Despite recent advances in the accuracy of brain tumor segmentation, the results still suffer from low reliability and robustness. Uncertainty estimation is an efficient solution to this problem, as it provides a measure of confidence in the segmentation results. The current uncertainty estimation methods based on quantile regression, Bayesian neural network, ensemble, and Monte Carlo dropout are limited by their high computational cost and inconsistency. In order to overcome these challenges, Evidential Deep Learning (EDL) was developed in recent work but primarily for natural image classification. In this paper, we proposed a region-based EDL segmentation framework that can generate reliable uncertainty maps and robust segmentation results. We used the Theory of Evidence to interpret the output of a neural network as evidence values gathered from input features. Following Subjective Logic, evidence was parameterized as a Dirichlet distribution, and predicted probabilities were treated as subjective opinions. To evaluate the performance of our model on segmentation and uncertainty estimation, we conducted quantitative and qualitative experiments on the BraTS 2020 dataset. The results demonstrated the top performance of the proposed method in quantifying segmentation uncertainty and robustly segmenting tumors. Furthermore, our proposed new framework maintained the advantages of low computational cost and easy implementation and showed the potential for clinical application.


翻译:尽管最近在脑肿瘤切片的准确性方面有所进步,但结果仍然是低可靠性和稳健性。不确定性的估算是解决这一问题的一个有效解决方案,因为它为分解结果提供了一种信任度。目前基于四分层回归、巴伊西亚神经网络、共同体和蒙特卡洛辍学的不确定性估算方法由于计算成本高和不一致而受到限制。为了克服这些挑战,在近期的工作中开发了 " 深入学习 " (EDL),但主要是为了自然图像分类。在本文中,我们提出了一个基于区域的EDL分割框架,可以产生可靠的不确定性分布图和稳健的分解结果。我们用证据理论来解释神经网络的产出,作为从输入特征中收集的证据值。根据主观逻辑,证据被标为富集的分布,预测的概率被视为主观意见。为了评估我们关于分解和不确定性估计模型的性能,我们在BATS 2020 数据集上进行了定量和定性实验。结果展示了拟议方法在量化分解偏差的可靠度和稳健的临床应用框架方面的顶级性表现。我们拟议的低度分析优势和潜在分解成本的模型展示了新的计算。

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