Radiologists have different training and clinical experiences, which may result in various segmentation annotations for lung nodules, causing segmentation uncertainty. Conventional methods usually select a single annotation as the learning target or try to learn a latent space of various annotations, but these approaches waste the valuable information of consensus or disagreements ingrained in the multiple annotations. In this paper, we propose an Uncertainty-Aware Attention Mechanism (UAAM) that utilizes consensus and disagreements among multiple annotations to facilitate better segmentation. To achieve this, we introduce the Multi-Confidence Mask (MCM), which is a combination of a Low-Confidence (LC) Mask and a High-Confidence (HC) Mask. The LC mask indicates regions with a low segmentation confidence, which may cause different segmentation options among radiologists. Following UAAM, we further design an Uncertainty-Guide Segmentation Network (UGS-Net), which contains three modules: a Feature Extracting Module that captures a general feature of a lung nodule, an Uncertainty-Aware Module that produces three features for the annotations' union, intersection, and annotation set, and an Intersection-Union Constraining Module that uses distances between the three features to balance the predictions of final segmentation, LC mask, and HC mask. To fully demonstrate the performance of our method, we propose a Complex Nodule Validation on LIDC-IDRI, which tests UGS-Net's segmentation performance on lung nodules that are difficult to segment using U-Net. Experimental results demonstrate that our method can significantly improve the segmentation performance on nodules with poor segmentation by U-Net.


翻译:放射科医师对于肺结节的训练和临床经验不同,可能导致多个标注之间存在分割不确定性。传统方法通常选择单个标注作为学习目标或尝试学习各种标注的潜在空间,但这些方法浪费了在多个标注中固有的共识或不一致性的宝贵信息。本文提出了一种不确定性感知注意力机制(UAAM),利用多个标注之间的共识和不一致性来促进更好的分割。为了实现这一点,我们引入了多个置信度掩码(MCM),它是低置信度(LC)掩码和高置信度(HC)掩码的组合。LC掩码指示分割置信度较低的区域,这可能导致放射科医师之间的不同分割选项。在UAAM之后,我们进一步设计了一种不确定性引导分割网络(UGS-Net),它包含三个模块:一个特征提取模块,用于捕获肺结节的常规特征,一个不确定性感知模块,用于生成联合、交集和注释集三个特征,以及一个交集-并集约束模块,用于使用三个特征之间的距离来平衡最终分割、LC掩码和HC掩码之间的预测。为了充分展示我们方法的性能,我们提出了一种基于LIDC-IDRI的复杂结节验证方法,它测试UGS-Net在使用U-Net难以分割的肺结节上的分割性能。实验结果表明,我们的方法可以显着提高U-Net无法良好分割的肺结节的分割性能。

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