One Model to Synthesize Them All: Multi-Contrast Multi-Scale Transformer for Missing Data Imputation

计算机科学 插补(统计学) 可解释性 缺少数据 变压器 卷积神经网络 人工智能 对比度(视觉) 编码器 预处理器 模式识别(心理学) 数据挖掘 机器学习 物理 操作系统 电压 量子力学
作者
Jiang Liu,Srivathsa Pasumarthi,Ben A. Duffy,Enhao Gong,Keshav Datta,Greg Zaharchuk
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:42 (9): 2577-2591 被引量:48
标识
DOI:10.1109/tmi.2023.3261707
摘要

Multi-contrast magnetic resonance imaging (MRI) is widely used in clinical practice as each contrast provides complementary information. However, the availability of each imaging contrast may vary amongst patients, which poses challenges to radiologists and automated image analysis algorithms. A general approach for tackling this problem is missing data imputation, which aims to synthesize the missing contrasts from existing ones. While several convolutional neural networks (CNN) based algorithms have been proposed, they suffer from the fundamental limitations of CNN models, such as the requirement for fixed numbers of input and output channels, the inability to capture long-range dependencies, and the lack of interpretability. In this work, we formulate missing data imputation as a sequence-to-sequence learning problem and propose a multi-contrast multi-scale Transformer (MMT), which can take any subset of input contrasts and synthesize those that are missing. MMT consists of a multi-scale Transformer encoder that builds hierarchical representations of inputs combined with a multi-scale Transformer decoder that generates the outputs in a coarse-to-fine fashion. The proposed multi-contrast Swin Transformer blocks can efficiently capture intra- and inter-contrast dependencies for accurate image synthesis. Moreover, MMT is inherently interpretable as it allows us to understand the importance of each input contrast in different regions by analyzing the in-built attention maps of Transformer blocks in the decoder. Extensive experiments on two large-scale multi-contrast MRI datasets demonstrate that MMT outperforms the state-of-the-art methods quantitatively and qualitatively.
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