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CoordConv-Unet: Investigating CoordConv for Organ Segmentation - 30/03/21

Doi : 10.1016/j.irbm.2021.03.002 
R. El Jurdi a, b, , C. Petitjean a, P. Honeine a, F. Abdallah b, c
a LITIS Lab, Université de Rouen Normandie, Saint-Etienne-du-Rouvray, France 
b Université Libanaise, Hadath, Beyrouth, Liban 
c ICD, M2S, Université de technologie de Troyes, Troyes, France 

Corresponding author.
Sous presse. Épreuves corrigées par l'auteur. Disponible en ligne depuis le Tuesday 30 March 2021
Cet article a été publié dans un numéro de la revue, cliquez ici pour y accéder

Graphical abstract

Proposed CoordConv-Unet model. In the top panel, the CoordConv layer consists in concatenating the x-layer and y-layer to the convolutional layer. CoordConv-Unet consists of replacing the first convolutional layer of each stage with the CoordConv layer.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Highlights

Investigation of the significance of CoordConv solution given organ segmentation under prior-based loss training.
Presenting a novel architecture, the CoordConv-Unet, as a proficient substitute to U-Net given prior constrained problems.
Shedding light on the dual role that CoordConv-Unet has in increasing and stabilizing system performance.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Abstract

Objectives

Convolutional neural networks (CNNs) have established state-of-the-art performance in computer vision tasks such as object detection and segmentation. One of the major remaining challenges concerns their ability to capture consistent spatial and anatomically plausible attributes in medical image segmentation. To address this issue, many works advocate to integrate prior information at the level of the loss function. However, prior-based losses often suffer from local solutions and training instability. The CoordConv layers are extensions of convolutional neural network wherein convolution is conditioned on spatial coordinates. The objective of this paper is to investigate CoordConv as a proficient substitute to convolutional layers for medical image segmentation tasks when trained under prior-based losses.

Methods

This work introduces CoordConv-Unet which is a novel structure that can be used to accommodate training under anatomical prior losses. The proposed architecture demonstrates a dual role relative to prior constrained CNN learning: it either demonstrates a regularizing role that stabilizes learning while maintaining system performance, or improves system performance by allowing the learning to be more stable and to evade local minima.

Results

To validate the performance of the proposed model, experiments are conducted on two well-known public datasets from the Decathlon challenge: a mono-modal MRI dataset dedicated to segmentation of the left atrium, and a CT image dataset whose objective is to segment the spleen, an organ characterized with varying size and mild convexity issues.

Conclusion

Results show that, despite the inadequacy of CoordConv when trained with the regular dice baseline loss, the proposed CoordConv-Unet structure can improve significantly model performance when trained under anatomically constrained prior losses.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Medical image segmentation, Fully convolutional networks, Prior-based losses, CoordConv, MRI, CT


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