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[국내논문] 멀티 모달리티 데이터 활용을 통한 골다공증 단계 다중 분류 시스템 개발: 합성곱 신경망 기반의 딥러닝 적용
Multi-classification of Osteoporosis Grading Stages Using Abdominal Computed Tomography with Clinical Variables : Application of Deep Learning with a Convolutional Neural Network 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.18 no.3, 2024년, pp.187 - 201  

하태준 (더존비즈온 플랫폼사업부) ,  김희상 ((주)포소드 기술연구소) ,  강성욱 (강원대학교병원 차세대정보산업실) ,  이두희 ((주)지오비전) ,  김우진 (강원대학교병원 내과) ,  문기원 (강원대학교병원 내과) ,  최현수 (강원대학교 의과대학 내과학교실) ,  김정현 (강원대학교 의과대학 비뇨의학과) ,  김윤 ((주)지오비전) ,  박소현 (서울아산병원 영상의학과) ,  박상원 (강원대학교 의과대학 의료정보학과)

초록
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골다공증은 전 세계적으로 주요한 건강 문제임에도 불구하고, 골절 발생 전까지 쉽게 발견되지 않는 단점을 가지고 있습니다. 본 연구에서는 골다공증 조기 발견 능력 향상을 위해, 복부 컴퓨터 단층 촬영(Computed Tomography, CT) 영상을 활용하여 정상-골감소증-골다공증으로 구분되는 골다공증 단계를 체계적으로 분류할 수 있는 딥러닝(Deep learning, DL) 시스템을 개발하였습니다. 총 3,012개의 조영제 향상 복부 CT 영상과 개별 환자의 이중 에너지 X선 흡수 계측법(Dual-Energy X-ray Absorptiometry, DXA)으로 얻은 T-점수를 활용하여 딥러닝 모델 개발을 수행하였습니다. 모든 딥러닝 모델은 비정형 이미지 데이터, 정형 인구 통계 정보 및 비정형 영상 데이터와 정형 데이터를 동시에 활용하는 다중 모달 방법에 각각 모델 구현을 실현하였으며, 모든 환자들은 T-점수를 통해 정상, 골감소증 및 골다공증 그룹으로 분류되었습니다. 가장 높은 정확도를 갖는 모델 우수성은 비정형-정형 결합 데이터 모델이 가장 우수하였으며, 수신자 조작 특성 곡선 아래 면적이 0.94와 정확도가 0.80를 제시하였습니다. 구현된 딥러닝 모델은 그라디언트 가중치 클래스 활성화 매핑(Gradient-weighted Class Activation Mapping, Grad-CAM)을 통해 해석되어 이미지 내에서 임상적으로 관련된 특징을 강조했고, 대퇴 경부가 골다공증을 통해 골절 발생이 높은 위험 부위임을 밝혔습니다. 이 연구는 DL이 임상 데이터에서 골다공증 단계를 정확하게 식별할 수 있음을 보여주며, 조기에 골다공증을 탐지하고 적절한 치료로 골절 위험을 줄일 수 있는 복부 컴퓨터 단층 촬영 영상의 잠재력을 제시할 수 있습니다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Osteoporosis is a major health issue globally, often remaining undetected until a fracture occurs. To facilitate early detection, deep learning (DL) models were developed to classify osteoporosis using abdominal computed tomography (CT) scans. This study was conducted using retrospectively collected...

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표/그림 (9)

AI 본문요약
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제안 방법

  • Consequently, we developed models to evaluate the patients’ bone density risk utilizing their CT images or demographic/clinical variables, such as sex, age, height, weight, and body mass index (BMI).
  • The training image, rotation, zoom in/out, and translation (up, down, left, and right) methods were randomly changed from –10 to 10, and a vertical/horizontal flip method was applied
  • The proposed model was divided into segments designed to learn from both images and demographic information. Specifically, we constructed a model dedicated to processing CT images and demographic data while also conducting a comprehensive analysis by combining both datasets. In addition, we conducted a multi-modal data analysis by combining both sets of data.
  • First, our study results provide an opportunity to overcome the shortcomings of DXA and quickly respond to the potential risk of the disease using widely used and easily obtained CT images and demographic data. In particular, we utilized real-world clinical data to address the challenge of concurrently classifying individuals into the normal, osteopenia, and osteoporotic stages, leveraging observations from the femur region in abdominal CT. Previous studies have primarily focused on classifying individuals as either normal or having osteoporosis, with limited attention given to classifying osteopenia—a stage that falls between the two disease categories—as either normal or osteoporotic.

이론/모형

  • Therefore, in this study, we implemented a DL framework for the multi-classification of osteoporosis using abdominal CT. We also compared the performance of abdominal CT with demographic and clinical information acquired from BMD and further investigated the effect of combining the two-modality information for osteoporosis diagnosis performance.
  • To identify informative features extracted through the CNN, Grad-CAM was used (Fig. 4), allowing the visualization of the results during the analysis process.
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