Metadata-conditioned generative models to synthesize anatomically-plausible 3D brain MRIs

元数据 计算机科学 生成模型 生成语法 人工智能 概率逻辑 神经影像学 合成数据 编码(集合论) 机器学习 模式识别(心理学) 神经科学 心理学 集合(抽象数据类型) 程序设计语言 操作系统
作者
Wei Peng,Tomas M. Bosschieter,Jiahong Ouyang,Robert Paul,Edith V. Sullivan,Adolf Pfefferbaum,Ehsan Adeli,Qingyu Zhao,Kilian M. Pohl
出处
期刊:Medical Image Analysis [Elsevier]
卷期号:98: 103325-103325 被引量:1
标识
DOI:10.1016/j.media.2024.103325
摘要

Recent advances in generative models have paved the way for enhanced generation of natural and medical images, including synthetic brain MRIs. However, the mainstay of current AI research focuses on optimizing synthetic MRIs with respect to visual quality (such as signal-to-noise ratio) while lacking insights into their relevance to neuroscience. To generate high-quality T1-weighted MRIs relevant for neuroscience discovery, we present a two-stage Diffusion Probabilistic Model (called BrainSynth) to synthesize high-resolution MRIs conditionally-dependent on metadata (such as age and sex). We then propose a novel procedure to assess the quality of BrainSynth according to how well its synthetic MRIs capture macrostructural properties of brain regions and how accurately they encode the effects of age and sex. Results indicate that more than half of the brain regions in our synthetic MRIs are anatomically plausible, i.e., the effect size between real and synthetic MRIs is small relative to biological factors such as age and sex. Moreover, the anatomical plausibility varies across cortical regions according to their geometric complexity. As is, the MRIs generated by BrainSynth significantly improve the training of a predictive model to identify accelerated aging effects in an independent study. These results indicate that our model accurately capture the brain's anatomical information and thus could enrich the data of underrepresented samples in a study. The code of BrainSynth will be released as part of the MONAI project at https://github.com/Project-MONAI/GenerativeModels.
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