Este protocolo describe el entrenamiento de un modelo de inteligencia artificial para detectar la disección aórtica utilizando imágenes de tomografía computarizada sin contraste, permitiendo un cribado rápido y accesible en entornos clínicos.
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Este protocolo describe el entrenamiento de un modelo de inteligencia artificial para detectar la disección aórtica utilizando imágenes de tomografía computarizada sin contraste, permitiendo un cribado rápido y accesible en entornos clínicos.
La disección aórtica (EA) es una consecuencia extrema de una homeostasis de remodelación vascular deteriorada y requiere una identificación rápida y precisa en la práctica clínica. Este protocolo describe un modelo de aprendizaje basado en inteligencia artificial para la identificación de la EA utilizando tomografía computarizada (TC) sin contraste. Se recopilaron conjuntos de datos de angiografías de TC de tórax y de aorta de pacientes con y no EA en un hospital terciario de grado A. Las estructuras vasculares de cada imagen axial se segmentaron y anotaron manualmente utilizando el software de código abierto LabelMe para establecer un conjunto de datos de segmentación para el desarrollo y evaluación de modelos. El conjunto de datos se particionó en conjuntos de entrenamiento, prueba y validación con una proporción de 8:1:1 para entrenamiento y validación del modelo. Tras el desarrollo de un modelo con un rendimiento de detección robusto, se construyó una plataforma de procesamiento en línea para visualizar y presentar los resultados de manera eficaz. Este enfoque proporciona una herramienta poderosa e inteligente para el cribado rápido y preliminar de la EA y responde a la necesidad clínica no satisfecha de una detección temprana accesible en diversos entornos clínicos.
La disección aórtica (EA) es una afección aguda que pone en peligro la vida y se caracteriza por la entrada de sangre en la capa medial de la pared aórtica a través de un desgarro en el revestimiento íntimo, formando un falso lumen1 que diseca y se expande. Sin un diagnóstico y tratamiento oportunos, la tasa de mortalidad es extremadamente alta, y la incidencia de muertes en un plazo de 24 horas (incluyendo la muerte antes de llegar al hospital) fue del 93%2. La angiografía por tomografía computarizada con contraste (CTA) es el estándar de oro para el diagnóstico de la EA, ya que puede visualizar claramente los lumenes verdaderos y falsos, la ubicación del desgarro y el grado deafectación 3. Sin embargo, la CTA requiere la inyección de agentes de contraste que contienen yodo, que conllevan riesgos de reacciones alérgicas ynefrotoxicidad 4,5. Además, lograr disponibilidad rápida las 24 horas es difícil en muchos hospitales de primaria o en entornos de urgencias. En cambio, la tomografía computarizada sin contraste (NCCT) no requiere agentes de contraste, ofreciendo un examen rápido y conveniente con una dosis de radiación relativamente baja y una aplicación más amplia. Sin embargo, en las imágenes NCCT, el contraste entre los lúmenes verdaderos y falsos, así como entre el colgajo íntimo y la sangre, es bajo, lo que supone importantes dificultades para el diagnóstico visual de los médicos y puede llevar fácilmente a diagnósticos fallidos o erróneos, especialmente entre clínicos menos experimentados. Por lo tanto, el desarrollo de una técnica capaz de lograr la detección automática de la EA de alta precisión y alta sensibilidad directamente a partir de imágenes NCCT tiene un valor clínico importante y perspectivas de aplicación.
Los avances recientes en aprendizaje profundo han permitido la identificación precisa de características patológicas a partir de imágenes médicas sincontraste 6,7. La red de alta resolución (HRNet) mantiene mapas de características de alta resolución en toda la red, mientras que la red de presión y excitación (SENet) mejora la representación de características modelando dependencias entrecanales 8. La combinación de HRNet y SENet proporciona una estrategia eficaz de extracción de características para la representación multiescala de imágenes NCCT, lo cual es crucial para detectar signos sutiles de AD, como solapas íntimas y signos de doble luz. En este caso, este concepto de extracción de características se implementa dentro de un marco de detección de objetos utilizando MMDetection y la Red Neuronal Convolucional basada en Regiones en Cascada (R-CNN), lo que permite una localización y clasificación robusta de la disección aórtica.
En este estudio, el modelo de inteligencia artificial (IA) basado en HRNet+SENet emplea un proceso de entrenamiento escalonado para identificar la DA a partir de imágenes NCCT (Figura 1). Hace hincapié en la estandarización de conjuntos de datos, la extracción de características multiescala y la adaptabilidad clínica. El objetivo de este método es proporcionar un enfoque fiable para la detección de EA, especialmente en entornos de urgencias y atención primaria donde la imagen con contraste es limitada o no está disponible.

Figura 1. Flujo de trabajo del modelo de inteligencia artificial (IA) para la detección de disección aórtica (DA). Esquema de la cadena de entrenamiento del modelo de IA para la detección de DA utilizando imágenes de tomografía computarizada sin contraste (NCCT). El flujo de trabajo incluye la preparación de datos (recogida y anotación de imágenes, estandarización y preprocesamiento de formatos, y división de conjuntos de datos), construcción del modelo (columna vertebral HRNetV2p-W32 integrada dentro de un marco de detección Cascade R-CNN e inicializada con pesos preentrenados COCO), entrenamiento del modelo (optimizador SGD, tasa de aprendizaje de recocido coseno y pérdida de entropía cruzada), evaluación del modelo (métricas cuantitativas y visualización cualitativa) y aplicación clínica. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.
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Toda la recopilación de datos relacionados con el ser humano en este estudio se realizó conforme a los estándares éticos de la Declaración de Helsinki y fue aprobada por el Comité de Ética del Hospital de la Unión China-Japón de la Universidad de Jilin (Número de Aprobación: 2019103004). Se obtuvo el consentimiento informado por escrito de todos los participantes individuales o de sus tutores legales antes de la recopilación de la información relevante. Toda la información personal de los sujetos se mantuvo estrictamente confidencial para proteger su privacidad, y no se realizaron operaciones experimentales durante el proceso de recogida de datos.
1. Construcción de conjuntos de datos

Figura 2. Anotación manual de AD en la imagen NCCT. Imagen representativa axial NCCT que demuestra la anotación manual de AD. La región aórtica y las características patológicas, incluido el colgajo íntimo, están delineadas mediante un polígono (verde). Esta imagen anotada se utiliza para el entrenamiento de modelos. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.
2. Arquitectura del modelo

Figura 3. Detección de la AD usando el modelo de IA. Izquierda: Introduzca imagen NCCT. Derecha: Salida del modelo que muestra la detección de AD, con la región predicha resaltada por un recuadro delimitador y la puntuación de confianza asociada. Esta figura muestra la identificación de la EA en imágenes NCCT y la visualización de los resultados de detección. La puntuación de confianza representa la confianza de predicción del modelo para la detección de AD . Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.
3. Entrenamiento de modelos
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Esta sección presenta los resultados reproducibles y verificados en la implementación del modelo de detección de objetos de dos clases para detección de AD a partir de imágenes NCCT, estrictamente alineados con la cadena de entrenamiento validada y el marco de evaluación COCO (Figura 1). Todas las métricas se derivan del conjunto de pruebas que se ha mostrado usando COCOeval, sin datos fabricados ni indicadores no validados.
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Los clínicos, especialmente los médicos de urgencias, pueden experimentar una disminución del rendimiento diagnóstico cuando los pacientes presentan síntomas atípicos o cuando un alto volumen de pacientes en urgencias impone limitaciones de tiempo. En cambio, un modelo de IA entrenado para identificar la EA en NCCT puede ofrecer un rendimiento consistente y estable incluso en pacientes asintomáticos, sin estar limitado por el tiempo de lectura, mejorando así potencialmente la precisión y...
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Los autores no declaran conflictos de interés.
Los autores agradecen mucho al Departamento de Radiología del Hospital Unido China-Japón de la Universidad de Jilin por proporcionar datos de imagen clínica y apoyo experto en anotaciones. Este estudio fue apoyado por el Departamento de Ciencia y Tecnología de la provincia de Jilin, China (Subvención nº 20220402076GH).
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Arquitectura Cascade R-CNN | OpenMMLab (MMDetection) | configuraciones/cascade_rcnn/cascade_ rcnn_hrnetv2p_w32_20e_coco.py | Arquitectura de detección utilizada en el marco |
| Imágenes de tomografía computarizada de tórax (sin contraste) | Conjunto de datos clínico autoconstruido | Conjunto de imágenes axiales NCCT | Datos de imagen clínica utilizados para el desarrollo de modelos |
| Archivos de anotación en formato COCO | Generados durante el protocolo | JSON (formato COCO) | Archivos de anotación convertidos usados para el entrenamiento de modelos |
| Pesas preentrenadas COCO | OpenMMLab MMDetection modelo zoo | cascade_rcnn_hrnetv2p_w32_20e_ coco_20200208-928455a4.pth | Utilizado para la inicialización de modelos |
| Arquitectura HRNetV2p-W32 | OpenMMLab (MMDetection) | Columna vertebral HRNetV2p-W32 (implementado en MMDetection 2.28.2) | Modelo de columna vertebral utilizado |
| ITK-SNAP | Equipo de desarrollo de ITK-SNAP | 3.8.0 | Utilizado para conversión de formatos de imagen y exportación de cortes |
| Archivos de anotación JSON | Salida LabelMe | Formato JSON estándar | Contiene coordenadas de anotación y etiquetas |
| LabelMe | MIT CSAIL | 4.8.3 | Utilizado para anotación manual de imágenes |
| MMDetection | OpenMMLab | 2.28.2 | Marco de detección de objetos utilizado para la implementación |
| MMCV | OpenMMLab | 1.7.2 | Biblioteca central que soporta MMDetection |
| NumPy | Desarrolladores NumPy | 1.26.4 | Biblioteca de cálculo numérico |
| NVIDIA RTX 3080 Ti GPU | NVIDIA | RTX 3080 Ti | Hardware utilizado para el entrenamiento |
| OpenCV | OpenCV | 4.9.0 | Procesamiento y visualización de imágenes |
| pycocotools | PyPI / COCO API | 2.0.6 | Biblioteca de evaluación en formato COC |
| Python | Fundación de Software Python | 3.10.20 | Entorno de programación |
| PyTorch | PyTorch | 2.0.1+cu118 | Marco de aprendizaje profundo |
| TorchVision | PyTorch | 0.15.2+cu118 | Servicios de visión |
| Sistema operativo Ubuntu | Canónico | 22.04.1 LTS | Entorno de entrenamiento OS |
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