Predicting treatment response from longitudinal images using multi-task deep learning

磁共振成像 分割 特征(语言学) 人工智能 实体瘤疗效评价标准 深度学习 医学 置信区间 计算机科学 模式识别(心理学) 放射科 疾病 病理 内科学 进行性疾病 哲学 语言学
作者
Cheng Jin,Heng Yu,Jia Ke,Peirong Ding,Yongju Yi,Xiaofeng Jiang,Xin Duan,Jinghua Tang,Daniel T. Chang,Xiaojian Wu,Feng Gao,Ruijiang Li
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:12 (1): 1851-1851 被引量:198
标识
DOI:10.1038/s41467-021-22188-y
摘要

Abstract Radiographic imaging is routinely used to evaluate treatment response in solid tumors. Current imaging response metrics do not reliably predict the underlying biological response. Here, we present a multi-task deep learning approach that allows simultaneous tumor segmentation and response prediction. We design two Siamese subnetworks that are joined at multiple layers, which enables integration of multi-scale feature representations and in-depth comparison of pre-treatment and post-treatment images. The network is trained using 2568 magnetic resonance imaging scans of 321 rectal cancer patients for predicting pathologic complete response after neoadjuvant chemoradiotherapy. In multi-institution validation, the imaging-based model achieves AUC of 0.95 (95% confidence interval: 0.91–0.98) and 0.92 (0.87–0.96) in two independent cohorts of 160 and 141 patients, respectively. When combined with blood-based tumor markers, the integrated model further improves prediction accuracy with AUC 0.97 (0.93–0.99). Our approach to capturing dynamic information in longitudinal images may be broadly used for screening, treatment response evaluation, disease monitoring, and surveillance.
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