Structure-aware diffusion for low-dose CT imaging

计算机科学 先验概率 人工智能 生成模型 噪音(视频) 迭代重建 降噪 忠诚 推论 计算机视觉 生成语法 图像(数学) 模式识别(心理学) 算法 电信 贝叶斯概率
作者
Wenchao Du,Weizhi Du,Weizhi Du,Wenchao Du,Wenchao Du,Wenchao Du
出处
期刊:Physics in Medicine and Biology [IOP Publishing]
标识
DOI:10.1088/1361-6560/ad5d47
摘要

Abstract Reducing the radiation dose leads to the X-ray computed tomography (CT) images suffering from heavy noise and artifacts, which inevitably interferes with the subsequent clinic diagnostic and analysis. Leading works have explored diffusion models for low-dose CT imaging to avoid the structure degeneration and blurring effects of previous deep denoising models. However, most of them always begin their generative processes with Gaussian noise, which has little or no structure priors of the clean data distribution, thereby leading to long-time inference and unpleasant reconstruction quality. To alleviate these problems, this paper presents a Structure-Aware Diffusion model (SAD), an end-to-end self-guided learning framework for high-fidelity CT image reconstruction. First, SAD builds a nonlinear diffusion bridge between clean and degraded data distributions, which could directly learn the implicit physical degradation prior from observed measurements. Second, SAD integrates the prompt learning mechanism and implicit neural representation into the diffusion process, where rich and diverse structure representations extracted by degraded inputs are exploited as prompts, which provides global and local structure priors, to guide CT image reconstruction. Finally, we devise an efficient self-guided diffusion architecture using an iterative updated strategy, which further refines structural prompts during each generative step to drive finer image reconstruction. Extensive experiments on AAPM-Mayo and LoDoPaB-CT datasets demonstrate that our SAD could achieve superior performance in terms of noise removal, structure preservation, and blind-dose generalization, with few generative steps, even one step only.
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