Data-Efficient Lung Segmentation Using Foundational Models: Improving Clinical Workflow With Segment Anything Model (SAM) for Hyperpolarized Gas MRI
Notice bibliographique
Résumé
Abstract Introduction: Hyperpolarized 129Xe/3 He lung MRI is a well-established method for evaluating pulmonary conditions and ventilation defects [1,2]. Traditional segmentation techniques [3] are effective but labor-intensive and time-consuming. Despite advances in deep learning (DL)-based segmentation of hyperpolarized gas MRI [4-6], the use of foundational models in this domain has been underutilized [7]. Our proof-of-concept research hypothesis is that foundational models, such as the Segment Anything Model (SAM) [8], can be utilized as efficient, ready-to-deploy for lung MRI segmentation in data-limited clinical environments. We propose that SAM can achieve superior segmentation performance compared to traditional convolutional neural networks (CNNs) even when trained on small datasets, making it a clinically viable tool for real-world use. Methods: We collected data from 56 participants (9 healthy, 28 COPD, 9 asthma, 10 COVID-19), resulting in 896 2D slices (128x128 pixels). The dataset was split 80% for training and 20% for testing. To assess data efficiency, experiments were performed with 25% of the training data. SAM was fine-tuned for segmentation using PyTorch on an NVIDIA GA102 GPU and compared to CNN-based models (UNet with ResNet18, ResNet152, VGG16, and VGG19). All models were evaluated on the same test set for consistency. Results: With only 25% of the available training data, SAM achieved a DSC of 0.97 for both proton and hyperpolarized gas MRI, significantly outperforming CNN models. UNet with VGG16 scored 0.89 for proton MRI and 0.78 for hyperpolarized gas MRI, while UNet with ResNet18 achieved 0.89 and 0.84, respectively. These results suggest that SAM can provide near-expert-level performance even in data-limited clinical settings. Conclusion: SAM outperformed traditional CNNs, particularly in data-limited conditions, demonstrating its potential as a robust, ready-to-deploy segmentation tool in clinical practice. Its ability to achieve high performance with minimal training data suggests SAM could be implemented in clinics where large datasets are not feasible, offering clinicians a fast, accurate, and scalable solution for lung MRI segmentation. Future work will explore one-shot learning techniques and larger datasets to enhance clinical applicability further. References: 1_Perron, S. et al. J_Magn_Reson_348, 107387 (2023).2_Kirby, M. et al. J_Appl_Physiol_114, 707-715 (2013). 3_Kirby, M. et al. Acad_Radiol_19, 141-152 (2012). 4_Astley, J. R. et al. Sci_Rep_12, 10566 (2022). 5_Astley, J. R. et al. J_Magn_Reson_Imaging_57, 1878-1890 (2022). 6_Astley, J. R. et al. Br_J_Radiol_95 (2022). 7_Babaeipour, R. et al. Bioengineering_10, 1349 (2023). 8_Kirillov, A. et al. ICCV, 3992-4003(2023).
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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 | 0,001 | 0,003 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| 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 ».