Medical image registration and segmentation are two of the most frequent tasks in medical image analysis. As these tasks are complementary and correlated, it would be beneficial to apply them simultaneously in a joint manner. In this paper, we formulate registration and segmentation as a joint problem via a Multi-Task Learning (MTL) setting, allowing these tasks to leverage their strengths and mitigate their weaknesses through the sharing of beneficial information. We propose to merge these tasks not only on the loss level, but on the architectural level as well. We studied this approach in the context of adaptive image-guided radiotherapy for prostate cancer, where planning and follow-up CT images as well as their corresponding contours are available for training. The study involves two datasets from different manufacturers and institutes. The first dataset was divided into training (12 patients) and validation (6 patients), and was used to optimize and validate the methodology, while the second dataset (14 patients) was used as an independent test set. We carried out an extensive quantitative comparison between the quality of the automatically generated contours from different network architectures as well as loss weighting methods. Moreover, we evaluated the quality of the generated deformation vector field (DVF). We show that MTL algorithms outperform their Single-Task Learning (STL) counterparts and achieve better generalization on the independent test set. The best algorithm achieved a mean surface distance of $1.06 \pm 0.3$ mm, $1.27 \pm 0.4$ mm, $0.91 \pm 0.4$ mm, and $1.76 \pm 0.8$ mm on the validation set for the prostate, seminal vesicles, bladder, and rectum, respectively. The high accuracy of the proposed method combined with the fast inference speed, makes it a promising method for automatic re-contouring of follow-up scans for adaptive radiotherapy.


翻译:医学图像登记和分解是医学图像分析中最常见的两项任务。 由于这些任务具有互补性和相关性, 以联合方式同时应用它们将是有益的。 在本文中, 我们通过多任务学习( MTL) 设置, 将注册和分解作为一个共同的问题, 使这些任务能够发挥优势, 通过分享有益的信息来减轻其弱点。 我们提议不仅在损失水平上, 而且在建筑层面将这些任务合并起来。 我们研究了在对前列腺癌进行适应性、 图像导导射的放射治疗中采用这个方法, 在那里, 计划和后续的CT图像及其相应的自动等值。 这项研究涉及来自不同制造商和研究所的两个数据集。 第一个数据集分为培训( 12个病人) 和验证( 6个病人), 用于优化和验证方法, 而第二个数据集( 14个病人) 用作独立的测试。 我们从不同网络架构自动生成的变现的变现等等等质量, 以及减重法。 此外, 我们分别评估了 降价的变现的变变变变法 。

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