AI在COVID-19診斷成像中的應(yīng)用

2019年冠狀病毒(COVID-19)正在全球蔓延。醫(yī)學(xué)成像，如X光和計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)在全球?qū)�抗COVID-19中發(fā)揮了重要作用，而最近出現(xiàn)的人工智能(AI)技術(shù)進(jìn)一步加強(qiáng)了成像工具的力量。人工智能技術(shù)支持的圖像采集可以顯著幫助掃描過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，還可以重塑工作流程，最大限度地減少與患者的接觸，為成像技術(shù)人員提供最佳保護(hù)。此外，人工智能技術(shù)可以通過(guò)在X光和CT圖像中準(zhǔn)確描繪感染來(lái)提高工作效率，便于后續(xù)的量化。近期IEEE Reviews in Biomedical Engineering刊登了“Reviewof Artificial Intelligence Techniques in Imaging Data Acquisition, Segmentation and Diagnosis for COVID-19”的綜述論文，對(duì)比說(shuō)明AI成像工作流在醫(yī)學(xué)影像中的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)COVID-19具體介紹了AI在數(shù)據(jù)采集、分割和診斷中的應(yīng)用，最后提出AI在醫(yī)學(xué)影像應(yīng)用上存在的問(wèn)題和展望。

1、AI成像工作流在醫(yī)學(xué)影像中的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)成像工作流程：胸部X光和CT廣泛用于COVID-19 的篩查和診斷。在COVID-19大流行期間，采用非接觸式自動(dòng)圖像采集工作流程以避免感染的嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)非常重要。然而，傳統(tǒng)的成像工作流程包括技術(shù)人員和患者之間不可避免的接觸。特別地，在患者定位中，技術(shù)人員首先根據(jù)給定的方案幫助患者擺姿勢(shì)，隨后在視覺(jué)上識(shí)別患者身上的目標(biāo)身體部位位置，并手動(dòng)調(diào)整患者和X射線管之間的相對(duì)位置和姿勢(shì)。這一過(guò)程使技術(shù)人員與患者密切接觸，導(dǎo)致病毒暴露的高風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要非接觸式和自動(dòng)化的成像工作流程來(lái)最小化接觸。

人工智能成像工作流程：許多現(xiàn)代的X光和CT系統(tǒng)都配備了用于病人監(jiān)護(hù)的攝像機(jī)。在COVID-19爆發(fā)期間，這些設(shè)備促進(jìn)了非接觸掃描工作流程的實(shí)施。技術(shù)人員可以通過(guò)攝像機(jī)的實(shí)時(shí)視頻流從控制室監(jiān)控病人。在這種情況下，人工智能能夠通過(guò)從視覺(jué)傳感器獲取的數(shù)據(jù)中識(shí)別患者的姿勢(shì)和形狀來(lái)自動(dòng)執(zhí)行操作，以確定最佳掃描參數(shù)。這樣的自動(dòng)化工作流程可以顯著提高掃描效率并減少不必要的輻射暴露。一個(gè)顯著的例子是基于由可視人工智能技術(shù)支持的移動(dòng)CT平臺(tái)自動(dòng)掃描工作流，如圖1(a)所示。移動(dòng)平臺(tái)完全獨(dú)立，帶有基于人工智能的預(yù)掃描和診斷系統(tǒng)。它被重新設(shè)計(jì)成一個(gè)完全隔離的掃描室和控制室，以避免技術(shù)人員和患者之間不必要的互動(dòng)。進(jìn)入掃描室后，通過(guò)視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)提示，指示患者在病床上擺好姿勢(shì)(圖1(b))。技術(shù)人員可以通過(guò)窗戶觀察，也可以通過(guò)掃描室內(nèi)安裝在天花板上的人工智能攝像機(jī)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)視頻，并在必要時(shí)校正病人的姿勢(shì)(圖1(c))。患者定位算法將從用照相機(jī)[1]捕獲的圖像中自動(dòng)恢復(fù)患者的3D姿態(tài)和完全重建的網(wǎng)格。基于3D網(wǎng)格，患者目標(biāo)身體部分的掃描范圍和3D中心線都被估計(jì)并轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)和優(yōu)化的掃描參數(shù)，以供技術(shù)人員驗(yàn)證。一旦核實(shí)，病床將自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)ISO中心，并移入掃描架進(jìn)行掃描。采集到CT圖像后，將對(duì)其進(jìn)行處理和分析，以便進(jìn)行篩查和診斷。2、AI圖像增強(qiáng)在COVID-19中的具體應(yīng)用

AI圖像處理在COVID-19治療中具體作用在于：針對(duì)提供的圖像材料（形式可以是CT，X光），利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)圖像進(jìn)行處理，給出1.劃分出肺部區(qū)域和損傷區(qū)域；2.診斷是否為新冠肺炎患者；3.提供有助于醫(yī)護(hù)人員作治療方案決策的量化參數(shù)。

2.1 區(qū)域劃分

此環(huán)節(jié)的作用在于，對(duì)疑似患者肺部區(qū)域拍攝而得到的圖像進(jìn)行預(yù)處理，以提供后續(xù)操作。實(shí)施層面，此環(huán)節(jié)包含兩部分工作：肺部區(qū)域劃分和損傷區(qū)域。表1是一些圖像劃分在COVID-19應(yīng)用中的研究匯總。

表1 圖像劃分在COVID-19中的應(yīng)用

以肺區(qū)域?yàn)閷?dǎo)向的方法旨在將肺區(qū)域，即整個(gè)肺和肺葉，與CT或X射線中的其他（背景）區(qū)域分開(kāi)，這被認(rèn)為是一個(gè)必要的步驟，在COVID-19的篩查中[3-10]。例如，Jin等人[2]提出了一種用于CT圖像中COVID-19篩查的兩級(jí)管道，其中整個(gè)肺區(qū)域首先由一個(gè)基于UNet++的分割網(wǎng)絡(luò)有效分割出來(lái)。

 

以面向肺損傷的方法旨在將肺中的病變（或金屬和運(yùn)動(dòng)偽影）從肺區(qū)分離出來(lái)。因?yàn)椴∽兓蚪Y(jié)節(jié)可能很小，有多種形狀和紋理，定位病變或結(jié)節(jié)的區(qū)域是必需的，通常被認(rèn)為是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的檢測(cè)任務(wù)。值得注意的是，除了分割外，在篩選中，注意機(jī)制也被認(rèn)為是有效的定位方法。

 

2.2 COVID-19的診斷

對(duì)COVID-19的診斷本質(zhì)上是一個(gè)分類(lèi)問(wèn)題，通常的分類(lèi)結(jié)果有三：非肺炎，非新冠肺炎和新冠肺炎。表2是一些COVID-19的分類(lèi)研究。

納林等人[11]提出了三種不同的深度學(xué)習(xí)模型，即ResNet50、InceptionV3和Inception-ResNetV2，以檢測(cè)X射線圖像中的COVID-19感染情況。值得注意的是，在本研究中，ID-19數(shù)據(jù)集[12]和Kaggle的胸部X射線圖像（肺炎）也被用來(lái)形成數(shù)據(jù)集。50例COVID-19患者的胸部X線圖像和50例正常胸部X線圖像。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，ResNet50模型具有最高的分類(lèi)性能，準(zhǔn)確率為98.0%，而InceptionV3的準(zhǔn)確率為97.0%，Inception-ResNetV2的準(zhǔn)確率為87%。

 

2.3 量化參數(shù)

由于目前的大部分工作集中在COVID-19的預(yù)診斷上，我們注意到研究COVID-19的后續(xù)工作仍然非常有限。只有很少的嘗試，據(jù)我們所知。例如，上海聯(lián)合成像智能(UII)的研究人員試圖使用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法和可視化技術(shù)來(lái)演示變化患者感染區(qū)域的體積大小、密度等臨床相關(guān)因素。之后，將自動(dòng)生成臨床報(bào)告，以將這些變化作為數(shù)據(jù)反映出來(lái)由臨床專(zhuān)家驅(qū)動(dòng)的指導(dǎo)，以確定以下程序，見(jiàn)圖2。

 

3、問(wèn)題和展望

數(shù)據(jù)收集是COVID-19應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)方法的第一步。盡管有大量的公共CT或X射線數(shù)據(jù)集用于肺部疾病，但X射線和CT掃描對(duì)COVID-19的應(yīng)用目前都還不廣泛，這阻礙了人工智能方法的研究和發(fā)展。Cohen等人從網(wǎng)站和出版物收集醫(yī)學(xué)圖像來(lái)創(chuàng)建COVID-19圖像數(shù)據(jù)收集，它目前包含123個(gè)正面視圖X射線。COVID-CT數(shù)據(jù)集是從700多份關(guān)于COVID-19的medRxiv和bioRxiv的預(yù)印文獻(xiàn)中收集來(lái)的，包括288張確診COVID-19患者的CT切片和10例確診COVID-19病例的三維CT圖像。此外，COVID-19CT分割數(shù)據(jù)集還包含來(lái)自60例患者的100個(gè)軸向CT切片，以JPG圖像的方式展示�？梢�(jiàn)目前限制AI于COVID-19上應(yīng)用的主要問(wèn)題是缺乏大量、完整、可靠的數(shù)據(jù)集。

 

展望未來(lái)，預(yù)計(jì)將有更多的人工智能應(yīng)用程序被納入圖像采集工作流程，以提高掃描質(zhì)量、減少病人的被輻射量。例如，需要更精確的基于人工智能的自動(dòng)化ISO中心和掃描范圍確定，以確保最佳的圖像質(zhì)量。此外，X射線曝光參數(shù)可以通過(guò)人工智能來(lái)推斷患者的身體區(qū)域厚度，自動(dòng)計(jì)算和優(yōu)化的，確保在掃描過(guò)程中使用正確的輻射量，這對(duì)于低劑量成像特別重要。

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