JP7542578B2 - Methods and systems for utilizing quantitative imaging - Patents.com - Google Patents
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Description
本開示は、定量的イメージングおよび分析に関する。より具体的には、本開示は、定量的イメージングを利用して病変を分析するためのシステムおよび方法に関する。 The present disclosure relates to quantitative imaging and analysis. More specifically, the present disclosure relates to systems and methods for analyzing lesions using quantitative imaging.
特に安全で非侵襲的な方法によるイメージングは、疾患の原因を特定し、その詳細な病変を把握し、療法を指示し、健康への進行をモニタリングするための最も強力な方法である。イメージングはまた、より安価で破壊的である、適切な早期介入を可能にすることにより、これらの人的および経済的コストを軽減するための非常に価値のある低コストの方法でもある。 Imaging, especially with safe, non-invasive methods, is the most powerful way to identify the cause of disease, characterize its detailed pathology, prescribe therapy, and monitor progression to health. Imaging is also an extremely valuable, low-cost method to mitigate these human and economic costs by enabling appropriate early interventions that are less disruptive and less costly.
強化されたイメージング技術により、医用イメージングは患者ケアの不可欠な成分となっている。イメージングは、非侵襲的または低侵襲的な方法を使用して、空間的および時間的に局所化された解剖学的および機能的な情報を提供することから特に価値がある。ただし、人間の目では容易に評価できないデータのパターンまたは特徴を活用するために、および大規模なデータを、データを臨床ワークフローに効率的に統合する方法で管理するために、空間的および時間的分解能の向上を効果的に利用する技術が必要である。臨床医は、支援がなければ、利用可能な情報コンテンツを効果的に抽出する時間もなく、しばしばその能力もなく、いずれにしても情報を主観的および定性的に解釈するのが一般的である。個々の患者管理および療法開発のための臨床試験のための定量的イメージングを統合することは、医療コミュニティが既存のワークフローおよび診療報酬の制約の中で、進化および成長するイメージングモダリティで可能な機能を十分に活用できるようにする、新しいクラスの意思決定支援インフォマティックスツールが必要とされている。 Enhanced imaging technologies have made medical imaging an essential component of patient care. Imaging is particularly valuable because it provides spatially and temporally localized anatomical and functional information using non-invasive or minimally invasive methods. However, techniques are needed to effectively utilize the increased spatial and temporal resolution to exploit patterns or features in the data that are not easily assessed by the human eye, and to manage large amounts of data in a manner that efficiently integrates the data into clinical workflow. Without assistance, clinicians often lack the time and often the ability to effectively extract the available information content, and in any case typically interpret the information subjectively and qualitatively. Integrating quantitative imaging for individual patient management and clinical trials for therapy development calls for a new class of decision support informatics tools that enable the medical community to fully exploit the capabilities possible with evolving and growing imaging modalities within the constraints of existing workflows and reimbursement.
イメージング法から得られる定量的な結果は、例えば、広く受け入れられているバイオマーカーのNIHコンセンサス会議の定義に従って、日常の臨床ケアと臨床試験との両方でバイオマーカーとして使用される可能性がある。臨床診療では、定量的イメージングは、(a)療法過程の前、最中、または後に疾患を検出し、特徴付けること、および(b)療法の有無にかかわらず疾患過程を予測することを目的としている。臨床研究では、イメージングバイオマーカーを使用して臨床試験のエンドポイントを定義することができる。 Quantitative results from imaging methods may be used as biomarkers in both routine clinical care and clinical trials, for example, according to the widely accepted NIH Consensus Conference definition of biomarkers. In clinical practice, quantitative imaging aims to (a) detect and characterize disease before, during, or after a course of therapy, and (b) predict disease course with or without therapy. In clinical research, imaging biomarkers can be used to define clinical trial endpoints.
定量化は、空間的、時間的、およびコントラストの分解能の改善、ならびに複数のエネルギー/シーケンスで組織を励起し、多様な組織固有の応答をもたらすことができるようになったイメージング物理学の発展に基づいている。これらの改善により、組織の識別および機能評価が可能になり、例えば、コンピュータ断層撮影(CT)、デュアルエネルギーコンピュータ断層撮影(DECT)、スペクトルコンピュータ断層撮影(スペクトルCT)、コンピュータ断層撮影血管造影(CTA)、心臓コンピュータ断層撮影血管造影(CCTA)、磁気共鳴イメージング(MRI)、マルチコントラスト磁気共鳴イメージング(マルチコントラストMRI)、超音波(US)、および様々なイメージングモダリティを使用した標的型または一般的な造影剤によるアプローチなどで顕著に見られる。定量的イメージングは、ある治療の別の治療に対する有効性、現在の治療がどの程度有効であるか、または患者が治療を受けないままでいる場合にどのようなリスクがあるかを示す特定の生物学的特性を測定する。測定デバイスとして見ると、形成された画像の画像処理と組み合わされたスキャナは、所与のイメージングアプローチに関連する物理的原理に基づいて組織の特性を測定し、異なる組織がそれにどのように反応するかを測定する能力を有している。画像形成プロセスはモダリティによって大きく異なるが、いくつかの一般化は全体的な評価の枠組みを作るのに役立つが、例外、ニュアンス、および微妙な点が実際の結論を導き、それらが考慮されるまで、および考慮されない限り、最大の機会のいくつかを失う。 Quantification is based on improvements in spatial, temporal, and contrast resolution, as well as developments in imaging physics that allow tissues to be excited with multiple energies/sequences, resulting in diverse tissue-specific responses. These improvements allow tissue identification and functional assessment, as seen, for example, in computed tomography (CT), dual-energy computed tomography (DECT), spectral computed tomography (spectral CT), computed tomography angiography (CTA), cardiac computed tomography angiography (CCTA), magnetic resonance imaging (MRI), multi-contrast magnetic resonance imaging (multi-contrast MRI), ultrasound (US), and targeted or general contrast approaches using various imaging modalities. Quantitative imaging measures specific biological properties that indicate the effectiveness of one treatment over another, how effective a current treatment is, or what risks a patient faces if they remain untreated. Viewed as a measuring device, the scanner, combined with image processing of the formed images, has the ability to measure tissue properties based on physical principles related to a given imaging approach and how different tissues respond to it. While the imaging process varies widely across modalities, and some generalizations can be helpful in framing the overall evaluation, there are exceptions, nuances, and subtleties that will drive real conclusions, and until and unless they are taken into account, some of the greatest opportunities are missed.
新規治療薬の臨床試験の初期フェーズでのイメージングは、基礎となる生物学的経路および薬理学的効果の理解に寄与する。イメージングはまた、新しい医薬品および療法の開発に必要なコストおよび時間を削減する可能性もある。開発の後期フェーズでは、イメージングバイオマーカーは、臨床的利益のための重要な終了地点として、および/または個別化された療法のための特定の患者の状態を説明および/または追跡するのに役立つコンパニオン診断として役立つ可能性がある。すべてのフェーズで、療法の効果をよりよく実証するために、イメージングバイオマーカーを使用して、疾患状態に基づいて患者を選択または層別化することができる。 Imaging in early phases of clinical trials of novel therapeutics contributes to the understanding of underlying biological pathways and pharmacological effects. Imaging may also reduce the cost and time required to develop new medicines and therapies. In later phases of development, imaging biomarkers may serve as critical endpoints for clinical benefit and/or as companion diagnostics to help describe and/or track a particular patient's status for personalized therapy. In all phases, imaging biomarkers can be used to select or stratify patients based on disease status to better demonstrate the efficacy of therapy.
a.定量的医用イメージング
強化されたイメージング技術により、医用イメージングは患者ケアの不可欠な成分となっている。イメージングは、非侵襲的または低侵襲的な方法を使用して、空間的および時間的に局所化された解剖学的および機能的な情報を提供することから特に価値がある。ただし、人間の目では容易に評価できないデータのパターンまたは特徴を活用するために、および大規模なデータを、データを臨床ワークフローに効率的に統合する方法で管理するために、分解能の向上に対する技術が必要とされている。最新の高分解能イメージング技術では、放射線科医は支援がなければデータに「溺れて」しまうことになる。個々の患者管理のために定量的イメージングを統合することは、コミュニティが既存のワークフローおよび診療報酬の制約の中で、これらの新しいツールの機能を十分に活用できるようにするために、新しいクラスの意思決定支援インフォマティックスツールが必要となる。
a. Quantitative Medical Imaging Enhanced imaging technology has made medical imaging an essential component of patient care. Imaging is particularly valuable because it provides spatially and temporally localized anatomical and functional information using non-invasive or minimally invasive methods. However, techniques for improved resolution are needed to exploit patterns or features in the data that are not easily assessed by the human eye, and to manage large amounts of data in a way that efficiently integrates the data into clinical workflow. With modern high-resolution imaging techniques, radiologists are left "drowning" in data without assistance. Integrating quantitative imaging for individual patient management will require a new class of decision support informatics tools to enable the community to fully exploit the capabilities of these new tools within existing workflow and reimbursement constraints.
追加的に、定量的イメージング法は、(i)前臨床試験、(ii)臨床研究、(iii)臨床試験、および(iv)臨床診療にとってますます重要になっている。新規治療薬の臨床試験の初期フェーズでのイメージングは、基礎となる生物学的経路および薬理学的効果の理解に寄与する。イメージングはまた、新規医薬品および療法の開発に必要なコストおよび時間を削減する可能性もある。開発の後期フェーズでは、イメージングバイオマーカーは臨床的利益のための重要な終了地点として役立つことがある。すべてのフェーズで、療法の効果をよりよく実証するために、イメージングバイオマーカーを使用して、疾患状態に基づいて患者を選択または層別化することができる。 Additionally, quantitative imaging methods are becoming increasingly important for (i) preclinical trials, (ii) clinical research, (iii) clinical trials, and (iv) clinical practice. Imaging in early phases of clinical trials of novel therapeutics contributes to the understanding of underlying biological pathways and pharmacological effects. Imaging may also reduce the cost and time required to develop novel drugs and therapies. In later phases of development, imaging biomarkers may serve as important endpoints for clinical benefit. In all phases, imaging biomarkers can be used to select or stratify patients based on disease status to better demonstrate the efficacy of therapies.
定量的イメージングの使用を通じた改善された患者選択は、(評価可能な患者の割合を増加させ、および/または迷惑変数の影響を低減することによって)所与の試験に必要なサンプルサイズを減少させ、提案された療法から最も利益を得られる可能性のある部分母集団を識別するのに役立ち得る。これにより、新薬の開発時間とコストが削減されるはずであるが、それに応じて「標的」母集団のサイズも減少される可能性もある。 Improved patient selection through the use of quantitative imaging may reduce the sample size required for a given trial (by increasing the proportion of evaluable patients and/or reducing the influence of nuisance variables) and help identify subpopulations that are most likely to benefit from a proposed therapy. This should reduce drug development time and costs, but may also correspondingly reduce the size of the "target" population.
疾患は単純ではなく、局所的に疾患が現れることが多いのに対し、全身性であることが多い。客観的に関連性のある組織特性の多要因評価は、連続的な指標のパネルまたは「プロファイル」として表され、時には将来の、および/または測定が困難であるが受け入れられているエンドポイントの「サロゲート」として理想的に証明されており、医学全体で効果的な方法であることが証明されているので、ここではそれに従うものとする。表現型の定量的なイメージング評価に基づく個別化診断のための次世代の計算方法の学際的な収束によって可能になった、病巣および/または臓器生態のコンピュータ支援測定、ならびにファーストリーダーまたはセカンドリーダーのパラダイムでの組織組成の定量化は、最新の臨床ITシステムとの相互運用性を積極的に最適化するアーキテクチャで実装されており、重症度の連続した疾患の患者を管理する際に、臨床医に力を提供し、外科、医療、およびモニタリングの経路にわたる患者分類を改善する。よりタイムリーで正確な評価は、結果の改善、ヘルスケアリソースのより効率的な使用、ツールのコストをはるかに上回るメリットを、基礎となる生物学に反するレベルに単純化できるという想定を保持するのではなく、疾患自体の複雑さに近い粒度と洗練度のレベルで生み出す。 Diseases are not simple, and while disease often manifests locally, it is often systemic. Multifactorial assessment of objectively relevant tissue characteristics, expressed as a panel or "profile" of continuous indicators, ideally suited as "surrogates" for sometimes prospective and/or difficult to measure but accepted endpoints, has proven to be an effective method across medicine, and will be followed here. Computer-assisted measurement of lesion and/or organ biology, as well as quantification of tissue composition in a first-reader or second-reader paradigm, enabled by the interdisciplinary convergence of next-generation computational methods for personalized diagnosis based on quantitative imaging assessment of phenotype, implemented in an architecture that actively optimizes interoperability with modern clinical IT systems, will empower clinicians in managing patients with disease across the severity continuum, improving patient stratification across surgical, medical, and monitoring pathways. More timely and accurate assessments will yield improved outcomes, more efficient use of healthcare resources, benefits that far outweigh the cost of the tools, at a level of granularity and sophistication that approaches the complexity of the disease itself, rather than holding assumptions that they can be simplified to a level that is at odds with the underlying biology.
b.表現型:
放射線イメージングは、一般に、病状に対して主観的かつ定性的に解釈される。医学文献では、表現型という用語を、その遺伝子型と環境との相互作用から生じる個人の観察可能な特性のセットとして使用している。表現型は一般的に客観性を意味し、つまり、表現型は主観的なものではなく事実であると言える。放射線学は、特性を視覚化する能力でよく知られており、ますます、客観的な事実基準で検証され得る(米国出願整理番号第14/959,732号、米国出願整理番号第15/237,249号、米国出願整理番号第15/874,474号、および米国出願整理番号第16/102,042号)。結果として、放射線画像を使用して表現型を決定することができるが、そうするための適切な手段が不足していることが多い。
b. Phenotype:
Radiological imaging is generally interpreted subjectively and qualitatively with respect to disease states. Medical literature uses the term phenotype as the set of observable characteristics of an individual resulting from the interaction of its genotype with the environment. Phenotype generally implies objectivity, i.e., phenotype is factual rather than subjective. Radiology is well known for its ability to visualize characteristics that can, increasingly, be verified with objective factual standards (US Application Serial No. 14/959,732, US Application Serial No. 15/237,249, US Application Serial No. 15/874,474, and US Application Serial No. 16/102,042). As a result, while radiological images can be used to determine phenotypes, there is often a lack of suitable means to do so.
有利には、表現型は事実に基づいているため、独立して客観的に評価することができる。さらに、表現型は、患者の治療上の決定を管理するために、ヘルスケア業界ですでに受け入れられている形式である。したがって、表現型は高度の臨床的関連性を有している。最後に、表現型は消費者との関連性がある。これにより、自己主張とライフスタイルの変化の動機付けとの両方が可能になる。 Advantageously, phenotyping is fact-based and can be assessed independently and objectively. Furthermore, phenotyping is a format already accepted by the healthcare industry to manage patient treatment decisions. Thus, phenotyping has a high degree of clinical relevance. Finally, phenotyping is relevant to consumers, allowing both self-advocacy and motivation for lifestyle changes.
単一の特徴を検出するだけでなく、連続的な指標の包括的なパネルに基づいて表現型を早期に識別することで、不可逆的な損傷および死亡を防ぐための迅速な介入が可能になる。事象を完全に先取りするため、または少なくとも兆候および/または症状を経験したときの診断精度を改善させるためには、ソリューションが不可欠である。構造の自動化測定ならびに組織組成および/または血行動態の定量化を備えた効率的なワークフローソリューションを使用して、リスクの高い患者(リスクの高くない患者とは異なる治療を受けることになるであろう患者)を特徴付けることができる。プラーク形態の特性を塞栓の可能性に結び付けると、臨床的に大きな臨床的意味合いを持つことになる。 Early identification of phenotypes based not only on detection of single features but on a comprehensive panel of continuous indicators would allow for rapid intervention to prevent irreversible damage and death. Solutions are essential to get ahead of the event entirely, or at least improve diagnostic accuracy when signs and/or symptoms are experienced. Efficient workflow solutions with automated measurements of structure and quantification of tissue composition and/or hemodynamics could be used to characterize high-risk patients (who would end up receiving different treatment than non-high-risk patients). Linking plaque morphology characteristics to embolic potential would have major clinical implications.
イメージング表現型は、関連研究において相関する遺伝子発現パターンであり得る。イメージング表現型は、イメージングが臨床現場で日常的に使用されており、個別化された治療における意思決定サポートを低コストで改善するためのこれまでにない機会を提供しているため、臨床的な影響を有し得る。特定のイメージング表現型を大規模なゲノム、プロテオミクス、トランスクリプトーム、および/またはメタボロミクス分析と相関させることは、より決定論的で患者固有の予後、および薬物療法または他の療法に対する反応の測定を作成することによって、療法戦略に影響を与える可能性がある。しかしながら、これまでのイメージング表現型を抽出するための方法は、ほとんどが経験的な性質のものであり、専門家とはいえ主に人間の観察に基づいている。これらの方法には人間による変動を内包しており、ハイスループット分析を支えるための拡張性がないことは明らかである。 Imaging phenotypes can be gene expression patterns that are correlated in association studies. Imaging phenotypes can have clinical impact as imaging is routinely used in clinical settings, providing unprecedented opportunities to improve decision support in personalized treatment at low cost. Correlating specific imaging phenotypes with large-scale genomic, proteomic, transcriptomic, and/or metabolomic analyses may impact therapy strategies by creating more deterministic and patient-specific prognosis and measures of response to drug or other therapies. However, methods to extract imaging phenotypes to date are mostly empirical in nature and based primarily on human, albeit expert, observation. These methods are subject to human variability and are clearly not scalable to support high-throughput analysis.
同時に、コストを追加せずに、つまり実際には、予防医療、比較有効性、診療報酬アプローチ、および/または不測の事象への対応ではなく回避におけるイニシアティブを通じて、より良いコスト管理に対してより個別化された医療を実現したいというアンメットニーズの収束は、能力を提供するだけでなく、同時にコストを削減する方法でそれを提供する技術の進歩に前例のないプレッシャーを与えている。 At the same time, the convergence of unmet needs to enable more personalized care without adding cost -- in effect, through initiatives in preventive care, comparative effectiveness, reimbursement approaches, and/or avoiding rather than reacting to unexpected events -- for better cost control is putting unprecedented pressure on technological advances that not only provide the capability, but also provide it in ways that simultaneously reduce costs.
表現型分類(順序付けられていないカテゴリの分類)の問題に加えて、転帰予測/リスク層別化(リスクの通常レベルの予測)の問題がある。両方とも臨床的有用性を有するが、技術的なデバイスの特性が異なる結果となっている。具体的には、一方が他方に厳密に依存しているわけではない。 In addition to the problem of phenotyping (classification into unordered categories), there is the problem of outcome prediction/risk stratification (prediction of normal levels of risk). Both have clinical utility, but the technical device characteristics result in different ones. Specifically, one is not strictly dependent on the other.
一般性を制限することなく、臨床的関連性を含む表現型分類の例を以下に示す。 Without limiting generality, examples of phenotypic classifications with clinical relevance are given below:
動脈硬化症の「安定したプラーク」表現型の例示的な症状は、以下のように説明することができる。
●「治癒した」疾患、強化された抗スタチンレジームへの反応が低い
●バルーン/ステントの合併症が少ない
●狭窄が50%を上回ることがある
●Caが高く、深いことがある
●脂質、出血、潰瘍が最小限であるか、またはまったくない
●外観が平滑である
このようなプラークは一般に、「不安定なプラーク」表現型よりも有害事象の発生率が低い。
●活動性疾患であり、脂質低下および/または抗炎症レジームの強化に対して高い反応を示す可能性がある
●バルーン/ステントの合併症が多い
●狭窄が50%を下回ることがある
●Ca、内腔に近いCa、ナプキンリングの兆候、および/または微小石灰化が低いかまたは拡散性である
●脂質含有量が多い、キャップが薄い根拠があることがある
●出血もしくはプラーク内出血(IPH)、および/または潰瘍の根拠があることがある
Exemplary symptoms of the "stable plaque" phenotype of arteriosclerosis can be described as follows.
• "Cure" disease, poor response to intensive antistatin regimes • Fewer balloon/stent complications • Stenosis can be >50% • Ca can be high and deep • Minimal or no lipid, bleeding or ulceration • Smooth appearance Such plaques are generally associated with a lower incidence of adverse events than the "unstable plaque" phenotype.
● Active disease, may be highly responsive to lipid lowering and/or intensified anti-inflammatory regime ● Common balloon/stent complications ● Stenosis may be below 50% ● Low or diffuse Ca, proximal Ca, napkin ring sign, and/or microcalcifications ● May have evidence of high lipid content, thin cap ● May have evidence of hemorrhage or intraplaque hemorrhage (IPH), and/or ulceration
このようなプラークは、安定した表現型と比較して、有害事象の発生率が3倍~4倍であると報告されている。これらの2つの例は、1回の患者との遭遇で評価されてもよいが、「急速進行性」などの他の表現型は、経時的な特性の変化率を比較することによって決定されてもよい。すなわち、ある時点で統計的に存在するものだけでなく、むしろ、運動学および/またはどのようにn回を変化させているかに基づいて決定される表現型である。 Such plaques have been reported to have a three- to four-fold higher incidence of adverse events compared to stable phenotypes. While these two examples may be assessed in a single patient encounter, other phenotypes, such as "rapidly progressive," may be determined by comparing the rate of change of a characteristic over time; that is, a phenotype determined not just based on what is statistically present at one point in time, but rather on the kinematics and/or how it is changing n times.
c.機械および深層学習の技術:
深層学習(DL)の方法は、複雑な現実の問題に起因する多くの困難な機械学習(ML)および分類タスクに大成功を収めて適用されてきた。注目すべき最近の用途としては、コンピュータビジョン(光学式文字認識、顔認識、衛星画像の解釈など)、音声認識、自然言語処理、医療画像分析(画像セグメンテーション、特徴抽出、および分類)、臨床データおよび分子データのバイオマーカーの発見および検証が挙げられる。このアプローチの魅力的な特徴は、教師なし学習タスクと教師あり学習タスクとの両方に適用できることである。
c. Machine and Deep Learning Technologies:
Deep learning (DL) methods have been applied with great success to many challenging machine learning (ML) and classification tasks resulting from complex real-world problems. Notable recent applications include computer vision (optical character recognition, face recognition, satellite image interpretation, etc.), speech recognition, natural language processing, medical image analysis (image segmentation, feature extraction, and classification), and biomarker discovery and validation in clinical and molecular data. An attractive feature of this approach is its applicability to both unsupervised and supervised learning tasks.
ニューラルネットワーク(NN)、および畳み込みニューラルネットワーク(CNN)、反復畳み込みニューラルネットワーク(RCNN)などを広く含む深層NNアプローチは、安定した理論的基盤に基づいていることが示されており、人間の脳の高度な認知機能を表現すると考えられている原理に基づいて広くモデリングされている。例えば、多くの認知能力に関連付けられた脳領域である新皮質では、感覚信号は、経時的に観察を表現することを学習する複雑な局所的なモジュール化された階層を介して伝播する。この設計原理は、画像分類および特徴抽出に使用されるCNNの一般的な定義および構築につながっている。ただし、同じ数のフィッティングパラメータを有しているが、深層アーキテクチャを有していないフレームワークと比較して、DLネットワークおよびアプローチの優れた性能のより根本的な理由は何であるかは、いくぶん未確定の問題である。 Neural networks (NNs) and deep NN approaches, which broadly include convolutional neural networks (CNNs), recurrent convolutional neural networks (RCNNs), etc., have been shown to be based on a sound theoretical foundation and are extensively modeled on principles believed to represent advanced cognitive functions of the human brain. For example, in the neocortex, a brain region associated with many cognitive abilities, sensory signals propagate through complex local modular hierarchies that learn to represent observations over time. This design principle has led to the popular definition and construction of CNNs used for image classification and feature extraction. However, it remains a somewhat open question what the more fundamental reasons are for the superior performance of DL networks and approaches compared to frameworks that have the same number of fitting parameters but do not have a deep architecture.
生データからの画像特徴抽出および画像ベースの学習に対する従来のMLアプローチには、多くの制限がある。特に、特徴が元の画像の3Dレベルではなく要約レベルにある場合、または3Dレベルにある場合、客観的に検証できる生物学的事実に縛られておらず、ただの数学的な演算子であるという範囲で、特徴抽出を使用するMLアプローチでは、空間的コンテキストを取得することが困難であることが多い。空間的コンテキストを含む生のデータセットの使用には、抽出された特徴の客観的なグラウンドトゥルースラベルを欠いていることが多いが、生の画像データ自体の使用には、目前の分類問題に関する「ノイズ」である多くの変動が含まれている。イメージング以外の用途では、この変動は通常、非常に大規模な訓練セットによって軽減され、その結果、ネットワーク訓練はこの変動を無視し、重要な情報のみに焦点を当てるように「学習」するが、この規模の大規模な訓練セットは、コスト、ロジスティックス、およびプライバシーの問題に起因して、医療用途、特にグラウンドトゥルースで注釈が付けられたデータセットでは一般に利用できない。本開示のシステムおよび方法は、これらの制限を克服するのに役立つ。 Conventional ML approaches to image feature extraction from raw data and image-based learning have many limitations. In particular, when features are at a summary level rather than the 3D level of the original image, or at the 3D level, ML approaches using feature extraction often have difficulty capturing spatial context to the extent that they are not bound to objectively verifiable biological facts and are merely mathematical operators. While the use of raw datasets with spatial context often lacks objective ground truth labels for the extracted features, the use of raw image data itself contains a lot of variation that is "noise" with respect to the classification problem at hand. In applications other than imaging, this variation is typically mitigated by very large training sets, so that the network training "learns" to ignore this variation and focus only on the important information, but large training sets of this magnitude are generally unavailable for medical applications, especially for ground truth annotated datasets, due to cost, logistics, and privacy issues. The systems and methods of the present disclosure help overcome these limitations.
d.例示的な適用:部分血流予備量比(FFR)およびプラークの安定性または高リスクプラーク(HRP)などの心血管測定:
新しい治療は過去30年間で結果の改善において革命的であったが、心血管疾患により米国経済には依然として年間3,200億ドルの負担がかかっている。主要な冠動脈または脳の有害事象のリスクのより良い特徴付けから恩恵を受けることができるかなりの患者集団が存在する。米国心臓協会(AHA)は、ACSD(動脈硬化性心血管疾患)リスクスコアを母集団に外挿した結果、成人(20歳よりも上)の9.4%が今後10年間に20%超の有害事象のリスクを有し、26%が7.5%~20%のリスクを有すると予測している。これを母集団に適用すると、高リスク患者2,300万人および中程度のリスク患者5,700万人が得られる。リスクのある8,000万人は、新しいまたは再発事象を回避するために現在スタチン療法を受けている米国患者3,000万人、およびCVD診断を受けた1,650万人と比較することができる。スタチンを服用している人の中には、閉塞性疾患および急性冠症候群(ACS)を発症する患者もいる。患者の大多数は、胸痛が発症するまで疾患の進行に気づかない。冠動脈疾患のさらなる結果およびコストの改善は、改善された非侵襲的診断から流れ、どの患者が一次治療の下で進行している疾患を持っているかを識別する。
d. Exemplary Applications: Cardiovascular measurements such as Fractional Flow Reserve (FFR) and Plaque Stability or High Risk Plaque (HRP):
Although new treatments have been revolutionary in improving outcomes over the past 30 years, cardiovascular disease still costs the US economy $320 billion annually. There is a significant patient population that could benefit from better characterization of risk of major coronary or cerebral adverse events. The American Heart Association (AHA) estimates that 9.4% of adults (>20 years) have a risk of >20% adverse events in the next 10 years, and 26% have a risk of 7.5%-20%, based on population extrapolation of ACSD (atherosclerotic cardiovascular disease) risk scores. Applying this to the population, we get 23 million high-risk patients and 57 million moderate-risk patients. The 80 million at risk can be compared to the 30 million US patients currently taking statin therapy to avoid new or recurrent events, and the 16.5 million with a CVD diagnosis. Some patients taking statins develop obstructive disease and acute coronary syndromes (ACS). The majority of patients are unaware of disease progression until they develop chest pain. Further improvements in outcomes and costs of coronary artery disease will flow from improved non-invasive diagnostics and identifying which patients have disease that is progressing under primary care.
心臓の健康は、心臓を取り巻く動脈の劣化によって大きく影響を受ける可能性がある。様々な要因(例として、血管新生、新生血管化、炎症、石灰化、脂質沈着、壊死、出血、硬直、密度、狭窄、拡張、再モデリング比、潰瘍化、(例えば、チャネル内の血液の)流れ、(例えば、チャネル内の血液の、または1つの組織が別の組織に押し付けられる)圧力、細胞タイプ(例えば、マクロファージ)、(例えば、平滑筋細胞の)細胞整列、または(例えば、チャネル内の血液の)せん断応力、キャップ厚さ、および/または蛇行(例えば、入口角および出口角)などの組織特性)は、これらの動脈が酸素で満たされた血液を周囲の組織に伝達する際のそれらの有効性が低下する原因となり得る(図35)。 Heart health can be greatly affected by the deterioration of the arteries surrounding the heart. Various factors (e.g., angiogenesis, neovascularization, inflammation, calcification, lipid deposition, necrosis, hemorrhage, stiffness, density, stenosis, dilation, remodeling ratio, ulceration, flow (e.g., of blood in channels), pressure (e.g., of blood in channels or one tissue pressing against another), cell type (e.g., macrophages), cell alignment (e.g., of smooth muscle cells), or tissue properties such as shear stress (e.g., of blood in channels), cap thickness, and/or tortuosity (e.g., inlet and outlet angles)) can cause these arteries to become less effective at transmitting oxygen-filled blood to the surrounding tissues (Figure 35).
冠動脈の機能テスト、主にストレス心電図検査および単一光子放出コンピュータ断層撮影心筋灌流テスト(SPECT MPI)は、閉塞性冠動脈疾患の診断のための主要な非侵襲的方法である。米国では毎年1,000万を超える機能検査が実施されており、その結果が陽性であった場合、冠動脈疾患の所見を確認するための侵襲的血管造影のために、260万件のカテーテル検査室への訪問が促されている。 Coronary artery function testing, primarily stress electrocardiography and single photon emission computed tomography myocardial perfusion testing (SPECT MPI), are the primary noninvasive methods for the diagnosis of obstructive coronary artery disease. Over 10 million function tests are performed annually in the United States, and positive results prompt 2.6 million catheterization laboratory visits for invasive angiograms to confirm findings of coronary artery disease.
灌流を評価するための別のアプローチは、酸素を伝達する血管系の能力を決定することである。具体的には、能力の低下は、部分血流予備量比、すなわち、FFRとして定量化できる。FFRは、虚血の直接の測定ではなく、むしろ病巣全体の圧力低下の比率を測定するサロゲートである。最大充血時に局所的な血管拡張性障害によって引き起こされる同一血管の他のセグメントに対する管腔直径の変化は、異常なFFR測定につながる著しい血行力学的効果を生じさせる。物理的なFFR測定の間、アデノシンの注入により下流の抵抗が減少し、これにより充血状態での流れが増加する。FFRを物理的に測定するには、動脈内の物理的圧力センサを含む侵襲的な外科的処置が必要である。このレベルの侵襲性はリスクと不便さを助長するため、物理的な測定を必要とせずに高精度でFFRを推定する方法が求められている。この測定を非侵襲的に実施できることで、指摘されている「治療バイアス」も減少する。患者がカテーテル検査室に入ると、ステント留置は比較的簡単に行えるため、多くの人が過剰治療が起こると指摘しているのに対し、血流予備量比を非侵襲的に評価することができれば、ステント留置を行うかどうかの決定が改善される可能性がある。同様に、血流予備量比は脳組織の灌流にも適用される(例えば、脳の充血に関連する)。 Another approach to assessing perfusion is to determine the ability of the vasculature to deliver oxygen. Specifically, the decline in ability can be quantified as the fractional flow reserve, or FFR. FFR is not a direct measure of ischemia, but rather a surrogate that measures the ratio of pressure drop across a lesion. The change in luminal diameter relative to other segments of the same vessel caused by local vasodilation impairment during maximal hyperemia produces significant hemodynamic effects that lead to abnormal FFR measurements. During physical FFR measurements, the injection of adenosine reduces downstream resistance, thereby increasing flow in hyperemic conditions. To physically measure FFR, an invasive surgical procedure involving a physical pressure sensor in the artery is required. This level of invasiveness adds risk and inconvenience, so there is a need for a method to estimate FFR with high accuracy without the need for physical measurements. The ability to perform this measurement noninvasively also reduces the noted "treatment bias." Because stenting is relatively easy to do once the patient is in the catheterization lab, the ability to noninvasively assess fractional flow reserve may improve the decision to stent, which many have noted leads to overtreatment. Similarly, fractional flow reserve also applies to brain tissue perfusion (e.g., in relation to cerebral congestion).
機能検査には、感度および特異性に関する既知の問題がある。心血管疾患患者の約30~50%は誤分類され、過大な治療または過少な治療を受けていると推定されており、金銭的および生活の質的に大きなコストがかかっている。機能テストはまた、高価で時間がかかり、閉塞性前疾患を有する患者への使用は限られている。非侵襲的機能テストによる偽陽性は、安定した患者における侵襲的冠動脈造影と経皮的冠動脈インターベンションとの両方の乱用の大きな要因であり、米国、英国、および中国では政策上の大きな問題となっている。偽陰性の影響に関する研究によると、米国の冠動脈疾患(CAD)が疑われる患者に年間380万件のMPI検査が実施されているが、そのうち60万件近くが誤陰性の所見を報告し、13,700件の急性冠動脈事象(その多くは、適切な薬物療法を導入するだけで防ぐことができる)につながると推定されている。機能テストのもう1つの欠点は、本質的に一時的なものである。虚血は、疾患の進行によって引き起こされる解剖学的変化に追従する遅れた指標である。ACSのリスクが高い患者では、将来の原因病巣を検出し、虚血の発症前に集中的な薬物療法で軽減することができれば、より良いサービスを受けることができる。 Functional testing has known problems with sensitivity and specificity. It is estimated that approximately 30-50% of patients with cardiovascular disease are misclassified and over- or under-treated, resulting in significant costs in monetary and quality of life. Functional testing is also expensive and time-consuming, limiting its use in patients with pre-obstructive disease. False positives from non-invasive functional testing are a major contributor to the overuse of both invasive coronary angiography and percutaneous coronary intervention in stable patients and are a major policy issue in the United States, the United Kingdom, and China. Studies of the impact of false negatives have estimated that of the 3.8 million MPI tests performed annually in patients with suspected coronary artery disease (CAD) in the United States, nearly 600,000 of these report false-negative findings, leading to 13,700 acute coronary events, many of which could be prevented simply by introducing appropriate medical therapy. Another drawback of functional testing is that it is transient in nature. Ischemia is a lagging indicator that follows anatomical changes caused by disease progression. Patients at high risk for ACS would be better served if a future causative lesion could be detected and mitigated with intensive medical therapy before the onset of ischemia.
冠動脈コンピュータ断層撮影血管造影(CCTA)は、特に定量分析ソフトウェアと組み合わせて使用されたときに、冠動脈疾患の進行の程度および速度を理解する上でこのギャップを埋めるための理想的なテスト法になるように進化しつつある。過去10年間で、ほとんどの国のCTスキャナは、心臓の動きを遅くしたり、息を止めたりすることなく、優れた空間分解能を実現できる、より高速で検出器数の多い機械にアップグレードされてきた。放射線量は大幅に低下し、SPECT MPIおよび侵襲的血管造影と同等またはそれ以下になっている。 Coronary computed tomography angiography (CCTA), especially when used in conjunction with quantitative analysis software, is evolving to become the ideal test to fill this gap in understanding the extent and rate of progression of coronary artery disease. Over the past decade, CT scanners in most countries have been upgraded to faster, higher detector count machines that can provide superior spatial resolution without slowing the heart or requiring breath holding. Radiation doses have been significantly reduced to equivalent or less than SPECT MPI and invasive angiograms.
SCOT-HEART、PREDICT、およびPROMISEなどの画期的な試験のデータを最近分析したところ、CCTAを使用して、患者(将来の有害事象のリスクが高い人)を識別することによって、高リスクプラーク(HRP)または不安定プラークと呼ばれることもある非閉塞性疾患を検出することの価値が実証された。研究設計は多様であり、心血管(CV)事象を伴うCCTA登録患者と、同様のリスク要因/人口統計学的属性を有する対照群とを比較する入れ子の症例対照コホート、FFRとの比較、および大規模な「検査および治療」研究への複数年の追跡調査などを含んでいた。CCTAを一次診断として位置決めするNICEからの最近の好ましい決定は、SCOT-HEART研究のCCTA群において、薬物治療の開始またはCCTAによるプラーク発見時の変化に起因するCV事象が有意に減少したことに基づいている。 Recent analyses of data from landmark trials such as SCOT-HEART, PREDICT, and PROMISE have demonstrated the value of using CCTA to detect non-obstructive disease, sometimes called high-risk plaque (HRP) or vulnerable plaque, by identifying patients (those at high risk for future adverse events). Study designs were diverse and included nested case-control cohorts comparing CCTA-enrolled patients with cardiovascular (CV) events to controls with similar risk factors/demographics, comparisons with FFR, and multiyear follow-up to large-scale "test and treat" studies. The recent favorable decision from NICE to position CCTA as the primary diagnosis was based on a significant reduction in CV events attributable to initiation of drug therapy or change in plaque detection by CCTA in the CCTA arm of the SCOT-HEART study.
重要な標的患者グループは、安定した胸痛を有し、典型的または非典型的な狭心症症状を有するCADの既往歴がない患者(SCOT-HEARTデータに基づく)、ならびにプラークの評価が最も必要であることを示唆するPROMISE所見に基づいて、非閉塞性疾患(狭窄70%未満)を有する患者、および若年層(例えば、50~65歳群)である患者である。CCTA分析に基づいて高リスクのプラークプロファイルが認められた非閉塞性CADを有する患者には、最も適切な高強度スタチン療法(特にPCSK9阻害剤などの非常に高価な新しい脂質低下療法、またはカナキヌマブなどの抗炎症薬に関する決定を検討する場合)に割り当てるか、冠動脈血栓症のリスクを軽減するための新しい抗血小板薬、および/または療法の強化または格下げの可能性を考慮した長期的な追跡調査を追加することができる。CCTAは非侵襲的であり、心臓カテーテル検査よりも必要な放射線が少ないため、理想的な診断ツールである。 Important target patient groups are patients with stable chest pain and no history of CAD with typical or atypical angina symptoms (based on SCOT-HEART data), as well as patients with non-obstructive disease (stenosis <70%) and younger patients (e.g., 50-65 years old group) based on PROMISE findings suggesting that plaque evaluation is most necessary. Patients with non-obstructive CAD with a high-risk plaque profile based on CCTA analysis can be assigned to the most appropriate high-intensity statin therapy (especially when considering decisions regarding very expensive new lipid-lowering therapies such as PCSK9 inhibitors, or anti-inflammatory drugs such as canakinumab), or new antiplatelet agents to reduce the risk of coronary thrombosis, and/or additional long-term follow-up with the possibility of intensifying or downgrading therapy. CCTA is an ideal diagnostic tool because it is non-invasive and requires less radiation than cardiac catheterization.
致命的な心臓発作に関係する原因病変に関する病理学の文献では、臨床的に非閉塞性のCADは、より安定する傾向がある、より閉塞性のプラークよりも、最もリスクの高いプラークが存在する可能性がはるかに高いことが指摘されている。これらの所見は、侵襲的血管造影を受けているACS患者からの原因病巣に注目し、これらをベースラインCCTAの前駆プラークと比較した最近の研究によって裏付けられた。臨床的に示されたCCTAを受けているあるコホートでは、非閉塞性CADを有していることがわかった患者について、そのように検査された患者の38%は、中長期の重大な心血管有害事象および/または脳血管障害事象(MACCE)の有意なリスクを依然として有していた。閉塞とは無関係に、罹患したセグメントの数に基づくハザード比は、このグループにおけるMACCEの有意な長期予測要因であることがわかった。臨床的に非閉塞性CADの予測値に寄与する1つの要因は、これらの病巣が、より安定する傾向があるより閉塞性のプラークよりも、最もリスクの高いプラークが存在する可能性がはるかに高いことである。 Pathology literature on culprit lesions associated with fatal heart attacks has noted that clinically nonobstructive CAD is much more likely to harbor the highest risk plaques than more obstructive plaques, which tend to be more stable. These findings were supported by a recent study that looked at culprit lesions from ACS patients undergoing invasive angiography and compared these to baseline CCTA precursor plaques. In one cohort undergoing clinically indicated CCTA, for patients found to have nonobstructive CAD, 38% of patients so examined still had a significant risk of mid- to long-term major adverse cardiovascular and/or cerebrovascular events (MACCE). Hazard ratios based on the number of affected segments, independent of obstruction, were found to be significant long-term predictors of MACCE in this group. One factor contributing to the predictive value of clinically nonobstructive CAD is that these lesions are much more likely to harbor the highest risk plaques than more obstructive plaques, which tend to be more stable.
閉塞性および閉塞性前動脈硬化性病巣の検出および管理におけるCCTAの潜在的な有用性は、スタチンおよび抗炎症薬の治療効果に関する最近発表されたいくつかの縦断的研究でも見られ、治療群では、プラークのより安定した状態へのリモデリングおよびプラークの退縮が観察された。このことは、初期の血管内超音波(IVUS、「仮想組織学」VHを伴う場合もある)、近赤外線分光法(NIRS)、光コヒーレンストモグラフィー(OCT)など、様々な脂質低減薬のプロトコルの下で疾患の進行および治療効果を調査した研究を裏付けるものである。最近の治験は、新しい医学的療法の有効性を実証するための潜在的なプラークバイオマーカーを提供している。Integrated Biomarkers and Imaging Study-4(IBIS-4)では、スタチンの潜在的な保護効果として石灰化の進行が見い出された。他の研究では、スタチン治療下で脂質に富む壊死性コア(LRNC)が減少することが見い出された。これらの研究では、臨床変数を単独で使用した場合、高リスクのプラーク特性を識別する識別性が十分ではなかった。これらの研究は、CCTAが好適に分析できる、より正確なリスク層別化を可能にするために、原因病巣だけでなく、冠動脈ツリー全体の完全な特性評価および評価の重要性を強調している。メタアナリシスでは、CCTAは、IVUSと比較して冠動脈プラークを検出するための優れた診断精度を有していたが、プラークの面積および体積の評価、狭窄の割合、および内腔面積のわずかな過大評価にわずかな差があった。脂質に富む壊死性コアの変化率およびその内腔からの距離を加えることもまた、高い予後的価値を有することが見出された。追加的に、ROMICAT II試験の結果では、急性胸痛を有するが初期ECGおよびトロポニンが陰性の安定したCAD患者に対してCCTAで高リスクプラークを識別することは、重大なCADおよび臨床的リスク評価とは無関係にACSの可能性を増加させることが示されている。冠動脈動脈硬化性プラークの評価に対しては、CCTAによる検査が確立されている。侵襲的処置の必要性が不確かな患者に対しては、非侵襲的にMACCEを予測することは、疾患の負担および将来の事象のリスクの全体的な推定を与えるCCTAで有益であり、実現可能であろう。 The potential utility of CCTA in detecting and managing occlusive and preocclusive atherosclerotic lesions has also been seen in several recently published longitudinal studies of the therapeutic effects of statins and anti-inflammatory drugs, where plaque remodeling to a more stable state and plaque regression were observed in the treatment group. This supports studies that have investigated disease progression and treatment effects under various lipid-reducing drug protocols, including early intravascular ultrasound (IVUS, sometimes with "virtual histology" VH), near-infrared spectroscopy (NIRS), and optical coherence tomography (OCT). Recent clinical trials provide potential plaque biomarkers to demonstrate the efficacy of new medical therapies. The Integrated Biomarkers and Imaging Study-4 (IBIS-4) found progression of calcification as a potential protective effect of statins. Other studies found that lipid-rich necrotic core (LRNC) decreased under statin treatment. In these studies, clinical variables used alone were not discriminatory enough to identify high-risk plaque characteristics. These studies highlight the importance of complete characterization and evaluation of the entire coronary tree, not just the culprit lesion, to allow for more accurate risk stratification, which CCTA can favorably analyze. In a meta-analysis, CCTA had a superior diagnostic accuracy for detecting coronary plaque compared with IVUS, but there were small differences in the assessment of plaque area and volume, percentage of stenosis, and slight overestimation of lumen area. Adding the percentage change of lipid-rich necrotic core and its distance from the lumen was also found to have high prognostic value. Additionally, the results of the ROMICAT II trial show that identifying high-risk plaque with CCTA in stable CAD patients with acute chest pain but negative initial ECG and troponin increases the likelihood of significant CAD and ACS independent of clinical risk assessment. CCTA is an established test for the assessment of coronary atherosclerotic plaque. For patients with uncertain need for invasive procedures, predicting MACCE noninvasively would be beneficial and feasible with CCTA providing a global estimate of disease burden and risk of future events.
頸動脈疾患の有病率とCADは密接に関連している。頸動脈動脈硬化症は、既存のCADを有さない患者でも、MACCEの独立した予測要因であることが示されている。このような所見は、両方の状態で共有される共通の基礎となる病因を示唆しており、このことは動脈硬化症の多民族的研究(MESA)によってさらに裏付けられている。動脈硬化症は、コレステロールに富む脂質の蓄積および炎症反応の結果として、動脈壁の病巣の進展を通じて進行性に発展する。これらの変化は、冠動脈、頸動脈、大動脈、および末梢動脈で類似している(同一ではない場合でも)。脂質が豊富な内容物を有する大きな動脈硬化性コア、薄いキャップ、外向きのリモデリング、マクロファージおよびリンパ球によるプラークへの浸潤、ならびに媒体の菲薄化などの特定のプラーク特性は、脆弱性および破裂の素因となる。 The prevalence of carotid artery disease and CAD are closely related. Carotid atherosclerosis has been shown to be an independent predictor of MACCE, even in patients without pre-existing CAD. Such findings suggest a common underlying etiology shared by both conditions, which is further supported by the Multi-Ethnic Study of Atherosclerosis (MESA). Atherosclerosis develops progressively through the development of lesions in the arterial wall as a result of cholesterol-rich lipid accumulation and inflammatory responses. These changes are similar (if not identical) in coronary, carotid, aortic, and peripheral arteries. Certain plaque characteristics, such as a large atherosclerotic core with lipid-rich contents, a thin cap, outward remodeling, infiltration of the plaque by macrophages and lymphocytes, and media thinning, predispose to vulnerability and rupture.
e.HRPおよび/またはFFRの非侵襲的決定:
CCTAを使用した狭窄の機能的重要性の非侵襲的評価は、臨床的および経済的に関心が高い。病巣または血管の外形または解剖学的構造と、壁および/または壁中のプラークを含む組織の特性または組成との組み合わせは、プラーク形態と総称され、リスクの高いまたはリスクの低いプラーク(HRP)、ならびにまたは正常および異常な血流予備量比(FFR)の直交的な考慮により、病巣の結果を説明することができる。大きな壊死性コアを伴う病巣は、プラーク形成中の外向きのリモデリングに起因して動的狭窄を発症し、その結果、より多くの組織が伸張し、組織が硬くなるか、または平滑筋層がすでにグラゴフ現象の限界まで伸張し、その後病巣が内腔自体を侵食することがある。同様に、炎症性傷害および/または酸化ストレスは、局所的な内皮機能障害をもたらし、血管拡張能力の低下として顕在化する可能性がある。
e. Non-invasive determination of HRP and/or FFR:
Non-invasive evaluation of the functional significance of stenosis using CCTA is of clinical and economic interest. The combination of the contour or anatomy of the lesion or vessel and the properties or composition of the tissues, including the wall and/or plaques in the wall, collectively referred to as plaque morphology, can explain the outcome of the lesion by orthogonal consideration of high-risk or low-risk plaques (HRP), and/or normal and abnormal fractional flow reserve (FFR). Lesions with large necrotic cores may develop dynamic stenosis due to outward remodeling during plaque formation, resulting in more tissue stretching, tissue stiffening, or the smooth muscle layer may already be stretched to the limit of the Glagov phenomenon, after which the lesion may erode the lumen itself. Similarly, inflammatory injury and/or oxidative stress may result in local endothelial dysfunction, manifesting as a reduced vasodilatory capacity.
プラークを構成する組織が壊死性コアに組織化されていないマトリックスまたは「脂肪筋」である場合、プラークは需要に追いつくために十分に拡張する。ただし、プラークがより実質的な壊死性コアを有している場合、それは拡張することができない。血液の供給は需要に追いつくことができなくなる。プラーク形態は、LRNC、石灰化、出血、および潰瘍化などの複雑な要因を、中間測定の客観的検証がないことに起因して他のアプローチではできない方法で、基礎となる情報を検証するために使用できる客観的事実で評価することによって精度を向上させる。 When the tissue that makes up the plaque is matrix or "fatty streaks" that are not organized into a necrotic core, the plaque expands sufficiently to keep up with demand. However, when the plaque has a more substantial necrotic core, it cannot expand; the blood supply cannot keep up with demand. Plaque morphology improves accuracy by assessing complicating factors such as LRNC, calcification, hemorrhage, and ulceration with objective facts that can be used to validate the underlying information in ways that other approaches cannot due to the lack of objective validation of intermediate measurements.
しかし、プラークができることはそれだけではない。プラークが破裂して突然血栓を引き起こし、次いでそれが心臓または脳組織の梗塞を引き起こすことがあまりにも多い。プラーク形態はまた、これらの高リスクのプラークを識別および定量化する。例えば、プラーク形態を使用して、壊死性コアが内腔にどれだけ近いかを決定できる。これは、梗塞リスクの重要な決定要因である。病巣がストレス下での流れを制限するかどうかを知ることは、破裂のリスクを示すものではなく、その逆も同様である。客観的に検証されたプラーク形態を伴わない計算流体力学(CFD)などの他の方法では、流れの制限をシミュレートできても、梗塞のリスクはシミュレートできない。プラーク形態の基本的な利点は、その精度が血管構造と組織特性との両方の決定にあり、一緒に表現型の決定を可能にすることである。 But that's not all plaque can do. All too often, plaques rupture and suddenly cause a thrombus that then causes an infarction of the heart or brain tissue. Plaque morphology also identifies and quantifies these high-risk plaques. For example, plaque morphology can be used to determine how close the necrotic core is to the lumen, which is a key determinant of infarction risk. Knowing whether a lesion will limit flow under stress does not indicate risk of rupture, and vice versa. Other methods, such as computational fluid dynamics (CFD), without objectively validated plaque morphology, can simulate flow limitation but not risk of infarction. The fundamental advantage of plaque morphology is that its precision lies in the determination of both vascular structure and tissue properties, which together allow for phenotyping.
血流予備量比の評価が異なる患者の最適な管理に関して利用可能な臨床ガイドラインがますます増えている。高リスクの特徴(大きな壊死性コアおよび薄いキャップ)を伴う閉塞性病巣は、将来の事象の最大の可能性を予見することが知られており、重要なことに、その逆も当てはまることである。 Increasingly, clinical guidelines are available regarding the optimal management of patients with different assessments of fractional flow reserve. Obstructive lesions with high-risk features (large necrotic core and thin cap) are known to predict the greatest likelihood of future events, and importantly, the reverse is also true.
プラーク形態を正確に評価することなく、CFDを使用してFFRを決定するアプローチが公開されている。しかし、CFDベースの血流予備量比は、心周期の異なる部分で内腔のみ、またはせいぜい内腔表面がどのように変化するかを考慮している。せいぜい内腔表面のみを考慮すると、収縮期と拡張期との両方を処理して動きベクトルを取得する必要がある(これはほとんどの利用可能な方法では行われない)が、これらの分析は実際のストレスを測定するのではなく、ストレス下で何が起こるかをコンピュータでシミュレーションして行われ、血管拡張能力の起源となる実際の特性ではなく、血流路だけに基づいているため、それでもストレス時に何が起こるかを考慮していない。いくつかの方法では、力をシミュレートして生体力学的モデルを適用しようとするが、壁組織の検証された測定値ではなく、想定を使用している。その結果、これらの方法には、ストレスが実際に初歩的な想定を超えて破裂を引き起こした場合に何が起こり得るかを予測する能力がない。むしろ、組織を特徴付けることはこれらの問題を解決する。壁の膨張性に起因する血管の血管拡張能力への影響を含む壁の特性は、病巣の構成が柔軟性およびエネルギー吸収を決定し、安定した病巣が依然として過剰に治療され、MACCEリスクの評価が不完全であるという点で優れていると考えられる。形態を使用してFFRを評価することの利点には、形態が先行指標であり、FFRが遅れていること、およびHRPの存在および程度が境界の被験者の治療に役立つという事実が含まれる。形態による正確な評価を解決することの重要性は、形態がFFRを予測できるが、FFRは形態学を予測しないことを示す研究が増えていることによって強化されている。つまり、効果的に評価された形態は、FFRを決定する能力だけでなく、患者を虚血から梗塞またはHRPに移動させるプラークの不連続な変化の可能性も有している。 Approaches have been published that use CFD to determine FFR without accurately assessing plaque morphology. However, CFD-based fractional flow reserve considers only the lumen, or at best, how the lumen surface changes during different parts of the cardiac cycle. At best, considering only the lumen surface would require processing both systole and diastole to obtain motion vectors (which most available methods do not do), but still do not consider what happens during stress, since these analyses are done not by measuring actual stress, but by computer simulations of what happens under stress, and are based only on the blood flow path, not on the actual properties that give rise to vasodilation capacity. Some methods try to simulate forces and apply biomechanical models, but use assumptions, rather than validated measurements of wall tissue. As a result, these methods lack the ability to predict what may happen if stress actually exceeds rudimentary assumptions and causes rupture. Rather, characterizing the tissue solves these problems. Wall properties, including the influence on the vessel's vasodilation capacity due to wall distensibility, are considered superior in that lesion configuration determines flexibility and energy absorption, and stable lesions are still overtreated and MACCE risk is incompletely assessed. Advantages of using morphology to assess FFR include the fact that morphology is a leading indicator, FFR is lagging, and the presence and degree of HRP aids in the treatment of borderline subjects. The importance of resolving accurate assessment by morphology is reinforced by a growing number of studies showing that morphology can predict FFR, but FFR does not predict morphology. In other words, effectively assessed morphology has the ability to determine not only FFR but also the potential for discontinuous changes in plaque that move patients from ischemia to infarction or HRP.
階層的分析フレームワークを利用して、イメージングデータから生物学的性状/分析物を識別および定量化し、次に、定量化された生物学的性状/分析物に基づいて1つ以上の病状を識別および特徴付けるシステムおよび方法が本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、システムおよび方法は、コンピュータ化された画像分析およびデータ融合アルゴリズムを患者の臨床化学および血液バイオマーカーデータとともに組み込み、疾患の異なるサブタイプを区別するために使用できる多要因パネルを提供する。したがって、本開示のシステムおよび方法は、有利には、生物学的および臨床的洞察を高度な計算モデルに実装することができる。これらのモデルは、病因の理解度の高まりに関連付けられた要因を特定する豊富なオントロジーを介して洗練された画像処理と連携することができ、何が測定されているか、それがどのように測定および評価されているか、そしてそれが検証される可能性がある疾患の臨床的に関連するサブタイプおよび病期とどのように関連しているかの厳密な定義の形を取る。 Provided herein are systems and methods that utilize a hierarchical analytical framework to identify and quantify biological properties/analytes from imaging data, and then identify and characterize one or more disease states based on the quantified biological properties/analytes. In some embodiments, the systems and methods incorporate computerized image analysis and data fusion algorithms along with patient clinical chemistry and blood biomarker data to provide a multi-factorial panel that can be used to distinguish different subtypes of disease. Thus, the systems and methods of the present disclosure can advantageously implement biological and clinical insights into advanced computational models. These models can be coupled with sophisticated image processing through rich ontologies that identify factors associated with an increased understanding of disease etiology, taking the form of rigorous definitions of what is being measured, how it is being measured and evaluated, and how it is associated with clinically relevant subtypes and stages of disease against which it may be validated.
人間の疾患は強い表現型の違いを示し、この違いは、イメージングによって測定可能な空間的、時間的、およびスペクトルの結果を捕捉するが単独では理解することが難しい、抽出された特徴に洗練された分類器を適用することによって理解することができる。従来のコンピュータ支援診断は、画像の特徴から単一ステップで推論を行う。対照的に、本開示のシステムおよび方法は、形態、組成および構造の生物学的に客観的な成分の複数のレベルで、空間的に分解された画像特徴、および時間的に分解された動力学を決定する中間ステップ(これらは、その後、臨床的な推論を導くために利用される)を含む階層的な推論スキームを使用している。階層的推論スキームは、有利には、臨床的推論が階層の各レベルで理解、検証、および説明されることを保証する。 Human diseases exhibit strong phenotypic differences that can be understood by applying sophisticated classifiers to extracted features that capture the spatial, temporal, and spectral outcomes measurable by imaging but are difficult to understand in isolation. Traditional computer-aided diagnosis makes inferences in a single step from image features. In contrast, the disclosed systems and methods use a hierarchical inference scheme that includes intermediate steps of determining spatially resolved image features and temporally resolved dynamics at multiple levels of biologically objective components of morphology, composition, and structure, which are then utilized to guide clinical inferences. The hierarchical inference scheme advantageously ensures that clinical inferences are understood, verified, and explained at each level of the hierarchy.
したがって、例示的な実施形態では、本開示のシステムおよび方法は、イメージングとは独立した事実標準に対して客観的に検証することができる生物学的性状を測定する第1のレベルのアルゴリズムから構成される階層分析フレームワークを利用し、次いで、測定された生物学的性状に基づいて医学的または臨床的状態を決定するための第2のセットのアルゴリズムを利用する。このフレームワークは、「および/または」の様式で、すなわち、単独でまたは組み合わせて、いくつかの異なる生物学的性状に適用可能であり、これらの生物学的特性は例として、血管新生、新生血管化、炎症、石灰化、脂質沈着、壊死、出血、硬直、密度、狭窄、拡張、再モデリング比、潰瘍化、(例えば、チャネル内の血液の)流れ、(例えば、チャネル内の血液の、またはある組織が別の組織に押し付けられる)圧力、細胞タイプ(例えば、マクロファージ)、(例えば、平滑筋細胞の)細胞整列、または(例えば、チャネル内の血液の)せん断応力、キャップ厚さ、および/または蛇行(例えば、入口角および出口角)などである。これらの各々の測定値は、性状の量および/または程度および/または特徴などで測定することができる。状態の例としては、(例えば、限定されたものとして)(例えば、脳または心臓組織の)灌流/虚血、(完全に切断されたものとして)(例えば、脳または心臓組織の)灌流/梗塞、酸素化、代謝、血流予備量比(灌流する能力)、悪性腫瘍、侵襲、および/またはリスク層別化(事象の確率、または事象までの時間(TTE)として)、例えば、重大心臓脳血管有害事象(MACCE)が挙げられる。事実の根拠としては、例えば、生検、切除組織からの専門家の組織注釈(例えば、動脈内切除または剖検)、切除組織に関する専門家の表現型注釈(例えば、動脈内切除または剖検)、物理的圧力線、他のイメージング法、生理学的モニタリング(例えば、ECG、SaO2など)、ゲノムおよび/もしくはプロテオミクスおよび/もしくはメタボロミクスおよび/もしくはトランスクリプトミクスアッセイ、ならびに/または臨床転帰が挙げられる。これらの性状および/または状態は、所与の時点で評価されてもよく、および/または経時的(縦断的)に変化してもよい。 Thus, in an exemplary embodiment, the disclosed systems and methods utilize a hierarchical analysis framework consisting of a first level of algorithms that measure biological properties that can be objectively verified against a standard of fact independent of imaging, and then a second set of algorithms to determine a medical or clinical condition based on the measured biological properties. This framework is applicable in an "and/or" fashion, i.e., alone or in combination, to several different biological properties, such as angiogenesis, neovascularization, inflammation, calcification, lipid deposition, necrosis, hemorrhage, stiffness, density, stenosis, dilation, remodeling ratio, ulceration, flow (e.g., of blood in a channel), pressure (e.g., of blood in a channel or of one tissue pressing against another), cell type (e.g., macrophages), cell alignment (e.g., of smooth muscle cells), or shear stress (e.g., of blood in a channel), cap thickness, and/or tortuosity (e.g., entrance and exit angles), etc. Each of these measurements can be measured in terms of quantity and/or degree and/or characteristics of the property. Examples of conditions include perfusion/ischemia (e.g., of brain or heart tissue) (as limited), perfusion/infarction (e.g., of brain or heart tissue) (as completely severed), oxygenation, metabolism, fractional flow reserve (ability to perfuse), malignancy, invasion, and/or risk stratification (as probability of event, or time to event (TTE)), e.g., major adverse cardiocerebrovascular events (MACCE). Factual evidence includes, for example, biopsy, expert tissue annotation from resected tissue (e.g., intra-arterial resection or autopsy), expert phenotypic annotation on resected tissue (e.g., intra-arterial resection or autopsy), physical pressure lines, other imaging methods, physiological monitoring (e.g., ECG, SaO2, etc.), genomic and/or proteomic and/or metabolomic and/or transcriptomic assays, and/or clinical outcomes. These characteristics and/or conditions may be assessed at a given time point and/or may change over time (longitudinal).
例示的な実施形態では、本出願のシステムおよび方法は、有利には、疾患のコンピュータ支援表現型(CAP)に関連する。CAPは、コンピュータ支援診断(CAD)の分野を補完する新しい刺激的なものである。本明細書に開示されるように、CAPは、コンピュータ化された画像分析およびデータ融合アルゴリズムを組み込んだ階層的推論を患者の臨床化学および血液バイオマーカーデータに適用して、異なる治療を受けるであろう疾患の異なるサブタイプを区別するために使用され得る多要因パネルまたは測定値の「プロファイル」を提供してもよい。したがって、CAPは、堅牢な特徴抽出、データ統合、およびスケーラブルな計算戦略への新しいアプローチを実装して、臨床意思決定支援を実装する。例えば、時空間テクスチャ(SpTeT)メソッドは、組織を空間的および速度論的に特徴付けるための関連する統計的特徴を捕捉する。空間的特徴は、例えば、細胞外マトリックス繊維、壊死組織、および/または炎症細胞と混合された脂質の特徴的なパターンにマッピングされる。速度論的特徴は、例えば、内皮透過性、血管新生、壊死、および/またはコラーゲン分解にマッピングされる。 In an exemplary embodiment, the systems and methods of the present application are advantageously related to computer-aided phenotyping (CAP) of disease. CAP is a new and exciting complement to the field of computer-aided diagnosis (CAD). As disclosed herein, CAP may apply hierarchical reasoning incorporating computerized image analysis and data fusion algorithms to a patient's clinical chemistry and blood biomarker data to provide a multifactorial panel or "profile" of measurements that can be used to distinguish different subtypes of disease that would receive different treatments. Thus, CAP implements new approaches to robust feature extraction, data integration, and scalable computational strategies to implement clinical decision support. For example, spatiotemporal texture (SpTeT) methods capture relevant statistical features to spatially and kinetically characterize tissues. Spatial features are mapped to characteristic patterns of, for example, extracellular matrix fibers, necrotic tissue, and/or lipids mixed with inflammatory cells. The kinetic signatures map, for example, to endothelial permeability, angiogenesis, necrosis, and/or collagen degradation.
画像特徴から機械分類の単一ステップで臨床的推論を行う現在のCADアプローチとは対照的に、主題の適用のシステムおよび方法は、有利には、空間的に分解された画像特徴だけでなく、中間の形態および構造組成の生物学的に客観的な成分の複数のレベルで時間的に分解された動態から始まり、そして最後に臨床的推論を行う階層的な推論スキームを適用することができる。この結果、最下部の低レベルの画像特徴から最上部の生物学的および臨床的特徴まで、階層の各レベルで理解、検証、および説明できるシステムが実現する。 In contrast to current CAD approaches that perform clinical inference in a single step of machine classification from image features, the subject application system and method can advantageously apply a hierarchical inference scheme that starts from spatially resolved image features as well as multiple levels of temporally resolved dynamics of biologically objective components of intermediate morphology and structural composition, and finally performs clinical inference. This results in a system that can be understood, verified, and explained at each level of the hierarchy, from low-level image features at the bottom to biological and clinical features at the top.
本開示のシステムおよび方法は、表現型分類と転帰予測との両方を改善する。表現型分類は、一方では個々の解剖学的位置と、他方ではより一般的に説明されている身体部位との2つのレベルで発生し得る。前者の入力データは2Dデータセットであり得、後者の入力データは3Dデータセットであり得る。表現型分類では、客観的事実はどちらのレベルでもよいのに対し、転帰予測/リスク層別化では、一般的に患者レベルで起こるが、特定の例(例えば、脳卒中の症状がどちらの側に現れたかなど)ではより具体的になる可能性がある。ここでの意味は、同じ入力データを両方の目的に使用できるということであるが、入力データが使用されるレベルおよび事実の注釈の基礎により、モデルは大幅に異なるということである。 The disclosed system and method improve both phenotyping and outcome prediction. Phenotyping can occur at two levels: individual anatomical locations on the one hand, and more generally described body parts on the other. The input data for the former can be 2D datasets, while the input data for the latter can be 3D datasets. In phenotyping, the objective facts can be at either level, whereas outcome prediction/risk stratification generally occurs at the patient level, but can be more specific in certain instances (e.g., which side the stroke symptoms appeared on). The implication here is that the same input data can be used for both purposes, but the models differ significantly depending on the level at which the input data is used and the basis of the annotation of facts.
入力データとしてモデル構築の読み取り値ベクトルを実施することは可能であるが、性能は、実装された測定値によって制限されることが多い。主題の適用は、性能を改善するために、独特の測定値(例えば、キャップの厚さ、カルシウムの深さ、および潰瘍形成)を有利に利用する。したがって、読み取り値ベクトルのみのアプローチは、ベクトルがこれらの測定値を含む場合に、(例えば、従来の測定値と組み合わせて)適用できる。しかしながら、本開示のシステムおよび方法は、深層学習(DL)アプローチを有利に利用することができるが、それはさらに豊富なデータセットを提供することができる。主題の適用のシステムおよび方法はまた、教師なし学習適用を有利に利用することができ、それによりデータ領域全体でより優れたスケーラビリティ(新しい生物医学データが生成されるペースを念頭に置いた非常に望ましい機能)を提供する。 While it is possible to implement model building reading vectors as input data, performance is often limited by the measurements implemented. The subject application advantageously utilizes unique measurements (e.g., cap thickness, calcium depth, and ulceration) to improve performance. Thus, a reading vector only approach can be applied (e.g., in combination with traditional measurements) when the vector includes these measurements. However, the systems and methods of the present disclosure can advantageously utilize deep learning (DL) approaches, which can provide even richer data sets. The subject application systems and methods can also advantageously utilize unsupervised learning applications, thereby providing better scalability across the data domain (a highly desirable feature keeping in mind the pace at which new biomedical data is generated).
本明細書に提示される例示的な実施形態では、畳み込みニューラルネットワーク(CNN)を利用して、微調整アプローチを伴う転移学習として特徴付けることができるアプローチで分類器を構築することができる。強力な計算プラットフォーム上のイメージングデータの大規模な大要で訓練されたCNNを使用して、ネットワーク訓練で注釈付けされていない画像を分類することができる。このことは、多くの一般的なクラスの特徴は、非常に異なるオブジェクト(つまり、形状、境界、空間の向きなど)の画像を識別するのに役立つため、直感的に理解できる。その場合、数千万の画像の事前に注釈付けされたデータセットを使用して数千の異なるオブジェクトを認識するように訓練されたCNNは、基本的な画像認識タスクを偶然よりもはるかにうまくこなすことができ、最後の分類層(「ソフトマックス層と呼ばれることもある)を比較的わずかに微調整すれば、ゼロから訓練されたCNNと同等の性能を発揮することが考えられる。これらのモデルは非常に大きく、事前に注釈付けされた膨大な数の画像で訓練されているため、非常に特徴的で識別力のあるイメージング特徴を「学習する」傾向がある。したがって、畳み込み層を特徴抽出器として使用するか、またはすでに訓練された畳み込み層を微調整して、目前の問題に適合させることができる。前者のアプローチは転移学習と呼ばれ、後者は微調整と呼ばれる。 In the exemplary embodiment presented herein, a convolutional neural network (CNN) can be utilized to build a classifier in an approach that can be characterized as transfer learning with fine-tuning approach. A CNN trained on a large compendium of imaging data on a powerful computational platform can be used to classify images that were not annotated in the network training. This makes intuitive sense because many common class features are useful for discriminating images of very different objects (i.e., shape, boundary, spatial orientation, etc.). In that case, a CNN trained to recognize thousands of different objects using a pre-annotated dataset of tens of millions of images can conceivably perform basic image recognition tasks much better than chance, and with relatively little fine-tuning of the final classification layer (sometimes called a "softmax layer"), it can perform comparable to a CNN trained from scratch. Because these models are so large and trained on a huge number of pre-annotated images, they tend to "learn" imaging features that are highly distinctive and discriminatory. Thus, convolutional layers can be used as feature extractors, or already trained convolutional layers can be fine-tuned to fit the problem at hand. The former approach is called transfer learning, the latter fine-tuning.
CNNは、様々なコンピュータビジョンタスクの実施に優れている。ただし、CNNはいくつかの欠点を有する。医療システムにとって重要な2つの重要な欠点は、1)膨大な訓練および検証データセットが必要であること、ならびに2)中間CNN計算がいかなる測定可能な性状も表現していないことである(根拠が説明されていない「ブラックボックス」であると批判されることがある)。本明細書に開示されるアプローチは、有利には、生の画像だけではなく、これらから始まる畳み込みニューラルネットワークに続く、生物学的に測定可能で独立した検証が可能な1つ以上の段階から構成されるパイプラインを利用してもよい。さらに、例えば、ネットワークに供給する前に、ドーナツ型の血管断面をアンラップして正規化された座標系を有する長方形の表現にするなど、目前の問題とは関係のない変動を低減するために特定の変換が適用されてもよい。これらのフロントエンドパイプライン段階は、医用イメージングにCNNを使用することの2つの欠点の両方を同時に軽減する。 CNNs excel at performing a variety of computer vision tasks. However, CNNs have several drawbacks. Two key drawbacks that are important for medical systems are 1) the need for huge training and validation datasets, and 2) the intermediate CNN computations do not represent any measurable properties (sometimes criticized as "black boxes" whose rationale is not explained). The approach disclosed herein may advantageously utilize a pipeline consisting of one or more biologically measurable and independently verifiable stages, followed by a convolutional neural network starting from not only raw images. Furthermore, certain transformations may be applied to reduce variations that are not related to the problem at hand, for example, unwrapping a doughnut-shaped vessel cross-section into a rectangular representation with a normalized coordinate system before feeding it to the network. These front-end pipeline stages simultaneously mitigate both of the two drawbacks of using CNNs for medical imaging.
一般に、初期の畳み込み層は特異性を高める特徴抽出器として機能し、完全に接続された1つまたは2つの最後の層は分類器として機能する(例えば、「ソフトマックス層」)。典型的なCNNでの層の順序とその機能の概略的な表現は、多くの情報源から入手可能である。 In general, early convolutional layers act as feature extractors that increase specificity, and one or two final fully connected layers act as classifiers (e.g., "softmax layers"). Schematic representations of the order of layers in a typical CNN and their functions are available from many sources.
有利には、本開示のシステムおよび方法は、補強されたデータセットを利用して、放射線データセットによってアッセイされた組織の非侵襲的表現型決定を可能にする。補強の1つのタイプは、データを前処理して組織分類を実施し、「偽色」オーバーレイを使用して、客観的に検証できるデータセットを提供することである(この可能性を有さない生の画像のみを使用するのとは対照的である)。別のタイプの補強は、座標系上の変換を使用して、分類精度を改善させるか、より小さいトレーニングセットを可能にするか、またはその両方を行うために、ノイズの変動を除去しながら、生物学的に実現可能な空間的コンテキストを強調することである。 Advantageously, the disclosed systems and methods utilize augmented datasets to enable non-invasive phenotyping of tissues assayed by radiological datasets. One type of augmentation is to pre-process the data to perform tissue classification and use "false color" overlays to provide an objectively verifiable dataset (as opposed to using only raw images, which does not have this possibility). Another type of augmentation is to use transformations on coordinate systems to highlight biologically feasible spatial context while removing noise variations to improve classification accuracy, allow smaller training sets, or both.
例示的な実施形態では、主題の適用のシステムおよび方法は、以下の多段階パイプラインを使用することができる:(i)関心領域を識別および分類するためのセマンティックセグメンテーション(例えば、定量的な生物学的分析物を表現し得る)(ii)管状構造(例えば、静脈/動脈断面)の断面を長方形に変換するための空間的アンラップ、ならびに(iii)注釈付けされた長方形を読み取り、どの表現型(例えば、安定もしくは不安定プラークおよび/または正常もしくは異常なFFR)に関連しているか、および/または事象までの予測時間(TTE)を識別するための訓練されたCNNの適用。アンラップされたデータセット(アンラップを伴う)とドーナツデータセット(アンラップを伴わない)を使用してCNNを訓練およびテストすることによって、アンラップが各特定の実施形態の検証精度を改善させることが実証されることに留意されたい。したがって、管状構造(例えば、プラーク表現型決定)または他の構造(例えば、肺癌腫瘤部分型解析)の様々な実装イメージング、または他の適用は、同様に、同様のステップ(例えば、セマンティックセグメンテーションに続いて、アンラップなどの空間変換を行うこと(CNNを適用する前に))を実施することから利益を得ることができる。しかしながら、いくつかの代替の実施形態では、変換されていないデータセット(例えば、空間的にアンラップされていないデータセット)が表現型を決定する際に、(例えば、変換されていないデータセットと組み合わせて、またはこれとは独立して)使用され得ることが企図される。 In an exemplary embodiment, the subject application systems and methods may employ the following multi-stage pipeline: (i) semantic segmentation to identify and classify regions of interest (e.g., that may represent quantitative biological analytes), (ii) spatial unwrapping to convert cross-sections of tubular structures (e.g., vein/artery cross-sections) into rectangles, and (iii) application of a trained CNN to read the annotated rectangles and identify which phenotypes (e.g., stable or unstable plaque and/or normal or abnormal FFR) are associated with them and/or predicted time to event (TTE). Note that by training and testing the CNN using the unwrapped dataset (with unwrapping) and the donut dataset (without unwrapping), it is demonstrated that unwrapping improves the validation accuracy of each particular embodiment. Thus, various implementations of imaging of tubular structures (e.g., plaque phenotyping) or other structures (e.g., lung cancer mass subtyping), or other applications, may similarly benefit from performing similar steps (e.g., semantic segmentation followed by spatial transformation such as unwrapping (before applying a CNN)). However, in some alternative embodiments, it is contemplated that an untransformed dataset (e.g., a spatially unwrapped dataset) may be used in determining the phenotype (e.g., in combination with or independent of the untransformed dataset).
例示的な実施形態では、セマンティックセグメンテーションおよび空間変換は、以下を含み得る:画像体積は、表現型決定されるべき生理学的標的を含む関心領域を形成するために、標的の初期化、正規化、およびぼけ除去または復元などの他の任意の所望の前処理を含めて前処理されてもよい。特に、当該関心領域は、その体積を通る断面から構成された体積であってもよい。自動的に決定されてもよいし、ユーザによって明示的に提供されてもよい身体部位である。本質的に管状である身体部位の標的は、中心線を伴ってもよい。中心線は、存在する場合、分岐し得る。分岐には、自動的に、またはユーザによってラベル付けされてもよい。中心線の概念に関する一般化は、管状ではないが、いくつかの構造的指向性、例えば腫瘍の領域によって利益を得る解剖学的構造について表され得ることに留意されたい。いずれの場合も、体積内の断面ごとに重心を決定することができる。管状構造の場合、重心はチャネルの中心、例えば血管の内腔であってもよい。病巣の場合、重心は腫瘍の重心である可能性がある。(任意選択でぼけ除去または復元された)画像は、直交データセットで表現することができ、ここで、xは重心からの距離を表現し、yは回転シータを表現し、zは断面を表現する。このような直交セットは、分岐または領域につき1つ形成されることになる。複数のセットが使用される場合、「ヌル」値が重なり合う領域に使用される場合があり、つまり、各物理ボクセルは、幾何学的に互いに適合するような方法で、セット全体で1回だけ表されてもよい。各データセットは、客観的に検証可能な組織組成によってラベル付けされたサブ領域を有する追加のデータセットとペアにすることができる。血管組織のラベルの例としては、内腔、石灰化、LRNC、IPHなどを挙げることができる。病巣のラベルの例としては、壊死性、新生血管化などを挙げることができる。これらのラベルは、客観的に、例えば組織学などによって検証することができる。ペアのデータセットは、畳み込みニューラルネットワークを構築するための訓練ステップへの入力として使用されてもよいできる。例示的な実施形態では、2つのレベルの分析をサポートすることができ、1つ目は個々の断面レベルで、2つ目は体積レベルである。出力ラベルは、表現型またはリスク層別化を表現する。 In an exemplary embodiment, the semantic segmentation and spatial transformation may include the following: The image volume may be preprocessed, including target initialization, normalization, and any other desired preprocessing, such as deblurring or restoration, to form a region of interest that contains the physiological target to be phenotyped. In particular, the region of interest may be a volume constructed from cross sections through the volume. The body part may be determined automatically or explicitly provided by the user. Targets of body parts that are tubular in nature may be accompanied by a centerline. The centerline, if present, may branch. The branches may be labeled automatically or by the user. It is noted that a generalization regarding the concept of a centerline may be expressed for anatomical structures that are not tubular but benefit from some structural orientation, e.g., regions of tumors. In either case, a centroid may be determined for each cross section within the volume. For tubular structures, the centroid may be the center of a channel, e.g., the lumen of a blood vessel. For lesions, the centroid may be the centroid of the tumor. The (optionally deblurred or restored) images can be represented in an orthogonal dataset, where x represents the distance from the centroid, y represents the rotation theta, and z represents the cross-section. One such orthogonal set will be formed per branch or region. If multiple sets are used, "null" values may be used for overlapping regions, i.e., each physical voxel may be represented only once across sets in such a way that they fit geometrically with each other. Each dataset can be paired with an additional dataset with sub-regions labeled by objectively verifiable tissue composition. Examples of vascular tissue labels can include lumen, calcification, LRNC, IPH, etc. Examples of lesion labels can include necrotic, neovascularized, etc. These labels can be verified objectively, e.g., by histology. The paired datasets can be used as input to a training step to build a convolutional neural network. In an exemplary embodiment, two levels of analysis can be supported, the first at the individual cross-section level and the second at the volume level. The output labels represent phenotypes or risk stratification.
例示的な画像前処理は、例えば、画像形成プロセスから生じるアーチファクトまたは画像制限を軽減するための患者固有の点広がり決定アルゴリズムを使用したぼけ除去または復元を含んでもよい。これらのアーティファクトおよび画像制限により、表現型を予測する特性を決定する能力が低下する可能性がある。ぼけ除去または復元は、例えば、画像の異なる領域の真の潜在密度についての想定を正規化して、スキャナ点広がり関数の物理モデルを反復的にフィッティングすることの結果として達成されてもよい。 Exemplary image pre-processing may include, for example, deblurring or restoration using a patient-specific point spread determination algorithm to mitigate artifacts or image limitations resulting from the imaging process. These artifacts and image limitations may reduce the ability to determine characteristics predictive of phenotype. Deblurring or restoration may be achieved, for example, as a result of iteratively fitting a physical model of the scanner point spread function with normalized assumptions about the true underlying densities of different regions of the image.
例示的な実施形態では、CNNは、AlexNet、Inception、CaffeNet、または他のネットワークであってもよい。いくつかの実施形態では、例えば、同じ数およびタイプの層が使用されるが、入力および出力の寸法が変更される(アスペクト比を変更するなど)場合、CNNに対してリファクタリングを行うことができる。様々な例示的なCNNの例示的な実装は、例えば、TensorFlowでオープンソースとして提供され、かつ/またはオープンソースおよび/もしくはライセンスされた構成として利用可能な他のフレームワークで提供される。 In exemplary embodiments, the CNN may be an AlexNet, Inception, CaffeNet, or other network. In some embodiments, refactorings can be performed on the CNN, e.g., where the same number and types of layers are used but the dimensions of the inputs and outputs are changed (e.g., changing the aspect ratio). Exemplary implementations of various exemplary CNNs are provided as open source, e.g., in TensorFlow, and/or in other frameworks available as open source and/or licensed configurations.
例示的な実施形態では、データセットは増強されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、2Dまたは3D回転がデータセットに適用されてもよい。したがって、変換されていない(例えば、ドーナツ)データセットの場合、増強は、例えば、データセットをランダムに(例えば、0~360度のランダムな角度によって)回転させるとともに、データセットをランダムに水平方向に反転させることを含んでもよい。同様に、変換された(例えば、アンラップされた)データセットの場合、増強は、例えば、画像のランダムな「スクロール」と関連して、0から画像の幅までの範囲のピクセルの乱数などによって、画像をランダムに水平方向に反転させることを含んでもよい(ここで、スクロールは、シータの周りを回転することに類似している)。 In an exemplary embodiment, the dataset may be augmented. For example, in some embodiments, a 2D or 3D rotation may be applied to the dataset. Thus, for an untransformed (e.g., donut) dataset, augmentation may include, for example, randomly rotating the dataset (e.g., by a random angle between 0 and 360 degrees) as well as randomly flipping the dataset horizontally. Similarly, for a transformed (e.g., unwrapped) dataset, augmentation may include, for example, randomly flipping the image horizontally, such as by a random number of pixels ranging from 0 to the width of the image, in conjunction with a random "scrolling" of the image (where scrolling is analogous to rotating around theta).
例示的な実施形態では、データセットは、異なる組織分析物タイプを表現するために異なる色を使用することによって補強されてもよい。これらの色は、相互に、および非分析物表面(例えば、通常の壁)に対して視覚的に対比するように選択することができる。いくつかの実施形態では、非分析物表面は灰色で描かれ得る。例示的な実施形態では、データセット補強は、組織特性(例えば、プラーク表現型を示す組織特性)のグラウンドトゥルース注釈をもたらすだけでなく、そのような組織特性が断面(例えば、血管の軸に直交して取られる)でどのように存在するかの空間的コンテキストを提供してもよい。このような空間的コンテキストは、組織学的断面に関連するデータセットの分析のための共通の基礎を提供する(例えば、断面の重心に関連する極座標に基づく)座標系を含んでもよい。したがって、補強されたデータセットは、色分けされた病理医の注釈の上に有利にオーバーレイされてもよい(またはその逆であってもよい)。有利には、組織学に基づく注釈付けされたデータセットは、放射線データセットの画像特徴分析と組み合わせて、またはこれとは独立して、訓練(例えば、CNNの訓練)に使用することができる。特に、組織学に基づく注釈付けされたデータセットは、空間的コンテキストを失うことなく、高解像度のフル画像の代わりに比較的単純な偽色画像を使用するので、DLアプローチの効率を改善させる可能性がある。例示的な実施形態では、座標方向は、単位フェーザおよびフェーザ角度を使用して内部的に表現することができる。いくつかの実施形態では、座標系は、例えば、壁の厚さに関して半径方向の座標を正規化することによって正規化され得る(異なる直径/厚さの管状構造/断面を比較するための共通の基礎を提供するためなど)。例えば、正規化された半径方向の距離は、内側(内壁の内腔境界)で値0を有し、外側の境界(外壁境界)で値1を有する。特に、これは、血管または他の病態生理学(例えば、消化管)に関連する管状構造に適用されてもよい。 In an exemplary embodiment, the dataset may be augmented by using different colors to represent different tissue analyte types. These colors may be selected to visually contrast with each other and with non-analyte surfaces (e.g., normal walls). In some embodiments, non-analyte surfaces may be depicted in gray. In an exemplary embodiment, the dataset augmentation may not only result in ground truth annotation of tissue features (e.g., tissue features indicative of a plaque phenotype), but also provide a spatial context of how such tissue features are present in a cross section (e.g., taken orthogonal to the axis of the vessel). Such spatial context may include a coordinate system (e.g., based on polar coordinates related to the centroid of the cross section) that provides a common basis for analysis of the dataset related to the histological cross section. Thus, the augmented dataset may be advantageously overlaid on top of the color-coded pathologist annotations (or vice versa). Advantageously, the histology-based annotated dataset may be used for training (e.g., training a CNN) in combination with or independent of image feature analysis of the radiology dataset. In particular, histology-based annotated datasets may improve the efficiency of DL approaches, since they use relatively simple false-color images instead of full high-resolution images, without losing spatial context. In an exemplary embodiment, coordinate directions may be represented internally using unit phasors and phasor angles. In some embodiments, the coordinate system may be normalized, for example, by normalizing the radial coordinates with respect to the wall thickness (e.g., to provide a common basis for comparing tubular structures/cross sections of different diameters/thicknesses). For example, the normalized radial distance has a value of 0 at the inside (inner wall lumen boundary) and a value of 1 at the outside boundary (outer wall boundary). In particular, this may be applied to tubular structures associated with blood vessels or other pathophysiology (e.g., the gastrointestinal tract).
有利には、主題の適用の補強されたデータセットは、既知のグラウンドトゥルースに基づくインビボでの非侵襲的な画像に基づく分類(例えば、組織分類スキームを使用して非侵襲的に表現型を決定することができる)を提供する。いくつかの実施形態では、既知のグラウンドトゥルースは、非放射線学的であってもよい(組織学または別のエクスビボに基づく組織分析など)。したがって、例えば、エクスビボのグラウンドトゥルースデータ(組織学情報など)を含むように注釈が付けされた放射線データセットは、分類器の入力データとして有利に使用され得る。いくつかの実施形態では、複数の異なる既知のグラウンドトゥルースを、補強されたデータセットに注釈付けする際に、互いに組み合わせて、または互いに独立して使用することができる。 Advantageously, the augmented dataset of the subject application provides in vivo non-invasive image-based classification based on known ground truth (e.g., a tissue classification scheme can be used to non-invasively determine phenotype). In some embodiments, the known ground truth may be non-radiological (such as histology or another ex vivo based tissue analysis). Thus, for example, a radiology dataset annotated to include ex vivo ground truth data (such as histology information) may be advantageously used as input data for a classifier. In some embodiments, multiple different known ground truths may be used in combination with each other or independently of each other in annotating the augmented dataset.
本明細書に記載されるように、いくつかの実施形態では、補強されたデータセットは、正規化された座標系を利用して、例えば、壁の厚さおよび半径方向の提示に関連付けられた、無関係な変動を回避することができる。さらに、本明細書に記載されるように、例示的な実施形態では、「ドーナツ」形状のデータセットは、例えば、(例えば、CNNを使用した)分類訓練の前に、および/またはデータセットに対して訓練分類器を実行する前に、「アンラップ」されてもよい。特に、このような実施形態では、訓練データセットの分析物注釈は、変換の前、例えば、アンラップ後、または両方の組み合わせのタイミングであってもよい。例えば、いくつかの実施形態では、変換されていないデータセットに(例えば、組織学情報などのエクスビボ分類データを使用して)注釈を付け、次にこれを分類器訓練のために変換することができる。このような実施形態では、エクスビボに基づく分類のより細かい粒度をインビボ放射線分析のより低い意図された粒度に一致させるように折り畳み、計算の複雑さを軽減するだけでなく、本来であれば「ブラックボックス」であるという批判にさらされるものに同時に対処することができる。 As described herein, in some embodiments, the augmented dataset may utilize a normalized coordinate system to avoid extraneous variations associated with, for example, wall thickness and radial presentation. Additionally, as described herein, in exemplary embodiments, the "donut" shaped dataset may be "unwrapped," for example, prior to classification training (e.g., using a CNN) and/or prior to running a training classifier on the dataset. Notably, in such embodiments, analyte annotation of the training dataset may be timed prior to transformation, e.g., after unwrapping, or a combination of both. For example, in some embodiments, the untransformed dataset may be annotated (e.g., using ex vivo classification data such as histology information) and then transformed for classifier training. In such embodiments, the finer granularity of ex vivo-based classification may be collapsed to match the lower intended granularity of in vivo radiological analysis, reducing computational complexity as well as simultaneously addressing what is otherwise subject to criticism of being a "black box."
いくつかの実施形態では、注釈付けされた放射線データセットを視覚化するための色および/または軸は、エクスビボのグラウンドトゥルースに基づく分類で典型的に示されるのと同じ色/軸(例えば、組織学で使用されるのと同じ色/軸)に対応するように選択されてもよい。例示的な実施形態では、変換された補強されたデータセット(例えば、壁の厚さに対して正規化され得る)が示されてもよく、ここで、各分析物は、視覚的に、異なる対照的な色で、すべての非分析物領域に対して背景領域(例えば、黒色または灰色)に対して示されてもよい。特に、実施形態に応じて、共通の背景に注釈付けされてもされなくてもよく、したがって、血管壁の内側の非分析物領域と外側の非分析物領域との間、または背景の特徴(腔内表面の不規則性、壁の厚さの変化など)同士を視覚的に区別してもしなくてもよい。したがって、いくつかの実施形態では、(例えば、壁の厚さに対して色分けおよび正規化された)注釈付けされた分析物領域は、均一な(例えば、完全に黒色、完全に灰色、完全に白色などの)背景に対して視覚的に描かれてもよい。他の実施形態では、(例えば、色分けされているが壁の厚さに対して正規化されていない)注釈付けされた分析物領域は、注釈付けされた背景(例えば、異なる色合い(灰色、黒色、および/または白色)を使用して(i)管状構造の内腔内部の中心内腔領域、(ii)壁の内側の非分析物領域、および/または(iii)外壁の外側の領域に対して視覚的に描かれてもよい。これにより、(例えば、潰瘍形成または血栓に起因する)壁の厚さの変動の分析を可能にすることができる。さらなる例示的な実施形態では、注釈付けされたデータセットは、例えば、プラーク内出血および/または他の形態学的側面の領域の識別(および視覚化)を含んでもよい。例えば、プラーク内出血の領域は赤色で、LRNCは黄色で視覚化してもよい。 In some embodiments, the colors and/or axes for visualizing the annotated radiological dataset may be selected to correspond to the same colors/axes typically shown in ex vivo ground truth based classifications (e.g., the same colors/axes used in histology). In an exemplary embodiment, the transformed augmented dataset (which may be normalized to wall thickness, for example) may be shown, where each analyte may be visually shown in a different contrasting color, against background regions (e.g., black or gray), against all non-analyte regions. In particular, depending on the embodiment, they may or may not be annotated to a common background, and thus may or may not visually distinguish between non-analyte regions inside and outside the vessel wall, or between background features (endoluminal surface irregularities, wall thickness variations, etc.). Thus, in some embodiments, the annotated analyte regions (e.g., color-coded and normalized to wall thickness) may be visually depicted against a uniform (e.g., completely black, completely gray, completely white, etc.) background. In other embodiments, the annotated analyte regions (e.g., color-coded but not normalized to wall thickness) may be visually depicted against an annotated background (e.g., using different shades (gray, black, and/or white) of (i) the central luminal region inside the lumen of the tubular structure, (ii) the non-analyte region inside the wall, and/or (iii) the outer region of the outer wall. This may allow analysis of variations in wall thickness (e.g., due to ulceration or thrombus). In further exemplary embodiments, the annotated dataset may include, for example, identification (and visualization) of regions of intraplaque hemorrhage and/or other morphological aspects. For example, regions of intraplaque hemorrhage may be visualized in red and LRNC in yellow.
主題の適用のシステムおよび方法の1つの特定の実装は、血管療法を指示することであり得る。分類は、プラーク病巣の可能性のある動的挙動(その物理的特性または特定のメカニズム、例えば炎症性またはコレステロール代謝に基づく)に従って、および/または疾患の進行(例えば、その自然史の早期対後期)に基づいて確立されてもよい。このような分類は、患者の治療を指示するために使用することができる。例示的な実施形態では、AHAによって採用されたStaryプラーク表現型決定システムをアンダーレイとして利用し、インビボで決定されたタイプを色のオーバーレイで示す。例示的なマッピングは、「I」、「II」、「III」、「IV」、「V」、「VI」、「VII」、「VIII」]であり、class_map=[不顕性、不顕性、不顕性、不顕性、不顕性、不安定、不安定、安定、安定]をもたらす。しかしながら、本開示のシステムおよび方法は、Staryに結び付けられていない。別の例として、Virmaniシステム[「石灰化結節」、「CTO」、「FA」、「FCP」、「治癒プラーク破裂」、「PIT」、「IPH」、「破裂」、「TCFA」、「ULC」]は、class_map=[安定、安定、安定、安定、安定、安定、不安定、不安定、不安定、不安定]で使用されており、他の型決定システムでも同様に高い性能が得られる可能性がある。例示的な実施形態では、本開示のシステムおよび方法は、異種の型決定システムをマージしてもよく、クラスマップを変更してもよく、または他の変形例があってもよい。FFR表現型の場合、例えば物理的FFRとの比較を容易にするために、正常または異常などの値が使用されてもよく、および/または数値が使用されてもよい。 One particular implementation of the subject systems and methods of application may be to direct vascular therapy. Classifications may be established according to the likely dynamic behavior of the plaque lesion (based on its physical properties or specific mechanisms, e.g., inflammatory or cholesterol metabolism) and/or based on disease progression (e.g., early vs. late in its natural history). Such classifications can be used to direct patient treatment. In an exemplary embodiment, the Stary plaque phenotyping system adopted by the AHA is utilized as an underlay, with the in vivo determined types shown in a color overlay. An exemplary mapping is "I", "II", "III", "IV", "V", "VI", "VII", "VIII"], resulting in class_map = [occult, occult, occult, occult, occult, unstable, unstable, stable, stable]. However, the systems and methods of the present disclosure are not tied to Stary. As another example, the Virmani system ["calcified nodule", "CTO", "FA", "FCP", "healed plaque rupture", "PIT", "IPH", "rupture", "TCFA", "ULC"] has been used with class_map = [stable, stable, stable, stable, stable, stable, unstable, unstable, unstable, unstable], and other typing systems may perform similarly well. In an exemplary embodiment, the disclosed system and method may merge heterogeneous typing systems, change the class map, or have other variations. In the case of FFR phenotypes, values such as normal or abnormal may be used, and/or numeric values may be used, for example to facilitate comparison with physical FFR.
したがって、例示的な実施形態では、本開示のシステムおよび方法は、補強された放射線データセットに基づくプラークの表現型分類を提供することができる。特に、表現型分類(複数可)は、安定プラークを不安定プラークから区別することを含んでもよく、例えばここでは、分類のグラウンドトゥルースの基礎が、(i)内腔狭窄(蛇行および/または潰瘍化のような追加の測定によって増強される場合がある)、(ii)カルシウム含有量(深さ、形状、および/または他の複雑な提示によって増加する可能性がある)、(iii)脂質含有量(キャップの厚さおよび/または他の複雑な提示の測定によって増加する可能性がある)、(iv)解剖学的構造または形状、および/または(v)IPHもしくはその他の含有量などの要因に基づいている。特に、この分類は、全体的に高い精度、感度、特異度、および高い程度の臨床的関連性(カテーテル検査および心血管ケアを受けている患者の既存の標準ケアを変更する可能性がある)を有することが実証されていることである。 Thus, in an exemplary embodiment, the disclosed systems and methods can provide plaque phenotypic classification based on an augmented radiological data set. In particular, the phenotypic classification(s) may include distinguishing stable from unstable plaques, for example where the ground truth basis of the classification is based on factors such as (i) luminal narrowing (which may be augmented by additional measurements such as tortuosity and/or ulceration), (ii) calcium content (which may be increased by depth, shape, and/or other complex presentations), (iii) lipid content (which may be increased by measurements of cap thickness and/or other complex presentations), (iv) anatomy or shape, and/or (v) IPH or other content. In particular, this classification has been demonstrated to have high overall accuracy, sensitivity, specificity, and a high degree of clinical relevance (which may change the existing standard of care for patients undergoing catheterization and cardiovascular care).
別の例示的な実施形態は肺癌であり、ここでは、腫瘤のサブタイプが、顕在表現型に基づいて患者にとって最も有益な治療を指示するように決定され得る。特に、前処理およびデータセットの補強は、固体対半固体(「すりガラス」)のサブ領域に分離するために使用することができ、これらのサブ領域は、悪性度が異なるだけでなく、異なる最適な治療を示唆している。 Another exemplary embodiment is lung cancer, where subtypes of tumor masses can be determined to direct the most beneficial treatment for patients based on the manifesting phenotype. In particular, pre-processing and dataset augmentation can be used to separate solid vs. semi-solid ("ground glass") sub-regions, which not only differ in malignancy but also suggest different optimal treatments.
さらなる例示的な実施形態では、本開示のシステムおよび方法は、CT血管造影(CTA)診断画像の画像前処理、画像ノイズ除去、および新規な幾何学的表現(例えば、アフィン変換)を提供して、クラス最高の分類器、および表現手順の間に有害な心血管系の影響のリスクのマーカーを開発するためのCNNに基づく深層学習アルゴリズムの性能を促進および最大化することができる。したがって、本明細書に開示されるように、画像のぼけ除去または復元を使用して関心のある病巣を識別し、プラーク組成を定量的に抽出することができる。さらに、断面(主軸血管に沿った)セグメンテーションされた画像の、例えば、X軸に沿って確立された内腔に追従する「アンラップされた」長方形の参照フレームへの変換は、DLアプローチが表現的な特徴を最もよく学習することを可能にするために正規化されたフレームを提供するために適用されてもよい。 In further exemplary embodiments, the systems and methods of the present disclosure may provide image pre-processing, image denoising, and novel geometric representations (e.g., affine transformations) of CT angiography (CTA) diagnostic images to facilitate and maximize the performance of best-in-class classifiers and CNN-based deep learning algorithms to develop markers of risk of adverse cardiovascular effects during the representation procedure. Thus, as disclosed herein, image deblurring or restoration may be used to identify lesions of interest and quantitatively extract plaque composition. Furthermore, a transformation of cross-sectional (along the main axis vessel) segmented images to, for example, an "unwrapped" rectangular reference frame following the lumen established along the X-axis may be applied to provide a normalized frame to enable the DL approach to best learn the representational features.
本明細書の例示的な実施形態は、分析および表現型決定のために2Dの注釈付けされた断面を利用するが、主題の適用はそのような実施形態に限定されないことに留意されたい。特に、いくつかの実施形態は、例えば、2D断面を別々に処理する代わりに、またはそれに加えて、補強された3Dデータセットを利用することができる。したがって、例示的な実施形態では、コンピュータビジョンからのビデオ解釈を分類器入力データセットに適用することができる。中心線に沿った「映画」シーケンスにあるように、複数の断面を順次処理することは、管状構造、例えば、中心線を上下に移動すること、および/または解剖学に最も適した側面に応じて他の3D顕在化のために、これらの方法を一般化することができることに留意されたい。 Note that while the exemplary embodiments herein utilize 2D annotated cross sections for analysis and phenotyping, application of the subject matter is not limited to such embodiments. In particular, some embodiments may utilize an augmented 3D dataset, e.g., instead of or in addition to processing 2D cross sections separately. Thus, in exemplary embodiments, video interpretation from computer vision may be applied to the classifier input dataset. Note that sequential processing of multiple cross sections, as in a "movie" sequence along the centerline, may generalize these methods for tubular structures, e.g., moving up and down the centerline, and/or other 3D manifestations depending on the aspect that best suits the anatomy.
さらなる例示的な実施形態では、補強されたデータセット内の偽色表現は、ピクセルまたはボクセルの位置にわたって連続的な値を有してもよい。この値は、明示的な検証の有無にかかわらず、「ラジオミクス」特徴、または検証された組織タイプに使用され、各ボクセルに対して独立して算出されてもよい。このような値のセットは、任意の数の前処理されたオーバーレイに存在してもよく、表現型分類器に供給されてもよい。特に、いくつかの実施形態では、各ピクセル/ボクセルは、任意の数の異なる特徴の値を有することができる(例えば、異なる分析物のための任意の数の異なるオーバーレイ中に表現されてもよく、「多重占有」と呼ばれることもある)。代替的に、各ピクセル/ボクセルは、1つの分析物にのみ割り当てられてもよい(例えば、単一の分析物オーバーレイのみに割り当てられる)。さらに、いくつかの実施形態では、所与の分析物(例えば、所与の分析物)のピクセル/ボクセル値は、オールオアナッシング分類スキーム(例えば、ピクセルがカルシウムであるかそうでないかのいずれか)に基づくことができる。代替的に、所与の分析物のピクセル/ボクセル値は、相対値、例えば、確率スコアであってもよい。いくつかの実施形態では、ピクセル/ボクセルの相対値は、分析物のセット全体で(例えば、合計確率が合計で100%になるように)正規化される。 In further exemplary embodiments, the false color representation in the augmented dataset may have a continuous value across pixel or voxel locations. This value may be used for "radiomics" features, with or without explicit validation, or for validated tissue types, and may be calculated independently for each voxel. Such a set of values may be present in any number of pre-processed overlays and fed to the phenotype classifier. In particular, in some embodiments, each pixel/voxel may have values for any number of different features (e.g., may be represented in any number of different overlays for different analytes, sometimes referred to as "multiple occupancy"). Alternatively, each pixel/voxel may be assigned to only one analyte (e.g., assigned to only a single analyte overlay). Furthermore, in some embodiments, the pixel/voxel value for a given analyte (e.g., a given analyte) may be based on an all-or-nothing classification scheme (e.g., the pixel is either calcium or not). Alternatively, the pixel/voxel value for a given analyte may be a relative value, e.g., a probability score. In some embodiments, the relative values of pixels/voxels are normalized across the set of analytes (e.g., so that the total probabilities sum to 100%).
例示的な実施形態では、分類モデルは、例えば、偏微分方程式などのマルチスケールモデリング技術の適用によって全体的または部分的に訓練されて、例えば、可能性の高い細胞信号伝達経路または生物学的に動機付された実現可能な提示を表現することができる。 In an exemplary embodiment, the classification model may be trained in whole or in part by application of multi-scale modeling techniques, such as partial differential equations, to represent, for example, likely cell signaling pathways or biologically motivated feasible representations.
他の代替の実施形態は、単一の時点からの(唯一の)データではなく、例えば、複数の時点から収集されたような変化データを使用することを含む。例えば、陰性細胞型の量または性質が増加した場合、それは、減少した場合の「リグレッサー」表現型に対して、「プログレッサー」表現型であると言うことができる。リグレッサーは、例えば、薬物への反応が原因である可能性がある。代替的に、例えば、LRNCの変化率が速い場合、これは、異なる表現型、例えば、「急速なプログレッサー」を意味してもよい。 Other alternative embodiments include using change data, e.g., collected from multiple time points, rather than (only) data from a single time point. For example, if the amount or quality of a negative cell type increases, it can be said to be a "progressor" phenotype, as opposed to a "regressor" phenotype if it decreases. A regressor may be due, for example, to a response to a drug. Alternatively, if the rate of change, e.g., of the LRNC, is fast, this may signify a different phenotype, e.g., a "rapid progressor."
いくつかの実施形態では、他のアッセイ(例えば、実験室の結果)、人口統計学/リスク要因、または放射線画像から得られた他の測定値から導出されるような非空間情報を、CNNの最終層に供給して空間情報を非空間情報と組み合わせてもよい。 In some embodiments, non-spatial information, such as that derived from other assays (e.g., laboratory results), demographics/risk factors, or other measurements taken from radiology images, may be fed into a final layer of the CNN to combine the spatial information with the non-spatial information.
特に、システムおよび方法は表現型分類に焦点を当てているが、転帰予測に関しても同様のアプローチを適用することができる。このような分類は、訓練データセットに割り当てられたグラウンドトゥルースの過去の転帰に基づいていてもよい。例えば、平均余命、生活の質、治療効果(異なる治療方法の比較を含む)、および他の転帰予測は、主題の適用のシステムおよび方法を使用して決定することができる。 Notably, although the systems and methods focus on phenotype classification, similar approaches can be applied with respect to outcome prediction. Such classification may be based on ground truth historical outcomes assigned to the training dataset. For example, life expectancy, quality of life, treatment efficacy (including comparison of different treatment methods), and other outcome predictions can be determined using the systems and methods of the subject application.
主題の適用のシステムおよび方法の例は、複数の図面および以下の詳細な説明にさらに示されている。 Examples of the subject application of the systems and methods are further illustrated in the drawings and detailed description below.
さらなる例示的な実施形態では、本開示のシステムおよび方法は、プラーク形態の測定による心筋および/または脳組織における部分的な部分血流予備量比の決定を提供する。本開示のシステムおよび方法は、その膨張性に影響を与える組織のタイプおよび特徴の客観的に検証された決定を介して血管の血管拡張能力を特徴付けるために洗練された方法を使用してもよい。特に、プラーク形態は、血流予備量比の観点からの血管系の動的挙動の分析への入力として使用されてもよい(血流予備量比事実データを使用してモデルを訓練する)。したがって、静的な記述(のみ)ではなく、システムの動的な動作を決定することが可能である。狭窄自体は、静的な記述しか提供しないという点で、予測力が低いことでよく知られており、動的機能の最高精度のイメージングに基づく評価には、正確なプラーク形態の追加が必要である。本開示は、正確なプラーク形態を決定するシステムおよび方法を提供し、次いで、動的機能を決定するために処理する。 In further exemplary embodiments, the disclosed systems and methods provide for the determination of fractional fractional flow reserve in myocardial and/or brain tissue by measurement of plaque morphology. The disclosed systems and methods may use sophisticated methods to characterize the vasodilatory capacity of blood vessels through objectively verified determination of tissue types and characteristics that affect its distensibility. In particular, plaque morphology may be used as input to an analysis of the dynamic behavior of the vasculature in terms of fractional flow reserve (fractual fractional flow reserve data is used to train a model). Thus, it is possible to determine the dynamic behavior of the system, rather than a static description (only). Stenosis itself is well known for its poor predictive power, in that it only provides a static description, and the most accurate imaging-based assessment of dynamic function requires the addition of accurate plaque morphology. The disclosed systems and methods provide for determining accurate plaque morphology, which is then processed to determine dynamic function.
例示的な実施形態では、深層学習を利用して、組織特性および血管の解剖学的構造(「プラーク形態」と総省される)の空間的コンテキストを最適なレベルの粒度で保持し、訓練セットにおける過度の非物質的変動を回避しながら、機械学習の他のより単純な使用を超えるために必要とされるものを保持する。他者による代替の方法は、組織特性のより完全な処理ではなく、血管構造の測定値のみを使用する。このような方法は、病巣の長さ、狭窄、ならびにおそらく入口および出口の角度を捕捉することができるが、血管拡張能力の決定要因を無視している。これらのモデルを使用するには、動脈樹全体の柔軟性に関する高レベルの想定を行う必要があるが、プラークおよびその他の組織性状は、冠動脈樹の膨張性を不均一な方法で膨張させる原因となる。ツリーの様々な部分が多かれ少なかれ拡張性である。拡張性はFFRを決定する上で重要な要素であるため、方法は不十分である。組織特性を行おうとする他の方法は、それらの精度に関する客観的な検証を伴わず、および/または深層学習法の有効性を提供するために必要な医用画像深層学習(例えば、アンラッピングおよび検証された偽色組織タイプオーバーレイなどの変換)に最適な空間的コンテキストを保持するために必要なデータ補強方法を伴わずに実行する。いくつかの方法では、合成データを使用することによって訓練セットサイズを大きくしようとするが、これは最終的に、合成生成の基になる限られたデータに限定され、入力訓練セットの実際の拡張ではなく、データ拡張スキームである。追加的に、本開示のシステムおよび方法は、血管の長さ全体にわたって連続的な評価を作成することができる。 In an exemplary embodiment, deep learning is utilized to preserve the spatial context of tissue properties and vascular anatomy (collectively referred to as "plaque morphology") at an optimal level of granularity, while avoiding excessive non-material variation in the training set, as is required to go beyond other more simple uses of machine learning. Alternative methods by others use only measurements of vessel structure rather than a more complete treatment of tissue properties. Such methods may capture lesion length, stenosis, and possibly inlet and outlet angles, but ignore the determinants of vessel dilatation capacity. Use of these models requires high-level assumptions to be made regarding the flexibility of the entire arterial tree, but plaque and other tissue properties cause the distensibility of the coronary artery tree to distensibly in a non-uniform manner. Various parts of the tree are more or less distensible. As distensibility is a key factor in determining FFR, the methods fall short. Other methods that attempt to perform tissue characterization do so without objective validation of their accuracy and/or without the data augmentation methods necessary to preserve optimal spatial context for medical image deep learning (e.g., unwrapping and transformations such as verified false color tissue type overlays) necessary to provide efficacy for deep learning methods. Some methods attempt to increase training set size by using synthetic data, but this is ultimately limited to the limited data on which the synthetic is generated and is a data augmentation scheme rather than a true extension of the input training set. Additionally, the systems and methods of the present disclosure can create continuous assessments throughout the length of the vessel.
本開示のシステムおよび方法は、複数の動脈床にわたる組織学によって検証された客観的な組織の特徴付けを効果的に活用する。動脈硬化症の例示的な適用に関連して、プラーク組成は、その年齢に関係なく、冠動脈および頸動脈で類似しており、これは、相対的安定性を主に決定し、CTAと同様にCCTAにおいても同様の提示を示唆するであろう。様々なプラークの特徴の程度のわずかな違いとしては、冠動脈ではキャップが厚く、頸動脈ではプラーク内出血および石灰化結節の有病率が高いことが挙げられるが、プラーク成分の性質に違いはない。加えて、頸動脈および冠動脈は、プラークの進化に影響を与える血管緊張調節の生理学において多くの類似点を有している。心筋の血液灌流は、NOなどの様々な刺激に反応して心外膜冠動脈の血管拡張によって調節され、冠動脈の緊張に動的な変化を引き起こし、血流に複数の変化をもたらす可能性がある。同様に、頸動脈は脳循環をサポートする単なる導管ではなく、それらは、せん断応力の変化を含む刺激に反応して血管反応性状を実証する。内皮せん断応力は、内皮の健康および好ましい血管壁トランスクリプトームプロファイルに寄与する。臨床研究では、内皮せん断応力が低い領域が動脈硬化症の発症および高リスクのプラークの特徴に関連付けられていることが実証されている。同様に、頸動脈では、より低い壁のせん断応力がプラークの発達および局在化に関連付けられている。(内皮のせん断応力はそれ自体が有用な測定値であるが、プラークの形態学に取って代わるものではない。)技術的な課題は床(例えば、ゲートの使用、血管サイズ、動きの量および性質)によって異なるが、これらの影響はスキャンプロトコルによって軽減され、面内ボクセルサイズは0.5~0.75mmの範囲で近似的になり、冠動脈(より小さな血管)の面内分解能は、実際には頸動脈のそれよりも優れている(ボクセルは冠動脈では等方的であり、頸部および末梢四肢ではそうではない)ことを認識することが重要である。 The disclosed system and method effectively leverages objective tissue characterization verified by histology across multiple arterial beds. Relevant to the exemplary application of arteriosclerosis, plaque composition is similar in coronary and carotid arteries, regardless of their age, which would largely determine the relative stability and suggest a similar presentation in CCTA as well as CTA. Minor differences in the extent of various plaque features include thicker caps in coronary arteries and a higher prevalence of intraplaque hemorrhage and calcified nodules in carotid arteries, but no difference in the nature of plaque components. In addition, carotid and coronary arteries have many similarities in the physiology of vascular tone regulation that impacts plaque evolution. Myocardial blood perfusion is regulated by epicardial coronary vasodilation in response to various stimuli, such as NO, which can cause dynamic changes in coronary tone and result in multiple changes in blood flow. Similarly, carotid arteries are not just conduits supporting cerebral circulation, they demonstrate vasoreactive behavior in response to stimuli including changes in shear stress. Endothelial shear stress contributes to endothelial health and favorable vessel wall transcriptome profiles. Clinical studies have demonstrated that regions of low endothelial shear stress are associated with the development of atherosclerosis and high-risk plaque features. Similarly, in the carotid arteries, lower wall shear stress has been associated with plaque development and localization. (Endothelial shear stress is a useful measurement in its own right, but does not replace plaque morphology.) Technical challenges vary by bed (e.g., use of gating, vessel size, amount and nature of motion), but these effects are mitigated by the scanning protocol, resulting in approximate in-plane voxel sizes in the range of 0.5-0.75 mm, and it is important to recognize that the in-plane resolution of coronary arteries (smaller vessels) is actually superior to that of carotid arteries (voxels are isotropic in coronary arteries, but not in the neck and peripheral limbs).
本開示は、ナイキスト-シャノンのサンプリング定理を尊重する堅実な数学の原理に基づいて、IVUS VHとほぼ同じように定期的に取得されるCTAで効果的な分解能を達成する。IVUSイメージングは、全体的な構造(つまり、内腔)に対して優れた空間分解能を有しているが、一般に、プラーク成分を高精度で特徴付ける能力に欠けている。文献によると、IVUSの分解能は、20~40MHzの範囲の典型的なトランスデューサーを使用して、軸方向に70~200μm、横方向に200~400μmと推定されている。IVUS VHは、プラーク組成分析(したがって測定)を可能にするスペクトル後方散乱分析の方法である。軸方向に大きな(例えば、480μm)移動ウィンドウを使用するIVUS VH手法の場合、この移動ウィンドウの比較的大きなサイズ(したがって、組成分析の精度)は、スペクトル分析の帯域幅要件によって根本的に制限される。IVUS VH画像が、例えば250μmの小さな移動ウィンドウに表示される場合、各IVUSピクセルは個別のカテゴリに分類されるので、この分析の精度が制限される。64スライスマルチ検出器CCTAスキャンは、300~400μmの分解能の範囲であると説明されている。これにより、CCTAの解像度はすでにIVUS VHの解像度に非常に近くなるが、考慮すべき本発明の分析に特有の追加の要因がある。したがって、CCTAピクセルを離散的に分類するのではなく、本開示のシステムおよび方法は、例えば、脂質コアの真の表面を表現するために三角形のテッセレーションされた表面を使用して、サブボクセル精度で反復的なぼけ除去または復元モデリングステップを実施する。脂質コア区域は、393人の患者で6.5~14.3mm2の範囲にある(対応する曲率半径は1.4~2.1mm)。弦が単一のボクセルに対角線上に広がる弦の長さの式を使用すると、これは44μmでの脂質コアのテッセレーションされた表面表現の誤差の上限を表現する。一般的にキャップの厚さを測定するためのIVUS VHの精度と同等の194~244μmの精度の合計範囲のために、半分のピクセルのオーダーの誤差を引き起こす可能性があるぶれ除去または復元分析に関連付けられた追加の要因がある。 The present disclosure is based on sound mathematical principles that respect the Nyquist-Shannon sampling theorem to achieve effective resolution in routinely acquired CTA in much the same way as IVUS VH. IVUS imaging has excellent spatial resolution for the overall structure (i.e., lumen), but generally lacks the ability to characterize plaque components with high precision. In the literature, IVUS resolution is estimated at 70-200 μm axially and 200-400 μm laterally, using typical transducers in the 20-40 MHz range. IVUS VH is a method of spectral backscatter analysis that allows plaque compositional analysis (and therefore measurement). For IVUS VH techniques that use a large axial (e.g., 480 μm) moving window, the relatively large size of this moving window (and therefore the precision of the compositional analysis) is fundamentally limited by the bandwidth requirements of the spectral analysis. If the IVUS VH images are viewed in a small moving window, for example 250 μm, each IVUS pixel will be classified into a separate category, limiting the accuracy of this analysis. 64-slice multi-detector CCTA scans have been described as ranging in resolution from 300 to 400 μm. This already brings the CCTA resolution very close to that of IVUS VH, but there are additional factors specific to the present analysis that must be considered. Thus, rather than classifying CCTA pixels discretely, the disclosed systems and methods perform an iterative deblurring or restoration modeling step with sub-voxel accuracy, for example using a triangular tessellated surface to represent the true surface of the lipid core. The lipid core area ranges from 6.5 to 14.3 mm2 in 393 patients (with a corresponding radius of curvature of 1.4 to 2.1 mm). Using the formula for the chord length where the chord spans a single voxel diagonally, this represents an upper limit on the error of the tessellated surface representation of the lipid core at 44 μm. For a total accuracy range of 194-244 μm, which is typically comparable to the accuracy of IVUS VH for measuring cap thickness, there are additional factors associated with the deblurring or restoration analysis that can introduce errors on the order of half a pixel.
本開示は、動脈硬化症のイメージングデータの分析への人工知能および深層学習の適用の基本的な制限に対処する上でも革新的である。のような検証された客観的な基盤を欠いている従来の競争的アプローチは、根本的に複数の方法で制限されている。第1に、任意の閾値が使用されるため、それ自体が客観的な検証を欠いている他のマーカーとの相関の弱い形式を除いて精度を評価することができない。第2に、この客観性の欠如は、状況に応じて相関関係の基礎となる大量のデータに対する需要を増大させる。これは、それ自体が分析の対象である放射線画像の手動注釈に対して実行不可能な要求を課している(つまり、独立したモダリティから検証されるのとは対照的である)。第3に、結果として得られるモデルの解釈可能性に起因して、これらのモデルはFDAなどの規制機関に「ブラックボックス」として提示されなければならず、従来の生物学的仮説テストと結びつけることができる作用機序の科学的な厳密な解明を欠いている。具体的には、CNNは多くの異なるコンピュータビジョンのタスクを実施するのに優れていることが証明されているが、放射線データセットに適用すると、以下の大きな欠点がある:1)膨大な訓練および検証のデータセットが必要であること、2)中間CNNの計算は一般的に測定可能な性状を表現するものではないので、規制当局の承認を難しくしていること。これらの課題に対処するために、生物学的レベルで個別に客観的に検証してCNNに供給することができる出力を備えた段階で構成されるパイプラインアプローチを利用する。本発明は、生物学的に測定可能である(すなわち、客観的に検証することができる)1つ以上の段階から構成されるパイプラインを使用し、続いてこれらの検証された生物学的性状に対してより小さな範囲の畳み込みニューラルネットワーク処理を行い、主観的または定性的な「イメージング特徴」に基づくのではなく、むしろ所望の出力条件を出力することによってこれらの欠点を克服する。これらのアーキテクチャ機能は、利用可能な訓練データの効率を高めることによって欠点を軽減し、中間ステップを客観的に検証できるようにする。本開示のシステムおよび方法は、1)中程度のサイズのデータセットでCNNを訓練するときに許容できるレベルまでビジョンタスクの複雑さを減少させ、2)客観的に検証され、ユーザまたは規制機関によって容易に解釈できる中間出力を生成することによって、医用イメージングにCNNを使用することの欠点を同時に軽減する。中間CNN計算は一般にいかなる測定可能な性状を表現するものでもなく、特徴抽出を使用するMLアプローチでは空間的コンテキストを取得するのが難しいことが多く、空間的コンテキストを含む生のデータセットを使用すると、従来の機械学習でも深層学習アプローチでも、抽出された特徴の客観的なグラウンドトゥルースラベルが欠落することが多い。同様に、生のデータセットは、目前の分類問題に関して「ノイズ」である多くの変動を含み、これは、医療以外のコンピュータビジョン用途では、医療用途で一般的に利用できない規模の非常に大規模な訓練セット、特にグラウンドトゥルースで注釈付けされたセットを持つことによって克服されている。 The present disclosure is also innovative in addressing the fundamental limitations of the application of artificial intelligence and deep learning to the analysis of arteriosclerosis imaging data. Conventional competitive approaches, lacking a validated objective foundation such as , are fundamentally limited in multiple ways. First, arbitrary thresholds are used, and therefore accuracy cannot be assessed except through weak forms of correlation with other markers, which themselves lack objective validation. Second, this lack of objectivity increases the demand for large amounts of data on which to base correlations in context. This places unfeasible demands on the manual annotation of radiological images, which are themselves the subject of analysis (i.e., as opposed to being validated from an independent modality). Third, due to the interpretability of the resulting models, these models must be presented as a "black box" to regulatory agencies such as the FDA, lacking a scientifically rigorous elucidation of the mechanism of action that can be coupled with traditional biological hypothesis testing. Specifically, CNNs have proven to be good at performing many different computer vision tasks, but when applied to radiology datasets, they have the following major drawbacks: 1) they require large training and validation datasets; and 2) intermediate CNN calculations do not generally represent measurable properties, making regulatory approval difficult. To address these challenges, we utilize a pipeline approach consisting of stages with outputs that can be individually objectively validated at the biological level and fed to the CNN. The present invention overcomes these drawbacks by using a pipeline consisting of one or more stages that are biologically measurable (i.e., can be objectively validated), followed by a smaller range of convolutional neural network processing on these validated biological properties, outputting desired output conditions rather than based on subjective or qualitative "imaging features". These architectural features mitigate the drawbacks by increasing the efficiency of the available training data, allowing the intermediate steps to be objectively validated. The disclosed system and method simultaneously mitigates the drawbacks of using CNNs in medical imaging by 1) reducing the complexity of the vision task to an acceptable level when training a CNN on a moderately sized dataset, and 2) generating intermediate outputs that are objectively verified and easily interpretable by users or regulatory agencies. The intermediate CNN computations generally do not represent any measurable properties, spatial context is often difficult to obtain in ML approaches using feature extraction, and using raw datasets that include spatial context often lacks objective ground truth labels for the extracted features, both in traditional machine learning and deep learning approaches. Similarly, raw datasets contain a lot of variation that is "noisy" with respect to the classification problem at hand, which is overcome in non-medical computer vision applications by having very large training sets, especially sets annotated with ground truth, on a scale that is generally unavailable in medical applications.
本開示のシステムおよび方法の定量的能力は、より高度なイメージングプロトコル(組織の特徴付けのために、早期/遅延フェーズコントラスト、デュアルエネルギー、およびマルチスペクトル技術などのプロトコルが研究されている)の分析に理想的なものとなる。 The quantitative capabilities of the disclosed systems and methods make them ideal for the analysis of more advanced imaging protocols, such as early/delayed phase contrast, dual energy, and multispectral techniques being investigated for tissue characterization.
本開示のシステムおよび方法を特に示し、その例示的な実施形態を参照して説明してきたが、その中で、本開示の範囲から逸脱することなく、様々な形態および詳細の変更が行われ得ることは、当業者には理解されるであろう。 While the systems and methods of the present disclosure have been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail may be made therein without departing from the scope of the present disclosure.
前述のことは、添付の図面に示されているように、例示的な実施形態の以下のより具体的な説明から明らかである。図面では、同様の参照文字は、異なる図全体にわたって同じ部分を参照している。図面は必ずしも原寸に比例しておらず、代わりに本開示の実施形態を説明することに重点が置かれている。 The foregoing will be apparent from the following more particular description of exemplary embodiments, as illustrated in the accompanying drawings, in which like reference characters refer to the same parts throughout the different views. The drawings are not necessarily to scale, emphasis instead being placed upon illustrating embodiments of the present disclosure.
定量的イメージングを利用して病変を分析するためのシステムおよび方法が本明細書に提示される。本開示のシステムおよび方法は、イメージングデータから生物学的性状/分析物を識別および定量化し、次いで、定量化された生物学的性状/分析物に基づいて1つ以上の病変を識別および特徴付ける階層分析フレームワークを有利に利用する。病変を評価するための中間体としてイメージングを使用して基礎となる生態を調べるこの階層的アプローチは、検証ステップを伴わずに、および/または本明細書に記載される有利な処理を伴わずに、生のイメージングデータから病変を直接決定し、特徴付けるように構成されたシステムおよび方法よりも多くの分析および処理上の利点を提供する。 Presented herein are systems and methods for analyzing lesions utilizing quantitative imaging. The disclosed systems and methods advantageously utilize a hierarchical analytical framework that identifies and quantifies biological properties/analytes from imaging data and then identifies and characterizes one or more lesions based on the quantified biological properties/analytes. This hierarchical approach, which examines the underlying biology using imaging as an intermediate to evaluate lesions, offers numerous analytical and processing advantages over systems and methods configured to directly determine and characterize lesions from raw imaging data without a validation step and/or without the advantageous processing described herein.
1つの利点は、例えば非放射線源からの、例えば、組織学的情報などの組織サンプル源からの訓練セットを、放射線源の訓練セットと組み合わせて、またはこれとは独立して利用して、放射線イメージング特徴を生物学的性状/分析物と病変とに相関させる能力である。例えば、いくつかの実施形態では、組織学的情報は、定量化された生物学的性状/分析物に基づいて1つ以上の病変を識別し、特徴付けるための訓練アルゴリズムで使用されてもよい。より具体的には、(例えば、侵襲的に取得された組織学的データセット内のまたは遺伝子発現プロファイリングを介して取得可能な)非放射線データで識別可能/定量化可能な生物学的性状/分析物も、放射線データ(有利に非侵襲的である)内で識別および定量化されてもよい。次に、これらの生物学的性状/分析物は、例えば、組織学的情報、遺伝子発現プロファイリング、または他の臨床的に豊富なデータセットを利用して、非放射線源からの情報を使用して病変に関する臨床所見と相関させることができる。次に、この臨床的に相関するデータのセットは、生物学的性状/分析物を臨床的転帰と既知の関係を有する病変と相関させるアルゴリズムを決定/調整する(例えば、機械学習を利用する)ための訓練セットまたは訓練セットの一部として機能することができる。次に、生物学的性状/分析物を非放射線源訓練セットを利用して導出された病変に相関させるこれらのアルゴリズムを、放射線データから導出された生物学的性状/分析物の評価に適用することができる。したがって、本開示のシステムおよび方法は、放射線イメージング(有利に費用効果が高く非侵襲的であり得る)を利用して、臨床転帰を予測するためのまたは治療を導くためのサロゲート手段を提供することを有利に可能にし得る。 One advantage is the ability to utilize training sets from tissue sample sources, such as, for example, histological information, from non-radioactive sources, in combination with or independent of the training set of radioactive sources, to correlate radiological imaging features with biological properties/analytes and lesions. For example, in some embodiments, the histological information may be used in a training algorithm to identify and characterize one or more lesions based on the quantified biological properties/analytes. More specifically, biological properties/analytes identifiable/quantifiable in non-radioactive data (e.g., in an invasively acquired histological dataset or obtainable via gene expression profiling) may also be identified and quantified in the radiological data (which is advantageously non-invasive). These biological properties/analytes can then be correlated with clinical findings regarding lesions using information from non-radioactive sources, for example, utilizing histological information, gene expression profiling, or other clinically rich datasets. This set of clinically correlating data can then serve as a training set or part of a training set to determine/tune (e.g., utilizing machine learning) algorithms that correlate biological properties/analytes with lesions that have a known relationship to clinical outcomes. These algorithms that correlate biological properties/analytes with lesions derived utilizing the non-radiation source training set can then be applied to the evaluation of biological properties/analytes derived from the radiological data. Thus, the systems and methods of the present disclosure may advantageously enable the use of radiological imaging (which may advantageously be cost-effective and non-invasive) to provide a surrogate means for predicting clinical outcomes or guiding treatment.
特に、場合によっては、非放射線源の訓練データ(組織学的情報など)は、放射線源の訓練データよりも正確で/信頼できる高い場合がある。さらに、いくつかの実施形態では、非放射線源からの訓練データを使用して、放射線源からの訓練データを拡張することができる。したがって、より良いデータ入力はより良いデータ出力をもたらす可能性が高いので、開示される階層分析フレームワークは、本明細書に開示されるアルゴリズムの訓練可能性および結果として得られる信頼性を有利に改善する。上記のように、1つの重要な利点は、一度訓練されると、本開示のシステムおよび方法が、侵襲的および/または費用のかかる手順を経る必要を伴わずに、既存の組織学的なおよび他の非放射線診断タイプのテストに匹敵する臨床情報を導出することを可能にし得ることである。 In particular, in some cases, training data from non-radioactive sources (such as histological information) may be more accurate/reliable than training data from radioactive sources. Furthermore, in some embodiments, training data from non-radioactive sources may be used to augment training data from radioactive sources. Thus, the disclosed hierarchical analysis framework advantageously improves the trainability and resulting reliability of the algorithms disclosed herein, since better data input is likely to result in better data output. As noted above, one important advantage is that once trained, the systems and methods of the present disclosure may enable the derivation of clinical information comparable to existing histological and other non-radioactive diagnostic types of tests, without the need to undergo invasive and/or costly procedures.
代替的に、いくつかの実施形態では、非放射線源(非放射線イメージング源、例えば、組織学的源、および/または非イメージング源など)のための訓練セットは、例えば、画像特徴を生物学的性状/分析物に相関させる際に、放射線源のための訓練セットと組み合わせて、またはこれとは独立して利用されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、1つ以上の生物学的モデルを外挿し、フィッティングして、放射線データと非放射線データとを相関させることができる。例えば、組織学情報は、基礎となる生物学的モデルに基づく放射線情報と相関されてもよい。この相関関係は、非放射線の、例えば組織学的情報を利用する放射線データにおける生物学的性状/分析物の認識を訓練することを有利に可能にし得る。 Alternatively, in some embodiments, training sets for non-radiographic sources (such as non-radiographic imaging sources, e.g., histological sources, and/or non-imaging sources) may be utilized in combination with or independent of training sets for radiological sources, e.g., in correlating image features to biological properties/analytes. For example, in some embodiments, one or more biological models may be extrapolated and fitted to correlate the radiological and non-radiographic data. For example, histological information may be correlated with radiological information based on an underlying biological model. This correlation may advantageously enable training of recognition of biological properties/analytes in radiological data utilizing non-radiographic, e.g., histological, information.
いくつかの実施形態では、補完的なモダリティから導出されたデータを、例えば、画像特徴を、血液パネル、物理的FFR、および/または他のデータ源からの生物学的性状/分析物と相関させる際に使用することができる。 In some embodiments, data derived from complementary modalities can be used, for example, to correlate image features with biological properties/analytes from blood panels, physical FFR, and/or other data sources.
例示的な実施形態では、1つ以上の生物学的モデルは、別のイメージングモダリティまたは血液検査などの非イメージングソースと相関および/または融合された1つのイメージングモダリティから引き出されたイメージングデータを利用して外挿およびフィッティングすることができる。これらの生物学的モデルは、生物学的モデルに基づいて、イメージングデータセットと非イメージングデータセットとの間で有利に相関し得る。したがって、これらの生物学的モデルは、階層分析フレームワークが、1つ以上の生物学的性状/分析物を識別/定量化するか、または1つ以上の病状を識別し/特徴付ける際に、1つのイメージングモダリティからのデータを別のイメージングモダリティまたは非イメージングソースとともに利用することを可能にし得る。 In an exemplary embodiment, one or more biological models may be extrapolated and fitted utilizing imaging data derived from one imaging modality correlated and/or fused with another imaging modality or a non-imaging source such as a blood test. These biological models may advantageously correlate between the imaging and non-imaging data sets based on the biological models. Thus, these biological models may enable the hierarchical analysis framework to utilize data from one imaging modality with another imaging modality or non-imaging sources in identifying/quantifying one or more biological properties/analytes or identifying/characterizing one or more disease states.
本明細書に開示される階層分析フレームワークの別の利点は、複数の同じまたは異なるタイプのデータソースからのデータを、イメージングデータに基づいて病変を識別し、特徴付けるプロセスに組み込むことができることである。例えば、いくつかの実施形態では、1つ以上の非イメージングデータソースを、生物学的性状/分析物のセットを識別および定量化する際に、1つ以上のイメージングデータソースと組み合わせて使用することができる。したがって、特に、生物学的性状/分析物のセットは、1つ以上のイメージングデータソースに基づいて識別および/もしくは定量化された1つ以上の生物学的性状/分析物、1つ以上の非イメージングデータソースに基づいて識別および/もしくは定量化された1つ以上の生物学的性状/分析物、ならびに/または、イメージングデータソースと非イメージングデータソースとの組み合わせに基づいて識別および/もしくは定量化された1つ以上の生物学的性状/分析物(本開示の定量的イメージングシステムおよび方法の目的のために、生物学的特性/分析物のセットは、一般的に、イメージングデータの少なくとも一部に基づいて識別および/または定量化された少なくとも1つ以上の生物学的性状/分析物を含み得ることに留意されたい)を含んでもよい。生物学的性状/分析物のセットを識別および定量化する際に、イメージングデータソースからの情報を他のイメージングおよび/または非イメージングデータソースからの情報で拡張する能力は、本明細書に提示されるシステムおよび方法の堅牢性に付加し、病変の識別および特徴付けにおける任意およびすべての関連する情報の利用を可能にする。 Another advantage of the hierarchical analysis framework disclosed herein is that data from multiple same or different types of data sources can be incorporated into the process of identifying and characterizing a lesion based on imaging data. For example, in some embodiments, one or more non-imaging data sources can be used in combination with one or more imaging data sources in identifying and quantifying the set of biological properties/analytes. Thus, among other things, the set of biological properties/analytes may include one or more biological properties/analytes identified and/or quantified based on one or more imaging data sources, one or more biological properties/analytes identified and/or quantified based on one or more non-imaging data sources, and/or one or more biological properties/analytes identified and/or quantified based on a combination of imaging and non-imaging data sources (note that for purposes of the quantitative imaging systems and methods of the present disclosure, the set of biological properties/analytes may generally include at least one or more biological properties/analytes identified and/or quantified based on at least a portion of the imaging data). The ability to extend information from imaging data sources with information from other imaging and/or non-imaging data sources in identifying and quantifying a set of biological properties/analytes adds to the robustness of the systems and methods presented herein, allowing for the utilization of any and all relevant information in identifying and characterizing lesions.
階層分析フレームワークのさらに別の利点は、各レベル、例えば、そのデータを利用して後のレベルを評価する前または後のレベル(いくつかの実施形態では、これは反復的なプロセスであり得ることに留意されたい)で、データを調整/微調整する能力を含んでいる。例えば、いくつかの実施形態では、識別および定量化された生物学的性状/分析物のセットに関連する情報は、事後的に(例えば、その最初の識別および/または定量化の後に)調整されてもよい。同様に、いくつかの実施形態では、識別および特徴付けされた病変のセットに関連する情報は、事後的に(例えば、その最初の識別および/または特徴付けの後に)調整されてもよい。これらの調整は自動またはユーザに基づくものであってもよく、客観的または主観的であってもよい。各レベルでデータを調整/微調整する能力は、データの説明責任および信頼性を有利に改善することができる。 Yet another advantage of the hierarchical analytical framework includes the ability to adjust/fine-tune the data at each level, e.g., before or after utilizing that data to evaluate a later level (note that in some embodiments this may be an iterative process). For example, in some embodiments, information related to a set of identified and quantified biological properties/analytes may be adjusted a posteriori (e.g., after their initial identification and/or quantification). Similarly, in some embodiments, information related to a set of identified and characterized lesions may be adjusted a posteriori (e.g., after their initial identification and/or characterization). These adjustments may be automatic or user-based, and may be objective or subjective. The ability to adjust/fine-tune the data at each level may advantageously improve the accountability and reliability of the data.
例示的な実施形態では、調整は、生物学的性状/分析物の決定または定量化に影響を与える1つ以上の確率を更新するために使用され得るコンテキスト情報に基づくことができる。例示的な実施形態では、識別および定量化された生物学的性状/分析物のセットに関連する情報を事後的に調整するためのコンテキスト情報は、患者の人口統計学的情報、生物学的性状/分析物間の相関、または識別/特徴付けされた病変および生物学的性状/分析物間の相関を含んでもよい。例えば、場合によっては、生物学的性状/分析物は、第1の生物学的性状/分析物の識別/定量化が、第2の生物学的性状/分析物の識別/定量化に関連する確率に影響を与え得るという意味で関連し得る。他の場合には、例えば、識別/定量化された生物学的性状/分析物の初期セットに基づく第1の病変の識別/特徴付けは、初期セット内にある生物学的性状/分析物、またはさらには、第1のセット内になかった生物学的性状/分析物の識別/定量化に関連する確率に影響を与えてもよい。さらなる場合には、病変は関連していてもよく、例えば、第1の病変の識別/特徴付けは、第1の病変の識別/特徴付けに関連する確率に影響を与えてもよい。上記のように、生物学的性状/分析物の識別および定量化に関連する情報、ならびに/または病変の識別および特徴付けに関連する情報は、例えば、データ収束もしくは閾値/ベンチマークが達成されるまで、または選択されたサイクル数に対して反復的に更新されてもよい。 In an exemplary embodiment, the adjustment can be based on context information that can be used to update one or more probabilities that affect the determination or quantification of a biological property/analyte. In an exemplary embodiment, the context information for post-hoc adjustment of information related to the set of identified and quantified biological properties/analytes may include patient demographic information, correlations between biological properties/analytes, or correlations between identified/characterized lesions and biological properties/analytes. For example, in some cases, the biological properties/analytes may be related in the sense that the identification/quantification of a first biological property/analyte may affect the probability associated with the identification/quantification of a second biological property/analyte. In other cases, for example, the identification/characterization of a first lesion based on an initial set of identified/quantified biological properties/analytes may affect the probability associated with the identification/quantification of a biological property/analyte that is in the initial set, or even a biological property/analyte that was not in the first set. In further cases, the lesions may be related, for example, the identification/characterization of a first lesion may affect the probability associated with the identification/characterization of the first lesion. As described above, information related to biological property/analyte identification and quantification and/or pathology identification and characterization may be iteratively updated, for example, until data convergence or a threshold/benchmark is achieved or for a selected number of cycles.
階層分析フレームワークのさらなる利点は、病変と基礎となる生態との両方に関連する情報を、例えば医師などのユーザに提供する能力を含む。この追加されたコンテキストは、臨床診断/評価だけでなく、次のステップ、例えば療法/治療オプションまたはさらなる診断の評価/決定を促進することができる。例えば、システムおよび方法は、1つ以上の病変の識別/定量化に関連するどの生物学的パラメータ/分析物が最も不確定であるか/最も高い程度の不確実性を有するかを決定するように構成されてもよい(例えば、データの欠如または矛盾するデータの理由から)。そのような場合、特定のさらなる診断が推奨され得る。病変と基礎となる生態との両方に関連する情報をユーザに提供するという追加のコンテキストは、ユーザが分析によって到達した様々な臨床的結論および推奨事項を評価/エラーチェックするのにさらに役立ち得る。 Further advantages of the hierarchical analysis framework include the ability to provide a user, e.g., a physician, with information related to both the lesion and the underlying biology. This added context can facilitate not only the clinical diagnosis/assessment, but also the evaluation/decision of next steps, e.g., therapy/treatment options or further diagnoses. For example, the systems and methods may be configured to determine which biological parameters/analytes related to the identification/quantification of one or more lesions are most uncertain/have the highest degree of uncertainty (e.g., due to lack of data or conflicting data). In such cases, a particular further diagnosis may be recommended. The additional context of providing a user with information related to both the lesion and the underlying biology may further help the user evaluate/error check various clinical conclusions and recommendations reached by the analysis.
本明細書で使用される階層分析フレームワークとは、データ点の初期セットとデータ点の最終セットとの間の中間処理層または中間変換として、1つ以上の中間セットが利用される分析フレームワークを意味する。このフレームワークは、アルゴリズムを使用して、複数の処理レイヤを使用するか、またはその他の方法では複数の非線形変換などの複数の変換を利用して、より高いレベルの抽象化をモデリングする深層学習または階層学習の概念に類似している。一般に、本開示のシステムおよび方法の階層分析フレームワークは、イメージングデータ点と病変データ点との間の中間処理層または中間変換としての生物学的性状/分析物に関連するデータ点を含み、例示的な実施形態では、イメージング情報、基礎となる生物学的情報、および病理学的情報の各々を決定するために、(例えば、複数のレベルのデータ点によって具現化されるような)複数の処理層または複数の変換を含んでもよい。例示的な階層分析フレームワーク構造(例えば、特定の処理層、変換、およびデータ点を有する)が本明細書で紹介されているが、本開示のシステムおよび方法は、このような実装に限定されない。むしろ、本開示の範囲および精神から逸脱することなく、任意の数の異なるタイプの分析フレームワーク構造を利用することができる。 As used herein, a hierarchical analysis framework refers to an analysis framework in which one or more intermediate sets are utilized as intermediate processing layers or intermediate transformations between an initial set of data points and a final set of data points. This framework is similar to the concept of deep learning or hierarchical learning, which uses algorithms to model higher levels of abstraction using multiple processing layers or otherwise utilizing multiple transformations, such as multiple nonlinear transformations. In general, the hierarchical analysis framework of the disclosed systems and methods includes data points related to biological properties/analytes as intermediate processing layers or intermediate transformations between imaging data points and lesion data points, and in exemplary embodiments may include multiple processing layers or multiple transformations (e.g., as embodied by multiple levels of data points) to determine each of the imaging information, the underlying biological information, and the pathological information. Although an exemplary hierarchical analysis framework structure (e.g., having specific processing layers, transformations, and data points) is introduced herein, the disclosed systems and methods are not limited to such implementations. Rather, any number of different types of analysis framework structures may be utilized without departing from the scope and spirit of the present disclosure.
例示的な実施形態では、主題の適用の階層分析フレームワークは、経験的データ層(イメージングデータを含む)と結果層(病理学情報を含む)との間の中間体として論理データ層を含むものとして概念化されてもよい。経験的データ層は直接供給されたデータを表現するが、論理データ層は、この生データを問題の結果層のための有用な分析物のセットに抜き出すある程度の論理および推論を有利に追加する。したがって、例えば、生のイメージング情報などの診断からの経験的な情報は、選択された病変または病変のグループ(例えば、患者の身体のイメージングされた領域に関連する病変)を評価するために関連する、生物学的特徴の特定のセットに関連する論理情報に有利に抜き出されてもよい。このように、主題の適用の生物学的特徴/分析物は、病理学的症状/指標と考えることもできる。 In an exemplary embodiment, the hierarchical analysis framework of the subject application may be conceptualized as including a logical data layer as an intermediary between the empirical data layer (including imaging data) and the outcome layer (including pathology information). While the empirical data layer represents the data directly fed to it, the logical data layer advantageously adds a degree of logic and reasoning that distills this raw data into a set of useful analytes for the outcome layer in question. Thus, for example, empirical information from a diagnosis, such as raw imaging information, may be advantageously distilled into logical information related to a particular set of biological features that are relevant for evaluating a selected lesion or group of lesions (e.g., lesions associated with an imaged region of a patient's body). In this manner, the biological features/analytes of the subject application may also be thought of as pathological symptoms/indicators.
主題の適用の生物学的特徴/分析物は、本明細書ではバイオマーカーと呼ばれることがある。用語「生物学的」または接頭辞「バイオ」は、生物学的特徴またはバイオマーカーを特徴付けるために使用されるが、これは、特徴またはマーカーが患者の身体に関してある程度の関連性を有することを意味することのみを意図している。例えば、生物学的特徴は、解剖学的、形態学的、組成的、機能的、化学的、生化学的、生理学的、組織学的、遺伝的、または患者の身体に関連する任意の数の他のタイプの特徴であり得る。例として、本開示のシステムおよび方法の特定の実施形態によって利用される生物学的特徴(例えば、血管系、呼吸器系、肺、心臓、もしくは腎臓などの器官、または他の解剖学的領域などの、患者の特定の解剖学的領域に関連する)が本明細書に開示されている。 The biological features/analytes of the subject application may be referred to herein as biomarkers. Although the term "biological" or the prefix "bio" is used to characterize a biological feature or biomarker, this is intended only to mean that the feature or marker has some degree of relevance with respect to the patient's body. For example, a biological feature may be anatomical, morphological, compositional, functional, chemical, biochemical, physiological, histological, genetic, or any number of other types of features associated with the patient's body. By way of example, biological features (e.g., associated with a particular anatomical region of a patient, such as the vascular system, respiratory system, organs such as the lungs, heart, or kidneys, or other anatomical regions) utilized by certain embodiments of the presently disclosed systems and methods are disclosed herein.
本開示の例示的なシステムおよび方法は、病変/疾患の検出、特徴付け、および治療に向けられてもよいが、本開示のシステムおよび方法の適用は、病変/疾患に限定されるものではなく、むしろ、例えば、症候群、障害、外傷、アレルギー反応などを含む、患者の任意の臨床的に関連する病状に関して、より一般的に適用可能であってもよい。 Although the exemplary systems and methods of the present disclosure may be directed to the detection, characterization, and treatment of a lesion/disease, the application of the systems and methods of the present disclosure is not limited to lesions/diseases, but rather may be more generally applicable with respect to any clinically relevant medical condition of a patient, including, for example, syndromes, disorders, trauma, allergic reactions, etc.
例示的な実施形態では、本開示のシステムおよび方法は、例えば、生態に関する知識を使用して医用画像を分析して、研究を通じて決定された疾患タイプ間の差異を測定し、ひいては転帰を予測する表現型を示すための、コンピュータ支援表現型決定に関する。したがって、いくつかの実施形態では、病変を特徴付けることは、病変の表現型を決定することを含んでもよく、表現型は次いで予測転帰を決定することができる。 In exemplary embodiments, the systems and methods of the present disclosure relate to computer-assisted phenotyping, e.g., using knowledge of biology to analyze medical images to indicate a phenotype that measures differences between disease types determined through research and thus predicts outcome. Thus, in some embodiments, characterizing a lesion may include determining a phenotype of the lesion, which in turn can determine a predicted outcome.
図1を最初に参照すると、例示的なシステム100の概略図が描かれている。訓練器モジュール110、分析器モジュール120、およびコホートツールモジュール130によって表現されるように、システム100によって提供され得る3つの基本的な機能が存在する。描かれているように、分析器モジュール120は、有利には、最初に、(i)患者50の1つ以上の取得された画像121Aからのイメージング特徴122と、(ii)患者50のための非イメージング入力データ121Bとの組み合わせを利用して生物学的性状/分析物130を識別および定量化し、次いで、定量化された生物学的性状/分析物123に基づいて1つ以上の病変(例えば、予後表現型)124を識別し、特徴付ける階層分析フレームワークを実装する。分析器モジュール120は、有利には、1つ以上の事前訓練された、例えば、その推論を引き出すための機械学習アルゴリズムを実装することによって、グラウンドトゥルースまたは検証参照から独立して動作することができる。
With initial reference to FIG. 1, a schematic diagram of an
例示的な実施形態では、分析器は、患者50の取得された画像121Aからイメージング特徴122を算出するためのアルゴリズムを含んでもよい。画像特徴122のいくつかは、有利には、ボクセルごとに計算されてもよいが、他の画像特徴は、関心領域に基づいて計算されてもよい。取得された画像121Aと共に利用され得る非イメージング入力121Bの例は、実験室システム、患者が報告した症状、または患者の病歴からのデータを含んでもよい。
In an exemplary embodiment, the analyzer may include algorithms for calculating imaging features 122 from acquired
上記のように、画像特徴122および非イメージング入力は、生物学的性状/分析物123を算出するために分析器モジュール120によって利用されてもよい。特に、生物学的性状/分析物は、典型的には、例えば、マーカー(化学物質など)の存在および程度、または関心領域の構造、サイズ、または解剖学的特性などの他の測定値を表現することができる定量的な客観的性状(例えば、印象または外観として記載されるのではなく、客観的に検証可能な)である。例示的な実施形態では、定量化された生物学的性状/分析物123は、分析器モジュールによるさらなる処理に加えて、またはそれとは独立して、ユーザによる、例えば臨床医による直接利用のために表示またはエクスポートされてもよい。
As noted above, the image features 122 and non-imaging inputs may be utilized by the
例示的な実施形態では、定量化された生物学的性状/分析物123のうちの1つ以上を、表現型を決定するための入力として使用することができる。表現型は典型的には、イメージングとは独立した疾患固有の方法で定義され、多くの場合、期待される転帰との関係が文書化されているエクスビボの病態生理学的サンプルから引き出される。例示的な実施形態では、分析器モジュール120はまた、決定された表現型に予測された転帰125を提供することもできる。
In an exemplary embodiment, one or more of the quantified biological properties/
分析器モジュール120の例示的な実装は、システム100の一般的な説明に従う特定の実施形態に関して、本明細書でさらに説明されることが理解されるべきである。特に、特定のイメージング特徴、生物学的性状/分析物、および病変/表現型は、血管系または呼吸器系などの特定の医療用途に関して説明されている。
It should be understood that exemplary implementations of the
さらに図1を参照すると、コホートツールモジュール130は、例えば、問題のコホート研究に関連する選択された一連の基準に基づいて、患者のグループ分析のために患者のコホートを定義することを可能にする。例示的なコホート分析は、臨床試験に登録された患者のグループのためのものであってもよく、例えば、患者は、例えば治療群対対照群などの試験の1つ以上の群に基づいてさらにグループ化されてもよい。別のタイプのコホート分析は、グラウンドトゥルースまたは参照が存在する被験者のセットに対するものであってもよく、このタイプのコホートは、訓練セットまたは「開発」セットとテストまたは「ホールドアウト」セットにさらに分解されてもよい。分析器モジュール120内のアルゴリズムおよびモデルを訓練する(112)ために開発セットをサポートすることができ、分析器モジュール120内のアルゴリズムまたはモデルの性能を評価/検証する(113)ためにホールドアウトセットをサポートすることができる。
With further reference to FIG. 1, the
図1を引き続き参照すると、訓練器モジュール110を利用して、分析器モジュール120内のアルゴリズムおよびモデルを訓練する112ことができる。特に、訓練器モジュール110は、例えば、確立された機械学習パラダイムに従って、またはアルゴリズム開発者に通知することによって、重みまたはモデルを導出するために、グラウンドトゥルース111および/または参照注釈114に依存してもよい。例示的な実施形態では、分類および回帰モデルが使用され、これは、高度に適応可能であり、例えば、予測因子と応答との間の複雑な関係を明らかにすることができてもよい。ただし、既存のデータ内の基礎となる構造に適応するこれらのモデルの能力により、モデルは、被験者の別のサンプルでは再現できないパターンを見つけることができてもよい。既存のデータ内の再現不可能な構造への適応は、一般にモデルのオーバーフィッティングとして知られている。オーバーフィッティングモデルの構築を回避するために、最終的なモデルが見せかけの構造を見つけるのを防ぎ、モデルが評価されたデータのセット上で同様の程度の精度で新しいサンプルを予測するという確信を、エンドユーザが有することを可能にする体系的なアプローチが適用されてもよい。
Continuing with reference to FIG. 1, the trainer module 110 may be utilized to train 112 algorithms and models in the
連続した訓練セットを利用して最適な調整パラメータ(複数可)を決定し、テストセットを利用してアルゴリズムまたはモデルの予測性能を推定することができる。訓練セットは、ランダム化された交差検証を介して分類器の各々を訓練するために使用することができる。データセットは、訓練セットおよびテストセットに反復的に分割でき、分類性能およびモデルパラメータを決定するために使用することができる。データセットの訓練セットとテストセットとへの分割は、層化されたまたは最大の非類似度アプローチを使用して行われる。例示的な実施形態では、(i)最適なパラメータ推定値、および(ii)モデルの予測性能の信頼区間を得るために、最サンプリングアプローチ(例えば、ブートストラップ)を訓練セット内で利用することができる。 Successive training sets can be used to determine optimal tuning parameter(s) and test sets can be used to estimate predictive performance of the algorithm or model. The training sets can be used to train each of the classifiers via randomized cross-validation. The dataset can be iteratively split into training and test sets and used to determine classification performance and model parameters. Splitting the dataset into training and test sets is done using a stratified or maximum dissimilarity approach. In an exemplary embodiment, a resampling approach (e.g., bootstrap) can be used within the training set to obtain (i) optimal parameter estimates and (ii) confidence intervals for the predictive performance of the model.
図2は、本開示のシステムおよび方法によって利用され得る再サンプリングに基づくモデル構築アプローチ200の概要を示している。まず、ステップ210で、調整パラメータセットを定義することができる。次に、ステップ220で、各調整パラメータセットに対して、データを再サンプリングし、モデルをフィッティングし、ホールドアウトサンプルを予測する。ステップ230で、再サンプリング推定値が性能プロファイルに組み合わされる。次に、ステップ240で、最終調整パラメータを決定することができる。最後に、ステップ250で、訓練セット全体に最終調整パラメータを再フィッティングする。各モデルを訓練セットから調整した後、各々をテストセットにおける予測性能に対して評価することができる。テストセットの評価は、モデル構築プロセスがテストセットにオーバーフィッティングしないことを確認するために、各モデルに対して1回起こる。構築された各モデルに対して、最適な調整パラメータの推定値、再サンプリングされた訓練セットの性能、およびテストセットの性能を報告することができる。次に、ランダム化された分割に対するモデルパラメータの値を比較して、モデルの安定性および訓練データに対する堅牢性を評価する。
Figure 2 shows an overview of a resampling-based
本開示のシステムおよび方法によると、いくつかのモデルは、グラウンドトゥルースマップに表現される生物学的性状/分析物(例えば、組織タイプ)の各々に対して調整されてもよい。モデル応答は、例えば、共分散に基づく技術、非共分散に基づく技術、およびツリーに基づくモデルを含んでもよい。これらの構造に応じて、エンドポイントは、連続応答およびカテゴリ応答を有してもよく、上記のカテゴリの技術のいくつかは、カテゴリ応答と連続応答との両方に使用され、他の技術は、カテゴリ応答または連続応答のいずれかに固有である。各モデルに対して、最適な調整パラメータの推定値、再サンプリングされた訓練セットの性能、およびテストセットの性能を報告することができる。
上記の表1は、システム100の分析器モジュール120の例示的な機能のいくつかの要約を提供する。すなわち、分析器モジュール120は、フィールドを縁取るように、例えば、フィールドをまたいで複数のデータストリームを位置合わせするように、臓器、血管、病巣、および他の適用固有のオブジェクトをセグメンテーションするように、および/または特定の分析のために解剖学的構造を再フォーマット/再構成するように構成されてもよい。分析器モジュール120は、縁取られたフィールド内の標的、例えば病巣を縁取るように構成されてもよい。標的の縁取りは、例えば、ロケールで複数のデータストリームを位置合わせすること、きめ細かいセグメンテーションを実施すること、関連する解剖学的構造のサイズおよび/もしくは他の特性を測定すること、ならびに/または標的全体の特徴(例えば、標的領域全体に特徴的な生物学的性状/分析物)を抽出することが含んでもよい。いくつかの実施形態では、1つ以上のサブ標的領域も縁取られてもよく、例えば、標的領域は、サブ標的固有の計算(例えば、サブ標的領域の生物学的性状/分析物の特性)を使用した特定の適用に従ってサブ標的に分割されてもよい。分析器モジュール120はまた、例えば、特定のフィールド、標的、またはサブ標的領域において、成分または関連する特徴(組成など)を縁取ることもできる。これは、成分/特徴のセグメンテーションまたは再セグメンテーション、セグメンテーションされた成分/特徴の値の算出(例えば、成分/特徴の生物学的性状/分析物の特性)、および読み取り値への確率マップの割り当てを含んでもよい。次の病変は、生物学的に定量化された性状/分析物に基づいて、例えば、病変の表現型および/または予測転帰を決定することによって特徴付けられてもよい。いくつかの実施形態では、分析器モジュール120は、複数の時点にわたってデータを比較するように構成されてもよく、例えば、生物学的成分/分析物の1つ以上は、時間に基づく定量化を含んでもよい。さらなる実施形態では、広いスキャンフィールドを利用して、例えば、縁取られたフィールド内の複数の標的にわたる生物学的性状/分析物の集約的定量化に基づいて、多発性病病変を評価することができる。最後に、前述の分析に基づいて、分析器モジュール120は、患者レポートを生成するように構成されてもよい。
Table 1 above provides a summary of some of the exemplary functions of the
サンプル患者レポート300を図3に示す。示されるように、サンプル患者レポート300は、構造310および組成320に関連するような生物学的パラメータ/分析物の定量化、および血行動態330などの非イメージングソースからのデータを含んでもよい。サンプル患者レポートは、視覚化340、例えば、画像データの2Dおよび/または3D視覚化、ならびにイメージングデータにオーバーレイされた血行動態データなどの非イメージングデータの組み合わされた視覚化をさらに含んでもよい。病変を決定し/特徴付けるための1つ以上のモデル(複数可)(例えば、決定木モデル)の視覚化を含む、生物学的パラメータ/分析物を評価するために、様々な分析350を表示することができる。患者の背景および識別情報がさらに含まれてもよい。したがって、システム100の分析器モジュール120は、有利には、ユーザに、例えば、臨床医に、患者を評価するための包括的なフィードバックを提供することができる。
A
本開示のシステムおよび方法は、有利には、特定の適用に適合させることができる。例示的な血管および肺の適用は、以下のセクションでより詳細に説明されている(ただし、記載されている特定の適用は、他の多くの適用に関して一般的な意味および相互運用性を有することが理解されるであろう)。表2は、本明細書に記載される階層分析フレームワークを利用した血管および肺関連適用の概要を提供する。
以下のセクションは、血管の適用に関して本開示のシステムおよび方法によって利用できる定量的生物学的性状/分析物の特定の例を提供する。
解剖学的構造:血管構造測定、特に狭窄度(%)の決定につながる血管構造測定は、長い間、患者ケアにおいて単一の最も使用されている測定であり、現在も続いている。これらの測定は当初、血管壁の内側と外側との両方の表面を含む壁の測定ではなく、内側の内腔の測定に限定されていた。ただし、X線血管造影とは異なり、すべての主要な非侵襲的モダリティは血管壁を分解することができ、これにより、達成され得る拡張された測定が行われる。カテゴリは幅広く、測定値は様々なサイズのオブジェクトであるため、一般化には注意して行う必要がある。主な考慮事項は、空間サンプリングまたは解像度の制限である。しかしながら、壁の厚さの最小限に検出可能な変化は、部分的な体積効果に起因する強度レベルのわずかな変化を利用することによって、空間サンプリングよりも低くなる可能性がある。追加的に、記載されている分解能は、一般に、分解できる最小の特徴サイズを決定するイメージングプロトコルの実際の分解能ではなく、取得後の再構成のグリッドサイズおよび視野を指している。同様に、面内分解能と面貫通分解能は同じである場合と同じでない場合があり、所定の特徴のサイズだけでなく、その性状および形状も測定精度を左右する。最後になったが、いくつかのケースでは、測定値に閾値を適用することから定型的な結論が引き出されるが、これは、その後、感度と特異性との間のトレードオフを最適化する能力を有する信号検出理論に従って解釈されてもよい。
The following sections provide specific examples of quantitative biological properties/analytes that can be utilized by the systems and methods of the present disclosure for vascular applications.
Anatomy: Vascular structure measurements, especially those leading to the determination of stenosis (%), have long been and continue to be the single most used measurements in patient care. These measurements were initially limited to measurements of the inner lumen, rather than wall measurements that include both the inner and outer surfaces of the vessel wall. However, unlike x-ray angiography, all major non-invasive modalities are able to resolve the vessel wall, which allows for extended measurements that may be achieved. As the category is broad and measurements are of objects of various sizes, generalizations must be made with caution. The main consideration is the spatial sampling or resolution limitations. However, minimally detectable changes in wall thickness may be lower than spatial sampling by taking advantage of small changes in intensity levels due to partial volume effects. Additionally, the resolutions listed generally refer to the grid size and field of view of the post-acquisition reconstruction, rather than the actual resolution of the imaging protocol, which determines the smallest feature size that can be resolved. Similarly, in-plane and through-plane resolution may or may not be the same, and not only the size of a given feature but also its nature and shape will determine the measurement accuracy. Last but not least, in some cases, formulaic conclusions are drawn from applying thresholds to measurements, which may then be interpreted according to signal detection theory with the ability to optimize the trade-off between sensitivity and specificity.
組織の特徴:例えば脂質に富む壊死性コア(LRNC)、線維症、プラーク内出血(IPH)、透過性、および石灰化を含む、動脈硬化性プラークの個々の成分の定量的評価は、内科的または外科的療法の過程に関する医師の決定を支援することができる、プラークの相対的な構造的完全性に関する重要な情報を提供することができる。イメージング技術の観点から、これを行う能力は、空間分解能よりも、異なる組織が異なる受信信号を生成するように入射エネルギーに異なるように反応することによって可能になるコントラスト分解能および組織の区別に依存する。各イメージングモダリティはこれをある程度まで行っている:「エコールーセンシー」などの超音波の用語、ハウンズフィールド単位のCT値、およびT1、T2、およびT2*などの様々なシーケンスの関数としての微分MR強度(ただしこれらに限定されない)。 Tissue Features: Quantitative assessment of individual components of atherosclerotic plaque, including, for example, lipid-rich necrotic core (LRNC), fibrosis, intraplaque hemorrhage (IPH), permeability, and calcification, can provide important information regarding the relative structural integrity of the plaque, which can assist the physician in making decisions regarding a course of medical or surgical therapy. From an imaging technology perspective, the ability to do this depends less on spatial resolution than on contrast resolution and tissue differentiation, made possible by different tissues responding differently to the incident energy such that they produce different received signals. Each imaging modality has done this to some degree: ultrasound terms such as "echolucency," CT number in Hounsfield units, and differential MR intensity as a function of various sequences such as T1, T2, and T2* (but are not limited to these).
動的組織挙動(例えば、透過性):血管壁/プラークの形態学的特徴に加えて、動的特徴が血管病変の貴重な定量的指標であるという認識が高まっている。取得が複数の密接に間隔をあけて行われる動的シーケンス(フェーズとして知られている)は、空間的に分解された値tを超えてレパートリーを拡張し、コンパートメントモデリングまたは刺激に対する組織の動的応答を決定するための他の技術(例えば、限定されないが、造影剤のウォッシュインおよびウォッシュアウト)に使用することができる時間的に分解された値を含む。頸動脈における超音波またはMRを使用した動的コントラスト強化イメージングまたは冠動脈内の遅延コントラスト強化の使用を通じて、関心のあるプラーク内の新生血管化の微小血管ネットワークの相対的な透過性(例えば、力学的分析からのKtransおよびVpパラメータ)の感度の高い評価を決定することができる。加えて、これらの動的シリーズは、血管透過性の増加とプラーク内出と血の区別にも役立つ。 Dynamic tissue behavior (e.g., permeability): In addition to morphological features of the vessel wall/plaque, there is increasing recognition that dynamic features are valuable quantitative indicators of vascular pathology. Dynamic sequences, in which acquisitions are performed at multiple closely spaced intervals (known as phases), extend the repertoire beyond spatially resolved values of t to include temporally resolved values that can be used for compartmental modeling or other techniques to determine the dynamic response of tissue to stimuli (e.g., but not limited to, contrast wash-in and wash-out). Through the use of dynamic contrast-enhanced imaging using ultrasound or MR in the carotid artery or delayed contrast enhancement in the coronary arteries, sensitive assessments of the relative permeability (e.g., Ktrans and Vp parameters from mechanical analysis) of the neovascularized microvascular network within the plaque of interest can be determined. In addition, these dynamic series also help distinguish between increased vascular permeability and plaque infiltration and blood.
血行動態:循環の基本的な血行動態パラメータは、血管障害に直接影響を与える。血圧、血流速度、および血管壁せん断応力は、非常に単純なオシロメトリーから高度なイメージング分析に至るまでの技術で測定することができる。流体力学の一般的な原理を使用して、血管壁せん断応力の計算を壁の様々な領域で確認することができる。同様に、MRIは、USの組み合わせの有無にかかわらず、壁せん断応力(WSS)を算出し、その結果を関心のある血管の構造変化と相関させるために使用されている。加えて、血行動態に対する降圧薬の効果は、短期および長期の研究で追跡調査されている。 Hemodynamics: The fundamental hemodynamic parameters of the circulation have a direct impact on vascular disorders. Blood pressure, blood flow velocity, and vascular wall shear stress can be measured with techniques ranging from very simple oscillometry to advanced imaging analysis. Using general principles of fluid mechanics, calculations of vascular wall shear stress can be confirmed at various regions of the wall. Similarly, MRI, with or without the combination of US, has been used to calculate wall shear stress (WSS) and correlate the results with structural changes in the vessel of interest. In addition, the effects of antihypertensive drugs on hemodynamics have been followed up in short-term and long-term studies.
したがって、例示的な実施形態では、血管設定において本開示のシステムおよび方法を適用することの重要な側面は、プラーク構造およびプラーク組成を評価することを含んでもよい。プラーク構造を評価することは、有利には、例えば、内腔測定(これは、直径測定だけでなく面積を提供することによって狭窄測定を改善する)、および壁測定(例えば、壁の厚さおよび血管再モデリング)を含んでもよい。プラーク組成を評価することは、有利には、先行技術で典型的に見られるような単なる「ソフト」または「ハード」の指定だけではなく、組織特性(例えば、脂質コア、線維症、石灰化、透過性など)の定量化を含んでもよい。以下の表3および表4は、それぞれ、本開示のシステムおよび方法の血管適用によって利用できる、例示的な構造計算および組織特性計算を説明する。
血管系の評価に関連する例示的なシステムは、有利には、血管構造を評価するためのアルゴリズムを含む/使用することができる。したがって、システムは、例えば、イメージングされた血管の基礎となる構造をセグメンテーションするための標的/血管セグメント/断面モデルを使用することができる。高速進行競争フィルタを別々の血管セグメントに有利に適用することができる。システムは、血管分岐を処理するようにさらに構成されてもよい。画像位置合わせは、マテス相互情報(MR)または平均二乗誤差(CT)メトリック、剛体ベルソル変換、またはLBFGSBオプティマイザなどを利用して適用することができる。本明細書に記載されているように、血管セグメンテーションは、有利には、内腔セグメンテーションを含んでもよい。初期の内腔セグメンテーションは、内腔を区別するために、信頼接続フィルタ(例えば、頸動脈、椎骨、大腿骨など)を利用することができる。内腔セグメンテーションは、MRイメージング(正規化された、例えば、暗いコントラストのために反転された画像の組み合わせなど)、またはCTイメージング(位置合わせされたプレコントラスト、ポストコントラストCT、および2Dガウス分布の使用など)を利用して血管性機能を定義することができる。様々な連結成分を分析し、閾値を適用することができる。血管セグメンテーションは、外壁セグメンテーションをさらに伴う場合がある(例えば、内腔の不規則性を説明するために最小曲率(k2)フローを利用する)。いくつかの実施形態では、エッジ電位マップは、コントラストおよび非コントラストの両方における外向きから下向きの勾配として算出される。例示的な実施形態では、外壁セグメンテーションは、いかなる他のエッジ情報もない場合に厚さの中央値を可能にするために、速度関数に累積分布関数(壁厚さの事前分布、例えば1~2の隣接するレベルからの分布を組み込む)を利用してもよい。例示的な実施形態では、フェレットの直径は、血管の特徴付けのために使用されてもよい。さらなる実施形態では、壁の厚さは、内腔までの距離と外壁までの距離の合計として算出することができる。さらなる実施形態では、内腔および/または壁のセグメンテーションは、例えば、CNNを使用するセマンティックセグメンテーションを使用して行うことができる。 An exemplary system relating to the assessment of the vasculature may advantageously include/use algorithms for assessing vascular structure. Thus, the system may, for example, use a target/vessel segment/cross-section model for segmenting the underlying structure of the imaged vessel. A fast-progressing competitive filter may advantageously be applied to separate vessel segments. The system may further be configured to process vessel bifurcations. Image registration may be applied utilizing Mattes mutual information (MR) or mean squared error (CT) metrics, rigid Versol transform, or LBFGSB optimizer, etc. As described herein, vessel segmentation may advantageously include lumen segmentation. Initial lumen segmentation may utilize trust connection filters (e.g., carotid, vertebral, femoral, etc.) to differentiate lumens. Lumen segmentation may utilize MR imaging (such as a combination of normalized, e.g., inverted images for dark contrast), or CT imaging (such as the use of registered pre-contrast, post-contrast CT, and 2D Gaussian distributions) to define vascular features. Various connected components can be analyzed and thresholds applied. Vessel segmentation may further involve outer wall segmentation (e.g., utilizing minimum curvature (k2) flow to account for lumen irregularities). In some embodiments, edge potential maps are calculated as outward-to-downward gradients in both contrast and non-contrast. In an exemplary embodiment, outer wall segmentation may utilize a cumulative distribution function (incorporating a prior distribution of wall thickness, e.g., distributions from 1-2 adjacent levels) on the velocity function to allow for median thickness in the absence of any other edge information. In an exemplary embodiment, the ferret diameter may be used for vessel characterization. In a further embodiment, wall thickness may be calculated as the sum of the distance to the lumen and the distance to the outer wall. In a further embodiment, lumen and/or wall segmentation may be performed using semantic segmentation, e.g., using a CNN.
血管系の評価に関連する例示的なシステムは、血管組成をさらに有利に分析することができる。例えば、いくつかの実施形態では、組成は、画像強度および他の画像特徴に基づいて決定されてもよい。いくつかの実施形態では、管腔形状は、例えば、血栓症の決定に関連するものとして利用することができる。分析物ブロブモデルを有利に使用して、血管の特定のサブ領域の組成をよりよく分析することができる。分析物のブロブは、2D、3D、または4D画像で、1つのクラスの生物学的分析物の空間的に隣接する領域であると定義する。ブロブモデルは、等輪郭を使用して、例えば、内腔表面から血管壁の外膜表面までの正規化された半径方向の距離において、解剖学的に整列された座標系を利用することができる。モデルは、有利には、1つ以上のブロブを識別し、例えば、全体的な血管構造に関して、および他のブロブと比較して、各ブロブ位置を分析することができる。例示的な実施形態では、ハイブリッドベイジアン/マルコフネットワークを利用して、ブロブの相対位置をモデリングすることができる。モデルは、有利には、隠れた分析物カテゴリノードの局所的な近傍によって影響を受けているピクセルまたはボクセルで観察された画像強度を説明し、それによって部分体積およびスキャナ点広がり関数(PSF)を説明することができる。モデルは、分析器モジュールによる推論中に分析物確率マップから分析物ブロブ境界を動的に縁取ることをさらに可能にし得る。これは、スーパーピクセルアプローチを使用した場合など、分析される小さな領域を事前に計算するが、これらの領域を動的に調整できない一般的なマシンビジョンアプローチとの重要な違いである。分析物の確率とブロブ境界との両方の現在の推定値を利用する反復推論手順を適用することができる。いくつかの実施形態では、パラメトリックモデリングの想定またはカーネル密度推定方法を使用して、モデルを訓練するために使用される疎なデータ間の確率密度推定を可能にすることができる。 Exemplary systems related to the assessment of vasculature can further advantageously analyze vascular composition. For example, in some embodiments, composition may be determined based on image intensity and other image features. In some embodiments, lumen shape can be utilized, for example, as related to determining thrombosis. Analyte blob models can be advantageously used to better analyze the composition of specific subregions of a vessel. Analyte blobs are defined as spatially contiguous regions of one class of biological analyte in a 2D, 3D, or 4D image. Blob models can utilize an anatomically aligned coordinate system, for example, in normalized radial distance from the luminal surface to the adventitial surface of the vessel wall, using isocontours. The model can advantageously identify one or more blobs and analyze each blob location, for example, with respect to the overall vascular structure and in comparison to other blobs. In exemplary embodiments, a hybrid Bayesian/Markov network can be utilized to model the relative location of the blobs. The model can advantageously explain the image intensity observed at pixels or voxels that are influenced by the local neighborhood of hidden analyte category nodes, thereby explaining the partial volumes and scanner point spread function (PSF). The model can further allow for dynamic bordering of analyte blob boundaries from the analyte probability map during inference by the analyzer module. This is an important difference from common machine vision approaches that pre-compute small regions to be analyzed, such as those using superpixel approaches, but cannot dynamically adjust these regions. An iterative inference procedure can be applied that utilizes current estimates of both analyte probability and blob boundaries. In some embodiments, parametric modeling assumptions or kernel density estimation methods can be used to allow probability density estimation among the sparse data used to train the model.
ここで紹介するのは、組織学から放射線学への位置合わせのための要件を除去する、血管プラーク成分の組成の分類のための新規のモデルである。このモデルは、依然として専門家による注釈付き組織学を参照標準として利用しているが、モデルの訓練では、放射線イメージングへの位置合わせは必要ない。マルチスケールモデルは、「ブロブ」と呼ばれ得る所与の分析物タイプの各連続した領域の統計量を計算する。血管を通る断面内では、壁は2つの境界、つまり内腔との内側の境界および血管壁の外側境界によって定義され、断面にドーナツ形状を作成する。ドーナツ形状の壁領域内には、離散的な数のブロブがある(ブロブとはみなされない通常の壁組織のデフォルトのバックグラウンドクラスとは異なる)。ブロブの数は、離散確率変数としてモデリングされる。次に、各ブロブに分析物タイプのラベルが割り当てられ、様々な形状記述子が計算される。追加的に、blobはペアワイズとみなされる。最後に、各ブロブ内で、各ピクセルは放射線イメージング強度値を生成することができ、これは、各分析物タイプに固有の連続的に評価される分布から得られる、独立した同一分布(i.i.d.)サンプルとしてモデリングされる。この最後のステップでは、イメージング強度分布のパラメータは訓練プロセスの一部ではないことに留意されたい。 Presented here is a novel model for classification of the composition of vascular plaque components that removes the requirement for histology-to-radiology registration. The model still utilizes expert-annotated histology as a reference standard, but training of the model does not require registration to radiology imaging. The multiscale model computes statistics for each contiguous region of a given analyte type, which may be called a "blob." Within a cross section through a vessel, the wall is defined by two boundaries: an inner boundary with the lumen and an outer boundary of the vessel wall, creating a donut shape in the cross section. Within the donut-shaped wall region, there is a discrete number of blobs (unlike the default background class of regular wall tissue, which is not considered a blob). The number of blobs is modeled as a discrete random variable. Each blob is then assigned an analyte type label and various shape descriptors are computed. Additionally, the blobs are considered pairwise. Finally, within each blob, each pixel can generate a radiological imaging intensity value, which is modeled as an independent, identically distributed (i.i.d.) sample drawn from a sequentially evaluated distribution specific to each analyte type. Note that in this final step, the parameters of the imaging intensity distribution are not part of the training process.
このモデルの1つの重要な特徴は、血管内の分析物ブロブの空間的な関係を考慮していることであり、点単位の画像特徴(組織学および/または放射線学からのものであるかどうかにかかわらず)が専門家がプラーク組成を決定するための唯一の情報源ではないことを認識していることである。このモデルでは、組織学から放射線学への明示的な位置合わせを伴わずに訓練を行うことができるが、その位置合わせが既知である状況にも適用できる。未見のプラークを分類するための動脈硬化性プラーク成分の空間レイアウトを統計的にモデリングすることは、新規の概念であると考えられる。 One key feature of the model is that it considers the spatial relationships of analyte blobs within the vessel, recognizing that point-wise image features (whether from histology and/or radiology) are not the only source of information for an expert to determine plaque composition. The model can be trained without explicit histology-to-radiology registration, but can also be applied in situations where the registration is known. Statistically modeling the spatial layout of atherosclerotic plaque components for classification of unseen plaques is believed to be a novel concept.
CTまたはMR画像から血管壁の組成を推定するための例示的な技術については、次のセクションでさらに詳しく説明する。特に、これらの方法は、マルチスケールベイズ分析モデルを使用してもよい。基本的なベイズ定式化は次のとおりである。
本開示の文脈において、仮説は、CTまたはMR画像強度情報Iからの観察コーミングを伴う、マルチスケール血管壁分析物マップAに基づくことができる。 In the context of this disclosure, the hypothesis can be based on a multi-scale vessel wall analyte map A with observation combing from CT or MR image intensity information I.
図4に描かれているように、マルチスケールの血管壁分析物マップは、有利には、壁レベルのセグメンテーション410(例えば、血管の断面スライス)、ブロブレベルのセグメンテーション、およびピクセルレベルのセグメンテーション430(例えば、個々の画像ピクセルに基づく)を含んでもよい。例えば、A=(B、C)は、血管壁クラスラベルのマップ(頂点Bおよび辺Cを有するグラフに類似している)として定義されてもよく、ここで、Bは、ブロブのセット(ラベルを共有する非背景壁の断面的に連続する領域)であり、Cは、ブロブの対またはペアのセットである。Bbは、一般的な単一のブロブとして定義することができ、ここで、b∈[1..nB]はA内のすべてのブロブのインデックスである。Bb aはラベルaを有するブロブである。統計上の目的で、個々のブロブ記述子演算子DB{}は低次元空間にある。Ccは、ブロブのペアとして定義することができ、ここで、c∈[1..nB(nB-1)/2]は、Aの全ブロブペアのインデックスである。Cc f,gは、ラベルfおよびgを有するブロブペアである。統計上の目的で、ブロブペア記述子演算子DC{}は低次元空間にある。A(x)=aは、ピクセルxのクラスラベルとして定義でき、ここで、a∈{‘CALC’、‘LRNC’、‘FIBR’、‘IPH’、‘background’}(構成特性)である。例示的な実施形態では、I(x)は、ピクセルxでの連続的に値付けされたピクセル強度である。各ブロブ内で、I(x)は独立したものとしてモデリングされる。モデルは3D放射線画像の壁構成を分類するために使用されるので、「ピクセル」という単語は2Dピクセルと3Dボクセルの両方を一般的に示すために使用されることに留意されたい。 As depicted in Fig. 4, the multi-scale vessel wall analyte map may advantageously include wall-level segmentation 410 (e.g., cross-sectional slices of the vessel), blob-level segmentation, and pixel-level segmentation 430 (e.g., based on individual image pixels). For example, A = (B, C) may be defined as a map of vessel wall class labels (analogous to a graph with vertices B and edges C), where B is a set of blobs (cross-sectionally contiguous regions of non-background wall that share a label) and C is a set of blob pairs or pairs. B b can be defined as a common single blob, where b ∈ [1...n B ] is the index of all blobs in A. B b a is a blob with label a. For statistical purposes, the individual blob descriptor operator D B {} is in a low-dimensional space. C c can be defined as a pair of blobs, where c ∈ [1...n B ] is the index of all blobs in A. n B (n B -1)/2] are the indices of all blob pairs in A. C c f,g are blob pairs with labels f and g. For statistical purposes, the blob pair descriptor operator D C {} is in a low-dimensional space. A(x)=a can be defined as the class label of pixel x, where a∈{'CALC', 'LRNC', 'FIBR', 'IPH', 'background'} (compositional property). In an exemplary embodiment, I(x) is the continuously valued pixel intensity at pixel x. Within each blob, I(x) is modeled as independent. Note that since the model is used to classify wall compositions in 3D radiological images, the word "pixel" is used to generically refer to both 2D pixels and 3D voxels.
同様の組成/構造のブロブ領域の特性は、有利には、疾患プロセスに関する洞察を提供することができる。血管の各スライス(例えば、断面スライス)は、有利には、複数のブロブを含んでもよい。ブロブ間の関係は、ペア単位で評価することができる。断面内のブロブの数は、離散確率変数としてモデリングされており、定量化可能な有意性も有してもよい。セグメンテーションのスライスレベルでは、関連する特性(例えば、生物学的性状/分析物)は、特定の構造/組成分類のブロブの総数および/またはブロブの数の定量化、ブロブ間の関係、例えば、内部に近いといった空間的関係を含んでもよい。セグメンテーションのブロブレベルでは、各ブロブの特性、例えば、構造的特性、例えば、サイズおよび形状、ならびに組成的特性などが、生物学的性状/分析物として機能するように評価されてもよい。最後に、セグメンテーションのピクセルレベルで、個々のピクセルレベルの分析、例えば、基となる画像強度分布を実施してもよい。 Characterization of blob regions of similar composition/structure can advantageously provide insight into disease processes. Each slice (e.g., cross-sectional slice) of a vessel may advantageously include multiple blobs. Relationships between blobs can be evaluated pairwise. The number of blobs in a cross-section is modeled as a discrete random variable and may also have quantifiable significance. At the slice level of segmentation, relevant characteristics (e.g., biological properties/analytes) may include the total number of blobs of a particular structure/composition classification and/or a quantification of the number of blobs, relationships between blobs, e.g., spatial relationships such as closeness to the interior. At the blob level of segmentation, characteristics of each blob, e.g., structural properties such as size and shape, and compositional properties, may be evaluated to serve as biological properties/analytes. Finally, at the pixel level of segmentation, individual pixel-level analysis may be performed, e.g., the underlying image intensity distribution.
特性の確率マッピングは、図4に描かれているマルチスケールの血管壁分析物マップに関して適用されてもよい。確率マッピングは、有利には、各クラスの分析物の確率のためのベクトルの成分と、背景組織の確率のための1つの成分と、を有するすべてのピクセルの確率のベクトルを確立することができる。例示的な実施形態では、確率ベクトルのセットは、相互に排他的な特性を表現してもよい。したがって、相互に排他的な特性を表現する確率ベクトルの各セットの合計は1になる。例えば、いくつかの実施形態では、ピクセルは、1つの、およびただ1つの組成カテゴリに分類されるべきであることが既知であってもよい(例えば、血管の単一の座標は、線維性のものと石灰化されたものとの両方であってはならない)。特に注目すべきは、確率マッピングは、ピクセル間の分析物クラスの独立性を想定していないことである。これは、隣接するピクセルまたは同じブロブ内のピクセルが、典型的に、同じまたは類似の特性を有している可能性があるためである。したがって、本明細書でより詳細に説明されるように、確率マッピングの説明は、ピクセル間の依存性を有利に説明する。 Probability mapping of properties may be applied with respect to the multi-scale vessel wall analyte map depicted in FIG. 4. Probability mapping may advantageously establish a vector of probabilities for all pixels with a component of the vector for the probability of each class of analyte and one component for the probability of background tissue. In an exemplary embodiment, the set of probability vectors may represent mutually exclusive properties. Thus, each set of probability vectors representing mutually exclusive properties sums to one. For example, in some embodiments, it may be known that a pixel should be classified into one, and only one, compositional category (e.g., a single coordinate of a vessel cannot be both fibrous and calcified). Of particular note is that probability mapping does not assume independence of analyte classes between pixels. This is because adjacent pixels or pixels within the same blob may typically have the same or similar properties. Thus, as described in more detail herein, the description of probability mapping advantageously accounts for dependencies between pixels.
f(A=α)は、マップaの確率密度として定義することができる。f(A)は、すべての血管壁にわたる確率分布関数である。f(DB{Ba}=β)は、ラベルaを有する記述子ベクトルβの確率密度である。f(DB{Ba})は、ラベルaを有するブロブ記述子の確率密度関数(pdf)である。各aの値に対して確率分布関数がある。f(B)=Πf(DB{Ba})f(DC{Cf,g}=γ)は、ラベルfおよびgを有するペアワイズ記述子ベクトルγの確率密度である。f(DC{Cf、g})は、ペアワイズブロブ記述子の確率密度関数(pdf)である。各順序ペアf、gに対して確率分布関数がある。したがって以下のとおりである:
f(C)=Π f(Dc{Ca})
f(A)=f(B) f(C)=Π f(Db{Ba})Π f(Dc{Ca})
P(A(x)=a)は、ピクセルxがラベルaを有する確率である。P(A(x))は、分析物の確率質量関数(pmf)(有病率)である。これは、特定のピクセルxでの確率のベクトル、または特定のクラスラベル値の確率マップとみなすことができる。
f(A)=P(N)・f(C)・f(B)=P(N)・Πf(Cc)・Πf(Bb)であることに留意されたい。
f(A=α) can be defined as the probability density of map a. f(A) is the probability distribution function over all vessel walls. f(D B {B a } = β) is the probability density of the descriptor vector β with label a. f(D B {B a }) is the probability density function (pdf) of the blob descriptor with label a. For each value of a there is a probability distribution function. f(B) = Πf(D B {B a }) f(D C {C f,g } = γ) is the probability density of the pairwise descriptor vector γ with labels f and g. f(D C {C f,g }) is the probability density function (pdf) of the pairwise blob descriptor. For each ordered pair f,g there is a probability distribution function. Thus:
f(C)=Π f(D c {C a })
f(A)=f(B) f(C)=Π f(D b {B a }) Π f(D c {C a })
P(A(x)=a) is the probability that pixel x has label a. P(A(x)) is the probability mass function (pmf) (prevalence) of the analyte. It can be viewed as a vector of probabilities at a particular pixel x, or a probability map of a particular class label value.
Note that f(A) = P(N) * f(C) * f(B) = P(N) * Πf( Cc ) * Πf( Bb ).
f(Cc=γ)は、ペアワイズ記述子ベクトルγの確率密度である。f(Cc)は、ペアワイズブロブ記述子の確率密度関数(pdf)である。f(Bb=β)は、記述子ベクトルβの確率密度である。f(Bb)は、ブロブ記述子の確率密度関数(pdf)である。P(A(x)=a)は、ピクセルxがラベルaを有する確率である。P(A(x))は、分析物の確率質量関数(pmf)である(所与のマップにおける有病率)。これは、特定のピクセルxでの確率のベクトル、または特定の分析物タイプの空間確率マップとみなすことができる。P(A(x)=a|I(x)=i)は、計算する主な目標である画像強度が与えられた場合の分析物の確率である。P(I(x)=i|A(x)=a)は、所与の分析物の画像強度の分布である。 f( Cc = γ) is the probability density of the pairwise descriptor vector γ. f( Cc ) is the probability density function (pdf) of the pairwise blob descriptors. f( Bb = β) is the probability density of the descriptor vector β. f( Bb ) is the probability density function (pdf) of the blob descriptors. P(A(x) = a) is the probability that pixel x has label a. P(A(x)) is the probability mass function (pmf) of the analyte (prevalence in a given map). It can be viewed as a vector of probabilities at a particular pixel x, or a spatial probability map of a particular analyte type. P(A(x) = a | I(x) = i) is the probability of the analyte given the image intensity, which is the main goal to calculate. P(I(x) = i | A(x) = a) is the distribution of image intensities for a given analyte.
図5は、分析物の確率ベクトルのセットとしてのピクセルレベルの確率質量関数の例を描いている。上記のように、以下の想定は確率質量関数に情報を与えることができる。完全性:例示的な実施形態では、十分に小さなピクセルが分析物クラス(キャッチオールな「背景」カテゴリを含む)の少なくとも1つに分類されなければならず、確率の和は1になると想定することができる。相互排他性:十分に小さなピクセルは、1つのクラスの分析物にのみに属しているとみなすことができる。組み合わせがある場合(つまり、LRNC背景に棘状カルシウムがある場合)、相互排他性を維持するために新しい組み合わせクラスを作成することができる。非独立性:各ピクセルは、その隣接ピクセルおよびAの全体的な構造に大きく依存していると想定することができる。 Figure 5 depicts an example of a pixel-level probability mass function as a set of analyte probability vectors. As mentioned above, the following assumptions can inform the probability mass function: Completeness: In an exemplary embodiment, it can be assumed that a small enough pixel must be classified into at least one of the analyte classes (including a catch-all "background" category) such that the probabilities sum to one. Mutual exclusivity: A small enough pixel can be considered to belong to only one class of analyte. If there are combinations (i.e., spiky calcium in the LRNC background), new combination classes can be created to maintain mutual exclusivity. Non-independence: It can be assumed that each pixel is highly dependent on its neighbors and the overall structure of A.
分析物マップの代替の見方は、所与の分析物の確率の空間マップとして見ることである。推論中の任意の所与の時点で、分析物のブロブは半値全幅ルールを使用して定義することができる。このルールを使用すると、その分析物の確率の各極大値に対して、領域が極大値の半分の低い閾値まで外側に向かって成長する。この50%の値は調整可能なパラメータであることに留意されたい。ここでは、境界をより現実的に保つために、確率マップでいくつかの曲率の展開を実施することによって、ブロブの空間正則化(トポロジカルホールがほとんどなく平滑である)を行うことができる。確率を折り畳むまで、これらは同じピクセルの対立仮説を表現し、したがって修飾子「推定」を表現するため、異なる分析物クラスの異なる可能性のある推定ブロブは、一般に空間的な重複を有する可能性があることに留意されたい。 An alternative way of looking at the analyte map is as a spatial map of the probability of a given analyte. At any given time during inference, a blob of the analyte can be defined using the full width at half maximum rule. With this rule, for each local maximum in the probability of that analyte, the region grows outward to a low threshold of half the local maximum. Note that this 50% value is an adjustable parameter. Here, we can do spatial regularization of the blobs (smooth with few topological holes) by implementing some curvature evolution in the probability map to keep the boundaries more realistic. Note that until we collapse the probabilities, different possible estimate blobs of different analyte classes may in general have spatial overlap, since they represent alternative hypotheses for the same pixel, and therefore the modifier "estimate".
反復推論が終了すると、結果を表現するためのいくつかのオプションがある。まず、連続的に値付けされた確率マップは、表面プロット、等高線プロット、またはPET値をCT上に色相および彩度の変化として視覚化するのと同様の画像融合を使用することを含む(ただしこれらに限定されない)いくつかの形式のうちの1つでユーザに直接提示することができる。2番目の代替方法は、各ピクセルに対して1つの分析物ラベルを選択することによって、各ピクセルで確率マップを折り畳むことである。これは、各ピクセルで最大事後値を独立して選択することによって最も簡単に行うことができ、したがって、各分析物ラベルに異なる色を割り当て、放射線画像の上に完全または部分的な不透明度を割り当てることによって視覚化できるカテゴリマップを作成する。この2番目の代替方法では、各ブロブの確率の優先度に基づいて、重複する推定ブロブを分解することによって、ラベル値を独立せずに割り当てることができる。したがって、所与のピクセルにおいて、それがより高い確率のブロブに属する場合、より低い優先度の分析物の確率がラベルに使用される可能性がある。 Once the iterative inference is finished, there are several options for representing the results. First, the continuously valued probability map can be directly presented to the user in one of several forms, including (but not limited to) surface plots, contour plots, or using image fusion similar to visualizing PET values as changes in hue and saturation on CT. A second alternative is to collapse the probability map at each pixel by selecting one analyte label for each pixel. This can be done most simply by independently selecting the maximum posterior value at each pixel, thus creating a categorical map that can be visualized by assigning a different color to each analyte label and assigning full or partial opacity on top of the radiological image. In this second alternative, label values can be assigned non-independently by decomposing overlapping putative blobs based on the probability priorities of each blob. Thus, at a given pixel, the probability of a lower priority analyte may be used for the label if it belongs to a higher probability blob.
図6は、推定分析物ブロブを計算するための技術を示している。例示的な実施形態では、推定ブロブは、重複する領域を有し得る。したがって、推定ブロブによるピクセルのセグメンテーションに分析技術を適用することが有利な場合がある。所与分析物の確率に対して、確率の極大値が決定される。次に、半値全幅ルールを適用して、離散ブロブを決定することができる。推論の任意の所与の反復において、分析物ブロブは半値全幅ルールを使用して定義することができる。極大値を見つけてから、0.5*maxの低い閾値で領域を成長させる。(50%の値は調整可能なパラメータである可能性がある。)いくつかの実施形態では、例えば、境界を平滑に保ち、穴を回避するために確率マップ上でいくつかの曲率展開を実施することによって、ブロブの空間正則化を適用することもできる。この段階では、異なる分析物クラスの異なる推定ブロブは、確率が崩壊するまで対立仮説を表現するため、一般に、空間的に重複する可能性があることに留意されたい。したがって、画像レベルの分析物マップは、例えば、確率マップ関数の崩壊に基づいて計算される。特に、この崩壊は、ピクセルレベルの分析物確率マップ、推定ブロブ、またはこれらの両方の組み合わせのいずれかに基づいて決定することができる。ピクセルレベルの分析物確率マップに関して、崩壊は、最大確率A(x):=arg maxa P(A(x)=a)のラベルを選択することによって、各ピクセルに対して決定することができる。これは、実装ビタビアルゴリズムに類似している。基本的に、相互に排他的な確率ベクトルの各セットに対して最高確率が固定される(例えば、分析物の優先順位が可能な結びつきを破壊した状態)。次に、セット内のすべての他の確率をゼロに設定することができる。いくつかの実施形態では、隣接するピクセル/領域の確率は、ピクセルレベルでデータを崩壊するときに考慮されてもよい。推定ブロブレベルの崩壊に関して、重複する推定ブロブが分解される可能性がある。いくつかの実施形態では、優先順位付けは、ブロブ確率密度f(D1{Aa b}=d1)に基づくことができる。確率の高いブロブは、重複したより低い確率のブロブの形状を変化させる可能性があるため、これは、ブロブレベルの特性の分析に影響を与える可能性がある。例示的な実施形態では、データを崩壊するのではなく、確率の全範囲を維持することができる。 FIG. 6 illustrates a technique for computing putative analyte blobs. In an exemplary embodiment, the putative blobs may have overlapping regions. It may therefore be advantageous to apply analytical techniques to the segmentation of pixels by putative blobs. For a given analyte probability, a local maximum in the probability is determined. A full width at half maximum rule may then be applied to determine discrete blobs. In any given iteration of inference, the analyte blobs may be defined using the full width at half maximum rule. After finding the local maximum, grow the region with a low threshold of 0.5*max. (The value of 50% may be an adjustable parameter.) In some embodiments, spatial regularization of the blobs may also be applied, for example, by performing some curvature expansion on the probability map to keep the boundaries smooth and avoid holes. It should be noted that at this stage, different putative blobs of different analyte classes may generally overlap spatially, since they represent alternative hypotheses until the probability collapses. Thus, an image-level analyte map is computed, for example, based on the collapse of a probability map function. In particular, this collapsing can be determined based on either pixel-level analyte probability maps, estimated blobs, or a combination of both. For pixel-level analyte probability maps, collapsing can be determined for each pixel by selecting the label with the maximum probability A(x):=arg maxa P(A(x)=a). This is similar to the implementation Viterbi algorithm. Essentially, the highest probability is fixed for each set of mutually exclusive probability vectors (e.g., breaking possible ties with analyte priorities). All other probabilities in the set can then be set to zero. In some embodiments, the probabilities of neighboring pixels/regions may be considered when collapsing the data at the pixel level. For estimated blob-level collapsing, overlapping estimated blobs may be resolved. In some embodiments, the prioritization can be based on the blob probability density f(D 1 {A a b }=d 1 ). This can impact the analysis of blob-level characteristics, since high probability blobs can change the shape of overlapping lower probability blobs. In an exemplary embodiment, the full range of probabilities can be maintained rather than collapsing the data.
血管壁内のブロブの相対的な空間配置をモデリングするために、異なる画像間で回転、並進、およびスケール不変性を提供するために適切な座標系を選択することができる。これらの不変性は、動脈硬化プロセスが異なる血管床間で類似しているという前提の下で、あるタイプの血管(例えば、内膜切除標本が容易に入手可能な頸動脈)で訓練し、他の血管床(例えば、プラーク標本が一般的に入手できない冠動脈)にモデルを適用することができるため、モデルにとって重要である。管状オブジェクトの場合、自然座標系は血管の中心線から続き、ここで、中心線に沿った距離が縦座標を提供し、中心線に垂直な各平面は半径方向の距離および角度の極座標を有する。しかしながら、特に分析を目的とし得る罹患した患者では、血管壁の外形の変動性に起因して、改善された座標系が利用されることがある。縦方向の距離は、中心線または補間された垂直面に沿ってだけでなく、各3D放射線画像ピクセルに値が与えられるように計算される。特定のプラークに対して、中心線に垂直な近位面および遠位面は、各々元の画像グリッド上に符号なし距離マップを作成するために使用され、符号なし距離マップはそれぞれP(x)およびD(x)と呼ばれ、ここでxは3D座標を表現する。距離マップl(x)=P(x)/(P(x)+D(x))は、プラークに沿った相対距離を表現し、値は近位面で0、遠位面で1である。l軸の方向は∇l(x)によって決定される。
To model the relative spatial arrangement of blobs within the vessel wall, an appropriate coordinate system can be chosen to provide rotational, translational, and scale invariance between different images. These invariances are important for the model because it can be trained on one type of vessel (e.g., carotid arteries, where endarterectomy specimens are readily available) and applied to other vascular beds (e.g., coronary arteries, where plaque specimens are not commonly available) under the assumption that the arteriosclerosis process is similar between different vascular beds. For tubular objects, the natural coordinate system continues from the centerline of the vessel, where the distance along the centerline provides the ordinate, and each plane perpendicular to the centerline has radial distance and angular polar coordinates. However, due to the variability of the vessel wall contour, especially in diseased patients that may be the subject of analysis, improved coordinate systems may be utilized. The longitudinal distance is calculated such that each 3D radiographic image pixel is given a value, not just along the centerline or an interpolated vertical plane. For a given plaque, the proximal and distal planes perpendicular to the centerline are each used to create an unsigned distance map on the original image grid, which are called P(x) and D(x), respectively, where x represents a 3D coordinate. The distance map l(x) = P(x)/(P(x) + D(x)) represents the relative distance along the plaque, with
壁の形状は著しく非円形であり得るので、半径方向の距離は、内側の内腔内面までの最短距離および外側の外膜表面までの最短距離に基づいて定義することができる。組織画像の専門家による注釈は、内腔および血管を定義する領域(内腔および血管壁の結合として定義される)を含む。符号付き距離関数は、それぞれL(x)およびV(x)の各々に対して作成することができる。慣例では、これらの領域の内部は負であり、壁ではLが正であり、Vが負になるようにする。相対半径方向の距離は、r(x)=L(x)/(L(x)-V(x))として計算される。管腔表面で0の値を有し、外膜表面で1の値を有する。r軸の方向は∇r(x)によって決定される。 Because the wall shape can be significantly non-circular, the radial distance can be defined based on the shortest distance to the inner luminal surface and the shortest distance to the outer adventitial surface. Expert annotation of the tissue images includes regions that define the lumen and vessel (defined as the union of the lumen and vessel wall). Signed distance functions can be created for each of L(x) and V(x), respectively. The convention is to have the interior of these regions negative, and L positive and V negative at the wall. The relative radial distance is calculated as r(x) = L(x)/(L(x)-V(x)). It has a value of 0 at the luminal surface and a value of 1 at the adventitial surface. The direction of the r axis is determined by ∇r(x).
壁の外形が非円形であるため、正規化された接線距離は、r(および3Dで処理する場合は1)の等高線に沿って存在すると定義することができる。t軸の方向は∇r×∇lによって決定される。慣例では、組織学的スライスは、正の1が画像を指すように、近位方向から遠位方向に向かって見ていると想定される。他のものとは異なり、tは血管の周りに巻き付いているため、自然な原点を持っていないことに留意されたい。したがって、この座標の原点は、ブロブの重心に対してブロブごとに異なる方法で定義することができる。 Because the wall contour is non-circular, the normalized tangential distance can be defined to lie along the contour of r (and 1 when working in 3D). The direction of the t axis is determined by ∇r × ∇l. By convention, the histological slice is assumed to be viewed from proximal to distal, with positive 1 pointing into the image. Note that unlike the others, t does not have a natural origin, since it wraps around the vessel. Therefore, the origin of this coordinate can be defined differently for each blob, relative to the blob's centroid.
使用される別の壁座標は、正規化された壁の厚さである。ある意味で、これは疾患の進行に対する代用である。より厚い壁は、より進行した疾患が原因であると想定される。分析物の統計的関係は、より進行した疾患で変化するという想定。絶対的な壁の厚さは、wabs(x)=L(x)-V(x)として簡単に算出することができる。それを[0~1]の範囲に正規化するために、内腔がゼロのサイズに近づき、完全に偏心して外側表面に近いときの可能な最大の壁の厚を決定することができる。この場合、最大直径は血管の最大フェレット直径、Dmaxである。したがって、相対的な壁の厚さは、w(x)=wabs(x)/Dmaxとして計算することができる。 Another wall coordinate used is the normalized wall thickness. In a sense, this is a proxy for disease progression. It is assumed that thicker walls are due to more advanced disease. The assumption is that the statistical relationships of the analytes change with more advanced disease. The absolute wall thickness can be calculated simply as w abs (x) = L(x) - V(x). To normalize it to the range [0 to 1], one can determine the maximum possible wall thickness when the lumen approaches zero size, completely eccentric and close to the outer surface. In this case, the maximum diameter is the maximum ferret diameter of the vessel, Dmax . Thus, the relative wall thickness can be calculated as w(x) = w abs (x) / Dmax .
前述の座標がモデルで使用されてもよいかどうかの程度は、利用可能な訓練データの量に部分的に依存する。訓練データが限られている場合は、いくつかのオプションが利用可能である。相対的な縦方向の距離は、同じ統計的分布に由来するかのように、各プラークを通る異なる区分を処理することで無視することができる。プラーク組成は、中央でより深刻なプラークが出現する縦軸に沿って変化することが観察されている。ただし、l(x)によって分布をパラメータ化する代わりに、この次元を崩壊することができる。同様に、相対的な壁の厚さも崩壊することができる。特定の分析物は、w(x)が中間値を有するあろうプラークの「肩」領域で発生することが観察されている。ただし、十分な訓練データが利用可能になるまで、この次元を崩壊することもできる。 The extent to which the aforementioned coordinates may be used in the model depends in part on the amount of training data available. If training data is limited, several options are available. Relative longitudinal distances can be ignored by treating the different segments through each plaque as if they were from the same statistical distribution. Plaque composition has been observed to vary along the longitudinal axis with more severe plaques appearing in the center. However, instead of parameterizing the distribution by l(x), this dimension can be collapsed. Similarly, relative wall thickness can also be collapsed. It has been observed that certain analytes occur in the "shoulder" regions of the plaque where w(x) will have intermediate values. However, this dimension can also be collapsed until sufficient training data is available.
上記のように、血管壁組成モデルは、(例えば、以前のP(A)で)最初の仮説として利用することができる。図7は、例示的な血管壁組成モデルの正規化された血管壁座標を描いている。描かれたモデルでは、1は近位から遠位までの血管標的に沿った相対的な縦方向の距離であり、これは、例えば、正規化された間隔[0、1]で計算することができる。縦方向の距離は、近位面および遠位面から開始する2つの高速マーチング伝搬を使用して算出し、符号なし距離フィールドPおよびDを計算することができる。ここで1=P/(P+D)である。l軸方向は∇lである。描かれているように、rは正規化された半径方向の距離であり、これはまた、内腔から外膜表面までの正規化された間隔[0、1]で算出することもできる。したがって、r=L/(L+(-V))であり、ここで、Lは内腔符号付き距離フィールド(SDF)であり、Vは血管SDFである。r軸方向は∇rである。最後に、tは正規化された接線距離であり、例えば正規化された間隔[-0.5、0.5]で計算することができる。特に、例示的な実施形態では、個々の分析物ブロブについてのみ、壁全体に意味のある起点がない場合がある(したがって、起点はブロブ重心にある場合がある)。接線距離は、1およびrの等高曲線に沿って計算される。t軸方向は∇r×∇lである。 As noted above, a vessel wall composition model can be utilized as an initial hypothesis (e.g., in the previous P(A)). Figure 7 illustrates normalized vessel wall coordinates for an exemplary vessel wall composition model. In the depicted model, 1 is the relative longitudinal distance along the vessel target from proximal to distal, which can be calculated, for example, in the normalized interval [0, 1]. The longitudinal distance can be calculated using two fast marching propagations starting from the proximal and distal faces to calculate the unsigned distance fields P and D, where 1 = P/(P + D). The l axis direction is ∇l. As depicted, r is the normalized radial distance, which can also be calculated in the normalized interval [0, 1] from the lumen to the adventitia surface. Thus, r = L/(L + (-V)), where L is the lumen signed distance field (SDF) and V is the vessel SDF. The r axis direction is ∇r. Finally, t is the normalized tangent distance, which can be calculated, for example, in the normalized interval [-0.5, 0.5]. In particular, in the exemplary embodiment, for individual analyte blobs only, there may not be a meaningful origin across the wall (so the origin may be at the blob centroid). The tangent distance is calculated along the 1 and r contour curves. The t axis direction is ∇r × ∇l.
図9は、本明細書に記載される技術を使用して説明することができるいくつかの複雑な血管トポロジーを示している。特に、CTまたはMRを3Dで処理する場合、異なる分岐を別々に分析し、別々の分岐における分析物ブロブ間の関係が適切に無視されるようにしてもよい。したがって、セグメンテーションされた像(断面スライス)が、もし2つ以上の内腔を含む場合、壁を各内腔に属する領域に分割した後、各領域を別々に考慮/分析するために、r上で流域変換を行うことによって、このことを説明することができる。 Figure 9 shows some complex vascular topologies that can be accounted for using the techniques described herein. In particular, when processing CT or MR in 3D, different branches may be analyzed separately, such that relationships between analyte blobs in different branches are appropriately ignored. Thus, if a segmented image (cross-sectional slice) contains more than one lumen, this can be accounted for by dividing the wall into regions belonging to each lumen and then performing a watershed transform on r to consider/analyze each region separately.
上記のように、本明細書に記載される座標および確率測定の多くは、正規化されたスケールを利用して表現することができ、それによって、例えば、異なるサイズの血管間のスケール不変性を維持する。したがって、提案されたモデルは、疾患プロセスが類似しており、異なる口径の血管に対して比例しているという想定の下で、有利には、絶対的な血管サイズからは独立していてもよい。 As noted above, many of the coordinates and probability measures described herein can be expressed utilizing a normalized scale, thereby preserving scale invariance, for example, between vessels of different sizes. Thus, the proposed model may be advantageously independent of absolute vessel size, under the assumption that disease processes are similar and proportional for vessels of different calibers.
いくつかの実施形態では、モデルは、同心プラーク対偏心プラークを特徴付けるように構成されてもよい。特に、1に近い正規化されたすべての厚さは、非常に偏心した場所を示していてもよい。さらなる実施形態では、内側のプラーク対外側のプラークの特徴付けを実装することができる。特に、この特性に関する組織学的情報は変形によって妨げられる。したがって、いくつかの実施形態では、CTおよび訓練データを利用して、内側のプラーク対外側のプラーク特性を決定するためのアルゴリズムを確立することができる。 In some embodiments, the model may be configured to characterize concentric versus eccentric plaques. In particular, all normalized thicknesses close to 1 may indicate highly eccentric locations. In further embodiments, characterization of inner versus outer plaques may be implemented. In particular, histological information regarding this characteristic is hindered by deformation. Thus, in some embodiments, CT and training data may be utilized to establish an algorithm for determining inner versus outer plaque characteristics.
上記のように、例示的な実施形態では、組織学的データなどの非イメージングデータを、画像の特徴を生物学的性状/分析物にリンクするアルゴリズムを確立するための訓練セットとして利用することができる。ただし、適切な相関関係を確保するために対処する必要があるデータ型の間にはいくつかの違いがある。例えば、組織学とイメージングとの間の以下の違いは、適切な相関関係に影響を与える可能性がある:頸動脈内膜剥離術(CEA)は、外側の外膜表面を見つけるために推定される患者のCTまたはMRイメージング分析に外膜およびいくつかの媒体を残す。(例えば、外側の血管外壁に対する組織学的標本のために除去されたプラーク間のマージンを示す図8を参照)。特に、科学文献は、石灰化が外膜で発生し得るかどうかの不確実性を示している。この違いを説明するために、以下の技術を使用することができる。組織学は、例えば、壁に分析物がほとんど残されていないか、またはまったく残されていないという想定に基づいて、外側に拡張することができる。代替的に、画像セグメンテーションは、例えば、残された典型的または特定のマージンの知識に基づいて、内側に侵食される可能性がある。例えば、平均マージンを利用することができる。いくつかの実施形態では、平均マージンは、血管の全直径のパーセンテージで正規化されてもよい。さらなる実施形態では、組織学を使用して、イメージングをマスクする(例えば、整列基準に基づくオーバーレイ)ことができる。このような実施形態では、適切な整列に一致するように、組織学的データに1つ以上の変換を適用する必要があり得る。最後に、いくつかの実施形態では、差分は無視されてもよい(これは、除去されたプラークを壁全体に均一にスケーリングすることと同等である)。これは、若干の小さなエラーを誘発するかもしれないが、おそらく残された壁はCEA患者のプラークと比較して薄くてもよい。 As noted above, in an exemplary embodiment, non-imaging data such as histological data can be utilized as a training set to establish algorithms that link image features to biological properties/analytes. However, there are some differences between the data types that need to be addressed to ensure proper correlation. For example, the following differences between histology and imaging can impact proper correlation: Carotid endarterectomy (CEA) leaves the adventitia and some media on the patient's CT or MR imaging analysis that is presumed to find the outer adventitial surface. (See, for example, FIG. 8 showing the margins between plaques removed for histological specimens against the outer vessel wall). In particular, the scientific literature indicates uncertainty as to whether calcification can occur in the adventitia. To account for this difference, the following techniques can be used: Histology can be extended outward, for example, based on the assumption that little or no analytes are left in the wall. Alternatively, image segmentation can be eroded inward, for example, based on knowledge of typical or specific margins left. For example, an average margin can be utilized. In some embodiments, the average margin may be normalized as a percentage of the total vessel diameter. In further embodiments, the histology may be used to mask the imaging (e.g., overlay based on alignment criteria). In such embodiments, it may be necessary to apply one or more transformations to the histology data to match the proper alignment. Finally, in some embodiments, the difference may be ignored (this is equivalent to uniformly scaling the removed plaque across the wall). This may induce some small errors, but perhaps the remaining wall may be thin compared to the plaque in CEA patients.
組織学的データ(例えば、訓練セット)と血管壁組成モデルによって表現されるイメージングデータとの間にも縦方向の差が存在していてもよい。例示的な実施形態では、縦方向の距離は、明示的にモデリングし/相関させることができる。したがって、例えば、組織学的スライス番号付け(例えば、A~G)を使用して、プラークの切除された部分内の位置を大まかに決定することができる。ただし、このアプローチでは、対応する組織学データを伴わない他のスライスに関する分析が制限される。したがって、代替的に、いくつかの実施形態では、すべての組織学的スライスは、同じ分布から生じるものとして扱われてもよい。例示的な実施形態では、いくつかの制限された正則化が、依然として縦方向に沿って使用されてもよい。 There may also be longitudinal differences between the histological data (e.g., training set) and the imaging data represented by the vessel wall composition model. In an exemplary embodiment, the longitudinal distance may be explicitly modeled/correlated. Thus, for example, the histological slice numbering (e.g., A-G) may be used to roughly determine the location within the excised portion of the plaque. However, this approach limits the analysis to other slices without corresponding histological data. Thus, alternatively, in some embodiments, all histological slices may be treated as arising from the same distribution. In an exemplary embodiment, some limited regularization may still be used along the longitudinal direction.
上記のように、正規化された壁の厚さは、ある意味で、疾患の進行に対する不完全な代用である。特に、より厚い壁は、例えば、分析物の統計的関係がより進行した疾患とともに変化するという想定に基づいて、より進行した疾患に起因すると想定される。正規化された壁の厚さは以下のように算出することができる:絶対的な壁の厚さTaを決定する(mm単位で)、例えば、Ta=L+(-V)として計算することができ、ここで、Lは内腔SDF、Vは血管SDF、Dmaxは、血管の最大フェレット直径(mm)である。次に、相対的な壁さの厚Tは、T=Ta/Dmax、例えば、間隔[0、1]に基づいて計算することができ、ここで、1は、完全に偏心したプラークを示す小さな内腔の最も厚い部分を示す。例示的な実施形態では、確率は、例えば、分析物ブロブの分布が壁の厚さに依存するように、壁の厚さに基づいて調整されてもよい。これは有利には、疾患の進行の過程にわたる分析物組成の違いをモデリングすることができる。 As noted above, normalized wall thickness is in some sense an imperfect proxy for disease progression. In particular, thicker walls are assumed to be due to more advanced disease, for example, based on the assumption that the statistical relationships of analytes change with more advanced disease. Normalized wall thickness can be calculated as follows: Determine absolute wall thickness T a (in mm), which can be calculated, for example, as T a =L+(-V), where L is the lumen SDF, V is the vessel SDF, and Dmax is the maximum ferret diameter of the vessel (mm). Then, relative wall thickness T can be calculated as T=T a /D max , for example, based on the interval [0,1], where 1 indicates the thickest part of the small lumen, indicating a completely eccentric plaque. In an exemplary embodiment, the probabilities may be adjusted based on wall thickness, for example, such that the distribution of analyte blobs depends on the wall thickness. This can advantageously model differences in analyte composition over the course of disease progression.
図10は、正規化された血管壁座標の分布を有する例示的な分析物ブロブを表現することを描いている。特に、tの原点はブロブ重心に配置される。(r、t)座標は、位置/形状が内部の点の同時分布によって完全に表現されるランダムなベクトルである。これは、周辺分布を考慮することによって簡略化することができる(半径方向および接線方向の形状特性は比較的独立しているように見えるため)。周辺分布は、rおよびtに沿った投影として算出することができる(lおよびT座標も考慮できることに留意されたい)。特に、半径方向の周辺分布は、有利には、同心円層(例えば、内側層、外膜層、および内膜層)におけるプラーク成長を表現する/特徴付けることができる。同様に、接線方向の周辺分布は、有利には、疾患の段階分けを示し得る成長要因を表現することができる。例示的な実施形態では、分析物ブロブ記述子は、周辺分布に基づいて計算することができる。例えば、オンは周辺分布の低次統計を取得する(またはヒストグラムを使用するか、もしくはパラメトリック確率分布関数をフィッティングする)ことができる。 10 depicts representing an exemplary analyte blob with a distribution of normalized vessel wall coordinates. In particular, the origin of t is placed at the blob centroid. The (r,t) coordinates are random vectors whose location/shape is fully represented by the joint distribution of points within. This can be simplified by considering the marginal distribution (since radial and tangential shape properties appear to be relatively independent). The marginal distributions can be calculated as projections along r and t (note that l and T coordinates can also be considered). In particular, the radial marginal distribution can advantageously represent/characterize plaque growth in concentric layers (e.g., medial, adventitial, and intimal layers). Similarly, the tangential marginal distribution can advantageously represent growth factors that may be indicative of disease staging. In an exemplary embodiment, the analyte blob descriptor can be calculated based on the marginal distribution. For example, one can obtain low-order statistics of the marginal distribution (or use histograms or fit parametric probability distribution functions).
例示的な実施形態では、以下の分析物ブロブ記述子を使用して、例えば、個々のブロブの位置、形状、または他の構造的特性を捕捉することができる。
-正規化された血管座標での位置
・主にrに関して
-例えば、浅い石灰化と深い石灰化とを区別するため
・t方向は無視される。[任意選択でl方向をモデリング]
-正規化された血管座標の範囲
・範囲は正規化された値であるのに対し、絶対的な測定を意味する「サイズ」という単語は意図的に避けている
-分布の非対称性の程度を表現する偏り
・臨床的意義は不明であるが、信じ難い偏った形状に対して形状を正則化するのに役立つ場合がある
-平行な組織層への閉じ込めを表現するための整列
・分析物ブロブは放射状の層(rの等高線)内に非常によく留まっているように見えるので、これは類似した画像処理された形状を選択するのに役立つと思われる
-ブロブが配置されている壁の厚さ
・薄いプラークとは異なる統計量を有すると想定される厚い(すなわち、進行した)プラーク
In an exemplary embodiment, the following analyte blob descriptors may be used to capture, for example, the location, shape, or other structural characteristics of individual blobs:
- Position in normalized vessel coordinates - Mainly in terms of r - e.g. to distinguish between shallow and deep calcifications - t direction is ignored. [Optionally model the l direction]
- Range of normalized vessel coordinates - Range is a normalized value, we purposely avoid the word "size" which implies an absolute measurement - Bias expressing the degree of asymmetry of the distribution - Clinical significance unknown, but may be useful for regularizing shapes for implausible skewed shapes - Alignment to express confinement to parallel tissue layers - Analyte blobs seem to stay very well within the radial layers (r contours), so this may be useful for selecting similar imaged shapes - Wall thickness in which the blobs are located - Thick (i.e. advanced) plaques assumed to have different statistics than thin plaques
いくつかの実施形態では、ペアワイズブロブ記述子も利用することができる。例えば:
-相対的な場所
・例えば、線維症がLRNCの内腔側にある場合
-相対的な範囲
・例えば、LRNCと比較した線維症の厚さ/幅
-周囲性
・一方の周辺投影が他方の中間にどれだけ近づくか
・例えば、ナプキンリングサインまたはLRNC周辺の線維症
-相対的な壁の厚さ
・「肩」の程度を表現するため(肩は中心プラーク本体よりも比較的薄い)
In some embodiments, pairwise blob descriptors may also be utilized, for example:
- Relative location - e.g. if fibrosis is on the luminal side of the LRNC - Relative extent - e.g. thickness/width of fibrosis compared to the LRNC - Circumference - how close one peripheral projection is to the middle of the other - e.g. napkin ring sign or fibrosis around the LRNC - Relative wall thickness - to express the degree of "shoulder" (shoulder is relatively thinner than the central plaque body)
高次の相互作用(例えば、3つのブロブ間または2つのブロブと別の特徴との間)も実装され得ることに留意されたい。ただし、収穫逓減と訓練の制限を考慮することができる。 Note that higher order interactions (e.g., between three blobs or between two blobs and another feature) can also be implemented, although diminishing returns and training limitations may be considered.
以下は、blob記述子の例示的な定量化である。
特に、記述子のセット(例えば、8~12個の記述子)は、ブロブが存在する有限の形状空間を形成する。そして、ブロブの母集団の分布をこの有限空間の分布として見ることができる。図11は、ブログ記述子の分布の例を描いている。例示的な実施形態では、ブロブ記述子の分布は、訓練セット全体にわたって計算されてもよい。いくつかの実施形態では、低次の統計量は、(独立性を想定して)個々のブロブ記述子に利用することができる(例えば、場所:E[αr]、Var[αr])。他の実施形態では、多次元ガウス(平均ベクトル+共分散行列)分析を使用して、記述子をモデリングすることができる(例えば、独立性が想定されていない場合)。さらなる実施形態では、分布が非正規分布である場合、密度推定技術を使用してこれをモデリングすることができる。 In particular, the set of descriptors (e.g., 8-12 descriptors) forms a finite shape space in which blobs exist. The distribution of the population of blobs can then be viewed as a distribution in this finite space. Figure 11 illustrates an example distribution of blog descriptors. In an exemplary embodiment, the distribution of blob descriptors may be computed over the entire training set. In some embodiments, low-order statistics can be utilized for the individual blob descriptors (assuming independence) (e.g., where: E[α r ], Var[α r ]). In other embodiments, multi-dimensional Gaussian (mean vector + covariance matrix) analysis can be used to model the descriptors (e.g., when independence is not assumed). In a further embodiment, if the distribution is non-normal, density estimation techniques can be used to model it.
上述したように、断面ごとのブロブの数(または各クラスの数)、例えば、分析物のクラスを考慮しないη、および各分析物クラスにおけるηiカウント数をモデリングできる。図14は、各組織学的スライドのブロブの総数の頻度分布を示している。ポイズン回帰は過度に適用されている。図14の分析チャートは、分析物クラスを考慮することなく、断面Nあたりのブロブの数を描いていることに留意されたい(各分析物タイプのブロブの数はBで表現される)。 As mentioned above, one can model the number of blobs per cross section (or the number of each class), e.g., η without considering the class of analytes, and the number of η i counts in each analyte class. Figure 14 shows the frequency distribution of the total number of blobs for each histological slide. Poison regression has been over-applied. Note that the analysis chart in Figure 14 depicts the number of blobs per cross section N without considering the analyte class (the number of blobs of each analyte type is represented by B).
前述のセクションを要約すると、例示的な実施形態では、全体的な血管壁組成モデルは、以下を含んでもよい。
・pmf前のピクセルごとの分析物
-P(A(x)=ai)=ρi
・個々のブロブ記述子
-B1=(αr、βr、βt、γr、γt、δr、δt、τT)
-B1~N(μ1、Σ1)
・ペアワイズブロブ記述子
-C2=(αrr、αtt、βrr、βtt、εrr、εtt、τTT)
-C2~N(μ2、Σ2)
・ブロブの数
-η~Poission(λη)
式中、以下のとおりである:
Analyte per pixel before pmf - P(A(x)=a i )=ρ i
Individual blob descriptors - B 1 = (α r , β r , β t , γ r , γ t , δ r , δ t , τ T )
-B 1 ~N (μ 1, Σ 1 )
Pairwise blob descriptor - C2 = ( αrr , αtt , βrr , βtt , εrr , εtt , τTT )
-C 2 ~N (μ 2 , Σ 2 )
・Number of blobs - η ~ Poission (λ η )
Wherein:
上記のように、イメージングモデルはベイズ分析モデルの尤度(例えば、P(I¥A))として機能してもよい。次に、最尤推定値を決定することができる。例示的な実施形態では、これは、各ピクセルを分離して(例えば、モデル内の構造の事前確率を考慮せずに)考慮して行うことができる。推定された分析物マップは、典型的に、画像が平滑であるという理由だけで平滑になる(そのため、典型的に、事前の平滑化は実施されない)。独立したピクセルごとの分析は、例えば、少なくともスキャナのPSFを考慮する時点まで行うことができる。イメージングモデルは、不完全なイメージングデータを考慮するために利用される。例えば、プラークの小さな成分をイメージングすると、ピクセル値の上に独立したノイズが追加される。さらに、部分体積効果およびスキャナPSFは、小さなオブジェクトに適用することでよく知られている。したがって、モデル(例えば、分析物領域のレベルセット表現)が与えられた場合、PSFを使用したガウスぼかしによるCTのシミュレーションは簡単かつ高速である。本明細書に記載されるイメージングモデルはまた、異なる分析物の真の(ぼやけていない)密度の分布を決定(または推定)するために適用されてもよい。特に、この密度の分布は、ぼやけた画像強度を有することになるので、典型的なイメージング研究から得ることはできない。いくつかの実施形態では、不確実性を表現するために広い分散を使用することができる。代替的に、分布パラメータを訓練セットから最適化することもできるが、目的関数は、例えば、整列した組織学データが利用可能でない限り、(分析物領域の)下流の読み取り値に基づく必要がある。図12は、イメージングデータの例示的なモデル(例えば、隠れた(カテゴリ)状態(A(x))と観察された(連続)状態(I(x))との間の相関を示しており、これにより、ランダム(例えば、分析物密度分布(H(A(x)))ノイズ要因および決定論的(例えば、スキャナぼかし*G(x))ノイズ要因が考慮される。θは、Hのパラメータ(各分析物の比率およびHUの平均/分散)である。正規分布を想定したN個の異なるN個の異なる分析物クラスについて、θ=(τ1、μ1、σ1、...、τN、μN、σN)である。θは患者固有であり、例えば、分析物ラベルが潜在変数であり、画像が観察データである場合、期待値最大化(EM)方式で推定されることに留意されたい。
・E-step:現在のパラメータを指定してメンバーシップ確率を決定する
・M-step:メンバーシップ確率を指定してパラメータの尤度を最大化する
As mentioned above, the imaging model may serve as the likelihood (e.g., P(I¥A)) of the Bayesian analysis model. A maximum likelihood estimate may then be determined. In an exemplary embodiment, this may be done by considering each pixel in isolation (e.g., without considering the prior probability of the structure in the model). The estimated analyte map is typically smooth only because the image is smooth (so, typically, no prior smoothing is performed). An independent pixel-by-pixel analysis may be performed, for example, at least up to the point of considering the PSF of the scanner. The imaging model is utilized to account for incomplete imaging data. For example, imaging small components of plaque adds independent noise on top of the pixel values. Furthermore, partial volume effects and the scanner PSF are well known to apply to small objects. Thus, given a model (e.g., a level set representation of the analyte region), simulating CT with Gaussian blur using the PSF is simple and fast. The imaging models described herein may also be applied to determine (or estimate) the distribution of true (unblurred) densities of different analytes. In particular, this density distribution cannot be obtained from a typical imaging study, as it would have blurred image intensities. In some embodiments, a wide variance can be used to represent the uncertainty. Alternatively, the distribution parameters can be optimized from a training set, but the objective function needs to be based on downstream readouts (of the analyte region), unless, for example, aligned histology data is available. FIG. 12 shows an exemplary model of imaging data (e.g., correlation between hidden (categorical) states (A(x)) and observed (continuous) states (I(x)), which accounts for random (e.g., analyte density distribution (H(A(x))) and deterministic (e.g., scanner blur*G(x)) noise factors. θ are the parameters of H (proportions of each analyte and mean/variance of HU). For N different analyte classes assuming normal distribution, θ=(τ 1 , μ 1 , σ 1 , ..., τ N , μ N , σ N ). Note that θ is patient-specific and is estimated with an expectation-maximization (EM) approach, e.g., where analyte labels are latent variables and images are observed data.
E-step: Determine the membership probability given the current parameters. M-step: Maximize the likelihood of the parameters given the membership probability.
図13は、画像モデルにおける観察状態と隠れた状態との関連付けのための例示的なマルコフモデル/ビタビアルゴリズムの図を描く。特に、この図では、観察状態(灰色)(観察画像強度、I(x))および隠れた状態(白色)(純粋な分析物強度、H(A(x)))が描かれており、これらは経験的ヒストグラムでモデリングされるか、またはガウス分布関数もしくはボックスカー確率分布関数でモデリングされる。イメージングシステムのPSFは、ガウス、G(x)としてモデリングされる。したがって、以下の式になる:
I(x)=G(x)*H(A(x))
FIG. 13 illustrates an exemplary Markov model/Viterbi algorithm diagram for association of observed and hidden states in an image model. In particular, the diagram illustrates observed states (gray) (observed image intensity, I(x)) and hidden states (white) (pure analyte intensity, H(A(x))), which are modeled with empirical histograms or with Gaussian or boxcar probability distribution functions. The PSF of the imaging system is modeled as a Gaussian, G(x). Thus, we have the following equation:
I(x)=G(x)*H(A(x))
ここではビタビのようなアルゴリズムを適用できるが、畳み込みは放出確率をおこ変えることになり、Hはガウス分布または一様分布としてモデル化できることが留意されたい。 An algorithm like Viterbi can be applied here, but note that the convolution will change the emission probabilities and H can be modeled as a Gaussian or uniform distribution.
上記のように、推論手順の一部分は期待値最大化(EM)に基づいている。EMの一般的な適用では、データ点は、未知のいくつかのクラスのうちの1つに属するものとしてモデリングされる。各データポイントは特徴ベクトルを有し、各クラスに対して、この特徴ベクトルは、平均ベクトルおよび共分散行列で表現される多次元ガウス分布などのパラメトリック分布でモデリングすることができる。ここに提示するモデルの文脈では、単純なEM実装は以下のように機能する:
この単純なモデルの主な問題は、高次構造をピクセルにコーディングしないことである。ピクセルのより現実的な配置に関連付けられた事前確率はない。タウのみが分析物クラスの比率を決定する。したがって、特にメンバーシップ確率を更新するステップで、ブロブの事前確率モデルに挿入するために、タウ変数を使用することができる。 The main problem with this simple model is that it does not code higher order structure into the pixels. There are no prior probabilities associated with more realistic arrangements of pixels. Only the tau determines the proportions of analyte classes. Therefore, the tau variable can be used to insert into a prior probability model of the blob, especially in the step of updating the membership probabilities.
したがって、修正されたベイズ推論手順は、はるかに洗練されたベイズ事前確率で適用されてもよい。基本的なEM実装では、実際の事前分布はない。変数タウは、各クラスの先験的な相対的な比率を表現するが、この変数でさえも指定されておらず、推論手順中に推定される。したがって、基本的なEMモデルでのクラスの分布について先験的な確信はない。我々のモデルでは、以前のモデルはマルチスケール分析物モデルによって表現される。タウは、グローバルな比率だけでなく、位置(およびその他の変数)の関数になる。
メンバーシップ確率関数は次のように定義される:
推論アルゴリズムは次のとおりである。反復の各ステップで、メンバーシップ確率マップがゼロに初期化されるため、すべてのクラスの確率はゼロになる。次に、考えられるすべてのモデル構成について、メンバーシップ確率マップを次のように追加することができる:
最後に、確率ベクトルは、完全性の想定を復元するために、メンバーシップ確率マップの各ピクセルにおいて正規化することができる。有利には、すべてのモデル構成にわたって繰り返すことができる。これは、0から比較的低い値(例えば9)までのNの値を順次検討することによって行われ、この時点で、非常に少数の区分が同じ数のブロブを有することが観察されている。各Nの値に対して、異なる推定ブロブ構成を調べることができる。推定ブロブは、それらの個々のブロブ確率に基づいて、小さな数(N)に閾値処理されてもよい。次に、N個のブロブのすべての順列が考慮される。したがって、最も可能性の高いすべてのブロブ構成を同時に検討し、事前確率によって各モデルに重み付けすることができる。マルチスケールモデル構成の全空間が考慮されていない可能性があるため、この手順は明らかに近似的な推論スキームである。ただし、(Nとブロブとの両方に関して)最も可能性の高いものを考慮することにより、良好な近似が達成されると想定できる。この手順では、最も可能性の高い構成の加重平均が、各個々のピクセルにおいて良好な推定値を提供することも想定できる。別の代替方法は、モデル構成の制約付き検索を実施し、MAP(最大事後)推定値として最も可能性の高いモデルを選択することである。 Finally, the probability vector can be normalized at each pixel of the membership probability map to restore the assumption of completeness. Advantageously, it can be repeated over all model configurations. This is done by sequentially considering values of N from 0 to a relatively low value (e.g. 9), at which point it is observed that very few partitions have the same number of blobs. For each value of N, a different putative blob configuration can be examined. The putative blobs may be thresholded to a small number (N) based on their individual blob probabilities. Then, all permutations of the N blobs are considered. Thus, all the most likely blob configurations can be considered simultaneously, and each model can be weighted by a prior probability. This procedure is obviously an approximate inference scheme, since the entire space of multi-scale model configurations may not be considered. However, it can be assumed that a good approximation is achieved by considering the most likely ones (both in terms of N and blobs). It can also be assumed that in this procedure, a weighted average of the most likely configurations provides a good estimate at each individual pixel. Another alternative is to perform a constrained search of model configurations and select the most likely model as the MAP (maximum a posteriori) estimate.
さらなる例示的な統計モデル(例えば、事後P(A/I))もまた、本明細書に記載されている。CT血管造影では、次の情報を利用できる場合がある:
・強度
-CTハウンズフィールド単位またはMR強度
-おそらく他のイメージング特徴
・解剖学的構造に対する位置
-プラークのどこにピクセルがあるか
・隣接するピクセル
-例えば、レベルセットを通じて輪郭を平滑化するため
Further exemplary statistical models (e.g., posterior P(A/I)) are also described herein. In CT angiography, the following information may be available:
Intensity - CT Hounsfield units or MR intensity - possibly other imaging features Location relative to anatomy - where in the plaque the pixel is Neighboring pixels - for example to smooth the contour via a level set
事後確率は次のように計算することができる:
したがって、以下の画像情報は分析物の確率Ai(x)に影響を与える可能性がある
I(x)は観察された画像強度(おそらくベクトル)である
T(x)は、画像セグメンテーションから観察された相対的な壁の厚さである
F(x)はCT画像特徴である
S(x)は血管壁の形状の特徴(例、内腔の膨らみ)である
Thus, the following image information may affect the analyte probability Ai(x): I(x) is the observed image intensity (possibly a vector); T(x) is the relative wall thickness observed from image segmentation; F(x) is a CT image feature; S(x) is a feature of the vessel wall geometry (e.g., luminal bulging).
いくつかの実施形態では、メトロポリス・ヘイスティングスのようなアプローチを利用することができる。他の実施形態では、最大事後アプローチを適用することができる。 In some embodiments, an approach such as Metropolis-Hastings may be utilized. In other embodiments, a maximum a posteriori approach may be applied.
以下は、統計分析モデルの例示的なアルゴリズムの可能性である。いくつかの実施形態では、モデルは、確率伝搬法(別名、max sum、max product、sum product messaging)を利用することができる。したがって、例えば、ビタビ(HMM)タイプのアプローチを利用することができ、ここで、隠れた状態は分析物割り当て、Aであり、観察された状態はイメージ強度、Iである。このアプローチは、有利には、MAP推定値がargmax P(A|I)であり得ることを発見してもよい。いくつかの実施形態では、ソフト出力ビタビアルゴリズム(SOVA)を利用することができる。各決定の信頼性は、選択された(サバイバー)パスと破棄されたパスとの違いによって示される場合があることに留意されたい。したがって、これは各ピクセル分析物分類の信頼性を示し得る。さらなる例示的な実施形態では、前方/後方バウムウェルチ(HMM)アプローチを利用することができる。例えば、任意の時点で最も可能性の高い状態を計算できるが、最も可能性の高いシーケンスは計算でない(ビタビを参照)。 The following are exemplary algorithmic possibilities for the statistical analysis model. In some embodiments, the model may utilize belief propagation (aka max sum, max product, sum product messaging). Thus, for example, a Viterbi (HMM) type approach may be utilized, where the hidden states are the analyte assignments, A, and the observed states are the image intensities, I. This approach may advantageously discover that the MAP estimate may be argmax P(A|I). In some embodiments, a soft output Viterbi algorithm (SOVA) may be utilized. Note that the reliability of each decision may be indicated by the difference between the selected (survivor) path and the discarded path. This may therefore indicate the reliability of each pixel analyte classification. In further exemplary embodiments, a forward/backward Baum-Welch (HMM) approach may be utilized. For example, the most likely state at any point in time may be calculated, but the most likely sequence is not (see Viterbi).
別の考えられる技術は、メトロポリス-ヘイスティングス(MCMC)アプローチであり、例えば、Aを繰り返しサンプリングし、尤度および事前によって重み付けする。いくつかの実施形態では、サンプリングのための単純なMRFバージョンを利用することができる。後方を直接サンプリングすることが特に有利な場合があることに留意されたい。例示的な実施形態では、分析物クラスのピクセルごとのヒストグラムを構築することができる。 Another possible technique is the Metropolis-Hastings (MCMC) approach, e.g., repeatedly sampling A and weighting it by the likelihood and prior. In some embodiments, a simple MRF version for sampling can be utilized. Note that directly sampling the posterior can be particularly advantageous. In an exemplary embodiment, a pixel-by-pixel histogram of analyte classes can be constructed.
他のアルゴリズムの可能性は、ギブスサンプラ、変分ベイズ(EMに類似)、平均場近似、カルマンフィルタ、または他の技術の適用を含む。 Other algorithmic possibilities include application of Gibbs samplers, variational Bayes (similar to EM), mean field approximations, Kalman filters, or other techniques.
上記のように、いくつかの実施形態では、期待値最大化(EM)事後アプローチを利用することができる。このアプローチでは、観察されたデータXはイメージング値、未知のパラメータθは分析物マップ(ただし、分析物確率は含まない)に起因するものであり、潜在変数Zは分析物確率ベクトルである。このアプローチ1つの主要な特徴は、クラスメンバーシップ(Z)およびモデルパラメータ(θ)が、各々相互に依存しているため、これら間の推定を繰り返すことができることである。ただし、分析物マップは分析物の確率を分離するため、現在のクラスメンバーシップがモデルパラメータに影響を与える必要がないようにアプローチを変更することができる(これらは訓練ステップで学習されるため)。したがって、基本的に、現在のデータを反復するときにモデルパラメータを学習するEM。EMアプローチの例示的な実装は、有利には、最尤法を反復的に計算するが、フラットな事前を想定している。 As mentioned above, in some embodiments, an expectation-maximization (EM) posterior approach can be utilized. In this approach, the observed data X are the imaging values, the unknown parameters θ are due to the analyte map (but not the analyte probabilities), and the latent variables Z are analyte probability vectors. One key feature of this approach is that the class memberships (Z) and the model parameters (θ) can be iteratively estimated between them, since they are each interdependent. However, because the analyte map separates the analyte probabilities, the approach can be modified such that the current class memberships do not need to affect the model parameters (as they are learned in the training step). Thus, essentially, EM learns the model parameters as it iterates over the current data. An exemplary implementation of the EM approach advantageously computes maximum likelihood iteratively, but assumes a flat prior.
縦方向の共分散を表現するための技術も本明細書で提供される。組織学的スライスの間隔が広い(例えば、4mm)ことに起因して、サンプリングは分析物の縦方向の変動を忠実に捕捉しない場合がある。ただし、3D画像分析は、典型的に実施され、おそらくいくつかの真の縦方向の共分散がある。問題は、組織学的情報が典型的に、縦方向の共分散に対して提供されないことである。それにもかかわらず、本明細書に開示される例示的な統計モデルは、縦方向のゆっくりとした変動を反映することができる。 Techniques for expressing longitudinal covariance are also provided herein. Due to the wide spacing of histological slices (e.g., 4 mm), sampling may not faithfully capture the longitudinal variation of the analyte. However, 3D image analysis is typically performed, and there is likely some true longitudinal covariance. The problem is that histological information is typically not provided for longitudinal covariance. Nevertheless, the exemplary statistical models disclosed herein can reflect slow longitudinal variations.
いくつかの実施形態では、マルコフモデル/連鎖を適用することができる。図15は、テキスト/DNA用の1Dマルコフ連鎖の例示的な埋め込み例を描いている。従来、MRFマルコフ連鎖の画像に適用する場合は、可能な限り低次であるのが一般的である。ただし、条件付き独立性(マルコフ性)により、高次連鎖が有利な場合がある。それ以外の場合は、データがスクランブル化されすぎて価値がなくなる可能性がある。これは、テキストに適用される例示的なマルコフ連鎖の1Dサンプリングによって実証される。
・一様確率サンプリング出力:
-earryjnv anr jakroyvnbqkrxtgashqtzifzstqaqwgktlfgidmxxaxmmhzmgbya mjgxnlyattvc rwpsszwfhimovkvgknlgddou nmytnxpvdescbg k syfdhwqdrj jmcovoyodzkcofmlycehp
・0次マルコフ連鎖出力:
-ooyusdii eltgotoroo tih ohnnattti gyagditghreay nm roefnnasos r naa euuecocrrfca ayas el s yba anoropnn laeo piileo hssiod idlif beeghec ebnnioouhuehinely neiis cnitcwasohs ooglpyocp h trog 1
・1次マルコフ連鎖出力:
-icke inginatenc blof ade and jalorghe y at helmin by hem owery fa st sin rdn eke stw anks hinioro e orin en s ar whes ore jot j whede chrve blan ted sesourethegebe inaberens s ichath fie watt o
・2次マルコフ連鎖出力:
-he ton th a s my caroodif flows an the er ity thayertione wil ha m othenre re creara quichow mushing whe so mosing bloack abeenem used she sighembs inglis day p wer wharon the graiddid wor thad k
・3次マルコフ連鎖出力:
-es in angull o shoppinjust stees ther a kercourats allech is hote temal liked be weavy because in coy mrs hand room him rolio und ceran in that he mound a dishine when what to bitcho way forgot p
In some embodiments, a Markov model/chain can be applied. Figure 15 depicts an exemplary embedding example of a 1D Markov chain for text/DNA. Traditionally, when applying MRF Markov chains to images, it is common to have as low an order as possible. However, due to conditional independence (Markov property), higher order chains can be advantageous. Otherwise, the data may become too scrambled to be of any value. This is demonstrated by a 1D sampling of an exemplary Markov chain applied to text.
Uniform probability sampling output:
-earryjnv anr jakroyvnbqkrxtgashqtzifzstqaqwgktlfgidmxxaxmmhzmgbya mjgxnlyattvc rwpsszwfhimovkvgknlg ddou nmytnxpvdescbg k syfdhwqdrj jmcovoyodzkcofmlycehp
0th order Markov chain output:
-ooyusdii eltgotoroo tih ohnnattti gyagditghreay nm roefnnasos r naa euuecocrrfca ayas el s yba anoropnn laeo piileo hssio d idlif beeghec ebnniouhuehinely neiis cnitcwasohs ooglpyocp
First-order Markov chain output:
-icke inginatenc blof ade and jaloghe y at helmin by hem owery re jot j whede chrve blan ted sesourthegebe inaberens s ichath fie watt o
Second-order Markov chain output:
-he ton th a s my caroodif flows an the er ity thayertione will ha m othe nre re cleara quichow mushing whe so mosing bloa ck abeenem used she sighembs inglis day p wer wharon the gladdid wor thatd k
・3rd order Markov chain output:
-es in angull o shoppinjust stees the kercourts allech is hot temal liked be weavy because in coy mrs hand room him rolio and ceran in that he mound a dish when what to bitcho way forget p
図16は、テキスト確率表の例示的な1次マルコフ連鎖描いている。このような表は、次の順序で指数関数的にサイズ設定されていることに留意されたい。
D=マルコフ連鎖の次数
N=文字数
サイズ=ND
An exemplary first-order Markov chain of text probability tables is depicted in Figure 16. Note that such tables are exponentially sized in the following order:
D = degree of Markov chain N = number of characters Size = N D
したがって、高次は次元の問題につながる。有利には、組織学的サンプルは非常に高い分解能を有する。ただし、組織学サンプルは統計的に独立していないため、後で詳しく説明するように、オーバーフィットにつながる可能性がある。一般に、モデリングされる条件付き依存関係が多いほど、モデルはより予測可能になり得る。 Higher orders therefore lead to problems of dimensionality. Advantageously, histological samples have very high resolution. However, histological samples are not statistically independent, which can lead to overfitting, as we will explain in more detail later. In general, the more conditional dependencies that are modeled, the more predictive the model can be.
例示的な実施形態では、文字などの1Dシーケンスの代わりに、2Dマルコフ確率場(MRF)をピクセル値に使用することができる。図17は、隣接するピクセル(灰色)に基づく最初のピクセル(黒色)の条件付き依存性を描いている。例示的な実施形態では、小集団は、依存性の数を半分に減少するために対称性を利用してもよい。いくつかの実施形態では、ピクセルの値は、単純な画像強度であり得るか、または分類問題の確率値であり得る。典型的なのMRFの使用には問題が存在する。従来のMRFは、ほとんどの場合、表現される確率空間の特異性を大幅に低下させる条件付き依存性を提供する最近傍ピクセルに制限されており、通常は、非常に汎用的なセグメンテーション/フィルタリング用の黒色/白色のブロブのみであり、非常に短い範囲の依存性である。ただし、ピクセルが高度に離散化されているのに対し、ブロブは1つのピクセルが欠けて次のピクセルに落ちるだけで、確率分布を完全に変化させることができる。したがって、実際の画像構造は、MRFを使用して典型的に考慮されるよりもはるかに連続的である。 In an exemplary embodiment, instead of a 1D sequence such as a character, a 2D Markov Random Field (MRF) can be used for pixel values. Figure 17 depicts the conditional dependency of the first pixel (black) on neighboring pixels (gray). In an exemplary embodiment, the subpopulation may exploit symmetry to reduce the number of dependencies by half. In some embodiments, the pixel's value can be a simple image intensity, or a probability value for classification problems. Problems exist with the use of typical MRFs. Traditional MRFs are mostly restricted to nearest neighbor pixels that provide conditional dependencies that greatly reduce the specificity of the probability space represented, typically only black/white blobs for very general purpose segmentation/filtering, and very short range dependencies. However, whereas pixels are highly discretized, blobs can completely change the probability distribution by simply missing one pixel and dropping into the next. Thus, real image structures are much more continuous than typically considered using MRFs.
このため、本開示のシステムおよび方法は、推論手順、例えば、事後α尤度×事前(P(A/I)αP(I/A)×P(A))のベイズ型規則を有利に利用することができる。クロスワード型の類推を使用すると、主題の適用のシステムおよび方法によって実装される推論手順は、ノイズの多いスキャンからクロスワードパズルをOCRしようとするようなものである。知識(いくつかの正方形の不完全な知識でさえ、クロスワードパズルの未知の正方形に情報を与えるのに役立つ場合がある。垂直方向と水平方向の両方を同時に考慮することによって、効率がさらに改善する。例示的な実施形態では、推論手順はヒューリスティックであってもよい。例えば、知らされていない事前で初期化し、簡単なものを先に解いて、後に解かれる難しいものについての手がかりを与えるようにしてもよい。したがって、高密度カルシウムなどの生物学的性状を比較的簡単に検出できることで、脂質などの検出が難しい他の分析物の存在を知ることができる。推論手順の各ステップは、未解決のピクセルの確率分布を絞り込むことができる。 For this reason, the systems and methods of the present disclosure can advantageously utilize an inference procedure, e.g., a Bayesian rule of posterior α likelihood × prior (P(A/I)αP(I/A) × P(A)). Using a crossword-type analogy, the inference procedure implemented by the systems and methods of the subject application is like trying to OCR a crossword puzzle from a noisy scan. Knowledge (even incomplete knowledge of some squares may help inform unknown squares of the crossword puzzle. Efficiency is further improved by considering both vertical and horizontal directions simultaneously. In an exemplary embodiment, the inference procedure may be heuristic, e.g., initializing with an uninformed prior, solving easy ones first to provide clues for difficult ones that are solved later. Thus, the relatively easy detection of biological properties such as high density calcium can inform the presence of other analytes that are difficult to detect, such as lipids. Each step of the inference procedure can narrow the probability distribution of the unsolved pixels.
上記のように、使用可能なデータを取得するには、高次のマルコフ連鎖が望ましい。高次マルコフアプローチを利用することの欠点は、推論プロセスに情報を提供するのに十分なデータがない可能性があることである。例示的な実施形態では、この問題には、パルゼンウィンドウ処理などの密度推定法を利用することによって、またはクリギング技術を利用することによって対処することができる。 As noted above, a higher order Markov chain is desirable to obtain usable data. A drawback of utilizing a higher order Markov approach is that there may not be enough data to inform the inference process. In an exemplary embodiment, this problem can be addressed by utilizing density estimation methods such as Parzen windowing or by utilizing Kriging techniques.
推論手順を形成するには、分析物の条件なしの事前確率で初期化し、次に最高レベルの証拠を使用して確率の絞り込みを開始してもよい。例えば、いくつかの実施形態では、不確実な幅は、各分析物確率推定値に関連付けられてもよい。他の実施形態では、1/Nに近いことは、そのような不確実性を表現し得る。 To form an inference procedure, one may initialize with the unconditional prior probability of the analyte and then begin refining the probability using the highest level of evidence. For example, in some embodiments, an uncertainty width may be associated with each analyte probability estimate. In other embodiments, a approximation of 1/N may represent such uncertainty.
特に、提案されたマルコフ実装はメモリレスではなく、長距離(空間)依存性を明示的にモデリングしようとしているため、「マルコフ」という用語はここでは大まかに使用される。 The term "Markov" is used loosely here, in particular because the proposed Markov implementation is not memoryless and attempts to explicitly model long-range (spatial) dependencies.
CT分解能は組織学およびプラーク解剖学と比較して低いので、いくつかの実施形態では、離散空間(時間)よりも連続空間(時間)マルコフモデルを利用することが好ましい場合がある。これは、サブピクセル補間で自然にうまく機能するため、確率マップのレベルセット表現でうまく機能する可能性がある。分析物の状態が離散的なので、モデルは離散空間モデルになる。ただし、分析物が分析物の存在/不在ではなく連続的な確率を表現する場合は、モデルは連続空間モデルになる。 Since CT resolution is low compared to histology and plaque anatomy, in some embodiments it may be preferable to utilize a continuous space (time) Markov model rather than a discrete space (time). This may work well with a level set representation of the probability map as it works naturally well with sub-pixel interpolation. Since the analyte states are discrete, the model will be a discrete space model. However, if the analyte represents a continuous probability rather than the presence/absence of the analyte, the model will be a continuous space model.
肺に基づく適用に目を向けると、以下の表4は、このような適用の階層分析フレームワークに関して利用できる例示的な生物学的性状/分析物を描いている。
特に、システムは、肺病巣を検出するように構成されてもよい。したがって、例示的なシステムは、肺全体のセグメンテーションのために構成されてもよい。いくつかの実施形態では、システムは、胸膜近傍病巣の問題を解決するための最小曲率進展の使用を含んでもよい。いくつかの実施形態では、システムは、肺成分分析(血管、裂傷、気管支、病巣など)を実装してもよい。有利には、肺成分分析を容易にするための、ヘッセフィルタを利用してもよい。いくつかの実施形態では、肺成分分析は、例えば、裂傷の外形の関数として、胸膜浸潤をさらに含んでもよい。さらなる実施形態では、解剖学的構造への付着も考慮されてもよい。肺成分分析に加えて、記載されたすりガラスと固体との別々の分析も適用してもよい。この分析は、体積、直径、球形度などの外形特徴、密度および質量などの画像特徴の決定、およびフラクタル分析を含んでもよい。 In particular, the system may be configured to detect lung lesions. Thus, an exemplary system may be configured for whole lung segmentation. In some embodiments, the system may include the use of minimum curvature evolution to solve the problem of juxtapleural lesions. In some embodiments, the system may implement lung component analysis (vessels, lacerations, bronchi, lesions, etc.). Advantageously, a Hessian filter may be utilized to facilitate the lung component analysis. In some embodiments, the lung component analysis may further include pleural infiltration, for example as a function of the laceration geometry. In further embodiments, attachment to anatomical structures may also be considered. In addition to the lung component analysis, the described separate ground glass vs. solid analysis may also be applied. This analysis may include the determination of geometry features such as volume, diameter, sphericity, image features such as density and mass, and fractal analysis.
フラクタル分析は、鱗状の成長パターンを推論するために使用してもよい。非常に小さな関心領域でフラクタル分析を実施するために、我々の方法は、畳み込みカーネルのサポートを適応的に変更して、それらを関心領域(すなわち、肺結節)に制限する。交差する血管/気管支および非病巣の特徴は、フラクタル分析の目的でマスクアウトされてもよい。これは、マスクされた局所近傍にIIRガウスフィルタを適用し、IIRぼかしバイナリマスキングを使用して正規化することによって行われる。いくつかの実施形態では、フラクタル分析は、(局所平均の分散に基づいて)空隙性を決定することをさらに含んでもよい。これは、肺病巣、病巣のサブパートに関して適用することができる。例示的な実施形態では、IIRガウスフィルタまたは円形近傍を適用することができる。いくつかの実施形態では、分散を計算するために、IIRを利用することができる。局所分散の平均(AVL)もまた、例えば、肺病巣に適用されるように計算されてもよい。同様に、局所分散の分散を算出することができる。 Fractal analysis may be used to infer squamous growth patterns. To perform fractal analysis on very small regions of interest, our method adaptively changes the support of the convolution kernel to restrict them to the region of interest (i.e., the lung nodule). Intersecting vessels/bronchi and non-lesion features may be masked out for the purposes of fractal analysis. This is done by applying an IIR Gaussian filter to the masked local neighborhood and normalizing using IIR blur binary masking. In some embodiments, the fractal analysis may further include determining porosity (based on the variance of the local mean). This may be applied with respect to the lung lesion, subparts of the lesion. In an exemplary embodiment, an IIR Gaussian filter or a circular neighborhood may be applied. In some embodiments, IIR may be utilized to calculate the variance. The average of local variances (AVL) may also be calculated, for example, as applied to the lung lesion. Similarly, the variance of the local variances may be calculated.
例示的な実施形態では、病巣の構造と組成との両方を算出することができる。有利には、病巣構造を計算することは、薄い区分の全体積測定を利用することができ、それにより、サイズ測定変化の算出を改善することができる。病巣構造の評価の一部として、亜固体およびすりガラス不透明度(GGO)体積などの測定値を決定することもできる。病巣の組成に目を向けると、圧密、浸潤、近接、および灌流などの組織特性を算出することができ、例えば、それにより、従来の分析と比較して偽陽性率を低減することができる。 In an exemplary embodiment, both the structure and composition of the lesion can be calculated. Advantageously, calculating the lesion structure can utilize total volume measurements of thin sections, which can improve the calculation of size measurement changes. As part of the assessment of the lesion structure, measurements such as subsolid and ground glass opacity (GGO) volumes can also be determined. Turning to the composition of the lesion, tissue characteristics such as compaction, infiltration, proximity, and perfusion can be calculated, for example, which can reduce false positive rates compared to conventional analysis.
ここで図18を参照すると、本開示のシステムのためのさらなる例示的な階層分析フレームワーク1800が描かれている。図18は、階層的推論システムの例示的な中間処理層に関してより詳細を解明する図1の詳細として理解することができる。有利には、階層的推論は、依然として、イメージングデータ1810から基礎となる生物学的情報1820に、臨床疾患1800に流れる。しかしながら、特に、フレームワーク1800は、生物学的性状/分析物を決定するためにイメージングデータを処理するための複数レベルのデータ点を含む。前処理レベル1812では、物理的パラメータ、位置合わせ変換、および領域セグメンテーションを決定してもよい。次に、この前処理されたイメージング情報を利用して、強度特徴、形状、テクスチャ、および時間特性などの次のレベルのデータ点1814で画像特徴を抽出することができる。次に、抽出された画像特徴をレベル1816で利用して、1つ以上の生物学的モデルをイメージングされた解剖学的構造にフィッティングすることができる。例示的モデルには、ベイズ/マルコフ正味病巣下部構造、フラクタル成長モデル、または本明細書に記載されているような他のモデルが含まれる。生物学的モデルは、有利には、イメージング特徴をレベル1822で基礎となる生物学的性状/分析物に相関させるためのブリッジとして機能することができる。生物学的性状/分析物の例には、解剖学的構造、組織組成、生物学的機能、遺伝子発現相関などが含まれる。最後に、レベル1832では、生物学的性状/分析物を利用して、例えば、疾患のサブタイプ、予後、意思決定支援などに関連するものを含む、病変に関連する臨床所見を決定することができる。
18, a further exemplary
図19は、AHAが採用したStaryプラーク型決定システムをアンダーレイとして使用し、インビボで決定されたタイプを色のオーバーレイで示した、血管療法の指示における表現型決定目的の例示的な適用である。左のパネルは、プラーク病変の物理的特性に基づいて、プラーク病巣の動的挙動の可能性に応じてラベル付けを行う例を示し、右図は、分類結果を患者の治療指導に利用した例を示す。例示的なマッピングは、「I」、「II」、「III」、「IV」、「V」、「VI」、「VII」、「VIII」]であり、class_map=[不顕性、不顕性、不顕性、不顕性、不顕性、不安定、不安定、安定、安定]をもたらす。この方法は、Staryとは結び付けられていない。例えば、Virmaniシステム[「石灰化結節」、「CTO」、「FA」、「FCP」、「治癒プラーク破裂」、「PIT」、「IPH」、「破裂」、「TCFA」、「ULC」]は、class_map=[安定、安定、安定、安定、安定、安定、不安定、不安定、不安定、不安定]で使用されており、他の型決定システムでも同様に高い性能が得られる可能性がある。例示的な実施形態では、本開示のシステムおよび方法は、異種の型検査システムをマージしてもよく、クラスマップを変更してもよく、または他の変形例があってもよい。FFR表現型の場合、例えば物理的FFRとの比較を容易にするために、正常または異常などの値が使用されてもよく、および/または数値が使用されてもよい。 Figure 19 is an exemplary application of phenotyping purposes in vascular therapy prescription, using the AHA-adopted Stary plaque typing system as an underlay, with in vivo determined types shown as color overlay. The left panel shows an example of labeling according to the likely dynamic behavior of plaque lesions based on the physical properties of the plaque lesions, and the right panel shows an example of using the classification results to guide patient treatment. An exemplary mapping is "I", "II", "III", "IV", "V", "VI", "VII", "VIII"], resulting in class_map = [occult, occult, occult, occult, occult, unstable, unstable, stable, stable]. This method is not tied to Stary. For example, the Virmani system ["calcified nodule", "CTO", "FA", "FCP", "healed plaque rupture", "PIT", "IPH", "rupture", "TCFA", "ULC"] has been used with class_map = [stable, stable, stable, stable, stable, stable, unstable, unstable, unstable, unstable], and other typing systems may perform similarly well. In an exemplary embodiment, the disclosed system and method may merge disparate typing systems, change the class map, or have other variations. In the case of FFR phenotypes, values such as normal or abnormal may be used, and/or numeric values may be used, for example to facilitate comparison with physical FFR.
図20は、肺癌などの別の疾患の例である。この例では、腫瘤のサブタイプは、顕在表現型に基づいて患者にとって最も有益な治療を指示するように決定され得る。 Figure 20 is an example of another disease, such as lung cancer. In this example, a subtype of the mass can be determined to direct the most beneficial treatment for the patient based on the manifestation phenotype.
CNNは、分析物の面積測定値に含まれない(のみ)に含まれていない空間的コンテキストを抽出するフィルタを含むので、CNNは読み取り値ベクトル分類よりも優れた性能を発揮することが期待される。訓練セットが減少したにもかかわらず、CNNを使用するのは、以下の理由から実用的であり得る。
1)大幅に異なる代替療法に対応するクラスは比較的少ない(エクスビボ組織を必要とする研究アッセイで行われるように完全に粒状ではない)、例えば分類問題の3つの表現型、転帰予測/リスク層別化問題の3つのリスクレベルがあるので、問題は一般的に簡単になる。
2)例えば、レベルセットまたは他のアルゴリズムクラスによる分析物領域の偽色領域への処理は、セグメンテーションを生成し、簡略化された、しかしかなり補強されたデータセットで分類器を提示することによって、画像解釈のかなりの部分を実施する。測定可能なパイプライン段階は、データの次元を減らし(CNNが分解しなければならない問題の複雑さを低減する)と同時に、検証可能な中間値を提供し、これによりパイプライン全体の信頼性を高めることができる。
3)正規化された座標系を使用してデータを再フォーマットすると、分類に実質的な影響を与えない変数(プラーク表現型決定の例の血管サイズなど)に起因するノイズの変動が除去される。
Since the CNN contains filters that extract spatial context that is not (only) contained in the area measurements of the analyte, the CNN is expected to outperform the reading vector classification. Despite the reduced training set, using the CNN may be practical for the following reasons.
1) The problems are generally simplified since there are relatively few classes corresponding to drastically different alternative therapies (not completely granular as is done in research assays requiring ex vivo tissue), e.g., three phenotypes for a classification problem, three risk levels for an outcome prediction/risk stratification problem.
2) Processing of analyte regions into false color regions, for example by level sets or other algorithm classes, performs a significant part of the image interpretation by producing segmentations and presenting classifiers on a simplified, but significantly augmented, dataset. Scalable pipeline stages reduce the dimensionality of the data (reducing the complexity of the problem that the CNN must decompose) while providing intermediate values that can be verified, thereby increasing the reliability of the entire pipeline.
3) Reformatting the data using a normalized coordinate system removes noise variations due to variables that do not substantially affect the classification (such as vessel size in the plaque phenotyping example).
このアイデアをテストするために、次の3つの段階で構成されるパイプラインが構築された。
1)バイオマスのどの領域が特定のクラスに分類されるかを識別するためのセマンティックセグメンテーション
2)静脈/動脈の断面を長方形に変換するための空間アンラッピング、および
3)注釈付けされた長方形を読み取り、それに関連するクラス(安定または不安定)を識別するための訓練されたCNN。
To test this idea, a three-stage pipeline was constructed:
1) Semantic segmentation to identify which regions of the biomass fall into a particular class; 2) spatial unwrapping to convert the cross sections of the veins/arteries into rectangles; and 3) a trained CNN to read the annotated rectangles and identify their associated class (stable or unstable).
一般性を損なうことなく、本明細書に記載される例示的なシステムおよび方法は、空間アンラップを適用することができる(例えば、(アンラップされたデータセット)空間アンラッピングを伴う、および(ドーナツデータセット)空間アンラッピングを伴わないCNNの訓練およびテスト)。アンラッピングは、検証精度を改善させることが観察された Without loss of generality, the exemplary systems and methods described herein can apply spatial unwrapping (e.g., training and testing CNNs with spatial unwrapping (unwrapped dataset) and without spatial unwrapping (donut dataset). Unwrapping has been observed to improve validation accuracy.
セマンティックセグメンテーションおよび空間アンラッピング:
まず、画像体積を前処理する。この前処理には、標的の初期化、正規化、および表現型決定される生理学的標的を含む関心領域を形成するためのぼけ除去または復元などの他の前処理が含まれてもよい。当該領域は、その体積を通る断面から構成される体積である。身体部位は自動的に決定されるか、またはユーザによって明示的に提供される。本質的に管状である身体部位の標的は、中心線を伴う。中心線は、存在する場合、分岐し得る。分岐には、自動的に、またはユーザによってラベル付けされてもよい。中心線の概念に関する一般化は、管状ではないが、いくつかの構造的指向性、例えば腫瘍の領域によって利益を得る解剖学的構造について表現され得る。いずれの場合も、体積の断面ごとに重心が決定される。管状構造の場合、重心はチャネルの中心、例えば血管の内腔になる。病巣の場合、これが腫瘍の重心になる。
Semantic segmentation and spatial unwrapping:
First, the image volume is preprocessed. This preprocessing may include target initialization, normalization, and other preprocessing such as deblurring or restoration to form a region of interest that contains the physiological target to be phenotyped. The region of interest is a volume composed of cross sections through the volume. The body part is determined automatically or explicitly provided by the user. Body part targets that are tubular in nature are accompanied by a centerline. The centerline may branch, if present. The branches may be labeled automatically or by the user. A generalization regarding the concept of a centerline may be expressed for anatomical structures that are not tubular but benefit from some structural orientation, e.g., regions of tumors. In both cases, a centroid is determined for each cross section of the volume. For tubular structures, the centroid will be the center of a channel, e.g., the lumen of a blood vessel. For lesions, this will be the centroid of the tumor.
図21は、例示的な画像前処理ステップの表現であり、この場合、患者固有の点広がり決定アルゴリズムを使用して、表現型を予測する特性を決定する能力を低下させる可能性のある画像形成プロセスから生じるアーチファクトまたは画像制限を軽減するぼけ除去または復元する。この図は、CTからのプラークの放射線分析アプリケーション分析の一部分を実証している。ここに示されているのは、画像の異なる領域の真の潜在密度に関する想定を正規化して、スキャナ点広がり関数の物理モデルを反復的にフィッティングした結果である、ぼけ除去または復元された画像である。この図は、定量的ステップを実施する能力を支援するために様々な画像処理操作を実施できることを説明するために含まれており、この方法が本開示の特定の発明に必要であることを示すものではなく、むしろ全体的な性能を改善するために取られる可能性のあるステップの例である。 Figure 21 is a representation of an exemplary image pre-processing step, in this case deblurring or restoring using a patient-specific point spread determination algorithm to mitigate artifacts or image limitations resulting from the imaging process that may reduce the ability to determine features predictive of phenotype. This figure demonstrates a portion of a radiology application analysis of plaque from CT. Shown here is a deblurred or restored image that is the result of iteratively fitting a physical model of the scanner point spread function with normalized assumptions regarding the true underlying density of different regions of the image. This figure is included to illustrate that various image processing operations can be performed to aid in the ability to perform quantitative steps, and is not intended to indicate that this method is required for the particular invention of this disclosure, but rather is an example of steps that may be taken to improve overall performance.
(任意選択でぼけ除去または復元された)画像は、直交データセットで表現され、ここで、xは重心からの距離を表現し、yは回転シータを表現し、zは断面を表現する。このような直交セットは、分岐または領域につき1つ形成されることになる。複数のセットが使用される場合、「ヌル」値が重なり合う領域に使用されることになり、つまり、各物理ボクセルは、幾何学的に互いに適合するような方法で、セット全体で1回だけ表現されることになる。各データセットは、客観的に検証可能な組織組成によってラベル付けされたサブ領域を有する追加のデータセットとペアになる(例えば、図36を参照)。血管組織のラベルの例としては、内腔、石灰化、LRNCなどを挙げることができる。病巣のラベルの例としては、壊死性、新生血管化などを挙げることができる。これらのラベルは、客観的に、例えば組織学などによって検証することができる(例えば、図37を参照)。ペアのデータセットは、畳み込みニューラルネットワークを構築するための訓練ステップへの入力として使用すされることになる。2つのレベルの分析がサポートされており、1つは個々の断面レベルでの分析であり、任意選択で出力が隣接する断面間で連続的に変化する場合、もう1つは、体積レベルでの分析(個々の断面は静止フレームとみなされる場合があり、血管ツリーの走査は、動画のように考えられる)である。 The (optionally deblurred or restored) images are represented in an orthogonal dataset, where x represents the distance from the centroid, y represents the rotation theta, and z represents the cross-section. One such orthogonal set will be formed per branch or region. If multiple sets are used, "null" values will be used for overlapping regions, i.e., each physical voxel will be represented only once across the sets in such a way that they geometrically fit together. Each dataset will be paired with an additional dataset with sub-regions labeled by objectively verifiable tissue composition (see, e.g., FIG. 36). Examples of vascular tissue labels include lumen, calcification, LRNC, etc. Examples of lesion labels include necrotic, neovascularized, etc. These labels can be objectively verified, e.g., by histology (see, e.g., FIG. 37). The paired dataset will be used as input to a training step for building a convolutional neural network. Two levels of analysis are supported: analysis at the level of individual slices, optionally where the output varies continuously between adjacent slices, and analysis at the volumetric level (where individual slices may be considered as still frames, and the scan of the vascular tree is thought of as a movie).
例示的なCNN設計:
AlexNetはCNNであり、2012年にImageNet Large Scale Visual Recognition Challengeに参加した。このネットワークは15.3%のトップ5エラーを達成した。AlexNetは、当時トロント大学のAlex Krizhevsky、Geoffrey Hinton、Ilya SutskeverからなるSupervisionグループによって設計された。AlexNetは、独立した画像のセットを分類するためにゼロから訓練された(ネットワーク訓練中の訓練および検証ステップでは使用されない)。アンラップデータには、400x200ピクセルの入力を有するAlexNetスタイルのネットワークが使用され、ドーナツネットワークは280x280ピクセルの入力を有するAlexNetスタイルである(解像度はほぼ同じであるが、アスペクト比が異なる)。すべての畳み込みフィルタ値は、ImageNetデータセットで訓練されたAlexNetから取得された重みで初期化された。ImageNetデータセットは自然な画像データセットであるが、これは単に重みの初期化の効果的な方法として機能する。訓練が開始されると、すべての重みが新しいタスクによりよくフィッティングするように調整される。訓練スケジュールのほとんどは、オープンソースのAlexNet実装から直接取得されたが、ある程度の調整が必要であった。具体的には、AlexNetドーナツネットワークとAlexNetアンラップネットワークとの両方で、基本学習率が0.001(solver.prototxt)に低減され、バッチサイズが32(train_val.prototxt)に低減された。すべてのモデルは10,000回の反復で訓練され、2,000回の反復まで訓練されたときにスナップショットと比較された。オーバーフィットに関するより詳細な研究を行うことをできるが、一般に、訓練と検証との両方のエラーが2,000~10,000の反復で減少することがわかった。
Exemplary CNN Design:
AlexNet is a CNN that participated in the ImageNet Large Scale Visual Recognition Challenge in 2012. The network achieved a top-5 error of 15.3%. AlexNet was designed by the Supervision group, then consisting of Alex Krizhevsky, Geoffrey Hinton, and Ilya Sutskever at the University of Toronto. AlexNet was trained from scratch to classify an independent set of images (not used in the training and validation steps during network training). For the unwrapped data, an AlexNet-style network with 400x200 pixel input was used, and the donut network is an AlexNet-style with 280x280 pixel input (approximately the same resolution, but different aspect ratio). All convolution filter values were initialized with weights taken from AlexNet trained on the ImageNet dataset. Although the ImageNet dataset is a natural image dataset, this simply serves as an effective method of weight initialization. Once training begins, all weights are adjusted to better fit the new task. Most of the training schedule was taken directly from the open source AlexNet implementation, but some adjustments were required. Specifically, for both the AlexNet donut network and the AlexNet unwrapped network, the base learning rate was reduced to 0.001 (solver.prototxt) and the batch size was reduced to 32 (train_val.prototxt). All models were trained for 10,000 iterations and compared to snapshots when trained up to 2,000 iterations. Although a more detailed study on overfitting can be performed, in general, we found that both training and validation errors decreased between 2,000 and 10,000 iterations.
代替の機能拡張子(接頭辞)は、以下のものを含むこともある。
・ResNet-https://arxiv.org/abs/1512.03385
・GoogLeNet-https://www.cs.unc.edu/~wliu/papers/GoogLeNet.pdf
・ResNext-https://arxiv.org/abs/1611.05431
・ShuffleNet V2-https://arxiv.org/abs/1807.11164
・MobileNet V2-https://arxiv.org/abs/1801.04381
Alternative feature extensions (prefixes) may include the following:
・ResNet-https://arxiv. org/abs/1512.03385
・GoogleLeNet-https://www. cs. unc. edu/~wliu/papers/GoogLeNet. pdf
・ResNext-https://arxiv. org/abs/1611.05431
・ShuffleNet V2-https://arxiv. org/abs/1807.11164
・MobileNet V2-https://arxiv. org/abs/1801.04381
断面間のフレーム間冗長性(「時間的」冗長性と呼ばれることもあるが、我々の場合は断面間冗長性の一形態である)などの実行時最適化は、計算量を節約するために活用することができる(例えば、http://arxiv.org/abs/1803.06312)。訓練または推論のための多くの最適化を実装することができる。 Runtime optimizations such as inter-frame redundancy between cross sections (sometimes called "temporal" redundancy, but in our case it is a form of inter-section redundancy) can be exploited to save computation (e.g., http://arxiv.org/abs/1803.06312). Many optimizations for training or inference can be implemented.
例示的なテストの実装では、AlexNetは、VおよびVIの組織学的グラウンドトゥルースプラークタイプに基づいて、臨床的に有意な2つのカテゴリ、例えば「不安定な」プラークと「安定した」プラークとの間で独立した画像セットを分類するように訓練された。後者には、米国心臓協会(AHA)によって承認された業界の事実上の標準的なプラーク分類命名法に従うプラークタイプVIIおよびVIIIが含まれている。 In an exemplary test implementation, AlexNet was trained to classify an independent set of images between two clinically significant categories, e.g., "unstable" and "stable" plaque, based on histological ground truth plaque types V and VI. The latter includes plaque types VII and VIII, which follow the industry de facto standard plaque classification nomenclature endorsed by the American Heart Association (AHA).
一般性を損なうことなく、示された例では、全体の精度と混同行列との両方を利用して性能を評価した。この形式は、二項分類システムで4つの可能性、つまり、真陽性、真陰性、偽陽性、偽陰性を計算するという概念に基づいていた。例示的な実施形態では、他の転帰変数を使用することができるが、例えば、転帰変数として感度および特異性、またはF1スコア(精度および感度の調和平均)を利用することができる。代替的に、AUC特性を二項分類器に対して計算することもできる。さらに、分類器はバイナリに基づいていなくてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、分類器は、3つ以上の可能な状態に基づいてソートすることができる。 Without loss of generality, in the examples shown, both the overall accuracy and the confusion matrix were utilized to evaluate performance. This format was based on the concept of calculating four possibilities in a binary classification system: true positive, true negative, false positive, and false negative. Exemplary embodiments may utilize, for example, sensitivity and specificity as outcome variables, or F1 score (harmonic mean of accuracy and sensitivity), although other outcome variables may be used. Alternatively, AUC characteristics may be calculated for binary classifiers. Additionally, classifiers need not be binary based. For example, in some embodiments, classifiers may be sorted based on more than two possible states.
データセットの拡張:
医師の注釈付けされたデータは高価であるため、医療データセットを人為的に増加させることが望ましい(例えば、訓練および/または検証で使用するため)。本明細書に記載される例示的な実施形態では、2つの異なる拡張技術を使用した。ドーナツは水平方向にランダムに反転し、0~360のランダムな角度に回転した。結果として得られた回転ドーナツを、ドーナツが存在する範囲に切り取り、次に、正方形のアスペクト比を持つように画像を埋めるために黒いピクセルでパディングした。次に、結果を280x280サイズにスケーリングし、PNGに保存した。
Expanding the dataset:
Because physician annotated data is expensive, it is desirable to artificially augment medical datasets (e.g., for use in training and/or validation). In the exemplary embodiment described herein, two different augmentation techniques were used: the donut was randomly flipped horizontally and rotated to a random angle between 0 and 360. The resulting rotated donut was cropped to the extent the donut was in, and then padded with black pixels to fill the image to have a square aspect ratio. The result was then scaled to a size of 280x280 and saved to a PNG.
アンラップデータセットは、ランダムに水平方向に反転することによって拡張し、0から画像の幅までの範囲のランダムな数のピクセルによって「スクロール」した。次に、結果を400x200サイズにスケーリングし、PNGに保存した。 The unwrapped dataset was expanded by randomly flipping it horizontally and "scrolling" it by a random number of pixels ranging from 0 to the width of the image. The result was then scaled to a size of 400x200 and saved to a PNG.
両方のデータセットを15倍に増加させた。これにより、拡張後の画像の総数は元の数の15倍になる。クラスの正規化を実装した。つまり、最終的なデータセットには、各クラスに関連する画像の数がほぼ同じになる。各クラスの元の画像数が異なる可能性があるため、これは重要である。したがって、訓練セット内の画像数が多いクラスに分類器はバイアスがかけられる。 We augmented both datasets by a factor of 15, so that the total number of images after augmentation is 15 times the original number. We implemented class normalization, which means that the final datasets will have roughly the same number of images associated with each class. This is important because the original number of images for each class can differ, so the classifier will be biased towards classes with a higher number of images in the training set.
一般性を損なうことなく、注釈を実施した各放射線科医は、任意の数の組織タイプを使用することができる。 Without loss of generality, each radiologist performing the annotation may use any number of tissue types.
図22は、本発明の態様を実証するために使用された例示的な適用を示し、この場合、動脈硬化性プラーク表現型分類の分類(例として特定の対象データを使用する)のためのものである。異なる色は異なる組織分析物の種類を表現し、濃い灰色は通常の壁を示す。この図は、プラーク表現型を示す組織特性のグラウンドトゥルース注釈の結果、および血管の軸に直交する断面にそれらがどのように存在するかについての空間的コンテキストを示している。この図はまた、多数の組織学的断面の分析に共通の基礎を提供するために開発された座標系も示している。座標系(接線距離対半径距離)を実証するためにグリッド線を追加し、色分けされた病理医の注釈の上にオーバーレイする。これの重要な側面は、この種のデータセットは、高解像度のフル画像の代わりに比較的単純な偽色画像を使用して情報を単純化するが、空間的コンテキストを失うことなく、例えば、「ナプキンリングサイン」、近傍内腔カルシウム、薄い(または厚い)キャップ(LRNCと内腔との間の間隔)などの表現のための形式的な表現を有することから、深層学習アプローチで効率的に使用される可能性があるということである。 Figure 22 shows an exemplary application used to demonstrate aspects of the invention, in this case for classification of atherosclerotic plaque phenotype classification (using specific subject data as an example). Different colors represent different tissue analyte types, with dark grey representing normal wall. The figure shows the results of ground truth annotation of tissue features indicative of plaque phenotype, and the spatial context of how they are present in cross sections perpendicular to the axis of the vessel. The figure also shows the coordinate system developed to provide a common basis for the analysis of multiple histological cross sections. Grid lines are added to demonstrate the coordinate system (tangential distance vs. radial distance), overlaid on top of the color-coded pathologist annotations. The important aspect of this is that this kind of dataset may be efficiently used with deep learning approaches, since it simplifies the information using relatively simple false color images instead of high resolution full images, but without losing spatial context, and has formal representations for representations such as the "napkin ring sign", near luminal calcium, thin (or thick) cap (spacing between LRNC and lumen), etc.
図23は、単位フェーザを使用して内部的に表現された接線方向および半径方向の変数を示しており、ここでは、グレースケールでコード化されたフェーザ角度を示されており、これは、血管およびそのような構造(例えば、胃腸管)に関連付けられた他の病態生理に関連する管状構造の正規化された軸の使用を例示している。黒色から白色への垂直バーは、グレースケールエンコーディングに起因して純粋に任意の境界であり、正規化された半径距離は、内腔境界で0の値、外側境界で1の値を有することに留意されたい。 Figure 23 shows tangential and radial variables represented internally using unit phasors, here with phasor angles coded in grayscale, illustrating the use of normalized axes for tubular structures relevant to blood vessels and other pathophysiology associated with such structures (e.g., the gastrointestinal tract). Note that the black to white vertical bars are purely arbitrary boundaries due to the grayscale encoding, and the normalized radial distance has a value of 0 at the luminal boundary and a value of 1 at the outer boundary.
図24は、病理医が組織学から生成した注釈(実線の領域)の上に、CTAから生成した注釈(塗りつぶされていない色の輪郭)を重ね合わせた例示的な放射線分析アプリケーションの例示的なオーバーレイを示している。本明細書に提示されるシステムおよび方法の例示的な態様は、分類器が既知のグラウンドトゥルースで訓練される場合に、表現型を非侵襲的に決定するために、インビボ非侵襲的イメージングを形成する輪郭を分類スキームとともに使用できることである。具体的には、(対応関係を示すために提供されるこの特定の区分のためのエクスビボ注釈との関係を曖昧にしないように)この図に塗りつぶされていない示されている輪郭を塗りつぶすと、分類器のための入力データが作成される。 Figure 24 shows an exemplary overlay of an exemplary radiology application that superimposes annotations generated from CTA (unfilled colored contours) over annotations generated by a pathologist from histology (solid areas). An exemplary aspect of the systems and methods presented herein is that the contours that form the in vivo non-invasive imaging can be used with a classification scheme to non-invasively determine phenotypes when the classifier is trained with a known ground truth. Specifically, filling in the contours shown unfilled in this figure (so as not to obscure the relationship with the ex vivo annotations for this particular segment that are provided to show the correspondence) creates input data for the classifier.
図25は、具体的には、壁の厚さおよび半径方向の提示に関連付けられた無関係な変動を回避するために正規化された座標系を利用する、データ補強のさらなるステップを実証する。具体的には、「ドーナツ」は、病理医の注釈を保持しながら「アンラップ」される。左のパネルは、切り開いた「C」形状を無傷の血管壁のインビボ「O」形状に戻すためにモーフィングした後のプラークの組織学的スライスの病理医の領域注釈を示している。横軸は壁の周りの接線方向である。縦軸は正規化された半径方向である(下部は内腔表面、上部は外側表面である)。また、病理医の注釈のより細かい粒度は、インビボ放射線分析アプリケーション(例えば、LRNC、CALC、IPH)による抽出を目的とした粒度と一致するように折りたたまれていることに留意されたい。右のパネルは、比較可能なアンラップされた放射線分析アプリケーションの注釈を示している。軸および色は病理医の注釈と同じである。 Figure 25 demonstrates a further step in data augmentation, specifically utilizing a normalized coordinate system to avoid extraneous variations associated with wall thickness and radial presentation. Specifically, the "donut" is "unwrapped" while preserving the pathologist's annotations. The left panel shows the pathologist's region annotations of a histological slice of plaque after morphing the cut-out "C" shape back to the in vivo "O" shape of the intact vessel wall. The horizontal axis is the tangential direction around the wall. The vertical axis is the normalized radial direction (lower is the luminal surface, upper is the outer surface). Also note that the finer granularity of the pathologist's annotations has been collapsed to match the granularity intended for extraction by in vivo radiology applications (e.g., LRNC, CALC, IPH). The right panel shows the comparable unwrapped radiology application annotations. Axes and colors are the same as the pathologist's annotations.
図26は、プラーク表現型決定の例に関連する次の改良点を表現している。アンラップされた形式から作業すると、内腔の不規則性(例えば、潰瘍化または血栓の結果として)および局所的に変化する壁の厚さが表現される。下部の薄い灰色は内腔を表現し(内腔表面の不規則性を表現するためにこのステップで追加される)、前のステップで使用された黒色は、様々な壁の厚さを表現するために、ここで濃い灰色に置き換えられる。色は壁の外側の領域を完全に表現する。 Figure 26 depicts the next refinement related to the plaque phenotyping example. Working from the unwrapped form, the lumen irregularities (e.g. as a result of ulceration or thrombus) and the locally varying wall thickness are depicted. The light grey at the bottom represents the lumen (added in this step to represent the irregularities of the luminal surface), and the black used in the previous step is now replaced by a dark grey to represent the varying wall thickness. The colours completely represent the outer regions of the wall.
図27は、例えば、プラーク内出血および/または必要に応じて他の形態の側面を含むように、追加の例を表現する(例として特定の対象データを使用する)。左のパネルはドーナツの表現を示し、右のパネルは内腔表面および局所的な壁の厚さでアンラップされた状態を示している。 Figure 27 depicts additional examples (using specific subject data as examples) to include aspects of, for example, intraplaque hemorrhage and/or other morphologies as desired. The left panel shows a representation of the donut, and the right panel shows it unwrapped with the luminal surface and local wall thickness.
テストしたCNNの例には、AlexNetおよびInceptionフレームワークに基づくCNNが含まれていた。 Example CNNs tested included CNNs based on the AlexNet and Inception frameworks.
AlexNetの結果:
テストした実施形態の例では、畳み込みフィルタ値を、ImageNet(ここでは引用)データセットで訓練されたAlexNetから取得された重みで初期化した。ImageNetデータセットは自然な画像データセットであるが、これは単に重みの初期化の効果的な方法として機能する。訓練が開始されると、すべての重みが新しいタスクによりよくフィッティングするように調整される。
AlexNet results:
In the example embodiment tested, the convolution filter values were initialized with weights taken from AlexNet trained on the ImageNet (cited here) dataset. Although the ImageNet dataset is a natural image dataset, this simply serves as an effective way of initializing the weights. Once training begins, all weights are adjusted to better fit the new task.
訓練スケジュールのほとんどは、オープンソースのAlexNet実装から直接取得されたが、ある程度の調整が必要であった。具体的には、AlexNetドーナツネットワークとAlexNetアンラップネットワークとの両方で、基本学習率が0.001(solver.prototxt)に低減され、バッチサイズが32(train_val.prototxt)に低減された。 Most of the training schedules were taken directly from the open source AlexNet implementation, but some adjustments were required. Specifically, for both the AlexNet donut network and the AlexNet unwrapped network, the base learning rate was reduced to 0.001 (solver.prototxt) and the batch size was reduced to 32 (train_val.prototxt).
すべてのモデルは10,000回の反復で訓練され、2,000回の反復まで訓練されたときにスナップショットと比較された。オーバーフィットに関するより詳細な研究を行うことをできるが、一般に、訓練と検証との両方のエラーが2,000~10,000の反復で減少することがわかった。 All models were trained for 10,000 iterations and compared to snapshots when trained up to 2,000 iterations. A more detailed study on overfitting can be done, but in general we found that both training and validation errors decreased between 2,000 and 10,000 iterations.
まったく新しいAlexNetネットワークモデルを、2人の主要な病理学者のグラウンドトゥルース結果の4つの異なる組み合わせ、画像の2つの異なる処理方法(上記を参照)、およびアンラップ画像およびドーナツ画像についてゼロから訓練した。結果を図28に示す。各データセットのバリエーションでは、クラス正規化を有効にして、訓練データを15倍に拡張した。ネットワークは、この拡張データで訓練され、そのバリエーションに対応する対応する拡張されていない検証データでテストした。アンラップデータには、400x200ピクセルの入力を有するAlexNetスタイルのネットワークが使用され、ドーナツネットワークは280x280ピクセルの入力を有するAlexNetスタイルである(解像度はほぼ同じであるが、アスペクト比が異なる)。テスト実施形態では、従来の層および完全に接続された層の寸法を変更したことに留意されたい。したがって、AlexNetテストの実施形態のネットワークは、5つの畳み込み層、3つの完全に接続された層のネットワークとして説明することができる。一般性を損なうことなく、これらの結果から示されるいくつかの高レベルの結論を以下に示す。
1)WN_RVデータセットを除いて、アンラップされたデータは、全体的に高い検証精度を受け取るため、データの分析が容易であるように思われる
2)正規化されていないデータは、予想どおり、より表現的なものであることが実証される。
3)WN_RVデータセットに関して、当初のアイデアは、WNおよびRVの真理データをプールして、型決定システムの互換性およびセットをマージできる程度を確認することであった。そうすることで、WNおよびRVのデータに有意差が観察された。WN_RV実験の本来の目的は、複数の病理学者からの訓練データをプールして、その情報が有効性に寄与するかどうかを確認することであった。代わりに、改善というよりはむしろ劣化が観察された。これは、そのようなデータのプール化を妨げた配色の変化によるものと決定された。したがって、プール化を有効にするために配色を正規化することを検討することができる。
An entirely new AlexNet network model was trained from scratch on four different combinations of ground truth results from two leading pathologists, two different ways of processing the images (see above), and on the unwrapped and donut images. The results are shown in Figure 28. For each dataset variation, the training data was augmented by 15x with class normalization enabled. The network was trained on this augmented data and tested on the corresponding unaugmented validation data corresponding to that variation. For the unwrapped data, an AlexNet-style network with 400x200 pixel input was used, and the donut network is AlexNet-style with 280x280 pixel input (approximately the same resolution, but different aspect ratio). Note that in the test embodiment, we changed the dimensions of the traditional and fully connected layers. Thus, the network of the AlexNet test embodiment can be described as a 5 convolutional, 3 fully connected layer network. Without loss of generality, some high-level conclusions that are implied from these results are presented below.
1) With the exception of the WN_RV dataset, the unwrapped data appears easier to analyze as it receives a higher validation accuracy overall; 2) The unnormalized data proves to be more representative, as expected.
3) Regarding the WN_RV dataset, the original idea was to pool the truth data of WN and RV to see the compatibility of the typing systems and the extent to which the sets could be merged. In doing so, significant differences were observed in the WN and RV data. The original purpose of the WN_RV experiment was to pool training data from multiple pathologists to see if that information would contribute to efficacy. Instead, a degradation rather than an improvement was observed. This was determined to be due to a change in the color scheme that prevented such data from being pooled. Thus, one could consider normalizing the color scheme to enable pooling.
代替ネットワークの例:開始:
Inception v3 CNNの転移学習の再訓練は、2016年8月8日バージョンのネットワークがTensorFlowサイトにアップロードされて公開されたものから開始された。ネットワークは10,000ステップで訓練された。訓練セットおよび検証セットは、画像の拡張によって画像の数が正規化されたため、両方のサブセットが同じ数の注釈付けされた画像になった。他のすべてのネットワークパラメータは、デフォルト値であるとみなされた。
Alternative network example: Start:
Transfer learning retraining of the Inception v3 CNN was started from the August 8, 2016 version of the network uploaded and published on the TensorFlow site. The network was trained for 10,000 steps. The training and validation sets were normalized in number of images by image augmentation so that both subsets had the same number of annotated images. All other network parameters were assumed to be default values.
事前に訓練されたCNNを使用して、最後の畳み込み層からの出力を使用してイメージング特徴を分類することができ、これは、Google Inception v3CNNの場合は2048×2の次元の数値テンソルである。次に、オブジェクトを認識するようにSVM分類器を訓練する。このプロセスは典型的に、画像の新しいカテゴリを認識するために、ImageNet 2014データセットで最初に訓練されたモデルの最後のsoftmaxレイヤが削除され、再訓練される転移学習および微調整のステップの後に、Inceptionモデルで実施する。 A pre-trained CNN can be used to classify imaging features using the output from the last convolutional layer, which in the case of Google Inception v3 CNN is a numerical tensor of dimensions 2048x2. An SVM classifier is then trained to recognize objects. This process is typically performed on an Inception model after a transfer learning and fine-tuning step where the last softmax layer of a model initially trained on the ImageNet 2014 dataset is removed and retrained to recognize new categories of images.
代替の実施形態:
図29は、癌の可能性のある肺病巣を表現型決定するための代替例を提供している。左端のパネルは、セグメンテーションされた病巣の輪郭を示しており、前処理により、固体と半固体(「すりガラス」)のサブ領域に分離されている。中央のパネルは肺内での位置を示し、右端のパネルは偽色のオーバーレイで示される。この場合、病巣の三次元の性質が重要であるとみなされる可能性が高いため、二次元断面を別々に処理する代わりに、コンピュータビジョンからのビデオ解釈などの技術を分類子入力データセットに適用してもよい。実際、中心線に沿った「動画」シーケンスのように、複数の断面を順次処理することで、管状構造のこれらの方法を一般化することができる。
Alternative embodiments:
FIG. 29 provides an alternative example for phenotyping potentially cancerous lung lesions. The leftmost panel shows the segmented lesion outline, separated by preprocessing into solid and semi-solid ("ground glass") subregions. The middle panel shows its location within the lung, and the rightmost panel shows it with a false color overlay. In this case, the three-dimensional nature of the lesion is likely to be considered important, so instead of processing two-dimensional slices separately, techniques such as video interpretation from computer vision may be applied to the classifier input dataset. Indeed, these methods can be generalized for tubular structures by processing multiple slices sequentially, such as a "movie" sequence along the centerline.
別の一般化は、偽の色が個別のパレットから選択されず、代わりにピクセルまたはボクセルの位置で連続値を有する場合である。肺の例を使用して、図30は、各ボクセルに対して算出できる、いわゆる「ラジオミクス」機能と呼ばれることもある一連の機能を示している。このような値のセットは、任意の数の前処理されたオーバーレイに存在してもよく、表現型分類器に供給されてもよい。 Another generalization is when the false colors are not chosen from a discrete palette, but instead have continuous values at the pixel or voxel location. Using the lung example, Figure 30 shows a set of features, sometimes called "radiomics" features, that can be calculated for each voxel. Such a set of values may be present in any number of pre-processed overlays and may be fed into a phenotypic classifier.
他の代替の実施形態は、単一の時点からの(唯一の)データではなく、例えば、複数の時点から収集されたような変更データを使用することを含む。例えば、陰性細胞型の量または性質が増加した場合、それは、減少した場合の「リグレッサー」表現型に対して、「プログレッサー」表現型であると言うことができる。リグレッサーは、例えば、薬物への反応が原因である可能性がある。代替的に、例えば、LRNCの変化率が速い場合、これは、異なる表現型を意味してもよい。デルタ値または変化率を使用するための例の拡張は、当業者には明らかである。 Other alternative embodiments include using change data, e.g., collected from multiple time points, rather than (only) data from a single time point. For example, if the amount or quality of a negative cell type increases, it can be said to be a "progressor" phenotype, as opposed to a "regressor" phenotype if it decreases. A regressor may be due, for example, to a response to a drug. Alternatively, if the rate of change, e.g., of the LRNC, is fast, this may mean a different phenotype. Extensions of the examples to use delta values or rates of change will be apparent to those skilled in the art.
追加の代替の実施形態では、他のアッセイ(例えば、実験室の結果)、人口統計学/リスク要因、または放射線画像から得られた他の測定値から導出されるような非空間情報を、CNNの最終層に供給して、空間情報を非空間情報と組み合わせてもよい。また、イメージング時の完全な3D座標の推論によって、分岐部または吻合部などの参照からの血管に沿った1つ以上の特定の位置での読み取りを伴う圧力線の使用などの局所的な情報を決定してもよい。 In additional alternative embodiments, non-spatial information, such as derived from other assays (e.g., laboratory results), demographics/risk factors, or other measurements taken from radiology images, may be fed into the final layer of the CNN to combine the spatial information with the non-spatial information. Also, localized information, such as the use of pressure lines with readings at one or more specific locations along the vessel from a reference such as a bifurcation or anastomosis, may be determined by inference of the full 3D coordinates at the time of imaging.
これらの例の焦点は表現型分類にあったが、本発明のさらなる実施形態として、同様のアプローチを転帰予測の問題に適用することができる。 Although the focus of these examples has been on phenotyping, as a further embodiment of the present invention, a similar approach can be applied to the problem of outcome prediction.
例示的な実装:
本開示のシステムおよび方法は、有利には、複数の段階からなるパイプラインを含み得る。図34は、階層分析フレームワークのさらなる例示的な実装を提供する。生物学的性状は、生物学的性状を、例示的な適用では、脂質に富んだ壊死性コア、キャップの厚さ、狭窄、拡張、再モデリング比、蛇行(例えば、入口角および出口角)、石灰化、IPH、および/または潰瘍化を単独または組み合わせて識別するために、セマンティックセグメンテーションによって識別および定量化される。生物学的性状は、数値的に、また補強されたデータセットにおいて表現され、このデータセットは、静脈/動脈断面を長方形に変換し、次いで、病状(例えば、g、虚血を引き起こす部分血流予備量比FFR、高リスク表現型HRP、および/またはリスク層別化時間から事象(TTE)までを変換し、訓練されたCNN(複数可)を使用して補強されたデータセットを読み取って、状態を識別し、特徴付けるための空間的アンラッピングを伴う。患者の画像が収集され、生のスライスデータは、客観的に検証され得る生物学的性状を測定するためのアルゴリズムのセットで使用され、これらは、次いで、1つ以上のCNNを供給するために補強されたデータセットとして形成され、この例では、結果は、制約を実装するか、または連続的な条件(例えば、血管ツリー全体で近位から遠位への単調に減少する部分血流予備量比、または焦点病巣における一定のHRP値、または他の制約など)を作成するために再帰CNNを使用して前方および後方に伝播される。HRPのグラウンドトゥルースデータは、エクスビボで決定された所与の断面におけるプラークタイプを専門の病理医が決定したものとして存在する場合がある。FFRのグラウンドトゥルースデータは、物理的な圧力線からのものであり、圧力線は1つ以上の測定値を有し、所定の測定値の近位の中心線に沿った位置が測定値以上になるように、遠位の位置は測定値以下になるように制限され、同じ中心線上の2つの測定値が既知である場合には、2つの測定値の間の値が間隔内で制限されるようなネットワーク訓練を有する。
Exemplary implementation:
The systems and methods of the present disclosure may advantageously include a multi-stage pipeline. Figure 34 provides a further exemplary implementation of a hierarchical analysis framework. Biological features are identified and quantified by semantic segmentation to identify, in an exemplary application, lipid-rich necrotic core, cap thickness, stenosis, dilation, remodeling ratio, tortuosity (e.g., entrance and exit angles), calcification, IPH, and/or ulceration, alone or in combination. The biological properties are represented numerically and in an augmented dataset, which involves spatial unwrapping by transforming vein/artery cross sections into rectangles and then transforming disease states (e.g., g, ischemia-inducing fractional flow reserve ratio FFR, high-risk phenotype HRP, and/or risk stratification time to event (TTE)) and reading the augmented dataset using trained CNN(s) to identify and characterize the condition. Patient images are collected and the raw slice data is used with a set of algorithms to measure biological properties that can be objectively verified, which are then formed into an augmented dataset to feed one or more CNNs, and in this example the results are used to implement constraints or continuous conditions. A recursive CNN is used to propagate forward and backward to create constraints (e.g., monotonically decreasing fractional flow reserve from proximal to distal throughout the vascular tree, or constant HRP values at focal lesions, or other constraints). Ground truth data for HRP may exist as an expert pathologist's determination of plaque type at a given cross-section determined ex vivo. Ground truth data for FFR is from a physical pressure line, with the pressure line having one or more measurements, with the network training such that the location along the centerline proximal to a given measurement is constrained to be greater than or equal to the measurement, the distal location is constrained to be less than or equal to the measurement, and if two measurements on the same centerline are known, the value between the two measurements is constrained to be within an interval.
これらの性状および/または状態は、所与の時点で評価されてもよく、および/または経時的(縦断的)に変化してもよい。一般性を失うことなく、プラーク表現決定または他の適用のいずれかで同様のステップを実施する他の実施形態は、本発明の実施形態となる。 These characteristics and/or conditions may be assessed at a given time point and/or may change over time (longitudinal). Without loss of generality, other embodiments that perform similar steps in either plaque phenotyping or other applications are embodiments of the present invention.
例示的な実装では、生物学的性状には、以下の1つ以上を含むことができる。
●血管新生
●新生血管化
●炎症
●石灰化
●脂質沈着物
●壊死
●出血
●潰瘍
●剛性
●密度
●狭窄
●拡張
●再モデリング比
●蛇行
●流れ(例えば、チャネル内の血液の流れ)
●圧力(例えば、チャネル内の血液または1つの組織が別の組織を圧迫している)
●細胞タイプ(例えば、マクロファージなど)
●細胞整列(例えば、平滑筋細胞の)
●せん断応力(例えば、チャネル内の血液)
In an exemplary implementation, the biological characteristics may include one or more of the following:
● Angiogenesis ● Neovascularization ● Inflammation ● Calcification ● Lipid deposits ● Necrosis ● Hemorrhage ● Ulceration ● Stiffness ● Density ● Stenosis ● Dilation ● Remodeling ratio ● Tortuosity ● Flow (e.g., blood flow in a channel)
Pressure (e.g. blood in a channel or one tissue pressing against another)
Cell type (e.g. macrophages, etc.)
Cell alignment (e.g., of smooth muscle cells)
Shear stress (e.g. blood in a channel)
分析は、前述の生物学的性状の各々に対して、量、程度、および/または特性のうちの1つ以上を決定することを含むことができる。 The analysis may include determining one or more of the amount, degree, and/or characteristics for each of the aforementioned biological properties.
生物学的性状に基づいて決定できる条件は、以下の1つ以上を含むことができる。
●灌流/虚血(制限時)(例、脳または心臓組織)
●灌流/梗塞(切断時)(例、脳または心臓組織)
●酸素化
●代謝
●血流予備量比(灌流能力)、例えば、FFR(+)対FFR(-)および/または連続数
●悪性腫瘍
●侵入
●リスクの高いプラーク、例えば、HRP(+)対HRP(-)および/またはラベル付けされた表現型
●リスク層別化(事象の確率として、または事象までの時間として)(例えば、MACCE、明示的に言及されたもの)
Conditions that can be determined based on biological properties can include one or more of the following:
Perfusion/ischemia (when restricted) (e.g., brain or cardiac tissue)
Perfusion/infarction (during amputation) (e.g., brain or heart tissue)
● Oxygenation ● Metabolism ● Fractional flow reserve (perfusion capacity), e.g., FFR(+) vs. FFR(-) and/or contiguous counts ● Malignancy ● Invasion ● High-risk plaques, e.g., HRP(+) vs. HRP(-) and/or labeled phenotypes ● Risk stratification (as probability of event or as time to event) (e.g., MACCE, explicitly mentioned)
事実に基づく形式での検証には、次のものを含むことができる。
●生検
●専門家の組織注釈は、切除された組織を形成する(例えば、動脈内膜切除術または剖検)
●切除された組織の専門家の表現型注釈(例えば、動脈内膜切除術または剖検)
●物理圧力線
●その他のイメージングモダリティ
●生理学的モニタリング(例えば、ECG、SaO2など)
●ゲノムおよび/またはプロテオミクスおよび/またはメタボロミクスおよび/またはトランスクリプトームアッセイ
●臨床転帰
Fact-based forms of verification may include:
● Biopsy ● Expert tissue annotation forms of excised tissue (e.g. endarterectomy or autopsy)
Expert phenotypic annotation of excised tissue (e.g., endarterectomy or autopsy)
● Physical pressure lines ● Other imaging modalities ● Physiological monitoring (e.g. ECG, SaO2, etc.)
Genomic and/or proteomic and/or metabolomic and/or transcriptomic assays Clinical outcomes
分析は、所与の時点で行うこともでき、縦断的(つまり、時間の経過に伴う変化)で行うこともできる。 Analysis can be performed at a given point in time or longitudinally (i.e., changes over time).
例示的なシステムアーキテクチャ:
図31は、本開示のシステムおよび方法に従って、分析プラットフォームと対話するユーザおよび他のシステムの高レベルの図を示している。この図の利害関係者には、相互運用性、セキュリティ、フェイルオーバーおよびディザスタリカバリ、規制上の懸念があるシステム管理者、サポート技術者が含まれる。
Exemplary system architecture:
31 shows a high level diagram of users and other systems interacting with the analytics platform in accordance with the systems and methods of the present disclosure. Stakeholders in this diagram include system administrators with interoperability, security, failover and disaster recovery, and regulatory concerns, and support technicians.
プラットフォームは、2つの主要な構成、つまり、オンプレミスまたはリモートサーバーで配備することができる(図32)。プラットフォームの配備は、スタンドアロン構成(左上)、オンプレミスサーバー構成(左下)、またはリモートサーバー構成(右)であってもよい。オンプレミス配備構成は、2つのサブ構成、つまり、デスクトップのみまたはラックマウントを含むことができる。リモート構成では、プラットフォームはHIPAA準拠のデータセンターに配備することができる。クライアントは、安全なHTTP接続を介してそのAPIサーバーにアクセスする。クライアントは、デスクトップブラウザまたはタブレットブラウザにすることができる。Webブラウザを実行しているコンピュータ以外のハードウェアは、消費者サイトに配備されていない。配備されたサーバーは、パブリッククラウド上、またはVPNを使用する消費者のプライベートネットワークの拡張上にあってもよい。 The platform can be deployed in two main configurations: on-premise or on a remote server (Figure 32). The platform deployment may be a standalone configuration (top left), an on-premise server configuration (bottom left), or a remote server configuration (right). The on-premise deployment configuration can include two sub-configurations: desktop only or rack-mounted. In the remote configuration, the platform can be deployed in a HIPAA compliant data center. Clients access its API server through a secure HTTP connection. The clients can be desktop or tablet browsers. No hardware is deployed at the consumer site other than the computer running the web browser. The deployed server may be on a public cloud or on an extension of the consumer's private network using a VPN.
例示的な実施形態は、クライアントおよびサーバーからなる。例えば、図33は、クライアントをC++アプリケーションとして、サーバーをPythonアプリケーションとして示している。これらのコンポーネントは、HTML 5.0、CSS 5.0、およびJava(登録商標)Scriptを使用して対話する。インターフェースには、HTTP(S)、REST、DICOM、SPARQL、およびJSONを含むがこれらに限定されないオープンスタンダードが可能な限り使用されている。テクノロジースタックの主要部分を示すこの図に示されているように、サードパーティライブラリも使用される。多くの変形例および異なるアプローチは、当業者によって理解され得る。 An exemplary embodiment consists of a client and a server. For example, Figure 33 shows the client as a C++ application and the server as a Python application. These components interact using HTML 5.0, CSS 5.0, and Java Script. Open standards are used wherever possible for interfaces, including but not limited to HTTP(S), REST, DICOM, SPARQL, and JSON. Third party libraries are also used, as shown in this diagram showing the major parts of the technology stack. Many variations and different approaches may be appreciated by those skilled in the art.
上記のシステムおよび方法の様々な実施形態は、デジタル電子回路、コンピュータハードウェア、ファームウェア、および/またはソフトウェアに実装されてもよい。実装は、コンピュータプログラム製品(すなわち、情報キャリアに具体的に具体化されたコンピュータプログラム)として行うことができる。実装は、例えば、データ処理装置による実行のために、またはデータ処理装置の動作を制御するために、機械可読記憶装置および/または伝搬信号内にあり得る。実装は、例えば、プログラム可能なプロセッサ、コンピュータ、および/または複数のコンピュータであり得る。 Various embodiments of the above systems and methods may be implemented in digital electronic circuitry, computer hardware, firmware, and/or software. Implementations may be in a computer program product (i.e., a computer program tangibly embodied in an information carrier). Implementations may be in a machine-readable storage device and/or a propagated signal, for example, for execution by or to control the operation of a data processing apparatus. Implementations may be in, for example, a programmable processor, a computer, and/or multiple computers.
コンピュータプログラムは、コンパイルされた言語および/または解釈された言語を含む任意の形式のプログラミング言語で書くことができ、コンピュータプログラムは、スタンドアロンプログラムとして、またはコンピューティング環境で使用するのに好適なサブルーチン、要素、および/または他のユニットとしてを含む任意の形態で配備することができる。コンピュータプログラムは、1台のコンピュータまたは1つのサイトの複数のコンピュータで実行するように配備することができる。 The computer program may be written in any type of programming language, including compiled and/or interpreted languages, and the computer program may be deployed in any form, including as a stand-alone program or as a subroutine, element, and/or other unit suitable for use in a computing environment. The computer program may be deployed to run on one computer or on multiple computers at one site.
方法ステップは、コンピュータプログラムを実行する1つ以上のプログラム可能なプロセッサによって実施され、入力データを操作して出力を生成することによって本発明の機能を実施することができる。方法ステップはまた、特別目的の論理回路として実装された装置によって実施することもでき、装置は、特別目的の論理回路として実装することができる。回路は、例えば、FPGA(フィールドプログラマブルゲートアレイ)および/またはASIC(特定用途向け集積回路)であり得る。モジュール、サブルーチン、およびソフトウェアエージェントは、コンピュータプログラム、プロセッサ、特別な回路、ソフトウェア、および/またはその機能を実装するハードウェアの一部を参照することができる。 The method steps may be performed by one or more programmable processors executing a computer program to perform the functions of the invention by manipulating input data to generate output. The method steps may also be performed by an apparatus implemented as special purpose logic circuitry, which may be implemented as special purpose logic circuitry. The circuitry may be, for example, an FPGA (field programmable gate array) and/or an ASIC (application specific integrated circuit). Modules, subroutines, and software agents may refer to portions of computer programs, processors, special circuitry, software, and/or hardware that implement the functionality.
コンピュータプログラムの実行に好適なプロセッサには、例として、汎用および特殊目的の両方のマイクロプロセッサ、および任意の種類のデジタルコンピュータの任意の1つ以上のプロセッサが含まれる。一般に、プロセッサは、読み取り専用メモリまたはランダムアクセスメモリまたはその両方から命令およびデータを受信する。コンピュータの重要な要素は、命令を実行するためのプロセッサ、ならびに命令およびデータを記憶するための1つ以上のメモリデバイスである。一般に、コンピュータは、データを記憶するための1つ以上の大容量記憶装置(例えば、磁気、光磁気ディスク、または光ディスク)からデータを受信し、および/またはこれにデータを転送するように動作可能に結合することができる。 Processors suitable for executing a computer program include, by way of example, both general purpose and special purpose microprocessors, and any one or more processors of any kind of digital computer. Generally, a processor receives instructions and data from a read-only memory or a random access memory or both. The essential elements of a computer are a processor for executing instructions and one or more memory devices for storing instructions and data. Generally, a computer can be operatively coupled to receive data from and/or transfer data to one or more mass storage devices (e.g., magnetic, magneto-optical, or optical disks) for storing data.
データの送信および命令は、通信ネットワークを介して行うこともできる。コンピュータプログラムの命令およびデータを具体化するのに好適な情報キャリアには、例として半導体メモリデバイスを含む、すべての形態の不揮発性メモリが含まれる。情報キャリアは、例えば、EPROM、EEPROM、フラッシュメモリデバイス、磁気ディスク、内蔵ハードディスク、リムーバブルディスク、磁気光学ディスク、CD-ROM、および/またはDVD-ROMディスクであり得る。プロセッサおよびメモリは、特別な目的の論理回路によって補完され、および/またはこれに組み込むことができる。 The transmission of data and instructions can also take place via a communications network. Information carriers suitable for embodying computer program instructions and data include all forms of non-volatile memory, including, by way of example, semiconductor memory devices. The information carriers can be, for example, EPROM, EEPROM, flash memory devices, magnetic disks, internal hard disks, removable disks, magneto-optical disks, CD-ROM and/or DVD-ROM disks. The processor and memory can be supplemented by and/or incorporated in special purpose logic circuitry.
ユーザとの対話を提供するために、上記の技術は、表示デバイスを有するコンピュータ上に実装され得る。表示デバイスは、例えば、ブラウン管(CRT)および/または液晶ディスプレイ(LCD)モニタであり得る。ユーザとの対話は、例えば、ユーザへの情報の表示と、キーボード、およびユーザがコンピュータに入力を提供することができる(例えば、ユーザインターフェイス要素と対話する)ポインティングデバイス(例えば、マウスまたはトラックボール)とであり得る。他の種類のデバイスを使用して、ユーザとの対話を提供してもよい。他のデバイスは、例えば、任意の形態の感覚フィードバック(例えば、視覚的フィードバック、聴覚的フィードバック、または触覚的フィードバック)でユーザに提供されるフィードバックであり得る。ユーザからの入力は、例えば、音響、音声、および/または触覚入力を含む任意の形式で受信することができる。 To provide for user interaction, the techniques described above may be implemented on a computer having a display device. The display device may be, for example, a cathode ray tube (CRT) and/or a liquid crystal display (LCD) monitor. User interaction may be, for example, a display of information to the user, and a keyboard and pointing device (e.g., a mouse or trackball) through which the user can provide input to the computer (e.g., interact with user interface elements). Other types of devices may be used to provide user interaction. The other device may be, for example, feedback provided to the user in any form of sensory feedback (e.g., visual feedback, auditory feedback, or tactile feedback). Input from the user may be received in any form, including, for example, acoustic, speech, and/or tactile input.
上記の技術は、バックエンドコンポーネントを含む分散コンピューティングシステムに実装することができる。バックエンドコンポーネントは、例えば、データサーバー、ミドルウェアコンポーネント、および/またはアプリケーションサーバーであり得る。上記の技術は、フロントエンドコンポーネントを含む分散コンピューティングシステムに実装することができる。フロントエンドコンポーネントは、例えば、グラフィカルユーザインターフェースを有するクライアントコンピュータ、ユーザが例示的な実装と対話できるウェブブラウザ、および/または送信デバイスのための他のグラフィカルユーザインターフェースであり得る。システムのコンポーネントは、デジタルデータ通信の任意の形式または媒体(例えば、通信ネットワーク)によって相互接続することができる。通信ネットワークの例としては、ローカルエリアネットワーク(LAN)、ワイドエリアネットワーク(WAN)、インターネット、有線ネットワーク、および/またはワイヤレスネットワークが挙げられる。 The above techniques can be implemented in a distributed computing system that includes a back-end component. The back-end component can be, for example, a data server, a middleware component, and/or an application server. The above techniques can be implemented in a distributed computing system that includes a front-end component. The front-end component can be, for example, a client computer having a graphical user interface, a web browser through which a user can interact with the exemplary implementation, and/or other graphical user interface for a transmission device. The components of the system can be interconnected by any form or medium of digital data communication (e.g., a communications network). Examples of communications networks include a local area network (LAN), a wide area network (WAN), the Internet, a wired network, and/or a wireless network.
システムには、クライアントおよびサーバーを含めることができる。クライアントおよびサーバーは一般に、互いに離れており、典型的に、通信ネットワークを介して対話する。クライアントとサーバーとの関係は、それぞれのコンピュータで実行され、クライアントとサーバーとの関係を有するコンピュータプログラムによって発生する。 The system may include clients and servers. Clients and servers are generally remote from each other and typically interact through a communication network. The relationship of client and server arises by virtue of computer programs running on the respective computers and having a client-server relationship.
パケットに基づくネットワークとしては、例えば、インターネット、キャリアインターネットプロトコル(IP)ネットワーク(例えば、ローカルエリアネットワーク(LAN)、ワイドエリアネットワーク(WAN)、キャンパスエリアネットワーク(CAN)、メトロポリタンエリアネットワーク(MAN)、ホームエリアネットワーク(HAN))、プライベートIPネットワーク、IPプライベート分岐エクスチェンジ(IPBX)、ワイヤレスネットワーク(例えば、無線アクセスネットワーク(RAN)、802.11ネットワーク、802.16ネットワーク、一般パケット無線サービス(GPRS)ネットワーク、HiperLAN)、および/または他のパケットに基づくネットワークが挙げられる。回線に基づくネットワークとしては、例えば、公衆交換電話網(PSTN)、構内交換機(PBX)、無線ネットワーク(RAN、Bluetooth(登録商標)、符号分割多元接続(CDMA)ネットワーク、時分割多元接続(TDMA)ネットワーク、モバイル通信用グローバルシステム(GSM(登録商標))ネットワーク)、および/またはその他の回線に基づくネットワークが挙げられる。 Examples of packet-based networks include the Internet, carrier Internet Protocol (IP) networks (e.g., local area networks (LANs), wide area networks (WANs), campus area networks (CANs), metropolitan area networks (MANs), home area networks (HANs)), private IP networks, IP private branch exchanges (IPBXs), wireless networks (e.g., radio access networks (RANs), 802.11 networks, 802.16 networks, general packet radio service (GPRS) networks, HiperLANs), and/or other packet-based networks. Examples of circuit-based networks include the public switched telephone network (PSTN), private branch exchanges (PBXs), wireless networks (RANs, Bluetooth, code division multiple access (CDMA) networks, time division multiple access (TDMA) networks, Global System for Mobile Communications (GSM) networks), and/or other circuit-based networks.
コンピューティングデバイスとしては、例えば、コンピュータ、ブラウザデバイスを備えたコンピュータ、電話、IP電話、モバイルデバイス(例えば、携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント(PDA)デバイス、ラップトップコンピュータ、電子メールデバイス)、および/または他の通信デバイスが挙げられる。ブラウザデバイスとしては、例えば、ワールドワイドウェブブラウザ(例えば、Microsoft Corporationから入手可能なMicrosoft(登録商標)Internet Explorer(登録商標)、Mozilla Corporationから入手可能なMozilla(登録商標)Firefox)を備えたコンピュータ(例えば、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ)が挙げられる。モバイルコンピューティングデバイスとしては、例えば、Blackberry(登録商標)、iPAD(登録商標)、iPhone(登録商標)、または他のスマートフォンデバイスが挙げられる。 Computing devices include, for example, computers, computers with browser devices, telephones, IP telephones, mobile devices (e.g., cell phones, personal digital assistant (PDA) devices, laptop computers, email devices), and/or other communication devices. Browser devices include, for example, computers (e.g., desktop computers, laptop computers) with World Wide Web browsers (e.g., Microsoft® Internet Explorer® available from Microsoft Corporation, Mozilla® Firefox available from Mozilla Corporation). Mobile computing devices include, for example, Blackberry®, iPAD®, iPhone®, or other smart phone devices.
前述の説明を読んだ後、本開示の多くの変更および修正が当業者に明らかになることは間違いないが、例示として示され説明された特定の実施形態は、限定的であると考えられることを意図したものではないことが理解されるべきである。さらに、主題は特定の実施形態を参照して説明されてきたが、本開示の精神および範囲内の変動は、当業者には発生するであろう。前述の例は、単に説明の目的で提供されたものであり、本開示を限定するものとして解釈されるものではないことに留意されたい。 Although many variations and modifications of the present disclosure will no doubt become apparent to those skilled in the art after reading the foregoing description, it should be understood that the specific embodiments shown and described by way of illustration are not intended to be considered limiting. Moreover, while the subject matter has been described with reference to specific embodiments, variations within the spirit and scope of the present disclosure will occur to those skilled in the art. It should be noted that the foregoing examples are provided merely for illustrative purposes and are not to be construed as limiting the present disclosure.
本開示は、特定の実施形態を参照して本明細書に記載されているが、本開示は、本明細書に開示されている詳細に限定されることを意図するものではない。むしろ、本開示は、添付の特許請求の範囲内のものを含む当業者に明らかであるであろうそのすべての変形および一般化に及ぶ。
Although the present disclosure has been described herein with reference to specific embodiments, the disclosure is not intended to be limited to the details disclosed herein, but rather, the disclosure extends to all modifications and generalizations thereof that would be apparent to one skilled in the art, including those within the scope of the appended claims.
Claims (10)
非侵襲的に取得された、患者の放射線データセットを受け取ることと、
病変に関連する分析物のセットに対する客観的検証により、解剖学的構造、解剖学的形状、もしくは解剖学的外形、組織の特性、組織のタイプ、組織の特徴、またはそれらの任意の組み合わせの分析物測定および/または分類を実施することによって、前記データセットを補強することと、
既知のグラウンドトゥルースに基づく機械学習分類アプローチを使用して、前記補強されたデータセットを処理し、(i)前記病変の表現型、または(ii)前記病変に関連する予測転帰の一方または両方を決定することと、を含み、
前記データセットを補強することが、生物学的に有意な空間的コンテキストを強調するための前記データセットの空間変換をさらに含み、
前記変換が、病変に適した変換されたデータセットを生成するために、前記放射線データセット内の病変固有の構造の断面に対して空間的に変換することを含み、
前記機械学習分類アプローチが、前記病変に適した変換されたデータセットに適用される、訓練された畳み込みニューラルネットワーク(CNN)の使用であり、
前記放射線データセット内の画像体積が、分析されるべき生理学的標的、病巣、病巣のセット、またはそれらの任意の組み合わせを含む関心領域を形成するように前処理されており、前記関心領域が1つ以上の断面を含み、前記断面が各々その体積を通る投影で構成されており、
前記関心領域が、本質的に方向性の体積を含む場合、前記断面が中心線に沿って取られ、各断面に対して重心が決定されるような、その体積に関する前記中心線が示され、前記前処理された放射線データセットが直交座標系で表現され、前記直交座標系において、軸が前記中心線からの垂直距離および前記中心線の周りの回転シータをそれぞれ表現するために使用される、方法。 1. A method for computer-aided phenotyping or outcome prediction of a lesion using an augmented radiological dataset, the method comprising:
receiving a non-invasively acquired radiology data set of a patient;
augmenting the data set by performing analyte measurements and/or classifications of anatomical structures, anatomical shapes or contours, tissue properties, tissue types, tissue features, or any combination thereof, with objective validation against a set of analytes associated with the lesion;
and processing the augmented dataset using a machine learning classification approach based on known ground truth to determine one or both of: (i) a phenotype of the lesion; or (ii) a predicted outcome associated with the lesion;
augmenting the dataset further comprises spatial transformation of the dataset to highlight biologically significant spatial context;
and said transforming includes spatially transforming relative to a cross-section of a lesion-specific structure within said radiation dataset to generate a transformed dataset suitable for the lesion;
the machine learning classification approach is the use of a trained convolutional neural network (CNN) applied to a transformed dataset appropriate for the lesion;
an image volume within the radiation data set is preprocessed to form a region of interest that includes a physiological target, a lesion, a set of lesions, or any combination thereof to be analyzed, the region of interest including one or more slices, each of the slices being constructed from a projection through the volume;
A method in which, if the region of interest comprises a volume that is directional in nature, the centerline is depicted for that volume such that the cross sections are taken along a centerline and a centroid is determined for each cross section, and the pre-processed radiation data set is represented in a Cartesian coordinate system in which axes are used to represent perpendicular distance from the centerline and rotation theta around the centerline, respectively.
非侵襲的に取得された、患者の放射線データセットを受け取ることと、
病変に関連する分析物のセットに対する客観的検証により、解剖学的構造、解剖学的形状、もしくは解剖学的外形、組織の特性、組織のタイプ、組織の特徴、またはそれらの任意の組み合わせの分析物測定および/または分類を実施することによって、前記データセットを補強することと、
既知のグラウンドトゥルースに基づく機械学習分類アプローチを使用して、前記補強されたデータセットを処理し、(i)前記病変の表現型、または(ii)前記病変に関連する予測転帰の一方または両方を決定することと、を含み、
前記データセットを補強することが、生物学的に有意な空間的コンテキストを強調するための前記データセットの空間変換をさらに含み、
前記変換が、病変に適した変換されたデータセットを生成するために、前記放射線データセット内の病変固有の構造の断面に対して空間的に変換することを含み、
前記機械学習分類アプローチが、前記病変に適した変換されたデータセットに適用される、訓練された畳み込みニューラルネットワーク(CNN)の使用であり、
データセット補強が、分析物サブ領域のグラウンドトゥルース注釈、およびこのような分析物サブ領域が断面にどのように存在するかについての空間的コンテキストを提供することを含み、前記空間的コンテキストが、各断面の重心に対する極座標に基づく座標系を提供することを含み、
前記座標系が、管状構造に対して半径方向座標を正規化することによって正規化される、方法。 1. A method for computer-aided phenotyping or outcome prediction of a lesion using an augmented radiological dataset, the method comprising:
receiving a non-invasively acquired radiology data set of a patient;
augmenting the data set by performing analyte measurements and/or classifications of anatomical structures, anatomical shapes or contours, tissue properties, tissue types, tissue features, or any combination thereof, with objective validation against a set of analytes associated with the lesion;
and processing the augmented dataset using a machine learning classification approach based on known ground truth to determine one or both of: (i) a phenotype of the lesion; or (ii) a predicted outcome associated with the lesion;
augmenting the dataset further comprises spatial transformation of the dataset to highlight biologically significant spatial context;
and said transforming includes spatially transforming relative to a cross-section of a lesion-specific structure within said radiation dataset to generate a transformed dataset suitable for the lesion;
the machine learning classification approach is the use of a trained convolutional neural network (CNN) applied to a transformed dataset appropriate for the lesion;
Dataset augmentation includes providing ground truth annotations of analyte sub-regions and a spatial context for how such analyte sub-regions are present in the cross-sections, said spatial context including providing a coordinate system based on polar coordinates for a centroid of each cross-section;
The method, wherein the coordinate system is normalized by normalizing the radial coordinates to a tubular structure.
非侵襲的に取得された、患者の放射線データセットを受け取ることと、
病変に関連する分析物のセットに対する客観的検証により、解剖学的構造、解剖学的形状、もしくは解剖学的外形、組織の特性、組織のタイプ、組織の特徴、またはそれらの任意の組み合わせの分析物測定および/または分類を実施することによって、前記データセットを補強することと、
既知のグラウンドトゥルースに基づく機械学習分類アプローチを使用して、前記補強されたデータセットを処理し、(i)前記病変の表現型、または(ii)前記病変に関連する予測転帰の一方または両方を決定することと、を含み、
前記データセットを補強することが、生物学的に有意な空間的コンテキストを強調するための前記データセットの空間変換をさらに含み、
前記変換が、病変に適した変換されたデータセットを生成するために、前記放射線データセット内の病変固有の構造の断面に対して空間的に変換することを含み、
前記機械学習分類アプローチが、前記病変に適した変換されたデータセットに適用される、訓練された畳み込みニューラルネットワーク(CNN)の使用であり、
前記データセットが、異なる分析物サブ領域を表現するために異なる色を視覚的に使用することによって補強され、色分けされた分析物領域が、(i)視覚化されている病変固有の標的、病巣、病巣のセット、またはそれらの任意の組み合わせの内側内腔の内側の中心内腔領域、(ii)病変固有の標的、病巣、病巣のセット、またはそれらの任意の組み合わせの非分析物サブ領域、ならびに(iii)病変固有の標的、病巣、病巣のセット、またはそれらの任意の組み合わせの外壁の外側の外側領域を区別する、注釈付けされた背景に対して視覚的に描かれる、方法。 1. A method for computer-aided phenotyping or outcome prediction of a lesion using an augmented radiological dataset, the method comprising:
receiving a non-invasively acquired radiology data set of a patient;
augmenting the data set by performing analyte measurements and/or classifications of anatomical structures, anatomical shapes or contours, tissue properties, tissue types, tissue features, or any combination thereof, with objective validation against a set of analytes associated with the lesion;
and processing the augmented dataset using a machine learning classification approach based on known ground truth to determine one or both of: (i) a phenotype of the lesion; or (ii) a predicted outcome associated with the lesion;
augmenting the dataset further comprises spatial transformation of the dataset to highlight biologically significant spatial context;
and said transforming includes spatially transforming relative to a cross-section of a lesion-specific structure within said radiation dataset to generate a transformed dataset suitable for the lesion;
the machine learning classification approach is the use of a trained convolutional neural network (CNN) applied to a transformed dataset appropriate for the lesion;
A method in which the dataset is augmented by the visual use of different colors to represent different analyte sub-regions, and the color-coded analyte regions are visually depicted against an annotated background that distinguishes between: (i) a central luminal region inside the inner lumen of the lesion-specific target, lesion, set of foci, or any combination thereof being visualized; (ii) a non-analyte sub-region of the lesion-specific target, lesion, set of foci, or any combination thereof; and (iii) an outer region outside the outer wall of the lesion-specific target, lesion, set of foci, or any combination thereof.
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