While current research has shown the importance of Multi-parametric MRI (mpMRI) in diagnosing prostate cancer (PCa), further investigation is needed for how to incorporate the specific structures of the mpMRI data, such as the regional heterogeneity and between-voxel correlation within a subject. This paper proposes a machine learning-based method for improved voxel-wise PCa classification by taking into account the unique structures of the data. We propose a multi-resolution modeling approach to account for regional heterogeneity, where base learners trained locally at multiple resolutions are combined using the super learner, and account for between-voxel correlation by efficient spatial Gaussian kernel smoothing. The method is flexible in that the super learner framework allows implementation of any classifier as the base learner, and can be easily extended to classifying cancer into more sub-categories. We describe detailed classification algorithm for the binary PCa status, as well as the ordinal clinical significance of PCa for which a weighted likelihood approach is implemented to enhance the detection of the less prevalent cancer categories. We illustrate the advantages of the proposed approach over conventional modeling and machine learning approaches through simulations and application to in vivo data.


翻译:虽然目前的研究表明多参数MRI(MPMRI)在诊断前列腺癌(PCa)中的重要性,但需要进一步调查如何将MPMRI数据的具体结构,如区域异质性和异质关系等具体结构纳入一个学科。本文件建议采用基于机械学习的方法,改进Voxel-wi PCa分类,同时考虑到数据的独特结构。我们建议采用多分辨率模型法,以核算区域异质性,即在当地培训的多分辨率基础学习者使用超级学习者,通过高效的空间高须内核滑动来计算微分子的相互关系。这一方法很灵活,因为超级学习者框架允许将任何分类者作为基础学习者加以实施,并且可以很容易地推广到将癌症分为更多的子类。我们描述了二元PCa状态的详细分类算法,以及PCa的或非临床意义,为此采用了加权可能性方法,以加强对不太普遍的癌症类别进行检测。我们通过模拟方法展示了在常规学习方法中的优势。

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