Topology Optimization in Medical Image Segmentation With Fast χ Euler Characteristic

拓扑(电路) 正确性 分割 计算机科学 图像分割 尺度空间分割 基本事实 公制(单位) 持久同源性 算法 人工智能 数学 运营管理 组合数学 经济
作者
Liu Li,Qiang Ma,Cheng Ouyang,Johannes Christian Paetzold,Daniel Rueckert,Bernhard Kainz
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:44 (12): 5221-5232 被引量:10
标识
DOI:10.1109/tmi.2025.3589495
摘要

Deep learning-based medical image segmentation techniques have shown promising results when evaluated based on conventional metrics such as the Dice score or Intersection-over-Union. However, these fully automatic methods often fail to meet clinically acceptable accuracy, especially when topological constraints should be observed, e.g., continuous boundaries or closed surfaces. In medical image segmentation, the correctness of a segmentation in terms of the required topological genus sometimes is even more important than the pixel-wise accuracy. Existing topology-aware approaches commonly estimate and constrain the topological structure via the concept of persistent homology (PH). However, these methods are difficult to implement for high dimensional data due to their polynomial computational complexity. To overcome this problem, we propose a novel and fast approach for topology-aware segmentation based on the Euler Characteristic ( $\chi $ ). First, we propose a fast formulation for $\chi $ computation in both 2D and 3D. The scalar $\chi $ error between the prediction and ground-truth serves as the topological evaluation metric. Then we estimate the spatial topology correctness of any segmentation network via a so-called topological violation map, i.e., a detailed map that highlights regions with $\chi $ errors. Finally, the segmentation results from the arbitrary network are refined based on the topological violation maps by a topology-aware correction network. Our experiments are conducted on both 2D and 3D datasets and show that our method can significantly improve topological correctness while preserving pixel-wise segmentation accuracy.
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