Integrating deep learning CT-scan model, biological and clinical variables to predict severity of COVID-19 patients.

Journal: Nature communications
Published Date: Jan 27, 2021

Abstract

The SARS-COV-2 pandemic has put pressure on intensive care units, so that identifying predictors of disease severity is a priority. We collect 58 clinical and biological variables, and chest CT scan data, from 1003 coronavirus-infected patients from two French hospitals. We train a deep learning model based on CT scans to predict severity. We then construct the multimodal AI-severity score that includes 5 clinical and biological variables (age, sex, oxygenation, urea, platelet) in addition to the deep learning model. We show that neural network analysis of CT-scans brings unique prognosis information, although it is correlated with other markers of severity (oxygenation, LDH, and CRP) explaining the measurable but limited 0.03 increase of AUC obtained when adding CT-scan information to clinical variables. Here, we show that when comparing AI-severity with 11 existing severity scores, we find significantly improved prognosis performance; AI-severity can therefore rapidly become a reference scoring approach.

Authors

  • Nathalie Lassau
    Laboratoire d'Imagerie Biomédicale Multimodale Paris-Saclay, BIOMAPS, UMR 1281, Université Paris-Saclay, Inserm, CNRS, CEA, 94800 Villejuif, France; Department of Imaging, Institut Gustave Roussy, Université Paris-Saclay. 94800 Villejuif, France.
  • Samy Ammari
    Service de Radiologie, Gustave-Roussy, Université Paris-Saclay, Villejuif, France.
  • Emilie Chouzenoux
    Center for Visual Computing, CentraleSupelec, INRIA Saclay, Gif-sur-Yvette, 91190, France.
  • Hugo Gortais
    Radiology Department, Hôpital de Bicêtre - AP-HP, Université Paris-Saclay, Le Kremlin-Bicêtre, France.
  • Paul Herent
    Owkin Lab, Owkin, Inc, New York, NY, USA.
  • Matthieu Devilder
    Radiology Department, Hôpital de Bicêtre - AP-HP, Université Paris-Saclay, Le Kremlin-Bicêtre, France.
  • Samer Soliman
    Radiology Department, Hôpital de Bicêtre - AP-HP, Université Paris-Saclay, Le Kremlin-Bicêtre, France.
  • Olivier Meyrignac
    Department of Radiology, Institut Universitaire du Cancer Toulouse Oncopole, 1 Av Irène Joliot-Curie, Toulouse 31100, France.
  • Marie-Pauline Talabard
    Radiology Department, Hôpital de Bicêtre - AP-HP, Université Paris-Saclay, Le Kremlin-Bicêtre, France.
  • Jean-Philippe Lamarque
    Imaging Department, Gustave Roussy, Université Paris -Saclay, Villejuif, 94805, France.
  • Remy Dubois
    Owkin Lab, Owkin, Inc, New York, NY, USA.
  • Nicolas Loiseau
    Owkin Lab, Owkin, Inc, New York, NY, USA.
  • Paul Trichelair
    Owkin Lab, Owkin, Inc, New York, NY, USA.
  • Etienne Bendjebbar
    Owkin Lab, Owkin, Inc, New York, NY, USA.
  • Gabriel Garcia
    Imaging Department, Gustave Roussy, Université Paris -Saclay, Villejuif, 94805, France.
  • Corinne Balleyguier
    Department of Radiology, Gustave Roussy Cancer Campus, Villejuif, France; Université Paris-Saclay, Paris, France.
  • Mansouria Merad
    Département Interdisciplinaire d'Organisation des Parcours Patients, Gustave Roussy, Université Paris-Saclay, Villejuif, 94805, France.
  • Annabelle Stoclin
    Département Interdisciplinaire d'Organisation des Parcours Patients, Gustave Roussy, Université Paris-Saclay, Villejuif, 94805, France.
  • Simon Jégou
    Owkin, 75011, Paris, France.
  • Franck Griscelli
    Département de Biologie, Gustave Roussy, Université Paris-Saclay, Villejuif, 94805, France.
  • Nicolas Tetelboum
    Imaging Department, Gustave Roussy, Université Paris -Saclay, Villejuif, 94805, France.
  • Yingping Li
    Biomaps, UMR 1281 INSERM, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay, Villejuif, 94805, France.
  • Sagar Verma
    Centre de Vision Numérique, Université Paris-Saclay, CentraleSupélec, Inria, 91190, Gif-sur-Yvette, France.
  • Matthieu Terris
    Centre de Vision Numérique, Université Paris-Saclay, CentraleSupélec, Inria, 91190, Gif-sur-Yvette, France.
  • Tasnim Dardouri
    Centre de Vision Numérique, Université Paris-Saclay, CentraleSupélec, Inria, 91190, Gif-sur-Yvette, France.
  • Kavya Gupta
    Centre de Vision Numérique, Université Paris-Saclay, CentraleSupélec, Inria, 91190, Gif-sur-Yvette, France.
  • Ana Neacsu
    Centre de Vision Numérique, Université Paris-Saclay, CentraleSupélec, Inria, 91190, Gif-sur-Yvette, France.
  • Frank Chemouni
    Département Interdisciplinaire d'Organisation des Parcours Patients, Gustave Roussy, Université Paris-Saclay, Villejuif, 94805, France.
  • Meriem Sefta
    Owkin Lab, Owkin, Inc., New York, NY, USA.
  • Paul Jehanno
    Owkin Lab, Owkin, Inc, New York, NY, USA.
  • Imad Bousaid
    Direction de la Transformation Numérique et des Systèmes d'Information, Gustave Roussy, Université Paris-Saclay, 94805, Villejuif, France.
  • Yannick Boursin
    Direction de la Transformation Numérique et des Systèmes d'Information, Gustave Roussy, Université Paris-Saclay, 94805, Villejuif, France.
  • Emmanuel Planchet
    Direction de la Transformation Numérique et des Systèmes d'Information, Gustave Roussy, Université Paris-Saclay, 94805, Villejuif, France.
  • Mikael Azoulay
    Direction de la Transformation Numérique et des Systèmes d'Information, Gustave Roussy, Université Paris-Saclay, 94805, Villejuif, France.
  • Jocelyn Dachary
    Owkin Lab, Owkin, Inc, New York, NY, USA.
  • Fabien Brulport
    Owkin Lab, Owkin, Inc, New York, NY, USA.
  • Adrian Gonzalez
    Owkin Lab, Owkin, Inc, New York, NY, USA.
  • Olivier Dehaene
    Owkin Lab, Owkin, Inc, New York, NY, USA.
  • Jean-Baptiste Schiratti
    Owkin Lab, Owkin, Inc, New York, NY, USA.
  • Kathryn Schutte
    Owkin Lab, Owkin, Inc, New York, NY, USA.
  • Jean-Christophe Pesquet
    Centre de Vision Numérique, Université Paris-Saclay, CentraleSupélec, Inria, 91190, Gif-sur-Yvette, France.
  • Hugues Talbot
    OPIS - Optimisation Imagerie et Santé, Université Paris-Saclay, Inria, CentraleSupélec, CVN - Centre de vision numérique, 91190 Gif-Sur-Yvette, France.
  • Elodie Pronier
    Owkin Lab, Owkin, Inc., New York, NY, USA.
  • Gilles Wainrib
    Ecole Normale Supérieure, Département d'Informatique, équipe DATA, Paris, France.
  • Thomas Clozel
    OWKIN Paris, France.
  • Fabrice Barlesi
    Département d'Oncologie Médicale, Gustave Roussy, Université Paris-Saclay, Villejuif, 94805, France.
  • Marie-France Bellin
    Radiology Department, Hôpital de Bicêtre - AP-HP, Université Paris-Saclay, Le Kremlin-Bicêtre, France.
  • Michael G B Blum
    Owkin Lab, Owkin, Inc, New York, NY, USA. michael.blum@owkin.com.

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