Deep learning for 3D vascular segmentation in hierarchical phase contrast tomography: a case study on kidney
Notice bibliographique
Résumé
Automated blood vessel segmentation is critical for biomedical image analysis, as vessel morphology changes are associated with numerous pathologies. Still, precise segmentation is difficult due to the complexity of vascular structures, anatomical variations across patients, the scarcity of annotated public datasets, and the quality of images. Our goal is to provide a foundation on the topic and identify a robust baseline model for application to vascular segmentation using a new imaging modality, Hierarchical Phase-Contrast Tomography (HiP-CT). We begin with an extensive review of current machine-learning approaches for vascular segmentation across various organs. Our work introduces a meticulously curated training dataset, verified by double annotators, consisting of vascular data from three kidneys imaged using HiP-CT as part of the Human Organ Atlas Project. HiP-CT pioneered at the European Synchrotron Radiation Facility in 2020, revolutionizes 3D organ imaging by offering a resolution of around 20 μm/voxel and enabling highly detailed localised zooms up to 1-2 μm/voxel without physical sectioning. We leverage the nnU-Net framework to evaluate model performance on this high-resolution dataset, using both known and novel samples, and implementing metrics tailored for vascular structures. Our comprehensive review and empirical analysis on HiP-CT data sets a new standard for evaluating machine learning models in high-resolution organ imaging. Our three experiments yielded Dice similarity coefficient (DSC) scores of 0.9523, 0.9410, and 0.8585, respectively. Nevertheless, DSC primarily assesses voxel-to-voxel concordance, overlooking several crucial characteristics of the vessels and should not be the sole metric for deciding the performance of vascular segmentation. Our results show that while segmentations yielded reasonably high scores-such as centerline DSC ranging from 0.82 to 0.88, certain errors persisted. Specifically, large vessels that collapsed due to the lack of hydrostatic pressure (HiP-CT is an ex vivo technique) were segmented poorly. Moreover, decreased connectivity in finer vessels and higher segmentation errors at vessel boundaries were observed. Such errors, particularly in significant vessels, obstruct the understanding of the structures by interrupting vascular tree connectivity. Our study establishes the benchmark across various evaluation metrics, for vascular segmentation of HiP-CT imaging data, an imaging technology that has the potential to substantively shift our understanding of human vascular networks.
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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 | 0,003 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| 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 ».