Weakly Supervised Segmentation in Medical Imaging: A Counterfactual Approach

Abstract

Süvaõpe on muutmas meditsiinilise piltdiagnostika valdkonda. Näiteks täiustatakse süvaõppe mudelitega patoloogiate tuvastamist kompuutertomograafia- ja röntgenpiltidelt. Kahjuks on selliste mudelite treenimine keerukas kuna need eeldavad suurte märgendatud andmestike olemasolu, mida meditsiinilise piltdiagnostika valdkonnas on raske koguda. Käesolev lõputöö proovib seda probleemi lahendada läbi nõrgalt juhendatud semantilise segmenteerimise ja seletatava tehisintellekti tehnikate. Magistritöös kirjeldatakse innovaatilist meetodit nimega kontrafaktuaalne maalimine (Counterfactual Inpainting - COIN), mille käigus pööratakse klassifitseerimismudeli prognoos meditsiinilisele pildile anomaalsest normaalseks läbi patoloogilise piirkonna “üle maalimise” (kustutamisele). Näiteks kui klassifitseerimismudel hindab pildi anomaalseks (ehk patoloogiliseks), siis COIN loob pildist võimalikult minimaalsete muudatustega kontrafaktuaalse pildi, mis pööraks ümber klassifitseerija esialgse ennustuse. Sellise meetodiga saab segmenteerida patoloogiaid vaid pildi tasemel märgenditega, hüljates nii täpsete segmenteerimismaskide kasutamise, mida on keeruline hankida. COIN mudeli tõhusust hinnati Totalsegmentori ja Tartu Ülikooli Kliinikumi kompuutertomograafiapiltide andmestikel, kus segmenteeriti sellega nii tehislike kasvajaid kui ka päris kasvajaid neerudes. Tulemused näitavad et COIN ületab oluliselt traditsioonilisi seletatava tehisintellekti meetodeid nagu ScoreCAM, LayerCAM ja RISE ja ka võrdluseks võetud tavalist kontrafaktuaalmeetodit. Need leiud kinnitavad, et COIN on paljulubav meetod neerukasvajate segmenteerimiseks kompuutertomograafia piltidel, tehes olulise edusammu sügavõppe rakendamisel tervishoiuvaldkonnas, mida piirab märgendatud andmete nappus. Väljatöötatud metoodika mitte ainult ei püüdle meditsiinivaldkonnas nõutava kõrge täpsuse poole, vaid vähendab ka sõltuvust ulatuslikest annoteeritud andmestikest, kasutades ära poolautomaatseid märgistamistehnikaid.