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文/Ophir Gozes,Maayan Frid-Adar等 譯者/劉暢
來源：AI科技大本營（ID:rgznai100）
背景：新冠病毒的傳播非常迅速，并對數(shù)十億人的生活產(chǎn)生了重大影響。由于非對稱胸部CT已被證明是檢測、量化和追蹤該疾病的有效工具，因此可以開發(fā)深度學(xué)習(xí)算法，來幫助分析大量的胸部CT圖像。
目標(biāo)：開發(fā)基于AI的自動CT圖像分析工具，并證明它們可以將冠狀病毒患者與未患該疾病的人區(qū)分開。
數(shù)據(jù)和方法：包括來自中國疾病感染地區(qū)的多個國際數(shù)據(jù)集。本文提出了一種利用2D和3D深度學(xué)習(xí)模型，修改和調(diào)整現(xiàn)有AI模型并將其與臨床理解相結(jié)合的系統(tǒng)。
本文進(jìn)行了多次回顧性實驗，以分析系統(tǒng)在檢測可疑COVID-19胸部CT特征中的性能，并使用3D視圖來檢查評估每位患者隨時間推移的疾病進(jìn)展，并產(chǎn)生“冠狀評分”。該研究包括了157名國際患者（中國和美國）的測試集。
結(jié)果：胸部CT冠狀病毒與非冠狀病毒的分類結(jié)果為0.996 AUC（95％CI：0.989-1.00），這是在中國控制和感染患者的數(shù)據(jù)集上的結(jié)果。實際使用的結(jié)果：靈敏度為98.2％，特異性為92.2％。
對于冠狀病毒患者，系統(tǒng)可對較小的不透明物（體積，直徑）進(jìn)行定量測量，并在基于切片的“熱圖”或3D體積顯示中可視化較大的不透明物。本文提出的“冠狀(Corona)評分”可以衡量疾病隨時間的進(jìn)展。
總結(jié)：這項最初的研究目前正在擴展到更大的人群，證明基于AI的圖像分析可以在檢測冠狀病毒以及量化和跟蹤疾病方面取得高精度的結(jié)果。
01
引言
冠狀病毒感染的迅速傳播，對數(shù)十億人生命產(chǎn)生了巨大的影響，根據(jù)目前已有數(shù)據(jù)分析，死亡率在3.4%左右。
人們對當(dāng)前診斷標(biāo)準(zhǔn)在疾病最初表現(xiàn)時的敏感性提出了質(zhì)疑。Fang等熱將非對稱胸部CT的敏感性與檢測病毒核酸的逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)（RT-PCR）進(jìn)行了比較，它是目前檢測COVID-19的參考標(biāo)準(zhǔn)。他們的研究調(diào)查了51名在流行地區(qū)有旅行或居住史，發(fā)燒或未知原因的急性呼吸道癥狀的患者?；颊呓邮芰俗畛醯暮椭貜?fù)的RT-PCR測試。他們的標(biāo)準(zhǔn)是通過串行RT-PCR測試最終確認(rèn)的COVID-19感染診斷。
非對稱胸部CT檢測COVID-19感染的敏感性為98％，該論文中顯示了病例的CT特征是顯示出彌漫性或焦玻璃混濁。Xie等人和Bernheim等人的研究都表明，胸部CT毛玻璃渾濁形態(tài)是該疾病的特征，尤其是雙側(cè)和周圍的合并性肺混濁。研究人員指出，隨著癥狀發(fā)作時間的延長，疾病的嚴(yán)重程度也隨之增加，并且描述了后來的疾病征兆，包括更大的肺部受損，線性混濁等等。有28％的早期患者，76％的中度患者和88％疾病晚期患者有雙側(cè)肺部受損現(xiàn)象。
這些最新研究表明，一旦做出使用胸部CT即可對患者進(jìn)行診斷或篩查的決定，則需要迅速判斷非常大量的影像學(xué)圖像。人工智能技術(shù)，尤其是深度學(xué)習(xí)圖像分析工具，則可以被開發(fā)來幫助放射科醫(yī)生進(jìn)行數(shù)據(jù)的分類，量化和趨勢分析。AI解決方案有可能并行分析多個病例，以檢測胸部CT是否顯示出肺部任何異常。如果該軟件表明明顯增加了疾病的可能性，則可以將該病例標(biāo)記出來，以供放射科醫(yī)生或臨床醫(yī)生進(jìn)行進(jìn)一步檢查，以進(jìn)行可能的治療/隔離。
開發(fā)深度學(xué)習(xí)算法通常需要下面幾個階段：一、數(shù)據(jù)收集階段，其中包括需要從預(yù)定義的類別中收集大量數(shù)據(jù)樣本；需要專家對數(shù)據(jù)進(jìn)行注釋；二、訓(xùn)練階段，其中收集的數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型。每個類別都必須有足夠的代表性。在此訓(xùn)練階段，將自動生成大量的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（通常為數(shù)百萬個）。三，測試階段，其中將未在訓(xùn)練中使用的另一組數(shù)據(jù)提供給網(wǎng)絡(luò)，并對網(wǎng)絡(luò)的輸出進(jìn)行統(tǒng)計測試，以確定其是否分類成功。
由于新病毒的樣本數(shù)據(jù)非常有限，因此，本文的假設(shè)是，可以利用修改和調(diào)整現(xiàn)有AI模型并將其與臨床理解相結(jié)合的來快速開發(fā)基于AI的工具。我們的目標(biāo)是開發(fā)基于深度學(xué)習(xí)的自動CT圖像分析工具，并證明它們可以使冠狀病毒患者與未患疾病的患者區(qū)分開，從而為疾病的檢測、量化和跟蹤提供支持。
02
方法
本文提出的系統(tǒng)具有輸入胸部CT圖像并標(biāo)記懷疑具有COVID-19病例的功能。此外，對于分類為陽性的病例，系統(tǒng)會輸出肺部異常定位圖和測量值。圖1顯示了開發(fā)系統(tǒng)的框圖。
該系統(tǒng)由幾個組件組成，并在兩個不同的級別上分析CT病例：子系統(tǒng)A：使用現(xiàn)有的SOTA算法對結(jié)核和焦?jié)崆闆r的病例體積進(jìn)行3D分析，而子系統(tǒng)B：對每個切片，用最新開發(fā)的2D分析來檢測和定位更大范圍的彌漫性混濁，包括臨床上已描述為冠狀病毒表現(xiàn)的毛玻璃態(tài)。對于子系統(tǒng)A，本文使用商用軟件來檢測3D肺部容積內(nèi)的結(jié)節(jié)和小混濁。該軟件是作為肺部病理學(xué)檢測解決方案而開發(fā)的，可提供定量測量（包括體積測量，軸向測量（RECIST），HU值，鈣化檢測以及固體，亞固體和GG的質(zhì)構(gòu)表征）。由于毛玻璃混濁（GGO）在最近的研究中已經(jīng)成為COVID-19的關(guān)鍵特征之一，因此作者假設(shè)現(xiàn)有軟件可以檢測出病例中較小尺寸的病灶。
在圖2（A）中可以看到一個例子：顯示了兩個冠狀病毒病例，其中混濁現(xiàn)象相對較弱。除了檢測異常外，還提供了測量和定位結(jié)果。在每種情況下，該軟件都會檢測單個不透明的焦點，并顯示檢測到的不透明度的圖像及其分割結(jié)果。最后，會自動生成并提供病變特征列表。
由于當(dāng)前的肺病理學(xué)檢測解決方案是專門針對結(jié)節(jié)檢測任務(wù)而構(gòu)建的，因此不能依靠它們來檢測更多彌散性的混濁結(jié)節(jié)。因此作者在每個切片的基礎(chǔ)上提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的解決方案，如圖1子系統(tǒng)B所示。
在本文的解決方案（B）中，第一步是肺劃分階段：本文使用肺分割模塊提取感興趣的肺區(qū)域（ROI），分割步驟使得能夠去除與肺內(nèi)疾病的檢測無關(guān)的圖像部分。在接下來的步驟中，作者專注于檢測冠狀病毒相關(guān)的異常：本文使用Resnet-50-2D深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，與醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域一樣，本文進(jìn)一步微調(diào)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以解決當(dāng)前的問題，每個切片將病例注釋為正常（n = 1036）與異常（n = 829）。為了克服數(shù)量有限的情況，本文采用了數(shù)據(jù)增強技術(shù)（圖像旋轉(zhuǎn)，水平翻轉(zhuǎn)和裁剪）。在后續(xù)異常檢測步驟中，給定一個新切片，將其分類為陽性，本文提取了“網(wǎng)絡(luò)激活圖”，該圖對應(yīng)于最有助于網(wǎng)絡(luò)決策的區(qū)域。
圖2（B）顯示了四個分類為異常的COVID-19切片示例結(jié)果。頂部是CT圖像。底部是相應(yīng)的彩色地圖。紅色表示網(wǎng)絡(luò)權(quán)重最大，而藍(lán)色表示最弱。我們注意到，這有力地表明該網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)到了與COVID-19表現(xiàn)形式相關(guān)的重要特征。
為了提供完整的案例回顧，我們結(jié)合了子系統(tǒng)A-3D分析和子系統(tǒng)B-2D切片級別的輸出。在圖3中，我們看到了一個冠狀病毒病例，并且所提出的系統(tǒng)的合并輸出結(jié)果圖也是如此。我們可以看到綠色的結(jié)節(jié)性和局灶彌漫性不透明度的檢測，紅色的則是較大的不透明度檢測。這兩個子系統(tǒng)相互補充，并且在某些位置相互增強。
除了可視化之外，系統(tǒng)還會自動提取多個感興趣的輸出，包括每個切片的不透明度（2D）定位以及整個肺部不透明度的3D體積表示。
本文還提出了Corona評分，該評分是對不透明部分的體積度量。它是通過網(wǎng)絡(luò)激活圖的體積總和來計算的，該分?jǐn)?shù)對切片厚度和像素間距也具有魯棒性。對于患者疾病的進(jìn)展監(jiān)測，作者建議使用相對Corona評分，其中利用第一個時間點計算的評分將Corona評分歸一化。
03
結(jié)果
作者做了一系列實驗來闡明該自動分析工具的性能。
1、分類
作者使用了10%的中國數(shù)據(jù)集作為測試集，主要測試了對冠狀病毒的檢測和辨別能力。當(dāng)閾值1.1％（檢測到的陽性切片與肺切片的陽性百分比），可取得98.2％的病例水平敏感性和92.2％的特異性。而閾值為1.9％時，則會有96.4％的靈敏度和98％的特異性。
2、經(jīng)過一段時間的評估
在作者最后的實驗中，評估了在病毒初次發(fā)作（發(fā)燒、咳嗽）后1-4天進(jìn)行了第一次CT掃描的時間點成像的患者。
圖5跟蹤了冠狀病毒患者中特定混濁度隨著時間推移的結(jié)果（紅色框）。
圖6顯示了另一例冠狀病毒患者的完整過程，該患者在整個疾病過程中均進(jìn)行了三次CT掃描。
關(guān)于具體的實驗參數(shù)，可以詳見論文：
https://arxiv.org/abs/2003.05037
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