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Mechanistic Learning with Guided Diffusion Models to Predict Spatio-Temporal Brain Tumor Growth

Created by
  • Haebom

作者

Daria Laslo, Efthymios Georgiou, Marius George Linguraru, Andreas Rauschecker, Sabine Muller, Catherine R. Jutzeler, Sarah Bruningk

概要

本論文は、脳腫瘍の時空間進行過程を予測するための混合機械学習フレームワークを提案する。数学的腫瘍成長モデルと誘導型ノイズ除去拡散負関数モデル(DDIM)を組み合わせて、以前のスキャンから解剖学的に妥当な将来のMRIを合成します。常微分方程式システムとして定式化された機械的モデルは、放射線治療効果を含む時間的腫瘍力学を捕捉し、将来の腫瘍負荷を推定します。これらの推定値は、傾斜ガイドDDIMを条件化し、予測された成長と患者の解剖学の両方に一致する画像合成を可能にします。 BraTS成人および小児神経膠腫データセットでモデルを訓練し、自己小腸小児拡散中線神経膠腫(DMG)症例の60軸方向スライスで評価します。このフレームワークは、空間類似性測定に基づいて現実的な追跡スキャンを生成します。また、95番目のパーセンタイルハウスドルフ通りとして現れる臨床的に関連する腫瘍成長の範囲と方向性の両方を捉える腫瘍成長確率マップを導入します。この方法は、データが限られたシナリオで生物学的に情報に基づいた画像を生成することを可能にし、機械的事前情報を考慮する生成的時空間予測を提供します。

Takeaways、Limitations

Takeaways:
データ不足の状況でも、生物学的メカニズムを考慮した現実的な脳腫瘍成長予測画像の生成が可能
腫瘍成長の範囲と方向性を定量的に示す腫瘍成長確率マップの提供
従来の画像解析法と比較して改善された空間類似性と予測精度
Limitations:
限られた規模のセルフデータセット(60軸方向スライスの小児DMGケース)を使用することで一般化性能のさらなる検証が必要
モデルの精度と信頼性を評価するためのより厳格な検証が必要
様々な種類の脳腫瘍および治療法に対する適用性のさらなる研究が必要
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