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Deep learning for automatic organ and tumor segmentation in nanomedicine pharmacokinetics

分割 计算机科学 人工智能 深度学习 纳米医学 医学影像学 药代动力学 剂量学 医学物理学 模式识别(心理学) 医学 核医学 药理学 材料科学 纳米颗粒 纳米技术
作者
Alex Dhaliwal,Jun Ma,Mark Zheng,Qing Lyu,Maneesha A. Rajora,Shihao Ma,Laura Oliva,Anthony Ku,Michael S. Valic,Bo Wang,Gang Zheng
出处
期刊:Theranostics [Ivyspring International Publisher]
卷期号:14 (3): 973-987 被引量:1
标识
DOI:10.7150/thno.90246
摘要

Rationale: Multimodal imaging provides important pharmacokinetic and dosimetry information during nanomedicine development and optimization.However, accurate quantitation is time-consuming, resource intensive, and requires anatomical expertise.Methods: We present NanoMASK: a 3D U-Net adapted deep learning tool capable of rapid, automatic organ segmentation of multimodal imaging data that can output key clinical dosimetry metrics without manual intervention.This model was trained on 355 manually-contoured PET/CT data volumes of mice injected with a variety of nanomaterials and imaged over 48 hours.Results: NanoMASK produced 3-dimensional contours of the heart, lungs, liver, spleen, kidneys, and tumor with high volumetric accuracy (pan-organ average %DSC of 92.5).Pharmacokinetic metrics including %ID/cc, %ID, and SUVmax achieved correlation coefficients exceeding R = 0.987 and relative mean errors below 0.2%.NanoMASK was applied to novel datasets of lipid nanoparticles and antibody-drug conjugates with a minimal drop in accuracy, illustrating its generalizability to different classes of nanomedicines.Furthermore, 20 additional auto-segmentation models were developed using training data subsets based on image modality, experimental imaging timepoint, and tumor status.These were used to explore the fundamental biases and dependencies of auto-segmentation models built on a 3D U-Net architecture, revealing significant differential impacts on organ segmentation accuracy.Conclusions: NanoMASK is an easy-to-use, adaptable tool for improving accuracy and throughput in imaging-based pharmacokinetic studies of nanomedicine.It has been made publicly available to all readers for automatic segmentation and pharmacokinetic analysis across a diverse array of nanoparticles, expediting agent development.

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