Artificial intelligence (AI) now enables automated interpretation of medical images for clinical use. However, AI's potential use for interventional images (versus those involved in triage or diagnosis), such as for guidance during surgery, remains largely untapped. This is because surgical AI systems are currently trained using post hoc analysis of data collected during live surgeries, which has fundamental and practical limitations, including ethical considerations, expense, scalability, data integrity, and a lack of ground truth. Here, we demonstrate that creating realistic simulated images from human models is a viable alternative and complement to large-scale in situ data collection. We show that training AI image analysis models on realistically synthesized data, combined with contemporary domain generalization or adaptation techniques, results in models that on real data perform comparably to models trained on a precisely matched real data training set. Because synthetic generation of training data from human-based models scales easily, we find that our model transfer paradigm for X-ray image analysis, which we refer to as SyntheX, can even outperform real data-trained models due to the effectiveness of training on a larger dataset. We demonstrate the potential of SyntheX on three clinical tasks: Hip image analysis, surgical robotic tool detection, and COVID-19 lung lesion segmentation. SyntheX provides an opportunity to drastically accelerate the conception, design, and evaluation of intelligent systems for X-ray-based medicine. In addition, simulated image environments provide the opportunity to test novel instrumentation, design complementary surgical approaches, and envision novel techniques that improve outcomes, save time, or mitigate human error, freed from the ethical and practical considerations of live human data collection.


翻译:人工智能(AI)现在能够自动解读供临床使用的医学图像。然而,人工智能(AI)对于干预图像的潜在用途,例如手术期间的指导性指导,仍然基本上没有得到开发。这是因为外科人工智能系统目前经过培训,使用现场手术期间收集的数据进行临时分析,这种分析具有根本性和实际的局限性,包括伦理考虑、成本、可缩放性、数据完整性和缺乏地面真实性。在这里,我们证明,从人类模型中创建现实的模拟图像是一个可行的替代方案,是对大规模现场数据收集的一种替代和补充。我们显示,在实际合成数据方面,结合当代域常规化或适应技术,对人工智能图像进行人工智能分析的模型分析,在实际合成合成合成合成数据分析模型中,产生与精确匹配的真正数据培训成套数据培训模型的可比性。由于从道德考虑、费用、可缩写性、可缩写性数据模型模型转换模型转换模型转换模式到更大规模原版数据采集系统,我们展示了真实的数据转换模型转换方法。我们展示了SyntheX-19的实时合成补充数据分析方法,在三次临床测试阶段测试阶段分析中可以提供快速智能分析。

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