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Multi-instance Deep Learning of Ultrasound Imaging Data for Pattern Classification of Congenital Abnormalities of the Kidney and Urinary Tract in Children - 21/07/20

Doi : 10.1016/j.urology.2020.05.019 
Shi Yin 1, 2, Qinmu Peng 1, Hongming Li 2, Zhengqiang Zhang 1, Xinge You 1, Katherine Fischer 4, 5, Susan L. Furth 3, Yong Fan 2, , Gregory E. Tasian 4, 5, 6
1 School of Electronic Information and Communications, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, China 
2 Department of Radiology, Perelman School of Medicine, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA 
3 Department of Pediatrics, Division of Pediatric Nephrology, The Children's Hospital of Philadelphia, Philadelphia, PA 
4 Department of Surgery, Division of Pediatric Urology, The Children's Hospital of Philadelphia, Philadelphia, PA 
5 Center for Pediatric Clinical Effectiveness, The Children's Hospital of Philadelphia, Philadelphia, PA 
6 Department of Biostatistics, Epidemiology, and Informatics, The University of Pennsylvania, Philadelphia, PA 

Address correspondence to: Yong Fan, Ph.D., Center for Biomedical Image Computing and Analytics, Department of Radiology, University of Pennsylvania, Richards Building, 7th Floor, 3700 Hamilton Walk, Philadelphia, PA 19104.Center for Biomedical Image Computing and AnalyticsDepartment of RadiologyUniversity of PennsylvaniaRichards Building, 7th Floor, 3700 Hamilton WalkPhiladelphiaPA19104

Abstract

OBJECTIVE

To reliably and quickly diagnose children with posterior urethral valves (PUV), we developed a multi-instance deep learning method to automate image analysis.

METHODS

We built a robust pattern classifier to distinguish 86 children with PUV from 71 children with mild unilateral hydronephrosis based on ultrasound images (3504 in sagittal view and 2558 in transverse view) obtained during routine clinical care.

RESULTS

The multi-instance deep learning classifier performed better than classifiers built on either single sagittal images or single transverse images. Particularly, the deep learning classifiers built on single images in the sagittal view and single images in the transverse view obtained area under the receiver operating characteristic curve (AUC) values of 0.796 ± 0.064 and 0.815 ± 0.071, respectively. AUC values of the multi-instance deep learning classifiers built on images in the sagittal and transverse views with mean pooling operation were 0.949 ± 0.035 and 0.954 ± 0.033, respectively. The multi-instance deep learning classifiers built on images in both the sagittal and transverse views with a mean pooling operation obtained an AUC of 0.961 ± 0.026 with a classification rate of 0.925 ± 0.060, specificity of 0.986 ± 0.032, and sensitivity of 0.873 ± 0.120, respectively. Discriminative regions of the kidney located using classification activation mapping demonstrated that the deep learning techniques could identify meaningful anatomical features from ultrasound images.

CONCLUSION

The multi-instance deep learning method provides an automatic and accurate means to extract informative features from ultrasound images and discriminate infants with PUV from male children with unilateral hydronephrosis.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Plan


 Funding Support: This work was supported in part by the National Institutes of Health (R21DK117297, P50DK114786, and K23DK106428); the National Center for Advancing Translational Sciences of the National Institutes of Health (UL1TR001878); the National Natural Science Foundation of China (61772220 and 61473296); the Key Program for International S&T Cooperation Projects of China (2016YFE0121200); the Hubei Province Technological Innovation Major Project (2017AAA017 and 2018ACA135); the Institute for Translational Medicine and Therapeutics’ (ITMAT) Transdisciplinary Program in Translational Medicine and Therapeutics, and the China Scholarship Council.
 Conflict of Interest: The authors declare that they have no relevant financial interests.


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Vol 142

P. 183-189 - août 2020 Retour au numéro
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