心臟病的危害極大,嚴重威脅人類生命健康,其中“主動脈夾層”稱得上是最為兇險的心臟病之一,65%~70%在急性期死于心臟壓塞、心律失常等,故早期診斷和治療非常必要。
主動脈夾層根據(jù)破口位置分為A型和B型,其中累及降主動脈的B型主動脈夾層一般通過移植覆膜支架手術(shù)來治療。手術(shù)前,醫(yī)生需要根據(jù)夾層形態(tài)參數(shù)(如真腔最大直徑)來做預(yù)后及確定具體的手術(shù)方案,如選取合適尺寸的支架,判斷手術(shù)效果。傳統(tǒng)的參數(shù)提取方法往往很耗時且依賴醫(yī)生經(jīng)驗。近年來隨著深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用條件的成熟,在動脈造影圖像分割領(lǐng)域也實現(xiàn)了更好的效果及更高的準確性。
利用深度學(xué)習進行主動脈真假腔分割有賴于大量手動標注的主動脈圖像來訓(xùn)練深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò),計算量大,且對計算能力的要求非常高。
匯醫(yī)慧影公司聯(lián)合北京301解放軍醫(yī)院總院,借助NVIDIA GPU,將深度學(xué)習技術(shù)應(yīng)用至B型主動脈夾層分割及破口檢測的多任務(wù)學(xué)習。匯醫(yī)慧影利用大量帶有主動脈及夾層手動標注的三維CTA 圖像,提出了基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的夾層分割方案。在此基礎(chǔ)上可確定破口位置,并計算夾層形態(tài)參數(shù),為醫(yī)生提供臨床決策支持。
基于手動分割的金標準圖像,分別得到主動脈、真腔和假腔的二值化標注。主動脈壁和內(nèi)膜片可以通過主動脈標注減去真假腔標注得到。
其多任務(wù)深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)如下圖所示。卷積層和反卷積層的參數(shù)被三個任務(wù)共享:主動脈分割、真腔分割、假腔分割。每個任務(wù)均屬于二值分割。
三個分割任務(wù)的損失函數(shù)在訓(xùn)練過程中同時得到優(yōu)化。模型采用原始的3D CTA圖像作為輸入,輸出為主動脈、真腔和假腔的二值化掩膜。
根據(jù)多任務(wù)學(xué)習理論,三個存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)的分割任務(wù)在協(xié)同訓(xùn)練的過程中會相互促進,借助于任務(wù)之間共享的參數(shù),主動脈和真假腔之間存在的解剖關(guān)系可以被網(wǎng)絡(luò)學(xué)習到,這種關(guān)系對于網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練而言相當于引入了一個先驗知識。因此,相比于訓(xùn)練多個網(wǎng)絡(luò)來獨立解決三個分割任務(wù),多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)的效果會更好,該方式已經(jīng)通過實驗得到了驗證。
GPU訓(xùn)練耗時減半,性能提升
匯醫(yī)慧影通過使用相同的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和共享參數(shù),基于4塊NVIDIA GPU,對其3D多任務(wù)深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練和測試,最終得以同時輸出主動脈,主動脈真腔和主動脈假腔的分割結(jié)果。且使用GPU之后的訓(xùn)練時間至少能夠減少50%,大大減少了模型訓(xùn)練和預(yù)測的時間,準確性也得以提升。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能的大幅提升,將更好地為判斷夾層的轉(zhuǎn)歸提供更多信息,也使其成為醫(yī)生快捷的決策工具,幫助臨床醫(yī)生面對B型主動脈夾層病人,迅速決定最佳的治療方案。
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深度學(xué)習
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原文標題:“時”半功倍:深度學(xué)習助力實現(xiàn)高效的主動脈夾層圖像分割
文章出處:【微信號:NVIDIA_China,微信公眾號:NVIDIA英偉達】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
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