Fetüs beyin dokularının 3B U-Net ile segmentasyonu ve gestasyonel yaşın segmentasyon performansına etkisi

Gebelik esnasında fetüs beyninde, çevresel veya genetik etmenlerden kaynaklanan bozuklukların ilerleyen yaşlarda otizm, hiperaktivite ve bipolar bozukluklar olarak ortaya çıktığı düşünülmektedir. Fetüs beyin dokularının yapısal analizi, dokuların büyüklükleri ve şekilleri hakkında bilgi sağlayarak bu hastalıkların etiyolojisinin araştırılmasına yardımcı olmaktadır. MR (manyetik rezonans) ve ultrason fetüs beyin dokusu analizi için en sık kullanılan iki görüntüleme tekniğidir. Özellikle MR görüntülemede, fetüs beyin dokuları net bir şekilde görülebilmesine rağmen bu görüntülerin yapısal analizi zaman alıcı bir iştir. Hızla gelişen ve değişen fetüs beyin dokuları, haftalık veya aylık periyotlarla, elle veya yarı-otomatik şekilde gerçekleştirilen MR analizinin yapılmasını zorlaştırmaktadır. Bu araştırmada, 3B U-Net ile MR görüntüleri üzerinde yedi farklı fetüs beyin dokusunun tam otomatik segmentasyonu gerçekleştirilmiştir. FeTA2021 veri seti, erken, orta ve geç gestasyonel yaş gruplarına bölünerek her bir yaş grubu için farklı 3B U-Net modelleri eğitilmiş ve segmentasyon performansı analiz edilmiştir. Gestasyonel yaş gruplarına göre sırasıyla ortalama 0.83, 0.91 ve 0.92 Dice skoruna ulaşılmıştır.

Segmentation of fetal brain tissues using 3D U-Net and the effect of gestational age on segmentation performance

Environmental and genetic factors are thought to cause diseases in the fetal brain that may later manifest as autism, hyperactivity, and bipolar disorder. Structural analysis of fetal brain tissue helps to explore the etiology of these diseases by providing information about the size and shape of the tissues. MR (magnetic resonance) imaging and ultrasound are the two imaging modalities most used to analyze fetal brain tissue. Especially in MR imaging, brain tissues can be seen clearly. However, structural analysis of MR images is a time-consuming process. Because fetal brain tissues develop and change rapidly, it is difficult to perform manual or semi-automated MR analysis weekly or monthly. In this study, seven different fetal brain tissues were segmented fully-automated with 3D U-Net. The FeTA2021 dataset was divided into the early, middle, and late gestational age groups, different 3D U-Net models were trained for each age group, and segmentation performance was analyzed. Average Dice scores of 0.83, 0.91, and 0.92 were achieved for the gestational-age groups, respectively.

___

  • S. L. Connors, P. Levitt, S. G. Matthews et al., Fetal mechanisms in neurodevelopmental disorders. Pediatric Neurology, 38, 3, 163–176, 2008. https://doi.org/10.1016/j.pediatrneurol.2007.10.009
  • A. Barry, B.M. Patten, B.H. Stewart., Possible factors in the development of the Arnold-Chiari malformation. Journal of Neurosurgery, 14, 3, 285–301,1957. https://doi.org/10.3171/jns.1957.14.3.0285
  • N. E. Foster, K. A. Doyle-Thomas, A. Tryfon et al., Structural gray matter differences during childhood development in autism spectrum disorder: A multimetric approach. Pediatric Neurology, 53, 4, 350–359, 2015. https://doi.org/10.1016/j.pediatrneurol.2015.06.013
  • Ghai, S., Fong, K.W., Toi, A., Chitayat, D., Pantazi, S., Blaser, S., Prenatal US and MR imaging findings of lissencephaly: review of fetal cerebral sulcal development. Radiographics, 26, 2, 389–405, 2006. https://doi.org/10.1148/rg.262055059
  • K. Payette, P. de Dumast, H. Kebiri et al., An automatic multi-tissue human fetal brain segmentation benchmark using the fetal tissue annotation dataset. Scientific Data, 8, 1, 1–14, 2021. https://doi.org/10.6084/m9.figshare.14039327
  • L. Fidon, M. Aertsen, S. Shit et al., Partial supervision for the feta challenge 2021. arXiv preprint https://doi.org/10.48550/arXiv.2111.024082111.02408,2021
  • P. de Dumast, H. Kebiri, K. Payette, A. Jakab, H. Lajous and M. B. Cuadra, Synthetic magnetic resonance images for domain adaptation: Application to fetal brain tissue segmentation. 2022 IEEE 19th International Symposium on Biomedical Imaging (ISBI) IEEE, pp. 1–5, Kolkata, India, 2022. https://doi.org/10.1109/ISBI52829.2022.9761451
  • H. Lajous, C. W. Roy, T. Hilbert et al., A fetal brain magnetic resonance acquisition numerical phantom (fabian). Scientific Reports, 12, 1, 1–21, 2022. https://doi.org/10.1038/s41598-022-10335-4
  • D. Karimi, C. K. Rollins, C. Velasco-Annis, A. Ouaalam and A. Gholipour, Learning to segment fetal brain tissue from noisy annotations. Medical Image Analysis, 85, 102731, 2023. https://doi.org/10.1016/j.media.2022.102731
  • S. S. M. Salehi, S. R. Hashemi, C. Velasco-Annis et al., Real-time automatic fetal brain extraction in fetal mri by deep learning. 2018 IEEE 15th International Symposium on Biomedical Imaging (ISBI 2018), pp. 720-724, Washington, DC, USA, 2018. https://doi.org/10.1109/ISBI.2018.8363675
  • S. Tourbier, X. Bresson, P. Hagmann, J. P. Thiran, R. Meuli, M.B. Cuadra, An efficient total variation algorithm for super-resolution in fetal brain MRI with adaptive regularization. Neuroimage, 118, 584-97, 2015. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2015.06.018
  • M. Kuklisova-Murgasova, G. Quaghebeur, M.A. Rutherford, J.V. Hajnal, J.A. Schnabel, Reconstruction of fetal brain MRI with intensity matching and complete outlier removal. Medical Image Analysis, 16, 8, 1550-64, 2012. https://doi.org/10.1016/j.media.2012.07.004
  • L. Fidon, M. Aertsen, D. Emam et al., Label-set loss functions for partial supervision: Application to fetal brain 3d mri parcellation. International Conference on Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention Springer, pp. 647–657, Virtual Event, 2021. https://doi.org/10.1007/978-3-030-87196-3_60
  • A. Makropoulos, E. C. Robinson, A. Schuh et al., The developing human connectome project: A minimal processing pipeline for neonatal cortical surface reconstruction. Neuroimage, 173, 88–112, 2018. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2018.01.054
  • Ö. Çiçek, A. Abdulkadir, , S.S. Lienkamp, T. Brox, O. Ronneberger, 3D U-Net: Learning dense volumetric segmentation from sparse annotation. Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention -- MICCAI 2016, pp. 424-432, Athens, Greece, 2016. https://doi.org/10.1007/978-3-319-46723-8_49
  • Y. Wu, K. He, Group Normalization. Computer Vision - ECCV 2018, pp. 3-19, Munich, Germany, 2018. https://doi.org/10.1007/978-3-030-01261-8_1
  • L.N. Smith, Cyclical learning rates for training neural networks. 2017 IEEE Winter Conference on Applications of Computer Vision (WACV), pp. 464-472, Santa Rosa, CA, USA, 2017. https://doi.org/10.1109/WACV.2017.58
Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi-Cover
  • ISSN: 2564-6605
  • Yayın Aralığı: Yılda 4 Sayı
  • Başlangıç: 2017
  • Yayıncı: Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi
Sayıdaki Diğer Makaleler

Hidroksiapatit kaplanmış Al2024'ün simüle edilmiş vücut sıvısında in-vitro korozyon performansı: Karşılaştırmalı bir çalışma

Mehmet TOPUZ, Burak DİKİCİ

Galileo uydu sisteminin nokta konumlamaya etkisi

Cevat İNAL, Tunahan GÜNDOĞAN, Sercan BÜLBÜL

Hibrit derin öğrenme yöntemi kullanılarak hiperparametre optimizasyonu ile yenilenebilir elektrik enerjisi tahmini

Kübra KAYSAL, Ahmet Haşim YURTTAKAL, Fatih Onur HOCAOĞLU

Sedimanter ve metamorfik kökenli doğal taşların üretiminde kullanılan blok kesme (S/T) ve katrak makinelerinin kesilebilirliğin değerlendirilmesi

Yunus Emre SATI, Deniz TUMAÇ, Aydin SHATERPOUR-MAMAGHANİ

Esnek cisim dinamik simülasyonu kullanarak bir mekanik jiroskop volan tasarımının optimizasyonu

Mehmet Ali EROGLU, Mehmet Kursat YALCIN, İlyas KACAR

Merkezi ters V ve X çaprazlı çerçeveli yüksek katlı çelik yapıların mod birleştirme yöntemi ile yapısal analiz sonuçlarının karşılaştırılması

Hüseyin Hilmi ASLANBAY, Oğuz DÜĞENCİ, Selçuk Serdar SERPİL

Önceden eğitilmiş derin öğrenme modelleri kullanılarak damlacık yoluyla bulaşan salgın hastalıkları önlemek için robotik tabanlı maske tespiti

Ali ÜNLÜTÜRK

Büyük depremler sonrası kadastral noktalardaki değişimlerin izlenmesi: 30.10.2020 Sisam depremi (Mw:6.9) örneği

Erdi YENİCE, İbrahim TİRYAKİOĞLU, Mustafa YİLMAZ, Halil İbrahim SOLAK

Genipin ile çapraz bağlı nanokapsüllerin sentezi ve karakterizasyonu

Şeyma ÇAĞLAR, Deniz AKIN ŞAHBAZ

İzoleli DC-DC CUK konverter ile sürülen güç LED’inin üstel ve sabit gerilime dayalı modellerinin karşılaştırılması

Erdal ŞEHİRLİ