CADS: A Self-Supervised Learner via Cross-Modal Alignment and Deep Self-Distillation for CT Volume Segmentation

体积热力学 人工智能 情态动词 计算机科学 分割 计算机视觉 图像分割 图像配准 模式识别(心理学) 图像(数学) 材料科学 物理 量子力学 高分子化学
作者
Yiwen Ye,Jianpeng Zhang,Ziyang Chen,Yong Xia
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:44 (1): 118-129 被引量:16
标识
DOI:10.1109/tmi.2024.3431916
摘要

Self-supervised learning (SSL) has long had great success in advancing the field of annotation-efficient learning. However, when applied to CT volume segmentation, most SSL methods suffer from two limitations, including rarely using the information acquired by different imaging modalities and providing supervision only to the bottleneck encoder layer. To address both limitations, we design a pretext task to align the information in each 3D CT volume and the corresponding 2D generated X-ray image and extend self-distillation to deep self-distillation. Thus, we propose a self-supervised learner based on Cross-modal Alignment and Deep Self-distillation (CADS) to improve the encoder's ability to characterize CT volumes. The cross-modal alignment is a more challenging pretext task that forces the encoder to learn better image representation ability. Deep self-distillation provides supervision to not only the bottleneck layer but also shallow layers, thus boosting the abilities of both. Comparative experiments show that, during pre-training, our CADS has lower computational complexity and GPU memory cost than competing SSL methods. Based on the pre-trained encoder, we construct PVT-UNet for 3D CT volume segmentation. Our results on seven downstream tasks indicate that PVT-UNet outperforms state-of-the-art SSL methods like MOCOv3 and DiRA, as well as prevalent medical image segmentation methods like nnUNet and CoTr. Code and pre-trained weight will be available at https://github.com/yeerwen/CADS.
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