Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) is an important non-invasive technique for in vivo biomedical detection. However, it is still challenging to accurately quantify metabolites with proton MRS due to three problems: Serious overlaps of metabolite signals, signal distortions due to non-ideal acquisition conditions and interference with strong background signals including macromolecule signals. The most popular software, LCModel, adopts the non-linear least square to quantify metabolites and addresses these problems by introducing regularization terms, imperfection factors of non-ideal acquisition conditions, and designing several empirical priors such as basissets of both metabolites and macromolecules. However, solving such a large non-linear quantitative problem is complicated. Moreover, when the signal-to-noise ratio of an input MRS signal is low, the solution may have a large deviation. In this work, deep learning is introduced to reduce the complexity of solving this overall quantitative problem. Deep learning is designed to predict directly the imperfection factors and the overall signal from macromolecules. Then, the remaining part of the quantification problem becomes a much simpler effective fitting and is easily solved by Linear Least Squares (LLS), which greatly improves the generalization to unseen concentration of metabolites in the training data. Experimental results show that compared with LCModel, the proposed method has smaller quantification errors for 700 sets of simulated test data, and presents more stable quantification results for 20 sets of healthy in vivo data at a wide range of signal-to-noise ratio. Qnet also outperforms other deep learning methods in terms of lower quantification error on most metabolites. Finally, QNet has been deployed on a cloud computing platform, CloudBrain-MRS, which is open accessed at https://csrc.xmu.edu.cn/CloudBrain.html.


翻译:磁共振波谱(MRS)是一种重要的非侵入性活体生物医学检测技术。然而,由于三个问题,利用质子MRS准确定量代谢物仍具挑战:代谢物信号的严重重叠、非理想采集条件导致的信号畸变以及包括大分子信号在内的强背景信号干扰。最流行的软件LCModel采用非线性最小二乘法进行代谢物量化,并通过引入正则化项、非理想采集条件的不完美因子以及设计代谢物和大分子基函数等若干经验先验来应对这些问题。然而,求解如此庞大的非线性量化问题十分复杂。此外,当输入MRS信号的信噪比较低时,解可能产生较大偏差。本研究引入深度学习以降低求解这一整体量化问题的复杂度。深度学习被设计为直接预测非理想因子和大分子整体信号。随后,量化问题的剩余部分简化为一个更高效拟合过程,可通过线性最小二乘法(LLS)轻松求解,从而显著提升模型对训练数据中未见过代谢物浓度的泛化能力。实验结果表明,与LCModel相比,所提方法在700组模拟测试数据中具有更小的量化误差,并在20组不同信噪比范围的健康活体数据中呈现出更稳定的量化结果。QNet在多数代谢物上的量化误差也低于其他深度学习方法。最后,QNet已部署于云计算平台CloudBrain-MRS,该平台可通过https://csrc.xmu.edu.cn/CloudBrain.html 开放访问。

0
下载
关闭预览

相关内容

Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
《同步多无人机系统中的故障与通信》
专知会员服务
2+阅读 · 今天6:23
面向国防作战的最佳自主与蜂群无人机技术
专知会员服务
7+阅读 · 7月28日
《异构人类团队的协作决策过程混合建模研究》
博士论文 | 面向大模型推理的内存高效算法
专知会员服务
5+阅读 · 7月27日
美空军新型反无人机部队初探
专知会员服务
9+阅读 · 7月27日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员