Este protocolo descreve o treinamento de um modelo de inteligência artificial para detectar dissecação aórtica usando imagens de tomografia computorizada sem contraste, possibilitando triagem rápida e acessível em ambientes clínicos.
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Este protocolo descreve o treinamento de um modelo de inteligência artificial para detectar dissecação aórtica usando imagens de tomografia computorizada sem contraste, possibilitando triagem rápida e acessível em ambientes clínicos.
A dissecção aórtica (DA) é uma consequência extrema da homeostase de remodelação vascular comprometida e requer identificação rápida e precisa na prática clínica. Este protocolo descreve um modelo de aprendizado baseado em inteligência artificial para identificação de DA, utilizando tomografia computorizada (TC) sem contraste. Conjuntos de dados de tomografia computorizada torácica e angiografia aórtica foram coletados de pacientes com e não DAs em um hospital terciário de grau A. As estruturas vasculares de cada imagem axial foram segmentadas manualmente e anotadas usando o software de código aberto LabelMe para estabelecer um conjunto de dados de segmentação para desenvolvimento e avaliação de modelos. O conjunto de dados foi dividido em conjuntos de treinamento, teste e validação em uma proporção de 8:1:1 para treinamento e validação do modelo. Após o desenvolvimento de um modelo com desempenho robusto de detecção, foi construída uma plataforma de processamento online para visualizar e apresentar os resultados de forma eficaz. Essa abordagem oferece uma ferramenta poderosa e inteligente para triagem rápida e preliminar da Alzheimer e atende à necessidade clínica não atendida por detecção precoce acessível em diversos ambientes clínicos.
A dissecção aórtica (DA) é uma condição aguda potencialmente fatal caracterizada pela entrada de sangue na camada medial da parede aórtica através de uma ruptura no revestimento íntimo, formando um falsolúmen 1 dissecante e expansivo. Sem diagnóstico e tratamento oportunos, a taxa de mortalidade é extremamente alta, a incidência de morte em até 24 horas (incluindo a morte antes de chegar ao hospital) foi de 93%2. A tomografia computadorizada com contraste (CTA) é o padrão ouro para diagnóstico da DA, pois pode visualizar claramente os lúmens verdadeiros e falsos, a localização da rotura e o grau deenvolvimento 3. No entanto, a ATC exige a injeção de agentes de contraste contendo iodo, que acarretam riscos de reações alérgicas e nefrotoxicidade 4,5. Além disso, alcançar disponibilidade rápida 24 horas é difícil em muitos hospitais primários ou ambientes de emergência. Em contraste, a tomografia computométrica sem contraste (NCCT) não requer agentes de contraste, oferecendo um exame conveniente e rápido com uma dose relativamente baixa de radiação e aplicação mais ampla. No entanto, nas imagens NCCT, o contraste entre os lúmenes verdadeiros e falsos, assim como entre o retalho íntimo e o sangue, é baixo, representando desafios significativos para o diagnóstico visual dos médicos e levando facilmente a diagnósticos errados ou errados, especialmente entre profissionais menos experientes. Portanto, o desenvolvimento de uma técnica capaz de alcançar a detecção automática de AD de alta precisão e alta sensibilidade diretamente a partir de imagens NCCT possui um valor clínico importante e perspectivas de aplicação.
Avanços recentes em aprendizado profundo permitiram a identificação precisa de características patológicas a partir de imagens médicas semcontraste 6,7. A rede de alta resolução (HRNet) mantém mapas de características de alta resolução em toda a rede, enquanto a rede de aperto e excitação (SENet) aprimora a representação de características ao modelar dependências entrecanais 8. A combinação de HRNet e SENet fornece uma estratégia eficaz de extração de características para representação multiescala de imagens NCCT, o que é crucial para detectar sinais sutis de AD, como abas íntimas e sinais de duplo lúmen. Aqui, esse conceito de extração de características é implementado dentro de um framework de detecção de objetos usando MMDetection e Rede Neural Convolucional Baseada em Região em Cascata (R-CNN), permitindo localização robusta e classificação da dissecação aórtica.
Neste estudo, o modelo de inteligência artificial (IA) baseado em HRNet+SENet emprega um processo de treinamento por etapas para identificar a DA a partir de imagens NCCT (Figura 1). Ele enfatiza a padronização de conjuntos de dados, extração de características multiescala e adaptabilidade clínica. O objetivo desse método é fornecer uma abordagem confiável para a detecção de DA, especialmente em ambientes de emergência e atenção primária onde imagens com contraste são limitadas ou indisponíveis.

Figura 1. Fluxo de trabalho do modelo de inteligência artificial (IA) para detecção de dissecação aórtica (DA). Esquema do pipeline de treinamento do modelo de IA para detecção de DA usando imagens de tomografia computadorizada sem contraste (NCCT). O fluxo de trabalho inclui preparação de dados (coleta e anotação de imagens, padronização e pré-processamento de formatos, e divisão de conjuntos de dados), construção do modelo (backbone HRNetV2p-W32 integrado em um framework de detecção Cascade R-CNN e inicializado com pesos pré-treinados do COCO), treinamento do modelo (otimizador SGD, taxa de aprendizado por recozimento cosseno e perda de entropia cruzada), avaliação do modelo (métricas quantitativas e visualização qualitativa) e aplicação clínica. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.
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Toda a coleta de dados relacionados a humanos neste estudo foi realizada de acordo com os padrões éticos da Declaração de Helsinque e foi aprovada pelo Comitê de Ética do Hospital da União China-Japão da Universidade de Jilin (Número de Aprovação: 2019103004). O consentimento informado foi obtido por escrito de todos os participantes individuais ou de seus tutores legais antes da coleta de suas informações relevantes. Todas as informações pessoais dos participantes eram mantidas estritamente confidenciais para proteger sua privacidade, e nenhuma operação experimental foi realizada durante o processo de coleta de dados.
1. Construção do Conjunto de Dados

Figura 2. Anotação manual de AD na imagem NCCT. Imagem representativa axial NCCT demonstrando a anotação manual da AD. A região aórtica e as características patológicas, incluindo o retalho íntimo, são delineadas usando um polígono (verde). Essa imagem anotada é usada para treinamento de modelos. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.
2. Arquitetura de Modelos

Figura 3. Detecção de AD usando o modelo de IA. Esquerda: Insira imagem NCCT. Direita: Saída do modelo mostrando a detecção de AD, com a região prevista destacada por uma caixa delimitadora e a pontuação de confiança associada. Esta figura demonstra a identificação da DA em imagens NCCT e a visualização dos resultados da detecção. A pontuação de confiança representa a confiança de previsão do modelo para a detecção de AD . Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
3. Treinamento de modelos
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Esta seção apresenta os resultados reproduzíveis e verificados pela implementação do modelo de detecção de objetos de duas classes para detecção de AD a partir de imagens NCCT, estritamente alinhados com o pipeline de treinamento validado e a estrutura de avaliação COCO (Figura 1). Todas as métricas são derivadas do conjunto de teste mantido usando COCOeval, sem dados fabricados ou indicadores não validados.
Desempenho de ...
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Clínicos, especialmente os médicos de emergência, podem apresentar desempenho diagnóstico diminuído quando os pacientes apresentam sintomas atípicos ou quando o alto volume de pacientes no pronto-socorro impõe restrições de tempo. Em contraste, um modelo de IA treinado para identificar DA no NCCT pode entregar desempenho consistente e estável mesmo em pacientes assintomáticos, sem ser limitado pelo tempo de leitura, potencialmente melhorando a precisão e eficiência do diagnóstico de DA e...
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Os autores não declaram conflitos de interesse.
Os autores agradecem com gratidão ao Departamento de Radiologia do Hospital União China-Japão da Universidade de Jilin pelo fornecimento de dados de imagem clínica e suporte especializado em anotação. Este estudo foi apoiado pelo Departamento de Ciência e Tecnologia da Província de Jilin, China (Bolsa nº 20220402076GH).
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Arquitetura Cascade R-CNN | OpenMMLab (MMDetection) | configs/cascade_rcnn/cascade_ rcnn_hrnetv2p_w32_20e_coco.py | Arquitetura de detecção usada no framework |
| Imagens de tomografia computorizada torácica (sem contraste) | Conjunto de dados clínicos auto-construídos | Conjunto axial de imagem NCCT | Dados de imagem clínica usados para o desenvolvimento de modelos |
| Arquivos de anotação no formato COCO | Gerado durante o protocolo | JSON (formato COCO) | Arquivos de anotação convertidos usados para treinamento de modelos |
| Pesos pré-treinados COCO | OpenMMLab MMDetection modelo zoo | cascade_rcnn_hrnetv2p_w32_20e_ coco_20200208-928455a4.pth | Usado para inicialização de modelos |
| Arquitetura HRNetV2p-W32 | OpenMMLab (MMDetection) | HRNetV2p-W32 backbone (implementado no MMDetection 2.28.2) | Modelo de espinha dorsal utilizado |
| ITK-SNAP | Equipe de Desenvolvimento ITK-SNAP | 3.8.0 | Usado para conversão de formato de imagem e exportação por fatias |
| Arquivos de anotação JSON | Saída LabelMe | Formato JSON padrão | Conter coordenadas e rótulos de anotação |
| LabelMe | MIT CSAIL | 4.8.3 | Usado para anotação manual de imagens |
| MMDetection | OpenMMLab | 2.28.2 | Framework de detecção de objetos usado para implementação |
| MMCV | OpenMMLab | 1.7.2 | Biblioteca central que suporta MMDetection |
| NumPy | Desenvolvedores NumPy | 1.26.4 | Biblioteca de computação numérica |
| NVIDIA RTX 3080 Ti GPU | NVIDIA | RTX 3080 Ti | Hardware usado para treinamento |
| OpenCV | OpenCV | 4.9.0 | Processamento e visualização de imagens |
| pycocotools | PyPI / COCO API | 2.0.6 | Biblioteca de avaliação em formato COCO |
| Python | Fundação de Software Python | 3.10.20 | Ambiente de programação |
| PyTorch | PyTorch | 2.0.1+cu118 | Estrutura de aprendizado profundo |
| TorchVision | PyTorch | 0.15.2+cu118 | Utilidades de visão |
| Sistema Operacional Ubuntu | Canônico | 22.04.1 LTS | Ambiente de treinamento OS |
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