Causality-Inspired Single-Source Domain Generalization for Medical Image Segmentation

人工智能 计算机科学 分割 虚假关系 图像分割 稳健性(进化) 模式识别(心理学) 领域(数学分析) 深度学习 一般化 计算机视觉 背景(考古学) 图像(数学) 机器学习 数学 数学分析 古生物学 基因 生物 生物化学 化学
作者
Cheng Ouyang,Chen Chen,Surui Li,Zeju Li,Chen Qin,Wenjia Bai,Daniel Rueckert
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:42 (4): 1095-1106 被引量:116
标识
DOI:10.1109/tmi.2022.3224067
摘要

Deep learning models usually suffer from the domain shift issue, where models trained on one source domain do not generalize well to other unseen domains. In this work, we investigate the single-source domain generalization problem: training a deep network that is robust to unseen domains, under the condition that training data are only available from one source domain, which is common in medical imaging applications. We tackle this problem in the context of cross-domain medical image segmentation. In this scenario, domain shifts are mainly caused by different acquisition processes. We propose a simple causality-inspired data augmentation approach to expose a segmentation model to synthesized domain-shifted training examples. Specifically, 1) to make the deep model robust to discrepancies in image intensities and textures, we employ a family of randomly-weighted shallow networks. They augment training images using diverse appearance transformations. 2) Further we show that spurious correlations among objects in an image are detrimental to domain robustness. These correlations might be taken by the network as domain-specific clues for making predictions, and they may break on unseen domains. We remove these spurious correlations via causal intervention. This is achieved by resampling the appearances of potentially correlated objects independently. The proposed approach is validated on three cross-domain segmentation scenarios: cross-modality (CT-MRI) abdominal image segmentation, cross-sequence (bSSFP-LGE) cardiac MRI segmentation, and cross-site prostate MRI segmentation. The proposed approach yields consistent performance gains compared with competitive methods when tested on unseen domains.
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