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Spatio-Temporal Multi-Task Learning for Cardiac MRI Left Ventricle Quantification

心室 心脏周期 人工智能 轮廓 心功能曲线 磁共振成像 计算机科学 收缩 模式识别(心理学) 舒张期 相关系数 心脏病学 医学 内科学 机器学习 放射科 心力衰竭 计算机图形学(图像) 血压
作者
Sulaiman Vesal,Mingxuan Gu,Andreas Maier,Nishant Ravikumar
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:25 (7): 2698-2709 被引量:9
标识
DOI:10.1109/jbhi.2020.3046449
摘要

Quantitative assessment of cardiac left ventricle (LV) morphology is essential to assess cardiac function and improve the diagnosis of different cardiovascular diseases. In current clinical practice, LV quantification depends on the measurement of myocardial shape indices, which is usually achieved by manual contouring of the endo- and epicardial. However, this process subjected to inter and intra-observer variability, and it is a time-consuming and tedious task. In this paper, we propose a spatio-temporal multi-task learning approach to obtain a complete set of measurements quantifying cardiac LV morphology, regional-wall thickness (RWT), and additionally detecting the cardiac phase cycle (systole and diastole) for a given 3D Cine-magnetic resonance (MR) image sequence. We first segment cardiac LVs using an encoder-decoder network and then introduce a multitask framework to regress 11 LV indices and classify the cardiac phase, as parallel tasks during model optimization. The proposed deep learning model is based on the 3D spatio-temporal convolutions, which extract spatial and temporal features from MR images. We demonstrate the efficacy of the proposed method using cine-MR sequences of 145 subjects and comparing the performance with other state-of-the-art quantification methods. The proposed method obtained high prediction accuracy, with an average mean absolute error (MAE) of 129 $mm^2$, 1.23 $mm$, 1.76 $mm$, Pearson correlation coefficient (PCC) of 96.4%, 87.2%, and 97.5% for LV and myocardium (Myo) cavity regions, 6 RWTs, 3 LV dimensions, and an error rate of 9.0\% for phase classification. The experimental results highlight the robustness of the proposed method, despite varying degrees of cardiac morphology, image appearance, and low contrast in the cardiac MR sequences.
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