Generative artificial intelligence (AI) has been playing an important role in various domains. Leveraging its high capability to generate high-fidelity and diverse synthetic data, generative AI is widely applied in diagnostic tasks, such as lung cancer diagnosis using computed tomography (CT). However, existing generative models for lung cancer diagnosis suffer from low efficiency and anatomical imprecision, which limit their clinical applicability. To address these drawbacks, we propose Lung-DDPM+, an improved version of our previous model, Lung-DDPM. This novel approach is a denoising diffusion probabilistic model (DDPM) guided by nodule semantic layouts and accelerated by a pulmonary DPM-solver, enabling the method to focus on lesion areas while achieving a better trade-off between sampling efficiency and quality. Evaluation results on the public LIDC-IDRI dataset suggest that the proposed method achieves 8$\times$ fewer FLOPs (floating point operations per second), 6.8$\times$ lower GPU memory consumption, and 14$\times$ faster sampling compared to Lung-DDPM. Moreover, it maintains comparable sample quality to both Lung-DDPM and other state-of-the-art (SOTA) generative models in two downstream segmentation tasks. We also conducted a Visual Turing Test by an experienced radiologist, showing the advanced quality and fidelity of synthetic samples generated by the proposed method. These experimental results demonstrate that Lung-DDPM+ can effectively generate high-quality thoracic CT images with lung nodules, highlighting its potential for broader applications, such as general tumor synthesis and lesion generation in medical imaging. The code and pretrained models are available at https://github.com/Manem-Lab/Lung-DDPM-PLUS.


翻译:生成式人工智能(AI)在各个领域发挥着重要作用。凭借其生成高保真度和多样化合成数据的高能力,生成式AI被广泛应用于诊断任务,例如使用计算机断层扫描(CT)进行肺癌诊断。然而,现有的用于肺癌诊断的生成模型存在效率低和解剖结构不精确的问题,这限制了其临床应用。为了解决这些缺点,我们提出了Lung-DDPM+,这是我们先前模型Lung-DDPM的改进版本。这种新颖方法是一种由结节语义布局引导、并通过肺部DPM-solver加速的去噪扩散概率模型(DDPM),使该方法能够专注于病变区域,同时在采样效率和质量之间实现更好的权衡。在公开的LIDC-IDRI数据集上的评估结果表明,与Lung-DDPM相比,所提出的方法实现了8倍的FLOPs(每秒浮点运算次数)减少、6.8倍的GPU内存消耗降低以及14倍的采样速度提升。此外,在两个下游分割任务中,它保持了与Lung-DDPM及其他最先进(SOTA)生成模型相当的样本质量。我们还由一位经验丰富的放射科医生进行了视觉图灵测试,显示了所提出方法生成的合成样本的先进质量和保真度。这些实验结果表明,Lung-DDPM+能够有效生成带有肺结节的高质量胸部CT图像,突显了其在更广泛应用中的潜力,例如医学影像中的通用肿瘤合成和病变生成。代码和预训练模型可在https://github.com/Manem-Lab/Lung-DDPM-PLUS获取。

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