Robust forecasting of the future anatomical changes inflicted by an ongoing disease is an extremely challenging task that is out of grasp even for experienced healthcare professionals. Such a capability, however, is of great importance since it can improve patient management by providing information on the speed of disease progression already at the admission stage, or it can enrich the clinical trials with fast progressors and avoid the need for control arms by the means of digital twins. In this work, we develop a deep learning method that models the evolution of age-related disease by processing a single medical scan and providing a segmentation of the target anatomy at a requested future point in time. Our method represents a time-invariant physical process and solves a large-scale problem of modeling temporal pixel-level changes utilizing NeuralODEs. In addition, we demonstrate the approaches to incorporate the prior domain-specific constraints into our method and define temporal Dice loss for learning temporal objectives. To evaluate the applicability of our approach across different age-related diseases and imaging modalities, we developed and tested the proposed method on the datasets with 967 retinal OCT volumes of 100 patients with Geographic Atrophy, and 2823 brain MRI volumes of 633 patients with Alzheimer's Disease. For Geographic Atrophy, the proposed method outperformed the related baseline models in the atrophy growth prediction. For Alzheimer's Disease, the proposed method demonstrated remarkable performance in predicting the brain ventricle changes induced by the disease, achieving the state-of-the-art result on TADPOLE challenge.

视网膜成像数据中解剖特征的自动检测和定位与许多方面有关。在这项工作中，我们遵循一种以数据为中心的方法，以优化分类器训练，用于视神经层析成像中的视神经头部检测和定位。我们研究了域知识驱动空间复杂性降低对所得视神经头部分割和定位性能的影响。我们提出了一种机器学习方法，用于分割2D的视神经头3D广场扫描源光源光学相干断层扫描扫描，该扫描能够自动评估大量数据。对视网膜的手动注释2D EN的评估表明，当基础像素级分类任务通过域知识在空间上放松时，标准U-NET的训练可以改善视神经头部细分和定位性能。

有监督的深度学习算法具有自动化筛查，监视和分级的医学图像的巨大潜力。但是，培训表现模型通常需要大量的标记数据，这在医疗领域几乎无法获得。自我监督的对比框架通过首先从未标记的图像中学习来放松这种依赖性。在这项工作中，我们表明使用两种对比方法进行了预处理，即SIMCLR和BYOL，就与年龄相关的黄斑变性（AMD）的临床评估有关深度学习的实用性。在实验中，使用两个大型临床数据集，其中包含7,912名患者的170,427个光学相干断层扫描（OCT）图像，我们评估了从AMD阶段和类型分类到功能性终点的七个下游任务，从七个下游任务进行预处理，从在标签较少的七个任务中，六个任务中有六个显着增加。但是，标准的对比框架具有两个已知的弱点，这些弱点不利于医疗领域的预处理。用于创建正面对比对的几种图像转换不适用于灰度医学扫描。此外，医学图像通常描绘了相同的解剖区域和疾病的严重程度，从而导致许多误导性负面对。为了解决这些问题，我们开发了一种新颖的元数据增强方法，该方法利用了丰富的固有可用患者信息集。为此，我们采用了患者身份，眼睛位置（即左或右）和时间序列数据的记录，以指示典型的不可知的对比关系。通过利用这种经常被忽视的信息，我们元数据增强的对比预处理可带来进一步的好处，并且在下游七个任务中有五个任务中的五个中的五分之一。

光学相干断层扫描（OCT）是一种非侵入性的3D模态，广泛用于视网膜的眼科。在OCT上实现自动化的解剖学视网膜层分割对于检测和监测不同视网膜疾病（如年龄相关的黄斑病（AMD）或糖尿病性视网膜病）很重要。但是，大多数最先进的层分割方法基于纯监督的深度学习，需要大量的像素级注释数据，这些数据昂贵且难以获得。考虑到这一点，我们将半监督的范式介绍到视网膜层分割任务中，该任务利用大规模未标记数据集中存在的信息以及解剖学先验。特别是，一种新型的完全可区分的方法用于将表面位置回归转换为像素结构化分割，从而使以耦合方式同时使用1D表面和2D层表示来训练模型。特别是，这些2D分割被用作解剖因素，与学习的样式因子一起组成了用于重建输入图像的分离表示。同时，我们建议一组解剖学先验，以改善有限的标记数据时，可以改善网络训练。我们在使用中间和湿amd的现实世界中的扫描数据集上证明了我们的方法在使用我们的完整训练集时优于最先进带有标记数据的一部分。

最近的对比学习方法在低标签制度中实现了最新的。但是，培训需要大批量和重型增强，以创建图像的多个视图。使用非对抗性方法，负面因素被隐式地纳入损失中，允许不同的图像和模态作为对。尽管医学成像中的元信息（即年龄，性别）很丰富，但注释又嘈杂，容易出现阶级失衡。在这项工作中，我们使用纵向光学相干断层扫描（OCT）数据集利用了已经存在的时间信息（来自患者的不同访问），但使用时间知情的非对抗性损失（TINC），而没有增加复杂性和对负面对的需求。此外，我们的新颖配对方案可以避免重大增强，并将时间信息隐含地纳入对。最后，这些从训练中学到的表示在预测时间信息对于下游任务至关重要的情况下更为成功。更具体地说，我们的模型优于现有模型，可以预测从中期与年龄相关的黄斑变性（AMD）到晚期湿AMD阶段的转化风险。

Obtaining models that capture imaging markers relevant for disease progression and treatment monitoring is challenging. Models are typically based on large amounts of data with annotated examples of known markers aiming at automating detection. High annotation effort and the limitation to a vocabulary of known markers limit the power of such approaches. Here, we perform unsupervised learning to identify anomalies in imaging data as candidates for markers. We propose AnoGAN, a deep convolutional generative adversarial network to learn a manifold of normal anatomical variability, accompanying a novel anomaly scoring scheme based on the mapping from image space to a latent space. Applied to new data, the model labels anomalies, and scores image patches indicating their fit into the learned distribution. Results on optical coherence tomography images of the retina demonstrate that the approach correctly identifies anomalous images, such as images containing retinal fluid or hyperreflective foci.

近年来，图形神经网络（GNN）与复发性神经网络（RNN）的变体相结合，在时空预测任务中达到了最先进的性能。对于流量预测，GNN模型使用道路网络的图形结构来解释链接和节点之间的空间相关性。最近的解决方案要么基于复杂的图形操作或避免预定义的图。本文提出了一种新的序列结构，以使用具有稀疏体系结构的GNN-RNN细胞在多个抽象的抽象上提取时空相关性，以减少训练时间与更复杂的设计相比。通过多个编码器编码相同的输入序列，并随着编码层的增量增加，使网络能够通过多级抽象来学习一般和详细的信息。我们进一步介绍了来自加拿大蒙特利尔的街道细分市场流量数据的新基准数据集。与高速公路不同，城市路段是循环的，其特征是复杂的空间依赖性。与基线方法相比，一小时预测的实验结果和我们的MSLTD街道级段数据集对我们的模型提高了7％以上，同时将计算资源要求提高了一半以上竞争方法。