Edge roughness quantifies impact of physician variation on training and performance of deep learning auto-segmentation models for the esophagus
Notice bibliographique
Résumé
Abstract Manual segmentation of tumors and organs-at-risk (OAR) in 3D imaging for radiation-therapy planning is time-consuming and subject to variation between different observers. Artificial intelligence (AI) can assist with segmentation, but challenges exist in ensuring high-quality segmentation, especially for small, variable structures, such as the esophagus. We investigated the effect of variation in segmentation quality and style of physicians for training deep-learning models for esophagus segmentation and proposed a new metric, edge roughness, for evaluating/quantifying slice-to-slice inconsistency. This study includes a real-world cohort of 394 patients who each received radiation therapy (mainly for lung cancer). Segmentation of the esophagus was performed by 8 physicians as part of routine clinical care. We evaluated manual segmentation by comparing the length and edge roughness of segmentations among physicians to analyze inconsistencies. We trained eight multiple- and individual-physician segmentation models in total, based on U-Net architectures and residual backbones. We used the volumetric Dice coefficient to measure the performance for each model. We proposed a metric, edge roughness, to quantify the shift of segmentation among adjacent slices by calculating the curvature of edges of the 2D sagittal- and coronal-view projections. The auto-segmentation model trained on multiple physicians (MD1-7) achieved the highest mean Dice of 73.7 ± 14.8%. The individual-physician model (MD7) with the highest edge roughness (mean ± SD: 0.106 ± 0.016) demonstrated significantly lower volumetric Dice for test cases compared with other individual models (MD7: 58.5 ± 15.8%, MD6: 67.1 ± 16.8%, p < 0.001). A multiple-physician model trained after removing the MD7 data resulted in fewer outliers (e.g., Dice ≤ 40%: 4 cases for MD1-6, 7 cases for MD1-7, N total = 394). While we initially detected this pattern in a single clinician, we validated the edge roughness metric across the entire dataset. The model trained with the lowest-quantile edge roughness (MD ER -Q1, N train = 62) achieved significantly higher Dice (N test = 270) than the model trained with the highest-quantile ones (MD ER -Q4, N train = 62) (MD ER -Q1: 67.8 ± 14.8%, MD ER -Q4: 62.8 ± 15.7%, p < 0.001). This study demonstrates that there is significant variation in style and quality in manual segmentations in clinical care, and that training AI auto-segmentation algorithms from real-world, clinical datasets may result in unexpectedly under-performing algorithms with the inclusion of outliers. Importantly, this study provides a novel evaluation metric, edge roughness, to quantify physician variation in segmentation which will allow developers to filter clinical training data to optimize model performance.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi 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.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,002 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 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 tête enseignante, 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 ».