1. Automatic Labeling of Intracranial Arteries : A Deep Learning Approach for Streamlining Post-Processing of 4D Flow MRI Data
- Author
-
Elías Jofré Machuca, Sebastián and Elías Jofré Machuca, Sebastián
- Abstract
The brain relies heavily on consistent blood supply to prevent cerebral ischemia, with altered hemodynamics linked to a variety of conditions. Despite the detailed measurements of cerebrovascular flow provided by 4D Flow MRI, achieving accurate hemodynamic quantification necessitates labor-intensive manual data analysis. In this study, we propose a deep learning-based automated processing pipeline for intracranial artery labeling to streamline the post-processing of 4D Flow MRI data, framing the problem as a semantic segmentation task. The study evaluates different loss functions and network depths to enhance segmentation accuracy. The best performance was achieved using a hybrid loss function and a 6-layer U-Net model, yielding a Dice similarity coefficient (DSC) exceeding 89%. Experiments were conducted on a dataset of 18 patients, focusing on seven major cerebral vessels. The hybrid loss function combined Dice and cross-entropy losses, providing higher and more consistent segmentation accuracy compared to using either loss function alone. Increasing the network depth to 6 layers balanced complexity and spatial resolution, outperforming both shallower and deeper networks. The results demonstrate the feasibility of using convolutional neural networks for automatic cerebral vessel segmentation, showing high potential for streamlining cumbersome post-processing tasks in 4D Flow MRI data analysis by only requiring a vessel segmentation mask., Hjärnan är starkt beroende av en konsekvent blodtillförsel för att förhindra cerebral ischemi, och förändrad hemodynamik är kopplat till en mängd olika tillstånd. Trots att 4D Flow MRI kan ge detaljerade mätningar av cerebrovaskulärt flöde, kräver exakt hemodynamisk kvantifiering arbetsintensiv manuell dataanalys. I denna studie föreslår vi en djupinlärningsbaserad automatiserad bearbetningspipeline för märkning av intrakraniella artärer för att effektivisera behandlingen av 4D Flow MRI-data genom att betrakta problemet som ett semantiskt segmenteringsproblem. Studien utvärderar olika förlustfunktioner och nätverksdjup för att förbättra segmenteringsnoggrannheten. Den bästa prestandan uppnåddes med en hybrid förlustfunktion och en U-Net-modell med 6 lager, vilket gav en Dice similarity coefficient (DSC) över 89%. Experiment utfördes på ett dataset med 18 patienter, med fokus på sju stora cerebrala kärl. Den hybrida förlustfunktionen kombinerade Dice och korsentropiförluster, vilket gav större och mer konsekvent segmenteringsnoggrannhet jämfört med att använda vardera förlustfunktion för sig. Ökandet av nätverksdjup till 6 lager balanserade komplexitet och spatial upplösning, och presterade bättre än både grundare och djupare nätverk. Resultaten belyser möjligheten att använda konvolutionella neurala nätverk för automatisk segmentering av cerebrala kärl, och visar en stor potential för att effektivisera tidskrävande behandlingsuppgifter i 4D Flow MRI-data genom att endast kräva en kärlsegmenteringsmask.
- Published
- 2024