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Federated disentangled representation learning for unsupervised brain anomaly detection

计算机科学 分割 工作流程 卷积神经网络 异常检测 人工智能 自编码 深度学习 特征学习 机器学习 模式识别(心理学) 数据库
作者
Cosmin I. Bercea,Benedikt Wiestler,Daniel Rueckert,Shadi Albarqouni
出处
期刊:Nature Machine Intelligence [Nature Portfolio]
卷期号:4 (8): 685-695 被引量:69
标识
DOI:10.1038/s42256-022-00515-2
摘要

With the advent of deep learning and increasing use of brain MRIs, a great amount of interest has arisen in automated anomaly segmentation to improve clinical workflows; however, it is time-consuming and expensive to curate medical imaging. Moreover, data are often scattered across many institutions, with privacy regulations hampering its use. Here we present FedDis to collaboratively train an unsupervised deep convolutional autoencoder on 1,532 healthy magnetic resonance scans from four different institutions, and evaluate its performance in identifying pathologies such as multiple sclerosis, vascular lesions, and low- and high-grade tumours/glioblastoma on a total of 538 volumes from six different institutions. To mitigate the statistical heterogeneity among different institutions, we disentangle the parameter space into global (shape) and local (appearance). Four institutes jointly train shape parameters to model healthy brain anatomical structures. Every institute trains appearance parameters locally to allow for client-specific personalization of the global domain-invariant features. We have shown that our collaborative approach, FedDis, improves anomaly segmentation results by 99.74% for multiple sclerosis, 83.33% for vascular lesions and 40.45% for tumours over locally trained models without the need for annotations or sharing of private local data. We found out that FedDis is especially beneficial for institutes that share both healthy and anomaly data, improving their local model performance by up to 227% for multiple sclerosis lesions and 77% for brain tumours. Federated learning and unsupervised anomaly detection are common techniques in machine learning. The authors combine them, using multicentred datasets and various diseases, to automate the segmentation of brain abnormalities without the need for annotations or sharing private local data.
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