Virtual biopsy in abdominal pathology: where do we stand?

In recent years, researchers have explored new ways to obtain information from pathological tissues, also exploring non-invasive techniques, such as virtual biopsy (VB). VB can be defined as a test that provides promising outcomes compared to traditional biopsy by extracting quantitative information from radiological images not accessible through traditional visual inspection. Data are processed in such a way that they can be correlated with the patient’s phenotypic expression, or with molecular patterns and mutations, creating a bridge between traditional radiology, pathology, genomics, and artificial intelligence (AI). Radiomics is the backbone of VB, since it allows the extraction and selection of features from radiological images, feeding them into AI models in order to derive lesions' pathological characteristics and molecular status. Presently, the output of VB provides only a gross approximation of the findings of tissue biopsy. However, in the future, with the improvement of imaging resolution and processing techniques, VB could partially substitute the classical surgical or percutaneous biopsy, with the advantage of being non-invasive, comprehensive, accounting for lesion heterogeneity, and low cost. In this review, we investigate the concept of VB in abdominal pathology, focusing on its pipeline development and potential benefits

Studies on Category Prediction of Ovarian Cancers Based on Magnetic Resonance Images

Ovarian cancer is the gynecological malignant tumor with low early diagnosis rate and high mortality. Ovarian epithelial cancer (OEC) is the most common subtype of ovarian cancer. Pathologically, OEC is divided into two subtypes: Type I and Type II. These two subtypes of OEC have different biological characteristics and treatment response. Therefore, it is important to accurately categorize these two groups of patients and provide the reference for clinicians in designing treatment plans. In the current magnetic resonance (MR) examination, the diagnoses given by the radiologists are largely based on individual judgment and not sufficiently accurate. Because of the low accuracy of the results and the risk of suffering Type II OEC, most patients will undertake the fine-needle aspiration, which may cause harm to patients’ bodies. Therefore, there is need for the method for OEC subtype classification based on MR images. This thesis proposes the automatic diagnosis system of ovarian cancer based on the combination of deep learning and radiomics. The method utilizes four common useful sequences for ovarian cancer diagnosis: sagittal fat-suppressed T2WI (Sag-fs-T2WI), coronal T2WI (Cor-T2WI), axial T1WI (Axi-T1WI), and apparent diffusion coefficient map (ADC) to establish a multi-sequence diagnostic model. The system starts with the segmentation of the ovarian tumors, and then obtains the radiomic features from lesion parts together with the network features. Selected Features are used to build model to predict the malignancy of ovarian cancers, the subtype of OEC and the survival condition. Bi-atten-ResUnet is proposed in this thesis as the segmentation model. The network is established on the basis of U-Net with adopting Residual block and non-local attention module. It preserves the classic encoder/decoder architecture in the U-Net network. The encoder part is reconstructed by the pretrained ResNet to make use of transfer learning knowledge, and bi-non-local attention modules are added to the decoder part on each level. The application of these techniques enhances the network’s performance in segmentation tasks. The model achieves 0.918, 0.905, 0.831, and 0.820 Dice coefficient respectively in segmenting on four MR sequences. After the segmentation work, the thesis proposes a diagnostic model with three steps: quantitative description feature extraction, feature selection, and establishment of prediction models. First, radiomic features and network features are obtained. Then iterative sparse representation (ISR) method is adopted as the feature selection to reduce the redundancy and correlation. The selected features are used to establish a predictive model, and support vector machine (SVM) is used as the classifier. The model achieves an AUC of 0.967 in distinguishing between benign and malignant ovarian tumors. For discriminating Type I and Type II OEC, the model yields an AUC of 0.823. In the survival prediction, patients categorized in high risk group are more likely to have poor prognosis with hazard ratio 4.169

Deep learning in medical imaging and radiation therapy

Peer Reviewedhttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/146980/1/mp13264_am.pdfhttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/146980/2/mp13264.pd

Semantic Segmentation of Ambiguous Images

Medizinische Bilder können schwer zu interpretieren sein. Nicht nur weil das Erkennen von Strukturen und möglichen Veränderungen Erfahrung und jahrelanges Training bedarf, sondern auch weil die dargestellten Messungen oft im Kern mehrdeutig sind. Fundamental ist dies eine Konsequenz dessen, dass medizinische Bild-Modalitäten, wie bespielsweise MRT oder CT, nur indirekte Messungen der zu Grunde liegenden molekularen Identitäten bereithalten. Die semantische Bedeutung eines Bildes kann deshalb im Allgemeinen nur gegeben einem größeren Bild-Kontext erfasst werden, welcher es oft allerdings nur unzureichend erlaubt eine eindeutige Interpretation in Form einer einzelnen Hypothese vorzunehmen. Ähnliche Szenarien existieren in natürlichen Bildern, in welchen die Kontextinformation, die es braucht um Mehrdeutigkeiten aufzulösen, limitiert sein kann, beispielsweise aufgrund von Verdeckungen oder Rauschen in der Aufnahme. Zusätzlich können überlappende oder vage Klassen-Definitionen zu schlecht gestellten oder diversen Lösungsräumen führen. Die Präsenz solcher Mehrdeutigkeiten kann auch das Training und die Leistung von maschinellen Lernverfahren beeinträchtigen. Darüber hinaus sind aktuelle Modelle ueberwiegend unfähig komplex strukturierte und diverse Vorhersagen bereitzustellen und stattdessen dazu gezwungen sich auf sub-optimale, einzelne Lösungen oder ununterscheidbare Mixturen zu beschränken. Dies kann besonders problematisch sein wenn Klassifikationsverfahren zu pixel-weisen Vorhersagen wie in der semantischen Segmentierung skaliert werden. Die semantische Segmentierung befasst sich damit jedem Pixel in einem Bild eine Klassen-Kategorie zuzuweisen. Diese Art des detailierten Bild-Verständnisses spielt auch eine wichtige Rolle in der Diagnose und der Behandlung von Krankheiten wie Krebs: Tumore werden häufig in MRT oder CT Bildern entdeckt und deren präzise Lokalisierung und Segmentierung ist von grosser Bedeutung in deren Bewertung, der Vorbereitung möglicher Biopsien oder der Planung von Fokal-Therapien. Diese klinischen Bildverarbeitungen, aber auch die optische Wahrnehmung unserer Umgebung im Rahmen von täglichen Aufgaben wie dem Autofahren, werden momentan von Menschen durchgeführt. Als Teil des zunehmenden Einbindens von maschinellen Lernverfahren in unsere Entscheidungsfindungsprozesse, ist es wichtig diese Aufgaben adequat zu modellieren. Dies schliesst Unsicherheitsabschätzungen der Modellvorhersagen mit ein, mitunter solche Unsicherheiten die den Bild-Mehrdeutigkeiten zugeschrieben werden können. Die vorliegende Thesis schlägt mehrere Art und Weisen vor mit denen mit einer mehrdeutigen Bild-Evidenz umgegangen werden kann. Zunächst untersuchen wir den momentanen klinischen Standard der im Falle von Prostata Läsionen darin besteht, die MRT-sichtbaren Läsionen subjektiv auf ihre Aggressivität hin zu bewerten, was mit einer hohen Variabilität zwischen Bewertern einhergeht. Unseren Studien zufolge können bereits einfache machinelle Lernverfahren und sogar simple quantitative MRT-basierte Parameter besser abschneiden als ein individueller, subjektiver Experte, was ein vielversprechendes Potential der Quantifizerung des Prozesses nahelegt. Desweiteren stellen wir die derzeit erfolgreichste Segmentierungsarchitektur auf einem stark mehrdeutigen Datensatz zur Probe der während klinischer Routine erhoben und annotiert wurde. Unsere Experimente zeigen, dass die standard Segmentierungsverlustfuntion in Szenarien mit starkem Annotationsrauschen sub-optimal sein kann. Als eine Alternative erproben wir die Möglichkeit ein Modell der Verlustunktion zu lernen mit dem Ziel die Koexistenz von plausiblen Lösungen während des Trainings zuzulassen. Wir beobachten gesteigerte Performanz unter Verwendung dieser Trainingsmethode für ansonsten unveränderte neuronale Netzarchitekturen und finden weiter gesteigerte relative Verbesserungen im Limit weniger Daten. Mangel an Daten und Annotationen, hohe Maße an Bild- und Annotationsrauschen sowie mehrdeutige Bild-Evidenz finden sich besonders häufig in Datensätzen medizinischer Bilder wieder. Dieser Teil der Thesis exponiert daher einige der Schwächen die standard Techniken des maschinellen Lernens im Lichte dieser Besonderheiten aufweisen können. Derzeitige Segmentierungsmodelle, wie die zuvor Herangezogenen, sind dahingehend eingeschränkt, dass sie nur eine einzige Vorhersage abgeben können. Dies kontrastiert die Beobachtung dass eine Gruppe von Annotierern, gegeben mehrdeutiger Bilddaten, typischer Weise eine Menge an diverser aber plausibler Annotationen produziert. Um die vorgenannte Modell-Einschränkung zu beheben und die angemessen probabilistische Behandlung der Aufgabe zu ermöglichen, entwickeln wir zwei Modelle, die eine Verteilung über plausible Annotationen vorhersagen statt nur einer einzigen, deterministischen Annotation. Das erste der beiden Modelle kombiniert ein `encoder-decoder\u27 Modell mit dem Verfahren der `variational inference\u27 und verwendet einen globalen `latent vector\u27, der den Raum der möglichen Annotationen für ein gegebenes Bild kodiert. Wir zeigen, dass dieses Modell deutlich besser als die Referenzmethoden abschneidet und gut kalibrierte Unsicherheiten aufweist. Das zweite Modell verbessert diesen Ansatz indem es eine flexiblere und hierarchische Formulierung verwendet, die es erlaubt die Variabilität der Segmentierungen auf verschiedenden Skalen zu erfassen. Dies erhöht die Granularität der Segmentierungsdetails die das Modell produzieren kann und erlaubt es unabhängig variierende Bildregionen und Skalen zu modellieren. Beide dieser neuartigen generativen Segmentierungs-Modelle ermöglichen es, falls angebracht, diverse und kohärente Bild Segmentierungen zu erstellen, was im Kontrast zu früheren Arbeiten steht, welche entweder deterministisch sind, die Modellunsicherheiten auf der Pixelebene modellieren oder darunter leiden eine unangemessen geringe Diversität abzubilden. Im Ergebnis befasst sich die vorliegende Thesis mit der Anwendung von maschinellem Lernen für die Interpretation medizinischer Bilder: Wir zeigen die Möglichkeit auf den klinischen Standard mit Hilfe einer quantitativen Verwendung von Bildparametern, die momentan nur subjektiv in Diagnosen einfliessen, zu verbessern, wir zeigen den möglichen Nutzen eines neuen Trainingsverfahrens um die scheinbare Verletzlichkeit der standard Segmentierungsverlustfunktion gegenüber starkem Annotationsrauschen abzumildern und wir schlagen zwei neue probabilistische Segmentierungsmodelle vor, die die Verteilung über angemessene Annotationen akkurat erlernen können. Diese Beiträge können als Schritte hin zu einer quantitativeren, verstärkt Prinzipien-gestützten und unsicherheitsbewussten Analyse von medizinischen Bildern gesehen werden -ein wichtiges Ziel mit Blick auf die fortschreitende Integration von lernbasierten Systemen in klinischen Arbeitsabläufen

The impact of arterial input function determination variations on prostate dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging pharmacokinetic modeling: a multicenter data analysis challenge, part II

This multicenter study evaluated the effect of variations in arterial input function (AIF) determination on pharmacokinetic (PK) analysis of dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging (DCE-MRI) data using the shutter-speed model (SSM). Data acquired from eleven prostate cancer patients were shared among nine centers. Each center used a site-specific method to measure the individual AIF from each data set and submitted the results to the managing center. These AIFs, their reference tissue-adjusted variants, and a literature population-averaged AIF, were used by the managing center to perform SSM PK analysis to estimate Ktrans (volume transfer rate constant), ve (extravascular, extracellular volume fraction), kep (efflux rate constant), and τi (mean intracellular water lifetime). All other variables, including the definition of the tumor region of interest and precontrast T1 values, were kept the same to evaluate parameter variations caused by variations in only the AIF. Considerable PK parameter variations were observed with within-subject coefficient of variation (wCV) values of 0.58, 0.27, 0.42, and 0.24 for Ktrans, ve, kep, and τi, respectively, using the unadjusted AIFs. Use of the reference tissue-adjusted AIFs reduced variations in Ktrans and ve (wCV = 0.50 and 0.10, respectively), but had smaller effects on kep and τi (wCV = 0.39 and 0.22, respectively). kep is less sensitive to AIF variation than Ktrans, suggesting it may be a more robust imaging biomarker of prostate microvasculature. With low sensitivity to AIF uncertainty, the SSM-unique τi parameter may have advantages over the conventional PK parameters in a longitudinal study

A review of artificial intelligence in prostate cancer detection on imaging

A multitude of studies have explored the role of artificial intelligence (AI) in providing diagnostic support to radiologists, pathologists, and urologists in prostate cancer detection, risk-stratification, and management. This review provides a comprehensive overview of relevant literature regarding the use of AI models in (1) detecting prostate cancer on radiology images (magnetic resonance and ultrasound imaging), (2) detecting prostate cancer on histopathology images of prostate biopsy tissue, and (3) assisting in supporting tasks for prostate cancer detection (prostate gland segmentation, MRI-histopathology registration, MRI-ultrasound registration). We discuss both the potential of these AI models to assist in the clinical workflow of prostate cancer diagnosis, as well as the current limitations including variability in training data sets, algorithms, and evaluation criteria. We also discuss ongoing challenges and what is needed to bridge the gap between academic research on AI for prostate cancer and commercial solutions that improve routine clinical care

Advanced machine learning methods for oncological image analysis

Cancer is a major public health problem, accounting for an estimated 10 million deaths worldwide in 2020 alone. Rapid advances in the field of image acquisition and hardware development over the past three decades have resulted in the development of modern medical imaging modalities that can capture high-resolution anatomical, physiological, functional, and metabolic quantitative information from cancerous organs. Therefore, the applications of medical imaging have become increasingly crucial in the clinical routines of oncology, providing screening, diagnosis, treatment monitoring, and non/minimally- invasive evaluation of disease prognosis. The essential need for medical images, however, has resulted in the acquisition of a tremendous number of imaging scans. Considering the growing role of medical imaging data on one side and the challenges of manually examining such an abundance of data on the other side, the development of computerized tools to automatically or semi-automatically examine the image data has attracted considerable interest. Hence, a variety of machine learning tools have been developed for oncological image analysis, aiming to assist clinicians with repetitive tasks in their workflow. This thesis aims to contribute to the field of oncological image analysis by proposing new ways of quantifying tumor characteristics from medical image data. Specifically, this thesis consists of six studies, the first two of which focus on introducing novel methods for tumor segmentation. The last four studies aim to develop quantitative imaging biomarkers for cancer diagnosis and prognosis. The main objective of Study I is to develop a deep learning pipeline capable of capturing the appearance of lung pathologies, including lung tumors, and integrating this pipeline into the segmentation networks to leverage the segmentation accuracy. The proposed pipeline was tested on several comprehensive datasets, and the numerical quantifications show the superiority of the proposed prior-aware DL framework compared to the state of the art. Study II aims to address a crucial challenge faced by supervised segmentation models: dependency on the large-scale labeled dataset. In this study, an unsupervised segmentation approach is proposed based on the concept of image inpainting to segment lung and head- neck tumors in images from single and multiple modalities. The proposed autoinpainting pipeline shows great potential in synthesizing high-quality tumor-free images and outperforms a family of well-established unsupervised models in terms of segmentation accuracy. Studies III and IV aim to automatically discriminate the benign from the malignant pulmonary nodules by analyzing the low-dose computed tomography (LDCT) scans. In Study III, a dual-pathway deep classification framework is proposed to simultaneously take into account the local intra-nodule heterogeneities and the global contextual information. Study IV seeks to compare the discriminative power of a series of carefully selected conventional radiomics methods, end-to-end Deep Learning (DL) models, and deep features-based radiomics analysis on the same dataset. The numerical analyses show the potential of fusing the learned deep features into radiomic features for boosting the classification power. Study V focuses on the early assessment of lung tumor response to the applied treatments by proposing a novel feature set that can be interpreted physiologically. This feature set was employed to quantify the changes in the tumor characteristics from longitudinal PET-CT scans in order to predict the overall survival status of the patients two years after the last session of treatments. The discriminative power of the introduced imaging biomarkers was compared against the conventional radiomics, and the quantitative evaluations verified the superiority of the proposed feature set. Whereas Study V focuses on a binary survival prediction task, Study VI addresses the prediction of survival rate in patients diagnosed with lung and head-neck cancer by investigating the potential of spherical convolutional neural networks and comparing their performance against other types of features, including radiomics. While comparable results were achieved in intra- dataset analyses, the proposed spherical-based features show more predictive power in inter-dataset analyses. In summary, the six studies incorporate different imaging modalities and a wide range of image processing and machine-learning techniques in the methods developed for the quantitative assessment of tumor characteristics and contribute to the essential procedures of cancer diagnosis and prognosis