Imputation of missing images via source-to-target modality translation can improve diversity in medical imaging protocols. A pervasive approach for synthesizing target images involves one-shot mapping through generative adversarial networks (GAN). Yet, GAN models that implicitly characterize the image distribution can suffer from limited sample fidelity. Here, we propose a novel method based on adversarial diffusion modeling, SynDiff, for improved performance in medical image translation. To capture a direct correlate of the image distribution, SynDiff leverages a conditional diffusion process that progressively maps noise and source images onto the target image. For fast and accurate image sampling during inference, large diffusion steps are taken with adversarial projections in the reverse diffusion direction. To enable training on unpaired datasets, a cycle-consistent architecture is devised with coupled diffusive and non-diffusive modules that bilaterally translate between two modalities. Extensive assessments are reported on the utility of SynDiff against competing GAN and diffusion models in multi-contrast MRI and MRI-CT translation. Our demonstrations indicate that SynDiff offers quantitatively and qualitatively superior performance against competing baselines.


翻译:通过源模态到目标模态的翻译来填补丢失的图像,可以提高医学成像协议的多样性。广泛的方法是使用生成对抗网络(GAN)进行一次性映射来合成目标图像。但是,隐式表征图像分布的 GAN 模型可能会受到样本保真度有限的影响。本文提出一种基于对抗扩散建模的新方法 SynDiff,以改善医学图像翻译的性能。为了捕获与图像分布的直接关联,SynDiff 利用分步映射噪声和源图像到目标图像的条件扩散过程。为了在推断期间实现快速和准确的图像采样,采用了大扩散步骤和逆扩散方向的对抗投影。为了让不成对的数据集也能训练,设计了一种循环一致的架构,其中包括了耦合的扩散和非扩散模块,双向在两个模态之间进行翻译。在多对比剂MRI和MRI-CT翻译方面,对比 SynDiff 和其他对抗扩散模型进行了广泛评估。我们的实验结果表明,SynDiff 在数量和质量上均优于竞争基线。

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