Convolutional neural network MRI segmentation for fast and robust optimization of transcranial electrical current stimulation of the human brain
Notice bibliographique
Résumé
Abstract The segmentation of structural MRI data is an essential step for deriving geometrical information about brain tissues. One important application is in transcranial electrical stimulation (e.g., tDCS), a non-invasive neuromodulatory technique where head modeling is required to determine the electric field (E-field) generated in the cortex to predict and optimize its effects. Here we propose a deep learning-based model ( StarNEt ) to automatize white matter (WM) and gray matter (GM) segmentation and compare its performance with FreeSurfer , an established tool. Since good definition of sulci and gyri in the cortical surface is an important requirement for E-field calculation, StarNEt is specifically designed to output masks at a higher resolution than that of the original input T1w-MRI. StarNEt uses a residual network as the encoder (ResNet) and a fully convolutional neural network with U-net skip connections as the decoder to segment an MRI slice by slice. Slice vertical location is provided as an extra input. The model was trained on scans from 425 patients in the open-access ADNI+IXI datasets, and using FreeSurfer segmentation as ground truth. Model performance was evaluated using the Dice Coefficient (DC) in a separate subset (N=105) of ADNI+IXI and in two extra testing sets not involved in training. In addition, FreeSurfer and StarNEt were compared to manual segmentations of the MRBrainS18 dataset, also unseen by the model. To study performance in real use cases, first, we created electrical head models derived from the FreeSurfer and StarNEt segmentations and used them for montage optimization with a common target region using a standard algorithm ( Stimweaver ) and second, we used StarNEt to successfully segment the brains of minimally conscious state (MCS) patients having suffered from brain trauma, a scenario where FreeSurfer typically fails. Our results indicate that StarNEt matches FreeSurfer performance on the trained tasks while reducing computation time from several hours to a few seconds, and with the potential to evolve into an effective technique even when patients present large brain abnormalities.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,001 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».