Zero-Shot Medical Image Translation via Frequency-Guided Diffusion Models

计算机科学 人工智能 稳健性(进化) 翻译(生物学) 计算机视觉 图像翻译 频域 医学影像学 图像质量 图像配准 扩散过程 扩散 生成模型 噪音(视频) 图像(数学) 模式识别(心理学) 算法 生成语法 化学 信使核糖核酸 基因 生物化学 知识管理 物理 热力学 创新扩散
作者
Yunxiang Li,Hua‐Chieh Shao,Xiao Liang,Liyuan Chen,Ruiqi Li,Steve Jiang,Jing Wang,You Zhang
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:43 (3): 980-993 被引量:12
标识
DOI:10.1109/tmi.2023.3325703
摘要

Recently, the diffusion model has emerged as a superior generative model that can produce high quality and realistic images. However, for medical image translation, the existing diffusion models are deficient in accurately retaining structural information since the structure details of source domain images are lost during the forward diffusion process and cannot be fully recovered through learned reverse diffusion, while the integrity of anatomical structures is extremely important in medical images. For instance, errors in image translation may distort, shift, or even remove structures and tumors, leading to incorrect diagnosis and inadequate treatments. Training and conditioning diffusion models using paired source and target images with matching anatomy can help. However, such paired data are very difficult and costly to obtain, and may also reduce the robustness of the developed model to out-of-distribution testing data. We propose a frequency-guided diffusion model (FGDM) that employs frequency-domain filters to guide the diffusion model for structure-preserving image translation. Based on its design, FGDM allows zero-shot learning, as it can be trained solely on the data from the target domain, and used directly for source-to-target domain translation without any exposure to the source-domain data during training. We evaluated it on three cone-beam CT (CBCT)-to-CT translation tasks for different anatomical sites, and a cross-institutional MR imaging translation task. FGDM outperformed the state-of-the-art methods (GAN-based, VAE-based, and diffusion-based) in metrics of Fréchet Inception Distance (FID), Peak Signal-to-Noise Ratio (PSNR), and Structural Similarity Index Measure (SSIM), showing its significant advantages in zero-shot medical image translation.
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