Improving brain atrophy quantification with deep learning from automated labels using tissue similarity priors
Notice bibliographique
Résumé
Brain atrophy measurements derived from magnetic resonance imaging (MRI) are a promising marker for the diagnosis and prognosis of neurodegenerative pathologies such as Alzheimer's disease or multiple sclerosis. However, its use in individualized assessments is currently discouraged due to a series of technical and biological issues. In this work, we present a deep learning pipeline for segmentation-based brain atrophy quantification that improves upon the automated labels of the reference method from which it learns. This goal is achieved through tissue similarity regularization that exploits the a priori knowledge that scans from the same subject made within a short interval must have similar tissue volumes. To train the presented pipeline, we use unlabeled pairs of T1-weighted MRI scans having a tissue similarity prior, and generate the target brain tissue segmentations in a fully automated manner using the fsl_anat pipeline implemented in the FMRIB Software Library (FSL). Tissue similarity regularization is enforced during training through a weighted loss term that penalizes tissue volume differences between short-interval scan pairs from the same subject. In inference, the pipeline performs end-to-end skull stripping and brain tissue segmentation from a single T1-weighted MRI scan in its native space, i.e., without performing image interpolation. For longitudinal evaluation, each image is independently segmented first, and then measures of change are computed. We evaluate the presented pipeline in two different MRI datasets, MIRIAD and ADNI1, which have longitudinal and short-interval imaging from healthy controls (HC) and Alzheimer's disease (AD) subjects. In short-interval scan pairs, tissue similarity regularization reduces the quantification error and improves the consistency of measured tissue volumes. In the longitudinal case, the proposed pipeline shows reduced variability of atrophy measures and higher effect sizes of differences in annualized rates between HC and AD subjects. Our pipeline obtains a Cohen's d effect size of d=2.07 on the MIRIAD dataset, an increase from the reference pipeline used to train it (d=1.01), and higher than that of SIENA (d=1.73), a well-known state-of-the-art approach. In the ADNI1 dataset, the proposed pipeline improves its effect size (d=1.37) with respect to the reference pipeline (d=0.80) and surpasses SIENA (d=1.33). The proposed data-driven deep learning regularization reduces the biases and systematic errors learned from the reference segmentation method, which is used to generate the training targets. Improving the accuracy and reliability of atrophy quantification methods is essential to unlock brain atrophy as a diagnostic and prognostic marker in neurodegenerative pathologies.
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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 | 0,002 | 0,004 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,002 |
| Intégrité de la recherche | 0,002 | 0,002 |
| 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 ».