A Generalizable Deep Learning System for Cardiac MRI

Cardiac MRI allows for a comprehensive assessment of myocardial structure, function, and tissue characteristics. Here we describe a foundational vision system for cardiac MRI, capable of representing the breadth of human cardiovascular disease and health. Our deep learning model is trained via self-supervised contrastive learning, by which visual concepts in cine-sequence cardiac MRI scans are learned from the raw text of the accompanying radiology reports. We train and evaluate our model on data from four large academic clinical institutions in the United States. We additionally showcase the performance of our models on the UK BioBank, and two additional publicly available external datasets. We explore emergent zero-shot capabilities of our system, and demonstrate remarkable performance across a range of tasks; including the problem of left ventricular ejection fraction regression, and the diagnosis of 35 different conditions such as cardiac amyloidosis and hypertrophic cardiomyopathy. We show that our deep learning system is capable of not only understanding the staggering complexity of human cardiovascular disease, but can be directed towards clinical problems of interest yielding impressive, clinical grade diagnostic accuracy with a fraction of the training data typically required for such tasks.Comment: 21 page main manuscript, 4 figures. Supplementary Appendix and code will be made available on publicatio

MACHINE LEARNING APPROACHES ALONG THE RADIOLOGY VALUE CHAIN – RETHINKING VALUE PROPOSITIONS

Radiology is experiencing an increased interest in machine learning with its ability to use a large amount of available data. However, it remains unclear how and to what extent machine learning will affect radiology businesses. Conducting a systematic literature review and expert interviews, we compile the opportunities and challenges of machine learning along the radiology value chain to discuss their implications for the radiology business. Machine learning can improve diagnostic quality by reducing human errors, accurately analysing large amounts of data, quantifying reports, and integrating data. Hence, it strengthens radiology businesses seeking product or service leadership. Machine learning fosters efficiency by automating accompanying activities such as generating study protocols or reports, avoiding duplicate work due to low image quality, and supporting radiologists. These efficiency improvements advance the operational excellence strategy. By providing personnel and proactive medical solutions beyond the radiology silo, machine learning supports a customer intimacy strategy. However, the opportunities face challenges that are technical (i.e., lack of data, weak labelling, and generalisation), legal (i.e., regulatory approval and privacy laws), and persuasive (i.e., radiologists’ resistance and patients’ distrust). Our findings shed light on the strategic positioning of radiology businesses, contributing to academic discourse and practical decision-making

Deep Learning in Cardiology

The medical field is creating large amount of data that physicians are unable to decipher and use efficiently. Moreover, rule-based expert systems are inefficient in solving complicated medical tasks or for creating insights using big data. Deep learning has emerged as a more accurate and effective technology in a wide range of medical problems such as diagnosis, prediction and intervention. Deep learning is a representation learning method that consists of layers that transform the data non-linearly, thus, revealing hierarchical relationships and structures. In this review we survey deep learning application papers that use structured data, signal and imaging modalities from cardiology. We discuss the advantages and limitations of applying deep learning in cardiology that also apply in medicine in general, while proposing certain directions as the most viable for clinical use.Comment: 27 pages, 2 figures, 10 table

Automated Diagnosis of Cardiovascular Diseases from Cardiac Magnetic Resonance Imaging Using Deep Learning Models: A Review

In recent years, cardiovascular diseases (CVDs) have become one of the leading causes of mortality globally. CVDs appear with minor symptoms and progressively get worse. The majority of people experience symptoms such as exhaustion, shortness of breath, ankle swelling, fluid retention, and other symptoms when starting CVD. Coronary artery disease (CAD), arrhythmia, cardiomyopathy, congenital heart defect (CHD), mitral regurgitation, and angina are the most common CVDs. Clinical methods such as blood tests, electrocardiography (ECG) signals, and medical imaging are the most effective methods used for the detection of CVDs. Among the diagnostic methods, cardiac magnetic resonance imaging (CMR) is increasingly used to diagnose, monitor the disease, plan treatment and predict CVDs. Coupled with all the advantages of CMR data, CVDs diagnosis is challenging for physicians due to many slices of data, low contrast, etc. To address these issues, deep learning (DL) techniques have been employed to the diagnosis of CVDs using CMR data, and much research is currently being conducted in this field. This review provides an overview of the studies performed in CVDs detection using CMR images and DL techniques. The introduction section examined CVDs types, diagnostic methods, and the most important medical imaging techniques. In the following, investigations to detect CVDs using CMR images and the most significant DL methods are presented. Another section discussed the challenges in diagnosing CVDs from CMR data. Next, the discussion section discusses the results of this review, and future work in CVDs diagnosis from CMR images and DL techniques are outlined. The most important findings of this study are presented in the conclusion section

Contribuciones de las técnicas machine learning a la cardiología. Predicción de reestenosis tras implante de stent coronario

[ES]Antecedentes: Existen pocos temas de actualidad equiparables a la posibilidad de la tecnología actual para desarrollar las mismas capacidades que el ser humano, incluso en medicina. Esta capacidad de simular los procesos de inteligencia humana por parte de máquinas o sistemas informáticos es lo que conocemos hoy en día como inteligencia artificial. Uno de los campos de la inteligencia artificial con mayor aplicación a día de hoy en medicina es el de la predicción, recomendación o diagnóstico, donde se aplican las técnicas machine learning. Asimismo, existe un creciente interés en las técnicas de medicina de precisión, donde las técnicas machine learning pueden ofrecer atención médica individualizada a cada paciente. El intervencionismo coronario percutáneo (ICP) con stent se ha convertido en una práctica habitual en la revascularización de los vasos coronarios con enfermedad aterosclerótica obstructiva significativa. El ICP es asimismo patrón oro de tratamiento en pacientes con infarto agudo de miocardio; reduciendo las tasas de muerte e isquemia recurrente en comparación con el tratamiento médico. El éxito a largo plazo del procedimiento está limitado por la reestenosis del stent, un proceso patológico que provoca un estrechamiento arterial recurrente en el sitio de la ICP. Identificar qué pacientes harán reestenosis es un desafío clínico importante; ya que puede manifestarse como un nuevo infarto agudo de miocardio o forzar una nueva resvascularización del vaso afectado, y que en casos de reestenosis recurrente representa un reto terapéutico. Objetivos: Después de realizar una revisión de las técnicas de inteligencia artificial aplicadas a la medicina y con mayor profundidad, de las técnicas machine learning aplicadas a la cardiología, el objetivo principal de esta tesis doctoral ha sido desarrollar un modelo machine learning para predecir la aparición de reestenosis en pacientes con infarto agudo de miocardio sometidos a ICP con implante de un stent. Asimismo, han sido objetivos secundarios comparar el modelo desarrollado con machine learning con los scores clásicos de riesgo de reestenosis utilizados hasta la fecha; y desarrollar un software que permita trasladar esta contribución a la práctica clínica diaria de forma sencilla. Para desarrollar un modelo fácilmente aplicable, realizamos nuestras predicciones sin variables adicionales a las obtenidas en la práctica rutinaria. Material: El conjunto de datos, obtenido del ensayo GRACIA-3, consistió en 263 pacientes con características demográficas, clínicas y angiográficas; 23 de ellos presentaron reestenosis a los 12 meses después de la implantación del stent. Todos los desarrollos llevados a cabo se han hecho en Python y se ha utilizado computación en la nube, en concreto AWS (Amazon Web Services). Metodología: Se ha utilizado una metodología para trabajar con conjuntos de datos pequeños y no balanceados, siendo importante el esquema de validación cruzada anidada utilizado, así como la utilización de las curvas PR (precision-recall, exhaustividad-sensibilidad), además de las curvas ROC, para la interpretación de los modelos. Se han entrenado los algoritmos más habituales en la literatura para elegir el que mejor comportamiento ha presentado. Resultados: El modelo con mejores resultados ha sido el desarrollado con un clasificador extremely randomized trees; que superó significativamente (0,77; área bajo la curva ROC a los tres scores clínicos clásicos; PRESTO-1 (0,58), PRESTO-2 (0,58) y TLR (0,62). Las curvas exhaustividad sensibilidad ofrecieron una imagen más precisa del rendimiento del modelo extremely randomized trees que muestra un algoritmo eficiente (0,96) para no reestenosis, con alta exhaustividad y alta sensibilidad. Para un umbral considerado óptimo, de 1,000 pacientes sometidos a implante de stent, nuestro modelo machine learning predeciría correctamente 181 (18%) más casos en comparación con el mejor score de riesgo clásico (TLR). Las variables más importantes clasificadas según su contribución a las predicciones fueron diabetes, enfermedad coronaria en 2 ó más vasos, flujo TIMI post-ICP, plaquetas anormales, trombo post-ICP y colesterol anormal. Finalmente, se ha desarrollado una calculadora para trasladar el modelo a la práctica clínica. La calculadora permite estimar el riesgo individual de cada paciente y situarlo en una zona de riesgo, facilitando la toma de decisión al médico en cuanto al seguimiento adecuado para el mismo. Conclusiones: Aplicado inmediatamente después de la implantación del stent, un modelo machine learning diferencia mejor a aquellos pacientes que presentarán o no reestenosis respecto a los discriminadores clásicos actuales