Using data-driven sublanguage pattern mining to induce knowledge models: application in medical image reports knowledge representation

Background: The use of knowledge models facilitates information retrieval, knowledge base development, and therefore supports new knowledge discovery that ultimately enables decision support applications. Most existing works have employed machine learning techniques to construct a knowledge base. However, they often suffer from low precision in extracting entity and relationships. In this paper, we described a data-driven sublanguage pattern mining method that can be used to create a knowledge model. We combined natural language processing (NLP) and semantic network analysis in our model generation pipeline. Methods: As a use case of our pipeline, we utilized data from an open source imaging case repository, Radiopaedia.org, to generate a knowledge model that represents the contents of medical imaging reports. We extracted entities and relationships using the Stanford part-of-speech parser and the “Subject:Relationship:Object” syntactic data schema. The identified noun phrases were tagged with the Unified Medical Language System (UMLS) semantic types. An evaluation was done on a dataset comprised of 83 image notes from four data sources. Results: A semantic type network was built based on the co-occurrence of 135 UMLS semantic types in 23,410 medical image reports. By regrouping the semantic types and generalizing the semantic network, we created a knowledge model that contains 14 semantic categories. Our knowledge model was able to cover 98% of the content in the evaluation corpus and revealed 97% of the relationships. Machine annotation achieved a precision of 87%, recall of 79%, and F-score of 82%. Conclusion: The results indicated that our pipeline was able to produce a comprehensive content-based knowledge model that could represent context from various sources in the same domain

Towards a New Science of a Clinical Data Intelligence

In this paper we define Clinical Data Intelligence as the analysis of data generated in the clinical routine with the goal of improving patient care. We define a science of a Clinical Data Intelligence as a data analysis that permits the derivation of scientific, i.e., generalizable and reliable results. We argue that a science of a Clinical Data Intelligence is sensible in the context of a Big Data analysis, i.e., with data from many patients and with complete patient information. We discuss that Clinical Data Intelligence requires the joint efforts of knowledge engineering, information extraction (from textual and other unstructured data), and statistics and statistical machine learning. We describe some of our main results as conjectures and relate them to a recently funded research project involving two major German university hospitals.Comment: NIPS 2013 Workshop: Machine Learning for Clinical Data Analysis and Healthcare, 201

A systematic review of natural language processing applied to radiology reports

NLP has a significant role in advancing healthcare and has been found to be key in extracting structured information from radiology reports. Understanding recent developments in NLP application to radiology is of significance but recent reviews on this are limited. This study systematically assesses recent literature in NLP applied to radiology reports. Our automated literature search yields 4,799 results using automated filtering, metadata enriching steps and citation search combined with manual review. Our analysis is based on 21 variables including radiology characteristics, NLP methodology, performance, study, and clinical application characteristics. We present a comprehensive analysis of the 164 publications retrieved with each categorised into one of 6 clinical application categories. Deep learning use increases but conventional machine learning approaches are still prevalent. Deep learning remains challenged when data is scarce and there is little evidence of adoption into clinical practice. Despite 17% of studies reporting greater than 0.85 F1 scores, it is hard to comparatively evaluate these approaches given that most of them use different datasets. Only 14 studies made their data and 15 their code available with 10 externally validating results. Automated understanding of clinical narratives of the radiology reports has the potential to enhance the healthcare process but reproducibility and explainability of models are important if the domain is to move applications into clinical use. More could be done to share code enabling validation of methods on different institutional data and to reduce heterogeneity in reporting of study properties allowing inter-study comparisons. Our results have significance for researchers providing a systematic synthesis of existing work to build on, identify gaps, opportunities for collaboration and avoid duplication

Towards Generalist Biomedical AI

Medicine is inherently multimodal, with rich data modalities spanning text, imaging, genomics, and more. Generalist biomedical artificial intelligence (AI) systems that flexibly encode, integrate, and interpret this data at scale can potentially enable impactful applications ranging from scientific discovery to care delivery. To enable the development of these models, we first curate MultiMedBench, a new multimodal biomedical benchmark. MultiMedBench encompasses 14 diverse tasks such as medical question answering, mammography and dermatology image interpretation, radiology report generation and summarization, and genomic variant calling. We then introduce Med-PaLM Multimodal (Med-PaLM M), our proof of concept for a generalist biomedical AI system. Med-PaLM M is a large multimodal generative model that flexibly encodes and interprets biomedical data including clinical language, imaging, and genomics with the same set of model weights. Med-PaLM M reaches performance competitive with or exceeding the state of the art on all MultiMedBench tasks, often surpassing specialist models by a wide margin. We also report examples of zero-shot generalization to novel medical concepts and tasks, positive transfer learning across tasks, and emergent zero-shot medical reasoning. To further probe the capabilities and limitations of Med-PaLM M, we conduct a radiologist evaluation of model-generated (and human) chest X-ray reports and observe encouraging performance across model scales. In a side-by-side ranking on 246 retrospective chest X-rays, clinicians express a pairwise preference for Med-PaLM M reports over those produced by radiologists in up to 40.50% of cases, suggesting potential clinical utility. While considerable work is needed to validate these models in real-world use cases, our results represent a milestone towards the development of generalist biomedical AI systems

Challenges and Opportunities of End-to-End Learning in Medical Image Classification

Das Paradigma des End-to-End Lernens hat in den letzten Jahren die Bilderkennung revolutioniert, aber die klinische Anwendung hinkt hinterher. Bildbasierte computergestützte Diagnosesysteme basieren immer noch weitgehend auf hochtechnischen und domänen-spezifischen Pipelines, die aus unabhängigen regelbasierten Modellen bestehen, welche die Teilaufgaben der Bildklassifikation wiederspiegeln: Lokalisation von auffälligen Regionen, Merkmalsextraktion und Entscheidungsfindung. Das Versprechen einer überlegenen Entscheidungsfindung beim End-to-End Lernen ergibt sich daraus, dass domänenspezifische Zwangsbedingungen von begrenzter Komplexität entfernt werden und stattdessen alle Systemkomponenten gleichzeitig, direkt anhand der Rohdaten, und im Hinblick auf die letztendliche Aufgabe optimiert werden. Die Gründe dafür, dass diese Vorteile noch nicht den Weg in die Klinik gefunden haben, d.h. die Herausforderungen, die sich bei der Entwicklung Deep Learning-basierter Diagnosesysteme stellen, sind vielfältig: Die Tatsache, dass die Generalisierungsfähigkeit von Lernalgorithmen davon abhängt, wie gut die verfügbaren Trainingsdaten die tatsächliche zugrundeliegende Datenverteilung abbilden, erweist sich in medizinische Anwendungen als tiefgreifendes Problem. Annotierte Datensätze in diesem Bereich sind notorisch klein, da für die Annotation eine kostspielige Beurteilung durch Experten erforderlich ist und die Zusammenlegung kleinerer Datensätze oft durch Datenschutzauflagen und Patientenrechte erschwert wird. Darüber hinaus weisen medizinische Datensätze drastisch unterschiedliche Eigenschaften im Bezug auf Bildmodalitäten, Bildgebungsprotokolle oder Anisotropien auf, und die oft mehrdeutige Evidenz in medizinischen Bildern kann sich auf inkonsistente oder fehlerhafte Trainingsannotationen übertragen. Während die Verschiebung von Datenverteilungen zwischen Forschungsumgebung und Realität zu einer verminderten Modellrobustheit führt und deshalb gegenwärtig als das Haupthindernis für die klinische Anwendung von Lernalgorithmen angesehen wird, wird dieser Graben oft noch durch Störfaktoren wie Hardwarelimitationen oder Granularität von gegebenen Annotation erweitert, die zu Diskrepanzen zwischen der modellierten Aufgabe und der zugrunde liegenden klinischen Fragestellung führen. Diese Arbeit untersucht das Potenzial des End-to-End-Lernens in klinischen Diagnosesystemen und präsentiert Beiträge zu einigen der wichtigsten Herausforderungen, die derzeit eine breite klinische Anwendung verhindern. Zunächst wird der letzten Teil der Klassifikations-Pipeline untersucht, die Kategorisierung in klinische Pathologien. Wir demonstrieren, wie das Ersetzen des gegenwärtigen klinischen Standards regelbasierter Entscheidungen durch eine groß angelegte Merkmalsextraktion gefolgt von lernbasierten Klassifikatoren die Brustkrebsklassifikation im MRT signifikant verbessert und eine Leistung auf menschlichem Level erzielt. Dieser Ansatz wird weiter anhand von kardiologischer Diagnose gezeigt. Zweitens ersetzen wir, dem Paradigma des End-to-End Lernens folgend, das biophysikalische Modell, das für die Bildnormalisierung in der MRT angewandt wird, sowie die Extraktion handgefertigter Merkmale, durch eine designierte CNN-Architektur und liefern eine eingehende Analyse, die das verborgene Potenzial der gelernten Bildnormalisierung und einen Komplementärwert der gelernten Merkmale gegenüber den handgefertigten Merkmalen aufdeckt. Während dieser Ansatz auf markierten Regionen arbeitet und daher auf manuelle Annotation angewiesen ist, beziehen wir im dritten Teil die Aufgabe der Lokalisierung dieser Regionen in den Lernprozess ein, um eine echte End-to-End-Diagnose baserend auf den Rohbildern zu ermöglichen. Dabei identifizieren wir eine weitgehend vernachlässigte Zwangslage zwischen dem Streben nach der Auswertung von Modellen auf klinisch relevanten Skalen auf der einen Seite, und der Optimierung für effizientes Training unter Datenknappheit auf der anderen Seite. Wir präsentieren ein Deep Learning Modell, das zur Auflösung dieses Kompromisses beiträgt, liefern umfangreiche Experimente auf drei medizinischen Datensätzen sowie eine Serie von Toy-Experimenten, die das Verhalten bei begrenzten Trainingsdaten im Detail untersuchen, und publiziren ein umfassendes Framework, das unter anderem die ersten 3D-Implementierungen gängiger Objekterkennungsmodelle umfasst. Wir identifizieren weitere Hebelpunkte in bestehenden End-to-End-Lernsystemen, bei denen Domänenwissen als Zwangsbedingung dienen kann, um die Robustheit von Modellen in der medizinischen Bildanalyse zu erhöhen, die letztendlich dazu beitragen sollen, den Weg für die Anwendung in der klinischen Praxis zu ebnen. Zu diesem Zweck gehen wir die Herausforderung fehlerhafter Trainingsannotationen an, indem wir die Klassifizierungskompnente in der End-to-End-Objekterkennung durch Regression ersetzen, was es ermöglicht, Modelle direkt auf der kontinuierlichen Skala der zugrunde liegenden pathologischen Prozesse zu trainieren und so die Robustheit der Modelle gegenüber fehlerhaften Trainingsannotationen zu erhöhen. Weiter adressieren wir die Herausforderung der Input-Heterogenitäten, mit denen trainierte Modelle konfrontiert sind, wenn sie an verschiedenen klinischen Orten eingesetzt werden, indem wir eine modellbasierte Domänenanpassung vorschlagen, die es ermöglicht, die ursprüngliche Trainingsdomäne aus veränderten Inputs wiederherzustellen und damit eine robuste Generalisierung zu gewährleisten. Schließlich befassen wir uns mit dem höchst unsystematischen, aufwendigen und subjektiven Trial-and-Error-Prozess zum Finden von robusten Hyperparametern für einen gegebene Aufgabe, indem wir Domänenwissen in ein Set systematischer Regeln überführen, die eine automatisierte und robuste Konfiguration von Deep Learning Modellen auf einer Vielzahl von medizinischen Datensetzen ermöglichen. Zusammenfassend zeigt die hier vorgestellte Arbeit das enorme Potenzial von End-to-End Lernalgorithmen im Vergleich zum klinischen Standard mehrteiliger und hochtechnisierter Diagnose-Pipelines auf, und präsentiert Lösungsansätze zu einigen der wichtigsten Herausforderungen für eine breite Anwendung unter realen Bedienungen wie Datenknappheit, Diskrepanz zwischen der vom Modell behandelten Aufgabe und der zugrunde liegenden klinischen Fragestellung, Mehrdeutigkeiten in Trainingsannotationen, oder Verschiebung von Datendomänen zwischen klinischen Standorten. Diese Beiträge können als Teil des übergreifende Zieles der Automatisierung von medizinischer Bildklassifikation gesehen werden - ein integraler Bestandteil des Wandels, der erforderlich ist, um die Zukunft des Gesundheitswesens zu gestalten

Innovative signal processing and data mining techniques for aquatic animal health

Problem: Aquatic animal health data is often stored in unstructured formats like text and medical images, making large-scale analysis challenging due to the complexity of processing such data. Objectives: In this thesis, we aim to develop text mining, signal processing, image processing, and machine learning techniques to analyse unstructured data effectively. These methods will enable the aggregation of information across large datasets of unstructured aquatic animal health data. Methodology: • For text analysis, we have designed an ontology-based framework for extracting and storing information from aquatic animal post-mortem reports, with a focus on gross pathology reports. While we initially applied this framework to marine mammal stranding reports, it can be adapted for various species and report types. • For medical image analysis, we have created methods for identifying and analysing lesions in whole-slide images (WSIs) of Atlantic salmon gills. Our approach includes a novel feature extraction technique utilising the empirical wavelet transform, and we enhance context-awareness by employing a variational autoencoder to identify regions of interest within histology images. Achievements: The research resulted in the development of an ontology-based framework for systematic text extraction and storage from marine mammal gross pathology reports. We showcased our framework’s performance by using it to analyse bottlenose dolphin attacks on harbour porpoises. Additionally, we created innovative methods for lesion detection in Atlantic salmon gill whole-slide images, incorporating advanced techniques such as the empirical wavelet transform, deep learning, and a variational autoencoder for context-awareness. These achievements collectively advance the analysis of unstructured aquatic animal health data, enabling more comprehensive and efficient data processing. At the time of writing, the project is the only one to apply data-driven approaches to marine mammal post-mortem reports and gill WSIs