Principle-Guided Supervision for Interpretable Uncertainty in Medical Image Segmentation

An Sui, Yuzhu Li, Gunter Schumann, Fuping Wu, Xiahai Zhuang

arXiv:2605.10984 · 2026-05-13 공개 · arXiv · PDF

uncertainty-quantification medical-image-segmentation evidential-learning acdc-dataset isic-dataset whs-dataset interpretable-uncertainty image-contrast

Abstract

Uncertainty quantification complements model predictions by characterizing their reliability, which is essential for high-stakes decision making such as medical image segmentation. However, most existing methods reduce uncertainty to a scalar confidence estimate, leaving its spatial distribution semantically underconstrained. In this work, we focus on uncertainty interpretability, namely, whether estimated uncertainty behaves in a human-understandable manner with respect to sources of ambiguity. We identify three perception-aligned principles requiring the spatial distribution of uncertainty to reflect: (1) image contrast between structures, (2) severity of image corruption, and (3) geometric complexity in anatomical structures. Accordingly, we develop a principle-guided uncertainty supervision framework (PriUS) based on evidential learning, in which the corresponding supervision objectives are explicitly enforced during training. We further introduce quantitative metrics to measure the consistency between predicted uncertainty and image attributes that induce ambiguity. Experiments on ACDC, ISIC, and WHS datasets showed that, compared with state-of-the-art methods, PriUS produced more consistent uncertainty estimates while maintaining competitive segmentation performance.

한국어 요약

📋 한 줄 요약

**[의료 영상 / 불확실성 정량화]** 의료 영상 분할의 불확실성을 단일 스칼라가 아닌 인간 인지 원리(대비, 손상 심각도, 기하 복잡도) 3가지에 정렬하도록 명시적으로 감독하는 PriUS 프레임워크를 제안한다.

🎯 핵심 기여도

💡 핵심 아이디어

대부분의 불확실성 정량화 방법은 신뢰도를 스칼라로 압축해 공간적·의미적 분포가 의미 있게 행동하지 않는다. 의사가 이해할 수 있는 형태로 불확실성이 분포해야 한다는 관점에서, "어디에 모호성이 있어야 하는가"라는 인지 원리를 명시적 감독 목적으로 학습에 주입한다.

🔬 기술적 접근법

📊 주요 결과

💭 의의 및 한계

**의의**: 의료 영상에서 "모델이 모른다"는 신호가 실제로 해석 가능하고 임상의가 이해할 수 있는 영역에 분포하도록 강제한다는 점에서, 고위험 의사결정 보조의 신뢰성을 한 단계 끌어올린다. **한계**: 3가지 원리가 모든 임상 시나리오를 포괄하지는 않으며, 새로운 모달리티나 질환에서는 추가 원리 정의가 필요할 수 있고 감독 신호 자체가 휴리스틱 정의에 의존한다.

🚀 실용적 활용