Zmiana domeny wywołana akwizycją

Domena MRI jest zbiorem wyborów

Załóżmy, że model obrazowy wytrenowano na MRI kolana pozyskanym przy jednym natężeniu pola, z użyciem aparatury jednego producenta i jednego protokołu, a następnie oceniono na obrazach utworzonych przy innej kombinacji. Zmiana wyświetlanej anatomii może wynikać z cech pacjenta, lecz zmiana intensywności, szumu, zniekształceń lub tekstury może również pochodzić z samego procesu tworzenia obrazu. Model nie widzi nowego pacjenta w tym samym systemie pomiarowym; widzi inny rozkład danych wejściowych.

W MRI problem ten jest widoczny, ponieważ zwykła intensywność jest względna, a na sygnał wpływa jednocześnie wiele decyzji dotyczących akwizycji. Domena jest więc zbiorem wyborów, a nie pojedynczą etykietą skanera. Poniższe osie wyznaczają użyteczne pytania, które należy dokumentować, a jeśli wymaga tego twierdzenie — celowo zmieniać w ocenie.

Oś	Co może się zmienić
Natężenie pola	zachowanie relaksacji, efekty podatności magnetycznej oraz warunki sygnału i kontrastu
Skaner i producent	właściwości magnesu, gradientów, odbiornika, kalibracji i implementacji
Cewka odbiorcza	profil czułości, zakres pokrycia oraz przestrzenny wzorzec sygnału i szumu
Sekwencja i czasy	TR, TE, kąt odchylenia, TI, pociąg ech oraz inne wybory przygotowania i odczytu
Protokół	rozdzielczość, pole widzenia, orientacja, akceleracja, tłumienie tłuszczu i wartości b
Próbkowanie i rekonstrukcja	trajektoria, obrazowanie równoległe, compressed sensing, rekonstrukcja wyuczona i regularyzacja
Ośrodek i sposób pracy	lokalna kalibracja, pozycjonowanie, praktyka operatora i inne warunki specyficzne dla środowiska

Osie te wchodzą w interakcje. Zmiana protokołu może zmienić zarówno próbkowanie, jak i kontrast; zmiana cewki zmienia pole sygnału docierające do rekonstrukcji; zmiana natężenia pola może zmienić relację między relaksacją tkanki a wybranymi czasami. Dlatego „ta sama nazwa sekwencji” nie wystarcza do ustalenia identycznych warunków pomiaru. Skład populacji pacjentów, częstość występowania choroby i wskazanie kliniczne również mogą zmieniać zbiór danych, lecz takie zmiany populacyjne należy opisywać oddzielnie od wymienionych tutaj zmian wywołanych akwizycją.

Zmiana domeny zmienia zakres twierdzenia

Praktyczny błąd nie polega na tym, że model widział jeden protokół. Błędem jest uznanie wyniku w tym protokole za dowód działania we wszystkich innych protokołach. Model wytrenowany na jednej kombinacji natężenia pola, producenta, cewki, sekwencji i rekonstrukcji może nauczyć się anatomii, ale może też wykorzystywać stabilne wskazówki akwizycyjne, które nie przetrwają w ośrodku wdrożenia. Może to wpływać w różny sposób na segmentację, detekcję, klasyfikację, radiomikę i syntezę.

Rozwiązanie zaczyna się od dokumentacji. Badanie powinno opisywać osie akwizycji zarówno w danych rozwojowych, jak i oceniających, w tym osie utrzymywane bez zmian. Jeśli twierdzenie dotyczy przenoszenia między producentami lub natężeniami pola, ocena powinna zawierać znaczącą zmianę na tej osi, a nie wyłącznie losowy podział pierwotnej domeny. Podczas testowania twierdzenia wdrożeniowego zamrożony model i uprzednio określona reguła operacyjna ujawniają wpływ zmienionego rozkładu wejściowego; późniejszą adaptację należy raportować jako oddzielną procedurę, zamiast włączać ją do pierwotnego testu.

Normalizacja i harmonizacja mogą być użytecznymi wyborami przetwarzania, ale nie tworzą uniwersalnej fizycznej skali intensywności ani nie gwarantują usunięcia wszystkich różnic akwizycyjnych. Ich parametry i dane użyte do dopasowania należą do proweniencji, a zastosowanie tych metod nie może powodować przecieku informacji ze zbioru oceniającego do rozwoju modelu. Właściwe pytanie nie brzmi, czy zbiór danych ujednolicono wizualnie, lecz jakie różnice pozostały i czy zamierzone twierdzenie przetestowano w ich obecności.

Jest to właściwa dla MRI wersja szerszej dyscypliny walidacyjnej: wynik jest tak ogólny, jak zmiany akwizycji i populacji, które przetrwał. Następna część stosuje tę samą granicę do syntezy obrazu, w której model ma utworzyć kontrast docelowy mogący w ogóle nie być zmierzony.

Źródła

• Abi Berger, „Magnetic resonance imaging” — zależność sygnału i kontrastu MR od przygotowania magnetycznego/RF oraz warunków sekwencji impulsów.
• Wiltgen T, Voon C, Van Leemput K, Wiestler B, Muehlau M. Intensity scaling of conventional brain magnetic resonance images avoiding cerebral reference regions: A systematic review. PLoS One. 2024;19:e0298642. doi:10.1371/journal.pone.0298642. (Pełny tekst)
• Kushol R, Wilman AH, Kalra S, Yang YH. DSMRI: Domain Shift Analyzer for Multi-Center MRI Datasets. Diagnostics. 2023;13:2947. doi:10.3390/diagnostics13182947. (Pełny tekst)
• Riley RD, Archer L, Snell KIE, et al. Evaluation of clinical prediction models (part 2): how to undertake an external validation study. BMJ. 2024;384:e074820. doi:10.1136/bmj-2023-074820. (Pełny tekst)