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Enregistrement W4362531944 · doi:10.1016/j.compbiomed.2023.106882

Automatic segmentation of prostate cancer metastases in PSMA PET/CT images using deep neural networks with weighted batch-wise dice loss

2023· article· en· W4362531944 sur OpenAlexafffund
Yixi Xu, Ivan S. Klyuzhin, Sara Harsini, Anthony Ortiz, Shun Zhang, François Bénard, Rahul Dodhia, Carlos Uribe, Arman Rahmim, Juan Lavista Ferres

Notice bibliographique

RevueComputers in Biology and Medicine · 2023
Typearticle
Langueen
DomaineMedicine
ThématiqueProstate Cancer Treatment and Research
Établissements canadiensUniversity of British ColumbiaBC Cancer Agency
Organismes subventionnairesCanadian Institutes of Health ResearchNational Institutes of HealthUniversity of British ColumbiaMitacsMicrosoft
Mots-clésDiceProstate cancerSegmentationSørensen–Dice coefficientConvolutional neural networkContext (archaeology)Artificial intelligenceComputer scienceDeep learningPattern recognition (psychology)ProstateArtificial neural networkNuclear medicineImage segmentationMedicineCancerInternal medicineMathematics

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

PURPOSE: Automatic and accurate segmentation of lesions in images of metastatic castration-resistant prostate cancer has the potential to enable personalized radiopharmaceutical therapy and advanced treatment response monitoring. The aim of this study is to develop a convolutional neural networks-based framework for fully-automated detection and segmentation of metastatic prostate cancer lesions in whole-body PET/CT images. METHODS: F]DCFPyL radiotracer that targets prostate-specific membrane antigen (PSMA). U-Net (1)-based convolutional neural networks (CNNs) were trained to identify lesions on paired axial PET/CT slices. Baseline models were trained using batch-wise dice loss, as well as the proposed weighted batch-wise dice loss (wDice), and the lesion detection performance was quantified, with a particular emphasis on lesion size, intensity, and location. We used 418 images for model training, 30 for model validation, and 77 for model testing. In addition, we allowed our model to take n = 0,2, …, 12 neighboring axial slices to examine how incorporating greater amounts of 3D context influences model performance. We selected the optimal number of neighboring axial slices that maximized the detection rate on the 30 validation images, and trained five neural networks with different architectures. RESULTS: Model performance was evaluated using the detection rate, Dice similarity coefficient (DSC) and sensitivity. We found that the proposed wDice loss significantly improved the lesion detection rate, lesion-wise DSC and lesion-wise sensitivity compared to the baseline, with corresponding average increases of 0.07 (p-value = 0.01), 0.03 (p-value = 0.01) and 0.04 (p-value = 0.01), respectively. The inclusion of the first two neighboring axial slices in the input likewise increased the detection rate by 0.17, lesion-wise DSC by 0.05, and lesion-wise mean sensitivity by 0.16. However, there was a minimal effect from including more distant neighboring slices. We ultimately chose to use a number of neighboring slices equal to 2 and the wDice loss function to train our final model. To evaluate the model's performance, we trained three models using identical hyperparameters on three different data splits. The results showed that, on average, the model was able to detect 80% of all testing lesions, with a detection rate of 93% for lesions with maximum standardized uptake values (SUVmax) greater than 5.0. In addition, the average median lesion-wise DSC was 0.51 and 0.60 for all the lesions and lesions with SUVmax>5.0, respectively, on the testing set. Four additional neural networks with different architectures were trained, and they both yielded stronger performance of segmenting lesions whose SUVmax>5.0 compared to the rest of lesions. CONCLUSION: Our results demonstrate that prostate cancer metastases in PSMA PET/CT images can be detected and segmented using CNNs. The segmentation performance strongly depends on the intensity, size, and the location of lesions, and can be improved by using specialized loss functions. Specifically, the models performed best in detection of lesions with SUVmax>5.0. Another challenge was to accurately segment lesions close to the bladder. Future work will focus on improving the detection of lesions with lower SUV values by designing custom loss functions that take into account the lesion intensity, using additional data augmentation techniques, and reducing the number of false lesions by developing methods to better separate signal from noise.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction distillée sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,000
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,000
Version: codex-gemma-dda1882f352aStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Observationnel · Signal consensuel: aucune
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: Empirique
Score de désaccord entre enseignants0,712
Score d'incertitude au seuil0,366

Scores Codex et Gemma par catégorie

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0000,000
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0000,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,000
Bibliométrie0,0000,001
Études des sciences et des technologies0,0000,001
Communication savante0,0000,000
Science ouverte0,0000,000
Intégrité de la recherche0,0000,000
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0000,000

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.

Tête enseignante Opus0,026
Tête enseignante GPT0,364
Écart entre enseignants0,339 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_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 découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeObservationnel
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations39
Publié2023
Routes d'admission2
Résumé présentoui

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