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中华脑血管病杂志(电子版) ›› 2023, Vol. 17 ›› Issue (04) : 410 -416. doi: 10.11817/j.issn.1673-9248.2023.04.018

综述

人工智能在非增强CT图像中颅内出血早期检出和血肿分割的研究进展
胡平, 鄢腾峰, 周海柱, 祝新根()   
  1. 330006 南昌,南昌大学第二附属医院神经外科
    430000 武汉,武汉大学物理科学与技术学院
  • 收稿日期:2022-12-29 出版日期:2023-08-01
  • 通信作者: 祝新根
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(82172989); 中央引导地方科技发展资金项目(S2021KJCXG0005); 江西省重点研发计划项目(20212BBG71012); 江西省研究生创新专项资金项目(YC2023-B081)

Advances in artificial intelligence be applied to early diagnose intracranial hemorrhage and hematoma segmentation

Ping Hu, Tengfeng Yan, Haizhu Zhou, Xingen Zhu()   

  1. Department of Neurosurgery, the Second Affiliated Hospital of Nanchang University, Nanchang 330006, China
    School of Physics and Technology, Wuhan University, Wuhan 430000, China
  • Received:2022-12-29 Published:2023-08-01
  • Corresponding author: Xingen Zhu
引用本文:

胡平, 鄢腾峰, 周海柱, 祝新根. 人工智能在非增强CT图像中颅内出血早期检出和血肿分割的研究进展[J]. 中华脑血管病杂志(电子版), 2023, 17(04): 410-416.

Ping Hu, Tengfeng Yan, Haizhu Zhou, Xingen Zhu. Advances in artificial intelligence be applied to early diagnose intracranial hemorrhage and hematoma segmentation[J]. Chinese Journal of Cerebrovascular Diseases(Electronic Edition), 2023, 17(04): 410-416.

颅内出血(ICH)的早期检出对挽救患者神经功能乃至生命至关重要,而精确量化血肿体积则将为临床决策提供重要依据。非增强CT作为ICH的标准成像方式,随着人工智能(AI)的不断发展,目前越来越多的研究将AI应用于ICH非增强CT图像的早期检出和血肿分割。本文就近年来应用AI在ICH检出、识别出血类型、血肿分割方面的研究进展进行综述,以期验证AI是否可以构建准确的ICH自动分诊系统以降低误差率,为辅助临床医师制定准确的诊疗方案提供依据。

Early detection of intracranial hemorrhage is crucial to saving patients' neurological function and even life, and accurate quantification of hematoma volume will provide an essential basis for clinical decision-making. Non-contrast computed tomography is a standard imaging method for intracranial hemorrhage. With the continuous development of artificial intelligence, an increasing number of studies are applying artificial intelligence to the early detection and segmentation of non-contrast CT images of intracranial hemorrhage. This article reviews the recent research progress of artificial intelligence in the detection, subtype classification, and hematoma segmentation of intracranial hemorrhage, in order to verify whether artificial intelligence can construct an accurate automatic classification system for intracranial hemorrhage to reduce the error rate, and to provide a basis for assisting clinicians in making accurate diagnosis and treatment plans.

表1 AI在ICH检出和血肿分割的研究汇总
作者 时间 国家 参与者 CT张数 AI模型 ICH类型 表现 结论
Ye等[4] 2019 中国 ICH:1836例;正常:1000例 76 621 一种三维卷积神经网络和递归神经网络联合模型 SDH、EDH、IPH、IVH、SAH 检测ICH的准确度为99%,敏感度99%,特异度为99%,AUC为1 该算法在检测五种出血类型的敏感度高于初级放射科医师,但低于高级放射科医师
Voter等[9] 2021 美国 ICH:349例 3605 人工智能决策支持系统(AI-DSS) IPH AI-DSS检测IPH的敏感度为92.3%,特异度为97.7% 神经放射学家和AI-DSS的解释在96.9%的病例中是一致的
Lee等[10] 2020 韩国 ICH:150例;正常:100例 9085 一种完全不同于反向传播方法的人工神经网络深度学习算法 IPH/IVH、SAH、SDH/EDH 检测ICH的AUC为0.859,敏感度为78%,特异度为80% 他们的方法可以大大减少实际紧急情况下的ICH诊断时间,具有较好的诊断性能
Majumdar等[11] 2018 美国 ICH:134例 4300 深度卷积神经网络 IPH 测试集上检测IPH的敏感度为81%,特异度为98% 该模型能够准确检测ICH
McLouth等[13] 2021 美国 ICH:255例;正常:559例 未知 一种商用的基于深度学习网络工具 SDH/EDH、IPH、IVH、SAH 该模型检测出血时的准确度为95%,敏感度为91%,特异度为97% 深度学习工具可以有效地检测脑出血
Chang等[14] 2018 美国 ICH:983例;正常:10 038例 536 266 自定义混合3D/2D掩码基于ROI的卷积神经网络架构 IPH、SDH/EDH、SAH 前瞻性测试结果表明对IPH、SDH/EDH、SAH检出的敏感度分别为100.0%(23/23)、94.7%(36/38)和90.5%(19/21) 该工具可以准确地检测和量化NCCT出血。从急诊科收集的前瞻性NCCT显示出高性能,表明所提议的深度学习工具的临床可行性
Arbabshirani等[15] 2018 美国 ICH:31 256例 46 583 卷积神经网络 IPH/IVH、SDH 测试集上的敏感度为73%,特异度为80%,AUC为0.846 该工具诊断门诊新发脑出血的时间缩短96%,还可以识别被放射科医师忽视的微妙脑出血
Cho等[16] 2019 美国 ICH:2647例;正常:3055例 135 974 一种常规卷积神经网络和全卷积网络的混合模型 SDH/EDH、IPH、IVH、SAH 检测出血时的准确度为98.28%,敏感度为97.91%,特异度为98.76% 该混合模型检测出血的能力优于单个神经网络模型
Alis等[17] 2022 土耳其 ICH:48 070例 55 179 一种三维卷积神经网络和递归神经网络联合模型 SDH、EDH、IPH、IVH、SAH 验证集上检测出血的准确度为99.41%,敏感度为99.7%,特异度为99.34% 该模型在大规模样本中评估ICH及其亚型时具有良好的诊断准确性,且能在一分钟内对样本作出决策
Wang等[18] 2021 中国 2019-RSNA竞赛数据 25 000 二维卷积神经网络模型 SDH、EDH、IPH、IVH、SAH 两外部验证集检测ICH的敏感度为94.4%和84.4%,特异度为88.7%和91.4%,AUC为0.964和0.949 该工具拥有高性能和强大的泛化能力,这使得它成为一个有用的二次阅读或分类工具,可以促进常规临床应用
周长才等[19] 2021 中国 2019-RSNA竞赛数据 25 000 一种基于ResNet-101的新模型 SDH、EDH、IPH、IVH、SAH ICH的准确度为90.3%,5种类型的分类准确度>94.6% 该工具可以有效地检测脑出血
李娟等[20] 2021 中国 ICH:297例 10 304 基于卷积神经网络的深度学习算法 SDH、EDH、IPH、IVH、SAH 检测出血的AUC均>0.85,敏感度均>71%,特异度均>0.95,尤其对IPH、IVH检出效果最好 该模型可以较好地识别不同类型的颅内出血,并能精确测量血肿体积,具有一定的临床应用前景
Ironside等[21] 2019 美国 ICH:300例 未知 基于卷积神经网络的全自动分割算法 IPH 验证集的DSC为0.905,且与手动方法的相关性为0.981 CNN全自动分割算法分割血肿和量化血肿准确性高,大大提升了效率
Dhar等[22] 2020 美国 ICH:208例 未知 卷积神经网络 IPH DSC在外部验证集上为0.9,与手动分割的相关性为0.98 该模型能够较为准确测量脑出血的体积
Kellogg等[24] 2021 美国 ICH:128例 21 710 三维卷积神经网络 SDH 测试集上的最佳Dice得分为0.8351,在验证集上的平均Dice得分为0.806±0.06 该工具可以辅助自动化、准确的测量SDH,以评估治疗效果
Gou等[25] 2021 中国 未知 未知 贝叶斯深度学习和神经网络的混合方法 SAH Dice为0.891 该工具可以辅助SAH的出血区域检测和血肿分割
Zhao等[26] 2021 中国 ICH:380例 未知 一种新的全自动分割网络 IPH、IVH 分割IPH和IVH的DSC分别为0.92和0.79,且与手动标准的体积相关性>0.98 该模型在ICH自动分割和体积量化具有良好的可靠性
Peng等[27] 2022 中国 ICH:1027例 未知 集成了焦点结构和注意力门控机制的深度分割网络(AttFocusNet) IPH 两个外部验证集中的DSC分别为0.889和0.911,与手动标注的体积相关性分别为0.939和0.956 AttFocusNet在脑出血的分割和体积测量方面明显优于多田公式,获得了更接近真实脑出血体积的测量结果
Xu等[28] 2021 中国 未知 3297 一种密集U-Net框架网络 IPH,EDH,SDH 测试集上的IPH、EDH、SDH的DSC分别为0.90,0.88和0.82,与手动标注的体积相关性均为0.99 该模型可能有助于临床有效地制定颅内出血的治疗策略
Yu等[29] 2022 中国 ICH:562 未知 一种新型降维UNet神经网络(DR-UNet) IPH、IVH、SDH、EDH 内部和外部测试集DSC分别为0.861和0.874,与手动分割的体积相关性为0.997 该工具可以分割ICH血肿,并以比现有多田公式更好的准确性和更高的效率量化体积,其性能与专家临床医师相似
Rava等[30] 2021 美国 ICH:200例;正常:102例 未知 基于人工智能的AUTOStroke平台 IPH、IVH、SDH、SAH 检测IPH、IVH、SDH、SAH的准确度、敏感度和特异度均在90%以上 佳能的AUTOStroke Solution脑出血检测算法能够准确检测脑出血
Kuang等[31] 2020 中国 ICH:150例 4 989 一种基于新型Ψ-Net架构网络 IPH DSC为0.950 该方法训练时间短,性能优于以往的ICH分割方法
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