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Synthetic data accelerates the development of generalizable learning-based algorithms for X-ray image analysis

计算机科学 可扩展性 人工智能 机器学习 一般化 合成数据 数据收集 基本事实 深度学习 集合(抽象数据类型) 数据集 图像(数学) 数据科学 数学 数学分析 统计 数据库 程序设计语言
作者
Cong Gao,Benjamin D. Killeen,Yicheng Hu,Robert B. Grupp,Russell H. Taylor,Mehran Armand,Mathias Unberath
出处
期刊:Nature Machine Intelligence [Nature Portfolio]
卷期号:5 (3): 294-308 被引量:47
标识
DOI:10.1038/s42256-023-00629-1
摘要

Artificial intelligence (AI) now enables automated interpretation of medical images. However, AI's potential use for interventional image analysis remains largely untapped. This is because the post hoc analysis of data collected during live procedures has fundamental and practical limitations, including ethical considerations, expense, scalability, data integrity and a lack of ground truth. Here we demonstrate that creating realistic simulated images from human models is a viable alternative and complement to large-scale in situ data collection. We show that training AI image analysis models on realistically synthesized data, combined with contemporary domain generalization techniques, results in machine learning models that on real data perform comparably to models trained on a precisely matched real data training set. We find that our model transfer paradigm for X-ray image analysis, which we refer to as SyntheX, can even outperform real-data-trained models due to the effectiveness of training on a larger dataset. SyntheX provides an opportunity to markedly accelerate the conception, design and evaluation of X-ray-based intelligent systems. In addition, SyntheX provides the opportunity to test novel instrumentation, design complementary surgical approaches, and envision novel techniques that improve outcomes, save time or mitigate human error, free from the ethical and practical considerations of live human data collection. Simulated data is an alternative to real data for medical applications where interventional data are needed to train AI-based systems. Gao and colleagues develop a model transfer paradigm to train deep networks on synthetic X-ray data and corresponding labels generated using simulation techniques from CT scans. The approach establishes synthetic data as a viable resource for developing machine learning models that apply to real clinical data.
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