Hybrid deep learning segmentation models for atherosclerotic plaque in internal carotid artery B-mode ultrasound

分割 深度学习 基本事实 人工智能 颈内动脉 超声波 颈总动脉 模式识别(心理学) 交叉熵 计算机科学 颈动脉 医学 放射科 内科学
作者
Pankaj K. Jain,Neeraj Sharma,A Giannopoulos,Luca Saba,Andrew Nicolaides,Jasjit S. Suri
出处
期刊:Computers in Biology and Medicine [Elsevier BV]
卷期号:136: 104721-104721 被引量:116
标识
DOI:10.1016/j.compbiomed.2021.104721
摘要

The automated and accurate carotid plaque segmentation in B-mode ultrasound (US) is an essential part of stroke risk stratification. Previous segmented methods used AtheroEdge™ 2.0 (AtheroPoint™, Roseville, CA) for the common carotid artery (CCA). This study focuses on automated plaque segmentation in the internal carotid artery (ICA) using solo deep learning (SDL) and hybrid deep learning (HDL) models. The methodology consists of a novel design of 10 types of SDL/HDL models (AtheroEdge™ 3.0 systems (AtheroPoint™, Roseville, CA) with a depth of four layers each. Five of the models use cross-entropy (CE)-loss, and the other five models use Dice similarity coefficient (DSC)-loss functions derived from UNet, UNet+, SegNet, SegNet-UNet, and SegNet-UNet+. The K10 protocol (Train:Test:90%:10%) was applied for all 10 models for training and predicting (segmenting) the plaque region, which was then quantified to compute the plaque area in mm2. Further, the data augmentation effect was analyzed. The database consisted of 970 ICA B-mode US scans taken from 99 moderate to high-risk patients. Using the difference area threshold of 10 mm2 between ground truth (GT) and artificial intelligence (AI), the area under the curve (AUC) values were 0.91, 0.911, 0.908, 0.905, and 0.898, all with a p-value of <0.001 (for CE-loss models) and 0.883, 0.889, 0.905, 0.889, and 0.907, all with a p-value of <0.001 (for DSC-loss models). The correlations between the AI-based plaque area and GT plaque area were 0.98, 0.96, 0.97, 0.98, and 0.97, all with a p-value of <0.001 (for CE-loss models) and 0.98, 0.98, 0.97, 0.98, and 0.98 (for DSC-loss models). Overall, the online system performs plaque segmentation in less than 1 s. We validate our hypothesis that HDL and SDL models demonstrate comparable performance. SegNet-UNet was the best-performing hybrid architecture.
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