3D MedDiffusion: A 3D Medical Latent Diffusion Model for Controllable and High-Quality Medical Image Generation

计算机视觉 图像质量 计算机科学 医学影像学 质量(理念) 人工智能 图像(数学) 扩散 实体造型 哲学 物理 认识论 热力学
作者
Haoshen Wang,Z. Q. Liu,Kaicong Sun,Xiaodong Wang,Dinggang Shen,Zhiming Cui
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:44 (12): 4960-4972 被引量:19
标识
DOI:10.1109/tmi.2025.3585372
摘要

The generation of medical images presents significant challenges due to their high-resolution and three-dimensional nature. Existing methods often yield suboptimal performance in generating high-quality 3D medical images, and there is currently no universal generative framework for medical imaging. In this paper, we introduce a 3D Medical Latent Diffusion (3D MedDiffusion) model for controllable, high-quality 3D medical image generation. 3D MedDiffusion incorporates a novel, highly efficient Patch-Volume Autoencoder that compresses medical images into latent space through patch-wise encoding and recovers back into image space through volume-wise decoding. Additionally, we design a new noise estimator to capture both local details and global structural information during diffusion denoising process. 3D MedDiffusion can generate fine-detailed, high-resolution images (up to ${512}\times {512}\times {512}$ ) and effectively adapt to various downstream tasks as it is trained on large-scale datasets covering CT and MRI modalities and different anatomical regions (from head to leg). Experimental results demonstrate that 3D MedDiffusion surpasses state-of-the-art methods in generative quality and exhibits strong generalizability across tasks such as sparse-view CT reconstruction, fast MRI reconstruction, and data augmentation for segmentationand classification. Source code and checkpoints are available at https://github.com/ShanghaiTech-IMPACT/3D-MedDiffusion.
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