Development of a deep learning model for the automated detection of green pixels indicative of gout on dual energy CT scan - 09/03/24

Doi : 10.1016/j.redii.2024.100044 
Shahriar Faghani a, Rhodes G. Nicholas b, Soham Patel b, Francis I. Baffour b, Mana Moassefi a, Pouria Rouzrokh a, Bardia Khosravi a, Garret M. Powell b, Shuai Leng c, Katrina N. Glazebrook b, Bradley J. Erickson c, Christin A. Tiegs-Heiden b,
a Radiology Informatics Lab, Department of Radiology, Mayo Clinic, Rochester, MN, USA 
b Division of Musculoskeletal Radiology, Department of Radiology, Mayo Clinic, Rochester, MN, USA 
c Department of Radiology, Mayo Clinic, Rochester, MN, USA 

Corresponding author at: Department of Radiology, Mayo Clinic, 200 1st St. SW, Rochester, MN 55905.Department of RadiologyMayo Clinic200 1st St. SWRochesterMN55905

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Abstract

Background

Dual-energy CT (DECT) is a non-invasive way to determine the presence of monosodium urate (MSU) crystals in the workup of gout. Color-coding distinguishes MSU from calcium following material decomposition and post-processing. Most software labels MSU as green and calcium as blue. There are limitations in the current image processing methods of segmenting green-encoded pixels. Additionally, identifying green foci is tedious, and automated detection would improve workflow. This study aimed to determine the optimal deep learning (DL) algorithm for segmenting green-encoded pixels of MSU crystals on DECTs.

Methods

DECT images of positive and negative gout cases were retrospectively collected. The dataset was split into train (N = 28) and held-out test (N = 30) sets. To perform cross-validation, the train set was split into seven folds. The images were presented to two musculoskeletal radiologists, who independently identified green-encoded voxels. Two 3D Unet-based DL models, Segresnet and SwinUNETR, were trained, and the Dice similarity coefficient (DSC), sensitivity, and specificity were reported as the segmentation metrics.

Results

Segresnet showed superior performance, achieving a DSC of 0.9999 for the background pixels, 0.7868 for the green pixels, and an average DSC of 0.8934 for both types of pixels, respectively. According to the post-processed results, the Segresnet reached voxel-level sensitivity and specificity of 98.72 % and 99.98 %, respectively.

Conclusion

In this study, we compared two DL-based segmentation approaches for detecting MSU deposits in a DECT dataset. The Segresnet resulted in superior performance metrics. The developed algorithm provides a potential fast, consistent, highly sensitive and specific computer-aided diagnosis tool. Ultimately, such an algorithm could be used by radiologists to streamline DECT workflow and improve accuracy in the detection of gout.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Gout, Dual-energy CT, Deep learning, Segmentation, Convolutional neural network, Vision transformers

Abbreviations : Dual-energy CT, monosodium urate, deep learning, convolutional neural networks, vision transformers, digital imaging and communications in medicine, neuroimaging informatics technology initiative, dice similarity score, standard deviation


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