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Identification of benign and malignant pulmonary nodules on chest CT using improved 3D U-Net deep learning framework

医学 活检 放射科 肺癌 一般化 人工智能 接收机工作特性 病理 内科学 计算机科学 数学 数学分析
作者
Kaiqiang Yang,Jinsha Liu,Wen Tang,Huiling Zhang,Rongguo Zhang,Jun Gu,Ruiping Zhu,Jingtong Xiong,Xiaoshuang Ru,Jianlin Wu
出处
期刊:European Journal of Radiology [Elsevier BV]
卷期号:129: 109013-109013 被引量:23
标识
DOI:10.1016/j.ejrad.2020.109013
摘要

Abstract

Purpose

To accurately distinguish benign from malignant pulmonary nodules with CT based on partial structures of 3D U-Net integrated with Capsule Networks (CapNets) and provide a reference for the early diagnosis of lung cancer.

Method

The dataset consisted of 1177 samples (benign/malignant: 414/763) from 997 patients provided by collaborating hospital. All nodules were biopsy or surgery proven, and pathologic results were regarded as the "golden standard". This study utilized partial U-Net to capture the low-level (edge, corner, etc.) information and CapNets to preserve high-level (semantic information) information of nodules. For CapNets, each capsule had a 4 × 4 matrix representing the pose and an activation probability representing the presence of an object. Furthermore, we chose accuracy (ACC), area under the curve (AUC), sensitivity (SE) and specificity (SP) to evaluate the generalization of the proposed architecture and compared its identification performance with 3D U-Net and experienced radiologists.

Results

The AUC of our architecture (0.84) was superior to that (0.81) of the original 3D U-Net (p = 0.04, DeLong's test). Moreover, ACC (84.5 %) and SE (92.9 %) of our model were clearly higher than radiologists' ACC (81.0 %) and SE (84.3 %) at the optimal operating point. However, SP (70 %) of our model was slightly lower than radiologists' SP (75 %), which might be the result of class imbalance with limited benign samples involved for algorithm training.

Conclusions

Our architecture showed a high performance for identifying benign and malignant pulmonary nodules, indicating the improved model has a promising application in clinic.
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