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Inteligência Artificial e Escoliose

18 de setembro de 2024 atualizado por: Dina S. Noaman, Delta University for Science and Technology

Papel do Algoritmo de Aprendizado Profundo na Avaliação e Tratamento da Escoliose

O objetivo do estudo é usar tecnologia de inteligência artificial na avaliação do grau de gravidade da escoliose e personalizar o plano de tratamento para cada paciente.

Visão geral do estudo

Status

Concluído

Descrição detalhada

Embora a atenção à IA relacionada com os cuidados de saúde esteja a aumentar, tem havido muito progresso na tradução ou implementação destas tecnologias para utilização clínica. Portanto, à medida que conduzimos a nossa investigação, abriremos um novo campo de estudo para a integração da inteligência artificial (IA) em ferramentas de avaliação médica e na área da fisioterapia. Isto poupará tempo e esforço dos fisioterapeutas para o desenvolvimento de avaliações adequadas e condução de planos de tratamento, beneficiará os pacientes e o país em geral, reduzindo a carga financeira associada à realização de avaliações e gestão precisas para estes casos, e fornecerá avaliações claras e objetivas para a maioria dos problemas da coluna vertebral. deformidades de escoliose, bem como personalização adequada para planos de tratamento.

Marcial e Métodos

  1. Experimentos marciais Esta seção apresenta os resultados da pesquisa, detalhando as metodologias empregadas e os resultados obtidos. A análise começa com uma visão geral do conjunto de dados utilizado, seguida pelas etapas de pré-processamento realizadas para garantir a qualidade dos dados e a adequação para o treinamento do modelo. em seguida, aprofunde-se nas várias abordagens e modelos selecionados para este estudo, incluindo redes neurais convolucionais (CNNs) personalizadas e modelos pré-treinados utilizados por meio de aprendizagem por transferência. Cada modelo é avaliado com base em seu desempenho e discute a configuração experimental e as métricas de avaliação usadas para medir a eficácia. Por fim, apresentando os resultados experimentais, fornecendo uma análise abrangente da exatidão, precisão, recall e outras métricas relevantes do modelo.

    2.1 Coleta de dados Os dados dos sujeitos foram divididos em 2 grupos. A radiografia total da coluna normal do grupo (A) consistiu em 664 imagens e a radiografia de pacientes escolióticos do grupo (B) consistiu em 4.307 imagens. Todas as radiografias da coluna vertebral envolvidas neste estudo foram compiladas retrospectivamente de diversas fontes, incluindo BUU Datasets, Kaggle, Mendeley Data, Huggingface, Dropbox e Roboflow, garantindo uma coleção diversificada e abrangente de imagens relacionadas à escoliose. Pacientes com escoliose foram (1) diagnosticados com escoliose por diferentes etiologias, (2) Raios-X claros para coluna vertebral para todas as curvaturas espinhais, incluindo; cervical, torácica e lombar. (3) Escoliose em forma de C e duplo C. (4) graus escolióticos leves, moderados e graves. (5) Adolescentes com idade média de 17 anos(6) Ambos os sexos (masculino e feminino).

  2. Metodologia proposta 2.1 Aumento de dados Para resolver o problema de dados limitados, empregamos o aumento de dados para expandir artificialmente nosso conjunto de dados. Esta técnica envolve a geração de novas amostras de treinamento aplicando várias transformações às imagens existentes, como inversão, dimensionamento e rotação. Esses aumentos não apenas aumentam o tamanho do conjunto de dados, mas também desempenham um papel crucial no aprimoramento da capacidade de generalização do modelo, expondo-o a uma variedade maior de variações de imagem. Ao simular diferentes condições de visualização e distorções, o aumento de dados ajuda o modelo a se tornar mais robusto às mudanças na orientação, escala e outras variações da imagem que ele pode encontrar em cenários do mundo real. Este processo é particularmente importante na análise de imagens médicas, onde a aquisição de conjuntos de dados grandes e diversos pode ser um desafio. O aumento de dados garante que o modelo não se ajuste excessivamente ao conjunto de dados original limitado e, em vez disso, aprenda a reconhecer os padrões subjacentes que são indicativos de escoliose, melhorando, em última análise, o seu desempenho e fiabilidade.

Imagens originais Imagem invertida Imagem girada Imagem em escala

. Exemplos de técnicas de aumento de dados Imagens aplicadas 2.2 Pré-processamento O pré-processamento eficaz é uma etapa crítica na preparação de nosso conjunto de dados para treinamento de modelo, pois melhora a qualidade e a consistência das imagens, tornando-as mais adequadas para análise. Uma das principais técnicas empregadas foi a equalização do histograma, que é particularmente importante em imagens médicas, onde variações sutis na intensidade dos pixels podem impactar significativamente a precisão da classificação. A equalização do histograma melhora o contraste das imagens redistribuindo seus valores de intensidade, garantindo que o histograma – ou distribuição de intensidades de pixel – seja distribuído de maneira mais uniforme. Esse processo aprimora características importantes das imagens, tornando-as mais informativas e de fácil interpretação para o modelo.

2.3 Abordagens e seleção de modelos Este estudo investiga vários modelos de aprendizado de máquina e aprendizado profundo para enfrentar a complexa tarefa de classificar imagens normais e de escoliose. A abordagem de pesquisa foi meticulosamente projetada para atingir um equilíbrio ideal entre alcançar alta precisão de classificação e manter a eficiência computacional, o que é crucial para aplicações médicas do mundo real. Uma seleção cuidadosa de uma variedade de modelos, cada um oferecendo pontos fortes exclusivos no tratamento de dados de imagem, e configurados para maximizar seu desempenho no conjunto de dados inserido. Os parágrafos seguintes fornecem uma visão abrangente dos modelos empregados, a lógica por trás de sua seleção, suas configurações específicas e uma análise detalhada dos resultados obtidos nos experimentos. Este exame minucioso não só destaca a eficácia dos modelos escolhidos, mas também oferece insights sobre a sua potencial aplicabilidade em ambientes clínicos.

2.3.1 Redes Neurais Convolucionais (CNNs) utilizaram Redes Neurais Convolucionais (CNNs) para capacidade excepcional em tarefas de classificação de imagens. As CNNs são excelentes na captura de hierarquias espaciais e recursos em imagens por meio de uma combinação de camadas convolucionais, camadas de pooling e camadas densas. Camadas Convolucionais: essas camadas são fundamentais para as CNNs, pois aplicam vários filtros às imagens de entrada para detectar padrões como bordas, texturas e formas. Ao deslizar esses filtros pela imagem, as camadas convolucionais geram mapas de características que representam diferentes aspectos da imagem. Experimentamos vários tamanhos e números de filtros para otimizar o processo de extração de recursos.

Camadas de pooling: camadas de pooling, normalmente usando operações como pooling máximo ou pooling médio, reduzem a amostragem dos mapas de recursos produzidos por camadas convolucionais. Isso reduz as dimensões espaciais dos mapas de características, diminuindo assim a carga computacional e ajudando o modelo a generalizar melhor, concentrando-se nas características mais salientes. Empregamos camadas de pool para gerenciar com eficácia a dimensionalidade e melhorar a eficiência do modelo.

Camadas Densas: Após as operações convolucionais e de pooling, camadas densas (camadas totalmente conectadas) são usadas para interpretar os recursos extraídos pelas camadas convolucionais. Camadas densas agregam os recursos de alto nível e realizam a classificação final mapeando as representações aprendidas para os rótulos de saída. Ajustamos o número de camadas densas e suas unidades para aprimorar a capacidade do modelo de fazer previsões precisas.

Essa combinação de camadas convolucionais, agrupadas e densas nos permitiu construir uma arquitetura CNN robusta que distingue efetivamente entre imagens normais e de escoliose.

2.3.2 Transferência de aprendizagem

Dado o tamanho limitado do nosso conjunto de dados, aproveitamos a aprendizagem por transferência para melhorar o desempenho do modelo sem recursos computacionais extensos. A aprendizagem por transferência envolve o uso de modelos pré-treinados – desenvolvidos em conjuntos de dados grandes e diversos – e sua adaptação à nossa tarefa específica. vários modelos avançados pré-treinados para se beneficiar de seus recursos aprendidos:

XceptionNet: XceptionNet é uma arquitetura baseada em convoluções separáveis ​​em profundidade, que decompõe as operações de convolução em operações menores e mais eficientes. Esse design ajuda a capturar recursos complexos enquanto reduz a complexidade computacional. Ajustamos o XceptionNet para adaptar seus recursos aprendidos para nossa tarefa de classificação de escoliose.

DenseNet201: DenseNet201 é caracterizado por seu padrão de conectividade denso, onde cada camada recebe entrada de todas as camadas anteriores. Essa abordagem promove a reutilização de recursos e melhora o fluxo gradiente durante o treinamento. DenseNet201 utilizado para aproveitar seus fortes recursos de extração de recursos e aumentar a precisão do nosso modelo.

EfficientNetB0: EfficientNetB0 emprega um método de escalonamento composto que dimensiona uniformemente a profundidade, largura e resolução da rede. Este modelo é conhecido por seu equilíbrio entre precisão e eficiência. EfficientNetB0 adaptou-se ao conjunto de dados para se beneficiar de sua arquitetura otimizada e alto desempenho.

InceptionV3: InceptionV3 apresenta uma arquitetura complexa com múltiplas operações convolucionais paralelas de diversos tamanhos de filtro, permitindo capturar uma ampla gama de recursos. O InceptionV3 foi incorporado para aproveitar suas vantagens robustas de extração de recursos e capacidades de processamento em várias escalas.

MobileNetV2: MobileNetV2 foi projetado para dispositivos móveis e de ponta com eficiência e velocidade em mente. Ele usa convoluções separáveis ​​em profundidade para reduzir o tamanho do modelo e os requisitos computacionais. MobileNetV2 usado para alcançar um equilíbrio entre eficiência do modelo e precisão de classificação.

Ao ajustar esses modelos pré-treinados, os classificadores são capazes de aproveitar seus recursos avançados de extração de recursos e adaptá-los à tarefa específica selecionada de classificação de imagens normais e de escoliose, resultando em melhor desempenho e redução do tempo de treinamento.

Tipo de estudo

Observacional

Inscrição (Real)

5000

Contactos e Locais

Esta seção fornece os detalhes de contato para aqueles que conduzem o estudo e informações sobre onde este estudo está sendo realizado.

Locais de estudo

    • El Dakahlia
      • Gamasa, El Dakahlia, Egito, 35511
        • Delta University

Critérios de participação

Os pesquisadores procuram pessoas que se encaixem em uma determinada descrição, chamada de critérios de elegibilidade. Alguns exemplos desses critérios são a condição geral de saúde de uma pessoa ou tratamentos anteriores.

Critérios de elegibilidade

Idades elegíveis para estudo

  • Filho
  • Adulto

Aceita Voluntários Saudáveis

Sim

Método de amostragem

Amostra Não Probabilística

População do estudo

Todas as radiografias da coluna vertebral envolvidas neste estudo foram compiladas retrospectivamente de diversas fontes, incluindo BUU & Datasets, Kaggle, Mendeley Data, Huggingface, Dropbox e Roboflow, garantindo uma coleção diversificada e abrangente de imagens relacionadas à escoliose.

Descrição

Critérios de inclusão:

  • ). Pacientes com escoliose foram

    • diagnosticado com escoliose por diferentes etiologias.
    • Raio X claro para coluna vertebral para todas as curvaturas da coluna, incluindo; visão cervical, torácica e lombar (PA).
    • Escoliose em forma de C e duplo C, como (escoliose toracolombar-cervicotorácica).
    • Graus escolióticos leves, moderados e graves.
    • Adolescentes com idade média de 17 anos
    • Gênero masculino e feminino

Critérios de exclusão:

  • crianças com escoliose
  • idade inferior a 12 anos.
  • radiografia da coluna em vista lateral.

Plano de estudo

Esta seção fornece detalhes do plano de estudo, incluindo como o estudo é projetado e o que o estudo está medindo.

Como o estudo é projetado?

Detalhes do projeto

O que o estudo está medindo?

Medidas de resultados primários

Medida de resultado
Descrição da medida
Prazo
testar a validade e confiabilidade do software
Prazo: 2 meses
capacidade dos modelos de diferenciar radiografias normais de escolióticas (classificação automática) que auxilia no diagnóstico da escoliose através da identificação da curva.
2 meses
determinar o grau de severidade da curva através da medição do ângulo de Cobb por grau
Prazo: 2 meses
para classificação da gravidade da escoliose (leve ou moderada ou grave)
2 meses
programa de tratamento sugerido de acordo com a necessidade de cada paciente. nos pontos do formulário
Prazo: 2 mariposas
no caso de escoliose leve, a intervenção será conservadora, por outro lado, na curva moderada, a intervenção será conservadora e manejo ortopédico, enquanto na interface cirúrgica sugerida severa.
2 mariposas

Colaboradores e Investigadores

É aqui que você encontrará pessoas e organizações envolvidas com este estudo.

Datas de registro do estudo

Essas datas acompanham o progresso do registro do estudo e os envios de resumo dos resultados para ClinicalTrials.gov. Os registros do estudo e os resultados relatados são revisados ​​pela National Library of Medicine (NLM) para garantir que atendam aos padrões específicos de controle de qualidade antes de serem publicados no site público.

Datas Principais do Estudo

Início do estudo (Real)

1 de julho de 2024

Conclusão Primária (Real)

1 de setembro de 2024

Conclusão do estudo (Real)

1 de setembro de 2024

Datas de inscrição no estudo

Enviado pela primeira vez

2 de setembro de 2024

Enviado pela primeira vez que atendeu aos critérios de CQ

6 de setembro de 2024

Primeira postagem (Real)

19 de setembro de 2024

Atualizações de registro de estudo

Última Atualização Postada (Real)

20 de setembro de 2024

Última atualização enviada que atendeu aos critérios de controle de qualidade

18 de setembro de 2024

Última verificação

1 de setembro de 2024

Mais Informações

Termos relacionados a este estudo

Outros números de identificação do estudo

  • F.P.T2407029

Plano para dados de participantes individuais (IPD)

Planeja compartilhar dados de participantes individuais (IPD)?

INDECISO

Descrição do plano IPD

como o conjunto de dados é coletado retrospectivamente de vários bancos de dados, a data não é identificada para cada paciente.

Informações sobre medicamentos e dispositivos, documentos de estudo

Estuda um medicamento regulamentado pela FDA dos EUA

Não

Estuda um produto de dispositivo regulamentado pela FDA dos EUA

Não

produto fabricado e exportado dos EUA

Não

Essas informações foram obtidas diretamente do site clinicaltrials.gov sem nenhuma alteração. Se você tiver alguma solicitação para alterar, remover ou atualizar os detalhes do seu estudo, entre em contato com register@clinicaltrials.gov. Assim que uma alteração for implementada em clinicaltrials.gov, ela também será atualizada automaticamente em nosso site .

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