Deep Learning Models for BrainCancer Segmentation and Prognostic Analysis

Loading...
Thumbnail Image

Date

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Publisher

Unuversity Setif 1 Ferhat Abbas . Faculty of Sciences

Abstract

Deep Learning (DL) has introduced transformative potential in medical diagnostics, particularly in oncology, where complex tumor structures present significant challenges for treatment planning. The accurate segmentation of brain tumors from Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a critical first step, and recent advancements in DL have greatly enhanced the efficiency and reliability of this process. By integrating these precise segmentation outputs with clinical and genetic data, prognostic analysis can be substantially improved, paving the way for more accurate tumor prediction and robust clinical decision support. This thesis aims to develop and evaluate a comprehensive pipeline for brain tumor analysis, from segmentationtosurvivalprediction.ItfocusesoncomparingadvancedDLarchitecturesforsegmentingbrain tumorsandexplorestheadaptationoflarge-scale,general-purposevisionmodelsforthisspecializedmedical task.Theultimategoalistofuseimagingfeatureswithclinicalandgeneticdatatoaccuratelyestimatepatient survival probability and stratify risk levels, thereby enhancing personalized treatment strategies. This work offers a thorough exploration of both established and cutting-edge DL models for brain tumor segmentation and prognosis. The first contribution is a comparative analysis of segmentation models, includingastandardU-Net,aDeepResUNet,andaVGG19-basedU-Net,alongsidefoundationalmodelslikea fine-tunedSegmentAnythingModel(SAM)andthespecializedMedicalSegmentAnythingModel(MedSAM). The results underscored the effectiveness of MedSAM, which demonstrated superior performance . The second contrirbution introduces a prognostic analysis pipeline that leverages features extracted from the segmentation masks. This pipeline proved highly effective, with the Support Vector Machine (SVM) model showing notable success in accurately identifying high-risk patients, while the XGBoost model demonstrated strong predictive power for classifying low-risk patients. Overall, these contributions validate a powerful, integrated approach for brain cancer analysis. The findingsconfirmthatleveragingbothCNN-basedarchitecturesandfine-tunedfoundationalmodels canyield highlyaccuratetumordelineations.Furthermore,thesuccessfulintegrationofthesesegmentationresultsinto aprognosticpipelinedemonstratesthecriticalroleofautomatedimageanalysisinfosteringpersonalizedand more effective clinical management of brain tumors.

Description

احدث التعلم العميق نقلة نوعية في التشخيص الطبي، لا سيما في علم الأورام، حيث تُشكل البنى الورمية المعقدة تحديات كبيرة في تخطيط العلاج. يُعدّ التجزئة الدقيقة لأورام الدماغ من صور الرنين المغناطيسي خطوة أولى حاسمة، وقد ساهمت التطورات الحديثة في التعلم العميق في تحسين كفاءة وموثوقية هذه العملية بشكل كبير. من خلال دمج مخرجات التجزئة الدقيقة هذه مع البيانات السريرية والوراثية، يُمكن تحسين التحليل التنبؤي بشكل ملحوظ، مما يمهد الطريق لتوقع أدق للأورام ودعم قوي لاتخاذ القرارات السريرية. تهدف هذه الأطروحة إلى تطوير وتقييم منهجية شاملة لتحليل أورام الدماغ، بدءًا من التجزئة وصولًا إلى التنبؤ بالبقاء على قيد الحياة. وتركز على مقارنة بنى التعلم العميق المتقدمة لتجزئة أورام الدماغ، واستكشاف مدى ملاءمة نماذج الرؤية واسعة النطاق والأغراض العامة لهذه المهمة الطبية المتخصصة. يتمثل الهدف النهائي في دمج خصائص التصوير مع البيانات السريرية والوراثية لتقدير احتمالية بقاء المريض على قيد الحياة بدقة وتصنيف مستويات المخاطر، وبالتالي تحسين استراتيجيات العلاج الشخصية. ... يقدم هذا العمل دراسة معمقة لنماذج التعلم العميق، الراسخة منها والحديثة، المستخدمة في تجزئة أورام الدماغ والتنبؤ بمآلها. تتمثل المساهمة الأولى في تحليل مقارن لنماذج التجزئة، بما في ذلك نموذج U-Net القياسي، ونموذج DeepResUNet، ونموذج U-Net القائم على VGG19، إلى جانب النماذج الأساسية مثل نموذج SAM المُعدَّل ونموذج MedSAM الطبي المتخصص. وقد أكدت النتائج فعالية نموذج MedSAM، الذي أظهر أداءً متفوقًا. أما المساهمة الثانية، فتُقدم مسارًا لتحليل التنبؤ بالمآل، يستفيد من الميزات المستخرجة من أقنعة التجزئة. وقد أثبت هذا المسار فعاليته العالية، حيث حقق نموذج آلة المتجهات الداعمة (SVM) نجاحًا ملحوظًا في تحديد المرضى ذوي الخطورة العالية بدقة، بينما أظهر نموذج XGBoost قدرة تنبؤية قوية في تصنيف المرضى ذوي الخطورة المنخفضة. بشكل عام، تُؤكد هذه المساهمات فعالية هذا النهج المتكامل والقوي في تحليل سرطان الدماغ. تؤكد النتائج أن الاستفادة من كل من البنى القائمة على الشبكات العصبية التلافيفية والنماذج الأساسية المُحسَّنة يمكن أن تُسفر عن تحديد دقيق للغاية للأورام. علاوة على ذلك، فإن التكامل الناجح لنتائج التجزئة هذه في مسار تشخيصي يُظهر الدور الحاسم لتحليل الصور الآلي في تعزيز الإدارة السريرية الشخصية والأكثر فعالية لأورام الدماغ.

Citation

Endorsement

Review

Supplemented By

Referenced By