, the computational cost of our network inference is among the lowest compared with state-of-the-art.
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