Two-stage contextual transformer-based convolutional neural network for airway extraction from CT images

气道 计算机科学 分割 人工智能 编码器 卷积神经网络 深度学习 模式识别(心理学) 计算机视觉 医学 外科 操作系统
作者
Yanan Wu,Shuiqing Zhao,Shouliang Qi,Jie Feng,Haowen Pang,Runsheng Chang,Long Bai,Mengqi Li,Shuyue Xia,Wei Qian,Hongliang Ren
出处
期刊:Artificial Intelligence in Medicine [Elsevier]
卷期号:143: 102637-102637 被引量:19
标识
DOI:10.1016/j.artmed.2023.102637
摘要

Accurate airway segmentation from computed tomography (CT) images is critical for planning navigation bronchoscopy and realizing a quantitative assessment of airway-related chronic obstructive pulmonary disease (COPD). Existing methods face difficulty in airway segmentation, particularly for the small branches of the airway. These difficulties arise due to the constraints of limited labeling and failure to meet clinical use requirements in COPD. We propose a two-stage framework with a novel 3D contextual transformer for segmenting the overall airway and small airway branches using CT images. The method consists of two training stages sharing the same modified 3D U-Net network. The novel 3D contextual transformer block is integrated into both the encoder and decoder path of the network to effectively capture contextual and long-range information. In the first training stage, the proposed network segments the overall airway with the overall airway mask. To improve the performance of the segmentation result, we generate the intrapulmonary airway branch label, and train the network to focus on producing small airway branches in the second training stage. Extensive experiments were performed on in-house and multiple public datasets. Quantitative and qualitative analyses demonstrate that our proposed method extracts significantly more branches and longer lengths of the airway tree while accomplishing state-of-the-art airway segmentation performance. The code is available at https://github.com/zhaozsq/airway_segmentation.

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