Active Learning in Brain Tumor Segmentation with Uncertainty Sampling and Annotation Redundancy Restriction

计算机科学 辍学(神经网络) 人工智能 注释 分割 冗余(工程) 机器学习 条件随机场 自举(财务) 贝叶斯概率 贝叶斯网络 模式识别(心理学) 操作系统 金融经济学 经济
作者
Daniel D Kim,Rajat S Chandra,Li Yang,Jing Wu,Xue Feng,Michael K. Atalay,Chetan Bettegowda,Craig Jones,Haris I. Sair,Weihua Liao,Chengzhang Zhu,Beiji Zou,Anahita Fathi Kazerooni,Ali Nabavizadeh,Zhicheng Jiao,Jian Peng,Harrison X. Bai
标识
DOI:10.1007/s10278-024-01037-6
摘要

Deep learning models have demonstrated great potential in medical imaging but are limited by the expensive, large volume of annotations required. To address this, we compared different active learning strategies by training models on subsets of the most informative images using real-world clinical datasets for brain tumor segmentation and proposing a framework that minimizes the data needed while maintaining performance. Then, 638 multi-institutional brain tumor magnetic resonance imaging scans were used to train three-dimensional U-net models and compare active learning strategies. Uncertainty estimation techniques including Bayesian estimation with dropout, bootstrapping, and margins sampling were compared to random query. Strategies to avoid annotating similar images were also considered. We determined the minimum data necessary to achieve performance equivalent to the model trained on the full dataset (α = 0.05). Bayesian approximation with dropout at training and testing showed results equivalent to that of the full data model (target) with around 30% of the training data needed by random query to achieve target performance (p = 0.018). Annotation redundancy restriction techniques can reduce the training data needed by random query to achieve target performance by 20%. We investigated various active learning strategies to minimize the annotation burden for three-dimensional brain tumor segmentation. Dropout uncertainty estimation achieved target performance with the least annotated data.
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