Deep learning, data ramping, and uncertainty estimation for detecting artifacts in large, imbalanced databases of MRI images
Notice bibliographique
Résumé
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 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 | 0,007 | 0,020 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,002 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,002 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,002 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,002 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
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.
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 ».