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# 健康科学# 腫瘍学

深層学習を使った小児脳腫瘍診断の進展

高度なAI技術を使って、MRIスキャンから小児脳腫瘍の分類を改善する。

Iulian E Tampu, T. Bianchessi, I. Blystad, P. Lundberg, P. Nyman, A. Eklund, N. Haj-Hosseini

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AIが小児脳腫瘍の診断をサAIが小児脳腫瘍の診断をサポート向上させてるよ。新しい方法が子供の脳腫瘍を検出する精度を
目次

中枢神経系の腫瘍は、19歳までの子供や若者の間で2番目に多い癌なんだ。全世界では10万人あたり1.2の発生率で、死亡率は0.6。これらの年齢層の癌による死亡の約57%は脳腫瘍が原因だよ。小児脳腫瘍(PBT)は脳のいろんな部分にできるけど、テントリウムという構造の下にある( infratentorial)ものは若い患者に多く見られるんだ。ただ、年齢によって変わることもある。

脳腫瘍を見つけて診断するのは複雑なプロセスだよ。医療従事者は、MRIというスキャンの画像を使って腫瘍を特定するんだ。手術中に集めた組織サンプルの分析にも依存してる。医者の初期評価の正確さは腫瘍の種類や場所によってかなり変わることがある。研究によると、現在の方法では腫瘍タイプの広範な分類の感度はわずか72%で、これらの画像をより良く分析する方法が必要だってことがわかってる。

医療画像におけるディープラーニング

ディープラーニングは、人工知能の一種で、脳腫瘍のMRIスキャン診断を含むさまざまな医療画像のタスクで成功裏に使われてきたんだ。大人の脳腫瘍への応用ではいくつかの前向きな進展があったけど、子供に関しては限られた利用だったんだ。これは主に、大きなデータセットが不足しているから。

「子供の脳腫瘍ネットワーク」(CBTN)は、小児脳腫瘍に関するデータの中で最大級のコレクションを持っていて、新しいディープラーニング手法の開発に役立ちそうだ。この研究は、CBTNのMRIデータを使って小児脳腫瘍を分類するためにディープラーニングを適用した初めてのものなんだ。

研究の目的

この研究は、さまざまなMRIシーケンスを用いて小児脳腫瘍を分類するためのディープラーニング手法を調査することを目的にしていたんだ。年齢と画像情報の影響を一緒に考えたよ。2つのディープラーニングモデルを試した:ResNet50という畳み込みニューラルネットワークとビジョントランスフォーマー(ViT)。

データ収集

この研究のデータはCBTNから得られたもので、326件の症例が含まれていて、そのうち273件について腫瘍タイプの情報があったんだ。この患者の中で、153人が女性、116人が男性で、年齢は数日から約36歳までだった。研究された腫瘍の種類には、低悪性度星状細胞腫、髄芽腫、上衣腫、異型奇形筋腫などが含まれてるよ。ただ、症例が限られているため、いくつかの希少な腫瘍タイプは分析に含まれなかったんだ。

画像の質と選択

高品質な画像を確保するために研究チームは自動プロセスと手動レビューを使ったんだ。鮮明でない画像は除外されたよ。T1w-GdとT2wと呼ばれるMRIシーケンスでは、解像度が良い画像のみが含まれた。拡散強調画像では、6方向未満のスキャンは除外されたし、腫瘍がはっきり見えない画像や手術後に撮影された画像も削除されたよ。

データの準備

画像を選定した後、有用な特徴を抽出するために処理されたんだ。拡散強調データは、水分子が脳内でどう動くかを視覚化する形式に変換され、腫瘍の特性を理解する手助けをするんだ。画像は標準サイズにリサイズされ、腫瘍の半分以上を示しているスライスが分析のために選ばれたよ。そして、各患者の年齢も比較を可能にするために標準化された。

モデルのトレーニング

この研究では、ResNet50とViTという2つの異なるディープラーニングモデルが使用されたんだ。ResNet50は、画像から特徴を抽出するために伝統的な畳み込み技術の層を利用する一方で、ViTは注意メカニズムを使ってパターンを認識する別の方法で画像を処理するんだ。

パフォーマンスを向上させるために、両方のモデルはCBTNのデータで微調整する前にさまざまなデータセットで事前トレーニングされたよ。このアプローチにより、モデルが小児脳腫瘍を分類するタスクを与えられる前に有用なパターンを学べるんだ。

モデルの評価

研究では、モデルの効果を評価するためにクロスバリデーションという方法が使われたんだ。これはデータをトレーニングセットとテストセットに何度も分割することを含むよ。モデルは、その正確性と異なる腫瘍タイプを正しく特定する能力に基づいて評価された。

結果

研究の結果、別のデータセットで事前トレーニングされ、特定の情報で微調整されたViTモデルが最も良いパフォーマンスを発揮したよ。他のMRIデータでトレーニングされたモデルに比べて、その正確性のレートはかなり高かった。ただ、患者の年齢情報を追加しても全体的にはモデルの性能が大きく向上することはなかったんだ。

特定の腫瘍タイプの分類は、他のものよりも難しいことが分かった。研究結果では、上衣腫の分類が最も難しかった一方で、星状細胞腫と髄芽腫はかなり良く分かったんだ。

モデルの説明可能性

モデルがどのように特定の分類を行ったのか理解するために、予測中に画像のどの部分に集中しているかを視覚化する技術が使われたよ。結果は、両方のモデルが脳内の重要な領域をハイライトしていることを示していたけど、腫瘍を特定する度合いは異なっていたんだ。

他の研究との比較

研究の結果は、小児脳腫瘍を分類するためにディープラーニング手法を適用した以前の研究と一致していたよ。特定の腫瘍タイプが他よりも特定しにくいという同様の傾向が見られたんだ。ただ、その研究の分類方法は統計的に十分に分析されていなかったため、直接比較するのが難しかった。

制限事項

この研究にはいくつかの制限があったんだ。CBTNデータセットはかなりのものだけど、症例数が相対的に少なくて、モデルの信頼性に影響を及ぼす可能性があるんだ。すべての腫瘍タイプが含まれていないため、実際の臨床環境でのモデルのパフォーマンスが制限されるんだ。また、画像の質が異なることで分析がさらに複雑になったよ。

研究は、1回のMRIシーケンスのみを調べていたため、複数のシーケンスを一緒に使うことで得られる可能性のある利点を見逃していたかもしれない。最後に、3Dではなく2Dモデルを使用したことで、腫瘍についての重要な空間情報が失われる可能性があったんだ。

将来の方向性

この研究は、MRIスキャンに基づいて小児脳腫瘍を分類するためのディープラーニング活用の基盤を提供するものだよ。研究は、より広範なデータの必要性と、今後の研究で複数のMRIシーケンスを使用する可能性を強調しているんだ。情報の組み合わせを改善し、モデルアーキテクチャを洗練することで、研究者は医療専門家が腫瘍を評価するのをより良く支援できるようになるよ。

さらに研究が必要で、現在人間の放射線技師が同様の評価で約91.7%の正確さを達成している診断精度に匹敵するように進むかもしれない。この分野の探求を続ければ、小児脳腫瘍の診断と治療に大きな進展がもたらされるかもしれないね。

オリジナルソース

タイトル: Pediatric brain tumor classification using deep learning on MR-images with age fusion

概要: PurposeTo implement and evaluate deep learning-based methods for the classification of pediatric brain tumors in MR data. Materials and methodsA subset of the "Childrens Brain Tumor Network" dataset was retrospectively used (n=178 subjects, female=72, male=102, NA=4, age-range [0.01, 36.49] years) with tumor types being low-grade astrocytoma (n=84), ependymoma (n=32), and medulloblastoma (n=62). T1w post-contrast (n=94 subjects), T2w (n=160 subjects), and ADC (n=66 subjects) MR sequences were used separately. Two deep-learning models were trained on transversal slices showing tumor. Joint fusion was implemented to combine image and age data, and two pre-training paradigms were utilized. Model explainability was investigated using gradient-weighted class activation mapping (Grad-CAM), and the learned feature space was visualized using principal component analysis (PCA). ResultsThe highest tumor-type classification performance was achieved when using a vision transformer model pre-trained on ImageNet and fine-tuned on ADC images with age fusion (MCC: 0.77 {+/-} 0.14 Accuracy: 0.87 {+/-} 0.08), followed by models trained on T2w (MCC: 0.58 {+/-} 0.11, Accuracy: 0.73 {+/-} 0.08) and T1w post-contrast (MCC: 0.41 {+/-} 0.11, Accuracy: 0.62 {+/-} 0.08) data. Age fusion marginally improved the models performance. Both model architectures performed similarly across the experiments, with no differences between the pre-training strategies. Grad-CAMs showed that the models attention focused on the brain region. PCA of the feature space showed greater separation of the tumor-type clusters when using contrastive pre-training. ConclusionClassification of pediatric brain tumors on MR-images could be accomplished using deep learning, with the top-performing model being trained on ADC data, which is used by radiologists for the clinical classification of these tumors. Key pointsO_LIThe vision transformer model pre-trained on ImageNet and fine-tuned on ADC data with age fusion achieved the highest performance, which was significantly better than models trained on T2w (second-best) and T1w-Gd data. C_LIO_LIFusion of age information with the image data marginally improved classification, and model architecture (ResNet50 -vs -ViT) and pre-training strategies (supervised -vs -self-supervised) did not show to significantly impact models performance. C_LIO_LIModel explainability, by means of class activation mapping and principal component analysis of the learned feature space, show that the models use the tumor region information for classification and that the tumor type clusters are better separated when using age information. C_LI SummaryDeep learning-based classification of pediatric brain tumors can be achieved using single-sequence pre-operative MR data, showing the potential of automated decision support tools that can aid radiologists in the primary diagnosis of these tumors.

著者: Iulian E Tampu, T. Bianchessi, I. Blystad, P. Lundberg, P. Nyman, A. Eklund, N. Haj-Hosseini

最終更新: 2024-09-06 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2024.09.05.24313109

ソースPDF: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2024.09.05.24313109.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

オープンアクセスの相互運用性を利用させていただいた medrxiv に感謝します。

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