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Efficient Autonomous Lumen Segmentation in Intravascular Optical Coherence Tomography Images: Unveiling the Potential of Polynomial-Regression Convolutional Neural Network - 01/12/23

Doi : 10.1016/j.irbm.2023.100814 
Yu Shi Lau a, Li Kuo Tan b, , Kok Han Chee c, Chow Khuen Chan a, Yih Miin Liew a,
a Universiti Malaya, Faculty of Engineering, Department of Biomedical Engineering, Kuala Lumpur, Malaysia 
b Universiti Malaya, Faculty of Medicine, Department of Biomedical Imaging, Kuala Lumpur, Malaysia 
c Universiti Malaya, Faculty of Medicine, Department of Medicine, Kuala Lumpur, Malaysia 

Corresponding authors.

Abstract

Objectives

Intravascular optical coherence tomography (IVOCT) is a crucial micro-resolution imaging modality used to assess the internal structure of blood vessels. Lumen segmentation in IVOCT images is vital for measuring the location and the extent of vessel blockages and for guiding percutaneous coronary intervention. Obtaining such information in real-time is essential, necessitating the use of fast automated algorithms. In this paper, we proposed an innovative polynomial-regression convolutional neural network (CNN) for fast and automated IVOCT lumen segmentation.

Materials and methods

The polynomial-regression CNN architecture was uniquely crafted to enable single-pass extraction of lumen borders via IVOCT image regression, ensuring real-time processing efficiency without compromising accuracy. The architecture designed convolution for regression while omitting fully connected layers, leading to the spatial output of lumen representation as polynomial coefficients, thus enabling the formation of interconnected lumen points. The approach equipped the network to comprehend the intricate and continuous geometries and curvatures intrinsic to blood vessels in transverse and longitudinal dimensions. The network was trained on a dataset of 16,165 images and evaluated using 7,016 images.

Results

The predicted segmentations exhibited a distance error of less than 2 pixels (26.40 μm), Dice's coefficient of 0.982, Jaccard Index of 0.966, sensitivity of 0.980, specificity of 0.999, and a prediction time of 4 s (for a pullback containing 360 images). This technique demonstrated significantly improved performance in both accuracy and speed compared to published techniques.

Conclusion

The strong segmentation performance, fast speed, and robustness to image variations highlight the practical clinical utility of the proposed polynomial-regression network.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Graphical abstract

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Highlights

Introducing innovative polynomial-regression CNN architecture.
Demonstrating single-shot lumen border inference via IVOCT image regression.
Highly efficient segmentation without compromising accuracy.
First IVOCT application demonstrated real-time PCI practicality.
Robust performance across diverse image variations is promising for PCI deployment.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Convolutional neural network, Deep learning, Intravascular optical coherence tomography, Lumen segmentation, Polynomial regression


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Vol 45 - N° 1

Article 100814- février 2024 Retour au numéro
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  • Contrast-Free High Frame Rate Ultrasound Imaging for Assessment of Vascular Remodeling During Wound Healing
  • David Lemonnier, Ikram Mezghani, Georgios Theocharidis, Brandon J. Sumpio, Samuel K. Sia, Aristidis Veves, Parag V. Chitnis

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