Этот протокол описывает обучение модели искусственного интеллекта для обнаружения расслоения аорты с помощью неконтрастных компьютерных томографических изображений, что позволяет быстро и доступно проводить скрининг в клинических условиях.
Method Article
Этот протокол описывает обучение модели искусственного интеллекта для обнаружения расслоения аорты с помощью неконтрастных компьютерных томографических изображений, что позволяет быстро и доступно проводить скрининг в клинических условиях.
Расслоение аорты (АД) является крайним следствием нарушений сосудистого ремоделирующего гомеостаза и требует быстрой и точной идентификации в клинической практике. Этот протокол описывает модель обучения на основе искусственного интеллекта для идентификации АД с использованием неконтрастной компьютерной томографии (КТ). Наборы данных КТ грудной клетки и аортальной КТ ангиографии были собраны у пациентов с АД и не с АД в больнице третьего класса категории. Сосудистые структуры на каждом осевом изображении вручную сегментировались и аннотировались с помощью открытого программного обеспечения LabelMe для создания сегментационного набора данных для разработки и оценки моделей. Набор данных был разделён на обучающий, тестовый и валидационный наборы в соотношении 8:1:1 для обучения и валидации моделей. После разработки модели с надёжной производительностью обнаружения была создана онлайн-платформа обработки для визуализации и эффективного представления результатов. Этот подход предоставляет мощный и интеллектуальный инструмент для быстрого предварительного скрининга АД и удовлетворяет неудовлетворённую клиническую потребность в доступном раннем выявлении в различных клинических условиях.
Расслоение аорты (АД) — это опасное для жизни острое состояние, характеризующееся тем, что кровь попадает в медиальный слой стенки аорты через разрыв в слизистой интимальной оболочке, образуя рассекающий и расширяющийся ложный просвет1. Без своевременной диагностики и лечения уровень смертности чрезвычайно высок: уровень смертности в течение 24 часов (включая смерть до поступления в больницу) составлял 93%2. Контрастно-усиленная компьютерная томография ангиографии (CTA) является золотым стандартом для диагностики АД, поскольку она позволяет чётко визуализировать истинные и ложные люмены, расположение разрыва и степеньвовлечённости 3. Однако КТА требует инъекции контрастных веществ, содержащих йод, которые несут риск аллергических реакций и нефротоксичности 4,5. Кроме того, достичь 24-часовой быстрой доступности сложно во многих первичных больницах или экстренных учреждениях. В отличие от этого, неконтрастное КТ (НКТ) не требует использования контрастных веществ, обеспечивая удобное и быстрое обследование при относительно низкой дозе радиации и более широком применении. Тем не менее, на изображениях NCCT контраст между истинным и ложным люменом, а также между интимальным лоскутом и кровью, низок, что создаёт серьёзные трудности для визуального диагноза врачами и легко приводит к пропущению или неправильному диагнозу, особенно среди менее опытных специалистов. Поэтому разработка метода, способного обеспечить высокоточное и высокочувствительное автоматическое обнаружение АД непосредственно по изображениям NCCT, имеет важную клиническую ценность и перспективы применения.
Недавние достижения в области глубокого обучения позволили точно идентифицировать патологические признаки по неконтрастным медицинскимизображениям 6,7. Сеть высокого разрешения (HRNet) поддерживает карты функций высокого разрешения по всей сети, тогда как сеть сжатия и возбуждения (SENet) улучшает представление признаков, моделируя межканальные зависимости8. Сочетание HRNet и SENet обеспечивает эффективную стратегию извлечения признаков для многомасштабного представления NCCT-изображений, что крайне важно для обнаружения тонких признаков AD, таких как интимальные лоскутки и знаки двойного просвета. Здесь концепция извлечения признаков реализована в рамках обнаружения объектов с использованием MMDetection и Каскадной региональной сверточной нейронной сети (R-CNN), что обеспечивает надёжную локализацию и классификацию рассечения аорты.
В этом исследовании модель искусственного интеллекта (ИИ) на основе HRNet+SENet использует поэтапный процесс обучения для идентификации AD по изображениям NCCT (рисунок 1). Он делает акцент на стандартизации наборов данных, многомасштабном извлечении признаков и клинической адаптивности. Цель этого метода — обеспечить надёжный подход к обнаружению АЦ, особенно в учреждениях неотложной и первичной помощи, где контрастно-усиленная визуализация ограничена или недоступна.

Рисунок 1. Рабочий процесс модели искусственного интеллекта (ИИ) для обнаружения рассечения аорты (AD). Схема учебного конвейера модели ИИ для обнаружения AD с использованием изображений неконтрастной компьютерной томографии (NCCT). Рабочий процесс включает подготовку данных (сбор и аннотация изображений, стандартизация и предварительная обработка форматов, а также разделение наборов данных), построение модели (основная основа HRNetV2p-W32, интегрированая в фреймворк обнаружения Cascade R-CNN и инициализованная с помощью предварительно обученных весов COCO), обучение модели (оптимизатор SGD, скорость обучения косинусного отжига и кросс-энтропийная потеря), оценку модели (количественные метрики и качественная визуализация) и клиническое применение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Весь сбор данных, связанных с человеком, в данном исследовании проводился в соответствии с этическими стандартами Хельсинкской декларации и был одобрен Этическим комитетом Китайско-японской союзной больницы Университета Цзилинь (номер одобрения: 2019103004). Информированное согласие получалось письменно от всех отдельных участников или их законных опекунов до сбора их соответствующей информации. Вся личная информация испытуемых хранилась строго конфиденциально для защиты их конфиденциальности, и экспериментальные операции не проводились в процессе сбора данных.
1. Строительство набора данных

Рисунок 2. Ручная аннотация AD на изображении NCCT. Репрезентативное осевое изображение NCCT, демонстрирующее ручную аннотацию AD. Аортальная область и патологические особенности, включая интимальный лоскут, обозначены многоугольником (зелёным). Это аннотированное изображение используется для обучения модели. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
2. Архитектура моделей

Рисунок 3. Обнаружение AD с помощью модели ИИ. Слева: введите изображение NCCT. Справа: Результат модели, показывающий обнаружение AD, при этом предсказанная область выделена ограничивающей рамкой и соответствующей оценкой доверия. Этот рисунок демонстрирует идентификацию AD на изображениях NCCT и визуализацию результатов обнаружения. Оценка уверенности отражает прогнозную уверенность модели для обнаружения АД. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
3. Обучение моделям
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
В этом разделе представлены воспроизводимые, проверенные реализацией результаты двухклассовой модели обнаружения объектов для обнаружения AD по изображениям NCCT, строго согласованные с проверенным учебным конвейером и фреймворком оценки COCO (рисунок 1). Все метрики выводятся из оставленного тестового набора с использованием COCOeval, без сфабрикованных данных или невалидированных индикаторов.
Производительность количеств...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Клиницисты, особенно врачи скорой помощи, могут испытывать снижение диагностической эффективности, если пациенты обращаются с нетипичными симптомами или когда высокий объём пациентов в отделении неотложной помощи накладывает временные ограничения. В отличие от этого, модель ИИ, обученная выявлять АД на NCCT, может обеспечивать стабильную и стабильную работу даже у бессимптомных пациентов, не ограничиваясь временем чтения, что потенциально повышает точность и эффективность диагностики АД ...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Авторы не заявляют о конфликтах интересов.
Авторы с благодарностью выражают признательность кафедре радиологии Китайско-японской союзной больницы Университета Цзилинь за предоставление клинических данных визуализации и экспертной поддержки аннотирования. Это исследование было поддержано Департаментом науки и технологий провинции Цзилинь, Китай (грант No 20220402076GH).
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Архитектура Cascade R-CNN | OpenMMLab (MMDetection) | configs/cascade_rcnn/cascade_ rcnn_hrnetv2p_w32_20e_coco.py | Архитектура обнаружения, используемая в фреймворке |
| Изображения компьютерной томографии грудной клетки (без контраста) | Самосоставленный клинический набор данных | Набор осевых изображений NCCT | Данные клинической визуализации, используемые для разработки моделей |
| Аннотационные файлы в формате COCO | Сгенерировано во время протокола | JSON (формат COCO) | Конвертированные файлы аннотации, используемые для обучения моделей |
| Предварительно тренированные гантели COCO | Зоопарк OpenMMLab MMDetection | cascade_rcnn_hrnetv2p_w32_20e_ coco_20200208-928455a4.pth | Используется для инициализации моделей |
| Архитектура HRNetV2p-W32 | OpenMMLab (MMDetection) | Магистраль HRNetV2p-W32 (реализована в MMDetection 2.28.2) | Использовавшаяся основная модель |
| ITK-SNAP | Команда разработки ITK-SNAP | 3.8.0 | Используется для конвертации формата изображений и экспорта срезов |
| JSON-аннотационные файлы | Вывод LabelMe | Стандартный формат JSON | Содержат аннотационные координаты и метки |
| LabelMe | MIT CSAIL | 4.8.3 | Используется для ручного аннотирования изображений |
| MMDetection | OpenMMLab | 2.28.2 | Фреймворк обнаружения объектов, используемый для реализации |
| MMCV | OpenMMLab | 1.7.2 | Основная библиотека, поддерживающая MMDetection |
| NumPy | Разработчики NumPy | 1.26.4 | Библиотека численных вычислений |
| Видеокарта NVIDIA RTX 3080 Ti | NVIDIA | RTX 3080 Ti | Аппаратное обеспечение, используемое для обучения |
| OpenCV | OpenCV | 4.9.0 | Обработка и визуализация изображений |
| pycocotools | PyPI / COCO API | 2.0.6 | Библиотека оценки в формате COCO |
| Python | Фонд программного обеспечения Python | 3.10.20 | Среда программирования |
| PyTorch | PyTorch | 2.0.1+CU118 | Фреймворк глубокого обучения |
| TorchVision | PyTorch | 0.15.2+CU118 | Утилиты зрения |
| Операционная система Ubuntu | Канонический | 22.04.1 LTS | ОС обучающей среды |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission