基于非对称多解码器和注意力模块的三维肾脏影像结构分割模型

针对肾脏结构中,因不同结构间差异大,动静脉体积小、结构薄及计算机断层扫描血管造影(CTA)图像灰度分布不均和伪影带来的精确分割困难的问题,提出基于非对称多解码器和注意力模块的三维肾脏影像结构分割模型MDAUnet(MultiDecoder-Attention-Unet)。首先,针对不同结构间差异大导致网络无法共享权重的问题,采用多解码器结构,为语义结构不同的特征结构匹配不同的解码器分支;其次,针对血管体积小、结构薄难分割的问题,引入非对称的空间通道联合注意力模块使模型更关注管状结构,并对学习到的特征信息同时进行空间维度和通道维度的校准;最后,为了保证模型在反向传播中对血管结构有足够的关注,提出改进的加权硬区域适应损失(WHRA)作为损失函数来动态保持训练过程中血管结构的类间平衡以及保留背景信息的特征;此外,为了提高特征图灰度值的对比度,将传统图像处理边缘检测算子嵌入模型的预处理阶段,对待分割的感兴趣区域边界进行特征增强使模型更关注边界信息并抑制伪影信息。实验结果表明:所提出的MDAUnet模型在肾脏结构分割任务上的Dice相似系数(DSC),豪斯多夫距离95(HD95)和平均表面距离(AVD)分别为89.1%,1.76 mm和1.04 mm;在DSC指标上,与次优的MGANet(Meta Greyscale Adaptive Network)相比,MDAUnet提升了1.2个百分点;在HD95和ASD指标上,与次优的UNETR(UNEt TRansformers)相比,MDAUnet分别降低了0.87 mm和0.45 mm。可见MDAUnet能有效提高肾脏三维结构分割精度,有助于医生在临床手术中客观有效地评估病情。