A Two-Stage Generative Model with CycleGAN and Joint Diffusion for MRI-based Brain Tumor Detection

人工智能 分割 计算机科学 模式识别(心理学) 阈值 生成模型 联合概率分布 图像分割 一般化 生成语法 图像(数学) 数学 统计 数学分析
作者
Wenxin Wang,Zhuo‐Xu Cui,Guanxun Cheng,Chentao Cao,Xi Xu,Ziwei Liu,Haifeng Wang,Yulong Qi,Dong Liang,Yanjie Zhu
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2311.03074
摘要

Accurate detection and segmentation of brain tumors is critical for medical diagnosis. However, current supervised learning methods require extensively annotated images and the state-of-the-art generative models used in unsupervised methods often have limitations in covering the whole data distribution. In this paper, we propose a novel framework Two-Stage Generative Model (TSGM) that combines Cycle Generative Adversarial Network (CycleGAN) and Variance Exploding stochastic differential equation using joint probability (VE-JP) to improve brain tumor detection and segmentation. The CycleGAN is trained on unpaired data to generate abnormal images from healthy images as data prior. Then VE-JP is implemented to reconstruct healthy images using synthetic paired abnormal images as a guide, which alters only pathological regions but not regions of healthy. Notably, our method directly learned the joint probability distribution for conditional generation. The residual between input and reconstructed images suggests the abnormalities and a thresholding method is subsequently applied to obtain segmentation results. Furthermore, the multimodal results are weighted with different weights to improve the segmentation accuracy further. We validated our method on three datasets, and compared with other unsupervised methods for anomaly detection and segmentation. The DSC score of 0.8590 in BraTs2020 dataset, 0.6226 in ITCS dataset and 0.7403 in In-house dataset show that our method achieves better segmentation performance and has better generalization.
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