Opportunistic CT screening for degenerative deformities and osteoporotic fractures with 3D DeepLab

分割 计算机科学 管道(软件) 人工智能 骨质疏松症 稳健性(进化) 深度学习 椎骨 模式识别(心理学) 医学 外科 生物化学 化学 基因 程序设计语言 内分泌学
作者
Hellena Hempe,Eren Bora Yilmaz,Carsten Meyer,Mattias P. Heinrich
标识
DOI:10.1117/12.2612848
摘要

Opportunistic screening of the spine using routine 3D-CT scans could be beneficial for early diagnosis and prevention of osteoporosis and degenerative diseases. In clinical practice, a software that alerts radiologists for signs of osteoporosis and degenerative deformities should be accurate and robust despite being limited by computational resources. We explore a light-weight alternative to existing vertebrae segmentation and labelling algorithms in our two-stage diagnosis pipeline and evaluate the efficiency and robustness of our proposed Deep Learning method. During our first stage, semantic segmentation and labelling of the vertebrae is performed using a low-complexity 3D-CNN. Our efficient architecture includes a MobileNetv2 backbone and DeepLab for segmentation. We optimise the network architecture to improve efficiency by applying the compound scaling idea of the EfficientNet. The first stage of our model is trained and evaluated on the public VerSe dataset, resulting in a multi-label Dice score of 75% while taking less than 0.05s inference time on GPU. The segmentation outcome can be further used to extract centre coordinates of each vertebra which are classified by a 3D-CNN into normal vertebra, degenerative deformities and osteoporotic fractures. Our preliminary results on the DiagnostikBilanz dataset, using centre coordinates, yield an F1-score of 76%. Our fully-automatic pipeline achieves an F1-Score of 74.6%, which is an improvement of 7% compared to the pipeline using nnUNet for segmentation in the first stage. Our method provides a light-weight solution to assist radiologists in differentiating osteoporotic fractures from degenerative deformities in opportunistic screening of the spine in CT scans. In particular, it allows to incorporate segmentation information into the challenging differentiation of degenerative deformities from osteoporotic fractures.

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