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CA-Net: Comprehensive Attention Convolutional Neural Networks for Explainable Medical Image Segmentation

分割 卷积神经网络 人工智能 计算机科学 图像分割 频道(广播) 深度学习 模式识别(心理学) 计算机视觉 特征(语言学) 计算机网络 语言学 哲学
作者
Ran Gu,Guotai Wang,Tao Song,Rui Huang,Michaël Aertsen,Jan Deprest,Sébastien Ourselin,Tom Vercauteren,Shaoting Zhang
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:40 (2): 699-711 被引量:431
标识
DOI:10.1109/tmi.2020.3035253
摘要

Accurate medical image segmentation is essential for diagnosis and treatment planning of diseases.Convolutional Neural Networks (CNNs) have achieved state-of-the-art performance for automatic medical image segmentation.However, they are still challenged by complicated conditions where the segmentation target has large variations of position, shape and scale, and existing CNNs have a poor explainability that limits their application to clinical decisions.In this work, we make extensive use of multiple attentions in a CNN architecture and propose a comprehensive attention-based CNN (CA-Net) for more accurate and explainable medical image segmentation that is aware of the most important spatial positions, channels and scales at the same time.In particular, we first propose a joint spatial attention module to make the network focus more on the foreground region.Then, a novel channel attention module is proposed to adaptively recalibrate channel-wise feature responses and highlight the most relevant feature channels.Also, we propose a scale attention module implicitly emphasizing the most salient feature maps among multiple scales so that the CNN is adaptive to the size of an object.Extensive experiments on skin lesion segmentation from ISIC 2018 and multi-class segmentation of fetal MRI found that our proposed CA-Net significantly improved the average segmentation Dice score from 87.77% to 92.08% for skin lesion, 84.79% to 87.08% for the placenta and 93.20% to 95.88% for the fetal brain respectively compared with U-Net.It reduced the model size to around 15 times smaller with close or even better accuracy compared with state-of-the-art DeepLabv3+.In addition, it has a much higher explainability than existing networks by visualizing the attention weight maps.Our code is available at https://github.com/HiLabgit/CA
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