Deep learning for clinical decision support in oncology

In den letzten Jahrzehnten sind medizinische Bildgebungsverfahren wie die Computertomographie (CT) zu einem unersetzbaren Werkzeug moderner Medizin geworden, welche eine zeitnahe, nicht-invasive Begutachtung von Organen und Geweben ermöglichen. Die Menge an anfallenden Daten ist dabei rapide gestiegen, allein innerhalb der letzten Jahre um den Faktor 15, und aktuell verantwortlich für 30 % des weltweiten Datenvolumens. Die Anzahl ausgebildeter Radiologen ist weitestgehend stabil, wodurch die medizinische Bildanalyse, angesiedelt zwischen Medizin und Ingenieurwissenschaften, zu einem schnell wachsenden Feld geworden ist. Eine erfolgreiche Anwendung verspricht Zeitersparnisse, und kann zu einer höheren diagnostischen Qualität beitragen. Viele Arbeiten fokussieren sich auf „Radiomics“, die Extraktion und Analyse von manuell konstruierten Features. Diese sind jedoch anfällig gegenüber externen Faktoren wie dem Bildgebungsprotokoll, woraus Implikationen für Reproduzierbarkeit und klinische Anwendbarkeit resultieren. In jüngster Zeit sind Methoden des „Deep Learning“ zu einer häufig verwendeten Lösung algorithmischer Problemstellungen geworden. Durch Anwendungen in Bereichen wie Robotik, Physik, Mathematik und Wirtschaft, wurde die Forschung im Bereich maschinellen Lernens wesentlich verändert. Ein Kriterium für den Erfolg stellt die Verfügbarkeit großer Datenmengen dar. Diese sind im medizinischen Bereich rar, da die Bilddaten strengen Anforderungen bezüglich Datenschutz und Datensicherheit unterliegen, und oft heterogene Qualität, sowie ungleichmäßige oder fehlerhafte Annotationen aufweisen, wodurch ein bedeutender Teil der Methoden keine Anwendung finden kann. Angesiedelt im Bereich onkologischer Bildgebung zeigt diese Arbeit Wege zur erfolgreichen Nutzung von Deep Learning für medizinische Bilddaten auf. Mittels neuer Methoden für klinisch relevante Anwendungen wie die Schätzung von Läsionswachtum, Überleben, und Entscheidungkonfidenz, sowie Meta-Learning, Klassifikator-Ensembling, und Entscheidungsvisualisierung, werden Wege zur Verbesserungen gegenüber State-of-the-Art-Algorithmen aufgezeigt, welche ein breites Anwendungsfeld haben. Hierdurch leistet die Arbeit einen wesentlichen Beitrag in Richtung einer klinischen Anwendung von Deep Learning, zielt auf eine verbesserte Diagnose, und damit letztlich eine verbesserte Gesundheitsversorgung insgesamt.Over the last decades, medical imaging methods, such as computed tomography (CT), have become an indispensable tool of modern medicine, allowing for a fast, non-invasive inspection of organs and tissue. Thus, the amount of acquired healthcare data has rapidly grown, increased 15-fold within the last years, and accounts for more than 30 % of the world's generated data volume. In contrast, the number of trained radiologists remains largely stable. Thus, medical image analysis, settled between medicine and engineering, has become a rapidly growing research field. Its successful application may result in remarkable time savings and lead to a significantly improved diagnostic performance. Many of the work within medical image analysis focuses on radiomics, i. e. the extraction and analysis of hand-crafted imaging features. Radiomics, however, has been shown to be highly sensitive to external factors, such as the acquisition protocol, having major implications for reproducibility and clinical applicability. Lately, deep learning has become one of the most employed methods for solving computational problems. With successful applications in diverse fields, such as robotics, physics, mathematics, and economy, deep learning has revolutionized the process of machine learning research. Having large amounts of training data is a key criterion for its successful application. These data, however, are rare within medicine, as medical imaging is subject to a variety of data security and data privacy regulations. Moreover, medical imaging data often suffer from heterogeneous quality, label imbalance, and label noise, rendering a considerable fraction of deep learning-based algorithms inapplicable. Settled in the field of CT oncology, this work addresses these issues, showing up ways to successfully handle medical imaging data using deep learning. It proposes novel methods for clinically relevant tasks, such as lesion growth and patient survival prediction, confidence estimation, meta-learning and classifier ensembling, and finally deep decision explanation, yielding superior performance in comparison to state-of-the-art approaches, and being applicable to a wide variety of applications. With this, the work contributes towards a clinical translation of deep learning-based algorithms, aiming for an improved diagnosis, and ultimately overall improved patient healthcare