Dual-energy computed tomography (DECT) is an advanced CT scanning technique enabling material characterization not possible with conventional CT scans. It allows the reconstruction of energy decay curves at each 3D image voxel, representing varying image attenuation at different effective scanning energy levels. In this paper, we develop novel functional data analysis (FDA) techniques and adapt them to the analysis of DECT decay curves. More specifically, we construct functional mixture models that integrate spatial context in mixture weights, with mixture component densities being constructed upon the energy decay curves as functional observations. We design unsupervised clustering algorithms by developing dedicated expectation maximization (EM) algorithms for the maximum likelihood estimation of the model parameters. To our knowledge, this is the first article to adapt statistical FDA tools and model-based clustering to take advantage of the full spectral information provided by DECT. We evaluate our methods on 91 head and neck cancer DECT scans. We compare our unsupervised clustering results to tumor contours traced manually by radiologists, as well as to several baseline algorithms. Given the inter-rater variability even among experts at delineating head and neck tumors, and given the potential importance of tissue reactions surrounding the tumor itself, our proposed methodology has the potential to add value in downstream machine learning applications for clinical outcome prediction based on DECT data in head and neck cancer.


翻译:双能计算断层成像仪(DECT)是一种先进的CT扫描技术,它能让传统CT扫描无法提供材料定性材料。它能重建每3D图像Voxel的能量衰变曲线,代表不同有效扫描能量水平的不同图像衰减。在本文中,我们开发了新型功能数据分析(FDA)技术,使其适应对DECT衰变曲线的分析。更具体地说,我们构建了将空间环境纳入混合物重量的功能混合模型,混合成分密度在能量衰变曲线上作为功能观测来构建。我们设计了不受监督的组合算法,为模型参数的最大可能性估算开发了专门的预期最大化(EM)算法。据我们所知,这是为利用DECT提供的全光谱信息而调整林业发展局的统计工具和模型集成技术的第一篇文章。我们评估了91个头部和颈部癌症扫描仪的方法。我们将未经监控的组合结果结果与放射师人工追踪的肿瘤轮廓以及若干基线算法进行了对比。我们设计了非超超能的组合算法的组合算法,通过开发了对模型参数进行最大可能的最大限度的最大限度的最大限度的计算。根据实验室内部的临床结果和头部分析,因此,专家在研究头部头部预测方法中,甚至增加了研究研究了我们头部头部头部头部研究研究研究研究了在癌症的模型的模型的模型的模型研究,从而增加了头部研究,在研究了我们头部和头部研究了在研究的模型研究方法,从而增加了了对癌症的数值。

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