Accurate and realistic simulation of high-dimensional medical images has become an important research area relevant to many AI-enabled healthcare applications. However, current state-of-the-art approaches lack the ability to produce satisfactory high-resolution and accurate subject-specific images. In this work, we present a deep learning framework, namely 4D-Degenerative Adversarial NeuroImage Net (4D-DANI-Net), to generate high-resolution, longitudinal MRI scans that mimic subject-specific neurodegeneration in ageing and dementia. 4D-DANI-Net is a modular framework based on adversarial training and a set of novel spatiotemporal, biologically-informed constraints. To ensure efficient training and overcome memory limitations affecting such high-dimensional problems, we rely on three key technological advances: i) a new 3D training consistency mechanism called Profile Weight Functions (PWFs), ii) a 3D super-resolution module and iii) a transfer learning strategy to fine-tune the system for a given individual. To evaluate our approach, we trained the framework on 9852 T1-weighted MRI scans from 876 participants in the Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative dataset and held out a separate test set of 1283 MRI scans from 170 participants for quantitative and qualitative assessment of the personalised time series of synthetic images. We performed three evaluations: i) image quality assessment; ii) quantifying the accuracy of regional brain volumes over and above benchmark models; and iii) quantifying visual perception of the synthetic images by medical experts. Overall, both quantitative and qualitative results show that 4D-DANI-Net produces realistic, low-artefact, personalised time series of synthetic T1 MRI that outperforms benchmark models.


翻译:在这项工作中,我们提出了一个深层次的学习框架,即4D-退化性神经神经内镜网络(4D-DaNI-Net),以产生高分辨率、纵向MRI扫描,以模拟在老龄化和痴呆中出现的主题性神经失常。 4D-Dani-Net是一个模块化框架,以对抗性培训和一套新颖的直观、感知性、生物学上的限制为基础。为确保高效培训和克服影响这种高度问题的记忆局限性,我们依靠三个主要的技术进步:(一) 一个新的3D培训一致性机制,称为Pifile Weight函数(PIDFs 4),3D超级分辨率模块,以及(三) 通过个人对系统进行转换学习战略,以微调系统。为了评估我们的方法,我们培训了9852 T1-TART-内镜化内部图像框架,以及一套具有新颖性、感知性、感知性、见性能性能性能模型,我们从9852 TI-I-I-IMAR 的内数级质量模型中测试参与者对12个MISIMI的内基数据进行了测试。

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