Brain tumor imaging has been part of the clinical routine for many years to perform non-invasive detection and grading of tumors. Tumor segmentation is a crucial step for managing primary brain tumors because it allows a volumetric analysis to have a longitudinal follow-up of tumor growth or shrinkage to monitor disease progression and therapy response. In addition, it facilitates further quantitative analysis such as radiomics. Deep learning models, in particular CNNs, have been a methodology of choice in many applications of medical image analysis including brain tumor segmentation. In this study, we investigated the main design aspects of CNN models for the specific task of MRI-based brain tumor segmentation. Two commonly used CNN architectures (i.e. DeepMedic and U-Net) were used to evaluate the impact of the essential parameters such as learning rate, batch size, loss function, and optimizer. The performance of CNN models using different configurations was assessed with the BraTS 2018 dataset to determine the most performant model. Then, the generalization ability of the model was assessed using our in-house dataset. For all experiments, U-Net achieved a higher DSC compared to the DeepMedic. However, the difference was only statistically significant for whole tumor segmentation using FLAIR sequence data and tumor core segmentation using T1w sequence data. Adam and SGD both with the initial learning rate set to 0.001 provided the highest segmentation DSC when training the CNN model using U-Net and DeepMedic architectures, respectively. No significant difference was observed when using different normalization approaches. In terms of loss functions, a weighted combination of soft Dice and cross-entropy loss with the weighting term set to 0.5 resulted in an improved segmentation performance and training stability for both DeepMedic and U-Net models.


翻译:多年来,脑肿瘤成像一直是临床常规的一部分,用于对肿瘤进行非侵入性检测和定级。肿瘤分解是管理初级脑肿瘤的重要一步。肿瘤分解是管理初级脑肿瘤的关键一步,因为它使得量子分析能够对肿瘤生长或收缩进行纵向跟踪,以监测疾病进展和治疗反应。此外,它有利于进一步进行放射学等定量分析。深度学习模型,特别是CNN,是许多医学图像分析应用中的一种选择方法,包括脑肿瘤分解。在这个研究中,我们调查了CNN模型的主要设计方面,用于基于MRI的脑肿瘤分解的具体任务。两种常用的CNN结构(即深部Media和U-Net)被普遍使用来评估基本参数的影响,例如学习率、批量大小、损失功能和优化等。使用BRA2018数据库数据集评估了使用不同配置的模型的性能,以确定最高级模型。然后,我们用内部数据集评估了该模型的概括性能。所有实验,U-Net在使用DS-S-S-CAR的初始测算法中,在使用最高数据序列测算中,只有使用高的DNA测算数据序列测算,才使用高的DNA测测测算数据。

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