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Enregistrement W4381891171 · doi:10.1101/2023.06.20.545422

Deep learning, data ramping, and uncertainty estimation for detecting artifacts in large, imbalanced databases of MRI images

2023· preprint· en· W4381891171 sur OpenAlexafffund
Ricardo Pizarro, Haz-Edine Assemlal, Sethu K. Boopathy Jegathambal, Thomas Jubault, Samson Antel, Douglas L. Arnold, Amir Shmuel

Notice bibliographique

RevuebioRxiv (Cold Spring Harbor Laboratory) · 2023
Typepreprint
Langueen
DomaineMedicine
ThématiqueRadiomics and Machine Learning in Medical Imaging
Établissements canadiensMcGill UniversityNeuroRx Research (Canada)Montreal Neurological Institute and Hospital
Organismes subventionnairesCanada First Research Excellence FundMitacsMcGill University
Mots-clésComputer scienceArtificial intelligenceArtifact (error)Transfer of learningNeuroimagingInferenceDeep learningData qualityMachine learningData miningPattern recognition (psychology)

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

ABSTRACT Magnetic resonance imaging (MRI) is increasingly being used to delineate morphological changes underlying neurological disorders. Successfully detecting these changes depends on the MRI data quality. Unfortunately, image artifacts frequently compromise the MRI utility, making it critical to screen the data. Currently, quality assessment requires visual inspection, a time-consuming process that suffers from inter-rater variability. Automated methods to detect MRI artifacts could improve the efficiency of the process. Such automated methods have achieved high accuracy using small datasets, with balanced proportions of MRI data with and without artifacts. With the current trend towards big data in neuroimaging, there is a need for automated methods that achieve accurate detection in large and imbalanced datasets. Deep learning (DL) is the ideal MRI artifact detection algorithm for large neuroimaging databases. However, the inference generated by DL does not commonly include a measure of uncertainty. Here, we present the first stochastic DL algorithm to generate automated, high-performing MRI artifact detection implemented on a large and imbalanced neuroimaging database. We implemented Monte Carlo dropout in a 3D AlexNet to generate probabilities and epistemic uncertainties. We then developed a method to handle class imbalance, namely data-ramping to transfer the learning by extending the dataset size and the proportion of the artifact-free data instances. We used a 34,800 scans (98% clean) dataset. At baseline, we obtained 89.3% testing accuracy (F1 = 0.230). Following the transfer learning (with data-ramping), we obtained 94.9% testing accuracy (F1 = 0.357) outperforming focal cross-entropy (92.9% testing accuracy, F1 = 0.304) incorporated for comparison at handling class imbalance. By implementing epistemic uncertainties, we improved the testing accuracy to 99.5% (F1 = 0.834), outperforming the results obtained in previous comparable studies. In addition, we estimated aleatoric uncertainties by incorporating random flips to the MRI volumes, and demonstrated that aleatoric uncertainty can be implemented as part of the pipeline. The methods we introduce enhance the efficiency of managing large databases and the exclusion of artifact images from big data analyses. Highlights We address the difficulty in automatically detecting artifacts in a large, imbalanced image database. We reproduced high accuracy in detecting artifacts in small balanced datasets. We implemented Monte Carlo (MC) dropout in 3D AlexNet to generate uncertainty metrics. We transfer the learning from a small balanced dataset to a large imbalanced dataset, outperforming focal loss. We outperformed artifact detection in previous studies using comparable large imbalanced datasets The user can select an operating point to consider manual inspection vs. artifact detection error.

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 machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni 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.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,007
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,020
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Méthodes · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,007
Score d'incertitude au seuil0,038

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0070,020
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0020,001
Études des sciences et des technologies0,0010,001
Communication savante0,0010,002
Science ouverte0,0020,002
Intégrité de la recherche0,0010,002
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,000

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 Opus0,029
Tête enseignante GPT0,308
Écart entre enseignants0,278 · 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 source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

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

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

En bref

Citations1
Publié2023
Routes d'admission2
Résumé présentoui

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