Ανάπτυξη και Αξιολόγηση Μεθόδου Βασισμένης στη Διαδραστική Μηχανική Μάθηση για την Κατάτμηση Συμπαγών Όγκων και Οργάνων

Abstract

Σε αυτήν την εργασία, παρουσιάζεται μία γενικού σκοπού, γρήγορη, ακριβής και συνεπής μέθοδος κατάτμησης ιατρικών εικόνων, βασισμένη στη διαδραστική μηχανική μάθηση (Interactive Machine Learning - IML). Η μέθοδος χρησιμοποιεί σύντομα σχέδια του χρήστη και προσαρμοστικούς χάρτες γεωδαιτικής απόστασης για να εκπαιδεύσει ένα σύνολο από Μηχανές Διανυσμάτων Υποστήριξης (Support Vector Machines), παρέχοντας έτσι ένα μοντέλο προσαρμοσμένο στον εκάστοτε ασθενή, το οποίο εφαρμόζεται για τη κατάτμηση των εικόνων της απεικονιστικής εξέτασης. Για την επικύρωση της μεθόδου, χρησιμοποιήθηκαν αναδρομικές μελέτες που περιελάμβαναν 20 ασθενείς με γλοιοβλάστωμα, 50 ασθενείς με καρκίνο του μαστού και 50 ασθενείς με καρκίνο του πνεύμονα, καθώς και 20 τομογραφικές απεικονίσεις σπληνός. Για κάθε απεικονιστική εξέταση ήταν διαθέσιμη σχετική κατάτμηση αναφοράς (ground truth segmentation). Για κάθε μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν δύο ειδικοί ακτινολόγοι που πραγματοποίησαν κατάτμηση δύο φορές με την μέθοδο IML και δύο φορές με χειροκίνητο τρόπο. Η αξιολόγηση περιελάμβανε σύγκριση των δύο προσεγγίσεων ως προς την ταχύτητα, τη χωρική επικάλυψη και τη συνέπεια των δύο προσεγγίσεων. Η σημαντικότητα των διαφορών αξιολογήθηκε με χρήση του μη παραμετρικού Wilcoxon τεστ προσημασμένων τάξεων και συσχετισμένων δειγμάτων. Η μέθοδος IML ήταν ταχύτερη από τη χειροκίνητη κατάτμηση για όλες τις δομές, κατά 53,1%, κατά μέσο όρο. Βρέθηκε στατιστικά σημαντική (p<0,001) διαφορά στην χωρική επικάλυψη σε σχέση με τα δεδομένα αναφοράς για σπλήνα (DiceIML/DiceΧειροκίνητου=0,91/0,87), καρκίνο του μαστού (DiceIML/DiceΧειροκίνητου=0,84/0,82) και πνευμονικούς όζους (DiceIML/DiceΧειροκίνητου=0,78/0,83). Όσον αφορά την συνέπεια μεταξύ διαφορετικών επαναλήψεων του ίδιου ειδικού (intra-rater), βρέθηκε στατιστικά σημαντική (p=0,003) διαφορά μόνο για τον σπλήνα (DiceIML/DiceΧειροκίνητου=0,91/0,89), που ήταν ευνοϊκή για τη μέθοδο IML. Όσον αφορά την συνέπεια της κατάτμησης από διαφορετικούς ειδικούς (inter-rater), βρέθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές (p<0,045) για τον σπλήνα (DiceIML/DiceΧειροκίνητου=0.91/0.87), τον μαστό (DiceIML/DiceΧειροκίνητου=0.86/0.81), τον πνεύμονα (DiceIML/DiceΧειροκίνητου=0.85/0.89), τo περιοχικά μη-ενισχυμένο τμήμα του γλοιοβλαστώματος (DiceIML/DiceΧειροκίνητου=0.79/0.67) και το περιοχικά ενισχυμένο τμήμα του γλοιοβλαστώματος (DiceIML/DiceΧειροκίνητου=0.79/0.84), αποτελέσματα που αποδεικνύουν συνολική υπεροχή της μεθόδου IML σε σχέση με την χειροκίνητη κατάτμηση. Η ποσοτική αξιολόγηση ως προς την ταχύτητα, τη χωρική επικάλυψη και τη συνέπεια, ανέδειξε την συνολική υπεροχή της προτεινόμενης μεθόδου σε σύγκριση με χειροκίνητη κατάτμηση, για ένα σημαντικό εύρος κλινικών εφαρμογών. Η υλοποίηση της μεθόδου IML είναι ανοικτού κώδικα και διατίθεται μέσω του Cancer Imaging Phenomics Toolkit (CaPTk - https://www.cbica.upenn.edu/captk) και ως πρόσθετο για το Medical Imaging Interaction Toolkit (MITK - https://github.com/CBICA/InteractiveSegmentation).