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U-net convolutional neural network applied to progressive fibrotic interstitial lung disease: Is progression at CT scan associated with a clinical outcome? - 23/12/23

Doi : 10.1016/j.resmer.2023.101058 
Xavier Guerra a, , 1 , Simon Rennotte b, 2, Catalin Fetita b, 2, Marouane Boubaya c, 1, Marie-Pierre Debray d, 3, Dominique Israël-Biet e, f, 4, Jean-François Bernaudin g, h, 5, Dominique Valeyre g, i, 1, Jacques Cadranel h, j, 6, Jean-Marc Naccache k, 7, Hilario Nunes g, i, 1, Pierre-Yves Brillet a, g, 1
a Department of Radiology, Avicenne Hospital, Assistance Publique - Hôpitaux de Paris, Bobigny, France 
b Samovar Laboratory, Télécom SudParis, Institut Polytechnique de Paris, Evry, France 
c Clinical Research Unit, Avicenne Hospital, Assistance Publique - Hôpitaux de Paris, Sorbonne Paris-Nord, Bobigny, France 
d Department of Radiology, Bichat-Claude Bernard Hospital, Assistance Publique - Hôpitaux de Paris, Paris, France 
e Department of Pulmonology, Georges Pompidou European Hospital, Assistance Publique - Hôpitaux de Paris, Paris, France 
f Université Paris – Cité, Paris, France 
g INSERM UMR 1272 Hypoxie & Poumon SMBH, Université Sorbonne Paris – Nord, Bobigny, France 
h Medicine Sorbonne Université, Paris, France 
i Department of Pulmonology, Avicenne Hospital, Assistance Publique - Hôpitaux de Paris, Bobigny, France 
j Department of Pulmonology, Tenon Hospital, Assistance Publique - Hôpitaux de Paris, Paris, France 
k Department of Pulmonology, Groupe Hospitalier Paris Saint Joseph, Paris, France 

Corresponding author at: Radiology department, Avicenne Hospital, 125 Rue de Stalingrad, 93000 Bobigny, France.Radiology departmentAvicenne Hospital125 Rue de StalingradBobigny93000France

Abstract

Background

Computational advances in artificial intelligence have led to the recent emergence of U-Net convolutional neural networks (CNNs) applied to medical imaging. Our objectives were to assess the progression of fibrotic interstitial lung disease (ILD) using routine CT scans processed by a U-Net CNN developed by our research team, and to identify a progression threshold indicative of poor prognosis.

Methods

CT scans and clinical history of 32 patients with idiopathic fibrotic ILDs were retrospectively reviewed. Successive CT scans were processed by the U-Net CNN and ILD quantification was obtained. Correlation between ILD and FVC changes was assessed. ROC curve was used to define a threshold of ILD progression rate (PR) to predict poor prognostic (mortality or lung transplantation). The PR threshold was used to compare the cohort survival with Kaplan Mayer curves and log-rank test.

Results

The follow-up was 3.8 ± 1.5 years encompassing 105 CT scans, with 3.3 ± 1.1 CT scans per patient. A significant correlation between ILD and FVC changes was obtained (p = 0.004, ρ = -0.30 [95% CI: -0.16 to -0.45]). Sixteen patients (50%) experienced unfavorable outcome including 13 deaths and 3 lung transplantations. ROC curve analysis showed an aera under curve of 0.83 (p < 0.001), with an optimal cut-off PR value of 4%/year. Patients exhibiting a PR ≥ 4%/year during the first two years had a poorer prognosis (p = 0.001).

Conclusions

Applying a U-Net CNN to routine CT scan allowed identifying patients with a rapid progression and unfavorable outcome.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Interstitial lung disease, Pulmonary fibrosis, Progression disease, Neural networks (computer)

Abbreviations : AE, AI, CI, CNN, FVC, IIP, ILD, ILD%, i-NSIP, IPF, IQR, PFT, PR, SD, u-IIP


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