Một phương pháp tổng hợp cho phân loại các tình trạng màng nhĩ sử dụng bộ phân loại bỏ phiếu mềm

Kemal Akyol1, Emine Uçar2, Ümit Atila3, Murat Uçar4
1Department of Computer Engineering, Faculty of Engineering and Architecture, Kastamonu University, Kastamonu, Turkey
2Department of Management Information Systems, Faculty of Economics and Administrative Sciences, İzmir Bakırçay University, İzmir, Turkey
3Department of Computer Engineering, Faculty of Engineering, Gazi University, Ankara, Turkey
4Department of Computer Engineering, Faculty of Engineering and Architecture, İzmir Bakırçay University, İzmir, Turkey

Tóm tắt

Viêm tai giữa là một khái niệm y học đại diện cho một loạt các rối loạn viêm ở tai giữa. Chi phí cao của các thiết bị y tế mà các chuyên gia thực địa sử dụng để chẩn đoán bệnh liên quan đến viêm tai giữa ngăn cản việc sử dụng rộng rãi các thiết bị này. Điều này khiến cho các chuyên gia thực địa gặp khó khăn trong việc đưa ra chẩn đoán chính xác và tăng tính chủ quan trong việc chẩn đoán bệnh. Để giải quyết những vấn đề này, cần phát triển các hệ thống chẩn đoán bệnh tai giữa hỗ trợ bởi máy tính. Trong nghiên cứu này, một phương pháp dựa trên học sâu được đề xuất để phát hiện bệnh viêm tai giữa nhằm đáp ứng nhu cầu đang nổi lên này. Phương pháp này là phương pháp đầu tiên đề cập đến hiệu suất của khung bỏ phiếu tập hợp sử dụng các mô hình DL đã được huấn luyện trước như Inception V3, DenseNet 121, VGG16, MobileNet và EfficientNet B0. Tất cả các mô hình CNN đã được huấn luyện trước được sử dụng trong phương pháp đề xuất đã được huấn luyện bằng cách sử dụng tập dữ liệu Hình ảnh Tai Công cộng, bao gồm tổng cộng 880 hình ảnh nội soi, với các trường hợp màng nhĩ khác nhau như bình thường, tắc nghẽn do ráy tai, xơ hóa màng nhĩ và viêm tai giữa mạn tính. Kết quả dự đoán của các mô hình này đã được đánh giá với các phương pháp bỏ phiếu để tăng độ chính xác dự đoán tổng thể. Trong bối cảnh này, hiệu suất của cả hai hình thức bỏ phiếu mềm và cứng đã được xem xét. Khung bỏ phiếu mềm đã đạt hiệu suất cao nhất trong các thí nghiệm với độ chính xác 98.8%, độ nhạy 97.5%, và độ đặc hiệu 99.1%. Mô hình chúng tôi đề xuất đã đạt hiệu suất phân loại cao nhất cho đến nay trong tập dữ liệu hiện tại. Kết quả cho thấy rằng phương pháp DL dựa trên khung bỏ phiếu của chúng tôi đã cho hiệu suất khá cao cho việc chẩn đoán bệnh tai giữa. Trong các ứng dụng lâm sàng, phương pháp này có thể cung cấp chẩn đoán sơ bộ về tình trạng của bệnh nhân ngay trước khi các chuyên gia thực địa đưa ra chẩn đoán trên các hình ảnh nội soi. Do đó, phương pháp mà chúng tôi đề xuất có thể giúp các chuyên gia thực địa chẩn đoán bệnh một cách nhanh chóng và chính xác. Trong cách này, các bác sĩ lâm sàng có thể đưa ra chẩn đoán cuối cùng bằng cách tích hợp dự đoán chẩn đoán tự động với kinh nghiệm của họ.

Từ khóa

#Viêm tai giữa #học sâu #chẩn đoán hỗ trợ máy tính #mô hình CNN #bỏ phiếu mềm

Tài liệu tham khảo

Kørvel-Hanquist A, Koch A, Lous J et al (2018) Risk of childhood otitis media with focus on potentially modifiable factors: a Danish follow-up cohort study. Int J Pediatr Otorhinolaryngol 106:1–9. https://doi.org/10.1016/J.IJPORL.2017.12.027

Morris PS, Leach AJ (2009) Acute and chronic otitis media. Pediatr Clin North Am 56:1383–1399. https://doi.org/10.1016/j.pcl.2009.09.007

Rovers MM, Schilder AGM, Zielhuis GA, Rosenfeld RM (2004) Otitis media. Lancet 363:465–473. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(04)15495-0

World Health Organization (2004) Chronic suppurative otitis media - burden of illness and management options. https://iris.who.int/handle/10665/42941

Sundgaard JV, Harte J, Bray P et al (2021) Deep metric learning for otitis media classification. Med Image Anal 71:102034. https://doi.org/10.1016/j.media.2021.102034

Pichichero ME (2003) Diagnostic accuracy of otitis media and tympanocentesis skills assessment among pediatricians. Eur J Clin Microbiol Infect Dis 22:519–524. https://doi.org/10.1007/s10096-003-0981-8

Bing D, Ying J, Miao J et al (2018) Predicting the hearing outcome in sudden sensorineural hearing loss via machine learning models. Clin Otolaryngol 43:868–874. https://doi.org/10.1111/coa.13068

Chao T-K, Hsiu-Hsi Chen T (2010) Predictive model for improvement of idiopathic sudden sensorineural hearing loss. Otol Neurotol 31:385–393. https://doi.org/10.1097/MAO.0b013e3181cdd6d1

Suzuki H, Mori T, Hashida K et al (2011) Prediction model for hearing outcome in patients with idiopathic sudden sensorineural hearing loss. Eur Arch Oto-Rhino-Laryngol 268:497–500. https://doi.org/10.1007/s00405-010-1400-2

Suzuki H, Tabata T, Koizumi H et al (2014) Prediction of hearing outcomes by multiple regression analysis in patients with idiopathic sudden sensorineural hearing loss. Ann Otol Rhinol Laryngol 123:821–825. https://doi.org/10.1177/0003489414538606

Kuruvilla A, Shaikh N, Hoberman A, Kovačević J (2013) Automated diagnosis of otitis media: vocabulary and grammar. Int J Biomed Imaging 2013:1–15. https://doi.org/10.1155/2013/327515

Shie C-K, Chang H-T, Fan F-C et al (2014) A hybrid feature-based segmentation and classification system for the computer aided self-diagnosis of otitis media. In: 2014 36th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE, pp 4655–4658. https://doi.org/10.1109/EMBC.2014.6944662

Mironică I, Vertan C, Gheorghe DC (2011) Automatic pediatric otitis detection by classification of global image features. In: 2011 E-Health and Bioengineering Conference (EHB). pp 1–4. https://api.semanticscholar.org/CorpusID:41625076

Myburgh HC, van Zijl WH, Swanepoel D et al (2016) Otitis media diagnosis for developing countries using tympanic membrane image-analysis. EBioMedicine 5:156–160. https://doi.org/10.1016/J.EBIOM.2016.02.017

Myburgh HC, Jose S, Swanepoel DW, Laurent C (2018) Towards low cost automated smartphone- and cloud-based otitis media diagnosis. Biomed Signal Process Control 39:34–52. https://doi.org/10.1016/J.BSPC.2017.07.015

Viscaino M, Maass JC, Delano PH et al (2020) Computer-aided diagnosis of external and middle ear conditions: a machine learning approach. PLoS ONE 15:1–18. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0229226

LeCun Y, Bengio Y, Hinton G (2015) Deep learning. Nature 521:436–444. https://doi.org/10.1038/nature14539

Ciompi F, de Hoop B, van Riel SJ et al (2015) Automatic classification of pulmonary peri-fissural nodules in computed tomography using an ensemble of 2D views and a convolutional neural network out-of-the-box. Med Image Anal 26:195–202. https://doi.org/10.1016/J.MEDIA.2015.08.001

Gao M, Bagci U, Lu L et al (2018) Holistic classification of CT attenuation patterns for interstitial lung diseases via deep convolutional neural networks. Comput Methods Biomech Biomed Eng Imaging Vis 6:1–6. https://doi.org/10.1080/21681163.2015.1124249

Kleesiek J, Urban G, Hubert A et al (2016) Deep MRI brain extraction: a 3D convolutional neural network for skull stripping. Neuroimage 129:460–469. https://doi.org/10.1016/J.NEUROIMAGE.2016.01.024

Moeskops P, Viergever MA, Mendrik AM et al (2016) Automatic segmentation of MR brain images with a convolutional neural network. IEEE Trans Med Imaging 35:1252–1261. https://doi.org/10.1109/TMI.2016.2548501

Plis SM, Hjelm DR, Salakhutdinov R et al (2014) Deep learning for neuroimaging: a validation study. Front Neurosci 8:229. https://doi.org/10.3389/fnins.2014.00229

Suk H-I, Lee S-W, Shen D (2015) Latent feature representation with stacked auto-encoder for AD/MCI diagnosis. Brain Struct Funct 220:841–859. https://doi.org/10.1007/s00429-013-0687-3

Lee JY, Choi SH, Chung JW (2019) Automated classification of the tympanic membrane using a convolutional neural network. Appl Sci 9:1827. https://doi.org/10.3390/app9091827

Cha D, Pae C, Seong S-B et al (2019) Automated diagnosis of ear disease using ensemble deep learning with a big otoendoscopy image database. EBioMedicine 45:606–614. https://doi.org/10.1016/J.EBIOM.2019.06.050

Zeng X, Jiang Z, Luo W et al (2021) Efficient and accurate identification of ear diseases using an ensemble deep learning model. Sci Rep 111(11):1–10. https://doi.org/10.1038/s41598-021-90345-w

Khan MA, Kwon S, Choo J et al (2020) Automatic detection of tympanic membrane and middle ear infection from oto-endoscopic images via convolutional neural networks. Neural Netw. https://doi.org/10.1016/J.NEUNET.2020.03.023

Başaran E, Cömert Z, Çelik Y (2020) Convolutional neural network approach for automatic tympanic membrane detection and classification. Biomed Signal Process Control 56:101734. https://doi.org/10.1016/J.BSPC.2019.101734

Wang Y-M, Li Y, Cheng Y-S et al (2019) Deep learning in automated region proposal and diagnosis of chronic otitis media based on computed tomography. Ear Hear. 41(3):669–677. https://doi.org/10.1097/AUD.0000000000000794

Zafer C (2020) Fusing fine-tuned deep features for recognizing different tympanic membranes. Biocybern Biomed Eng 40:40–51. https://doi.org/10.1016/j.bbe.2019.11.001

Singh A, Dutta MK (2021) Diagnosis of ear conditions using deep learning approach. ICCISc 2021 - 2021 Int Conf Commun Control Inf Sci Proc. https://doi.org/10.1109/ICCISC52257.2021.9484919

Uçar M, Akyol K, Atila Ü, Uçar E (2021) Classification of different tympanic membrane conditions using fused deep hypercolumn features and bidirectional LSTM. IRBM. https://doi.org/10.1016/j.irbm.2021.01.001

Zeng J, Kang W, Chen S et al (2022) A deep learning approach to predict conductive hearing loss in patients with otitis media with effusion using otoscopic images. JAMA Otolaryngol Neck Surg 148:612–620. https://doi.org/10.1001/JAMAOTO.2022.0900

Choi Y, Chae J, Park K et al (2022) Automated multi-class classification for prediction of tympanic membrane changes with deep learning models. PLoS ONE 17:e0275846. https://doi.org/10.1371/JOURNAL.PONE.0275846

Habib AR, Xu Y, Bock K et al (2023) Evaluating the generalizability of deep learning image classification algorithms to detect middle ear disease using otoscopy. Sci Rep 131(13):1–9. https://doi.org/10.1038/s41598-023-31921-0

Nam Y, Choi SJ, Shin J, Lee J (2023) Diagnosis of middle ear diseases based on convolutional neural network. Comput Syst Sci Eng 46:1521–1532. https://doi.org/10.32604/CSSE.2023.034192

Afify HM, Mohammed KK, Hassanien AE (2023) Insight into automatic image diagnosis of ear conditions based on optimized deep learning approach. Ann Biomed Eng 1:1–12. https://doi.org/10.1007/S10439-023-03422-8/TABLES/7

Wang Z, Song J, Su R et al (2022) Structure-aware deep learning for chronic middle ear disease. Expert Syst Appl 194:116519. https://doi.org/10.1016/J.ESWA.2022.116519

Lecun Y, Bottou L, Bengio Y, Haffner P (1998) Gradient-based learning applied to document recognition. Proc IEEE 86:2278–2324. https://doi.org/10.1109/5.726791

Szegedy C, Vanhoucke V, Ioffe S et al (2016) Rethinking the inception architecture for computer vision. In: Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition. pp 2818–2826. https://doi.org/10.1109/CVPR.2016.308

Huang G, Liu Z, van der Maaten L, Weinberger KQ (2017) Densely connected convolutional networks. In: The IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR). https://doi.org/10.1109/CVPR.2017.243

Simonyan K, Zisserman A (2014) Very deep convolutional networks for large-scale image recognition. arXiv Prepr arXiv14091556

Howard AG, Zhu M, Chen B et al (2017) Mobilenets: efficient convolutional neural networks for mobile vision applications. arXiv Prepr arXiv170404861

Tan M, Le QV (2019) EfficientNet: rethinking model scaling for convolutional neural networks. 36th Int Conf Mach Learn ICML 2019 2019-June:10691–10700

Weiss K, Khoshgoftaar TM, Wang D (2016) A survey of transfer learning. J Big Data 3:9. https://doi.org/10.1186/s40537-016-0043-6

Dietterich TG (2000) Ensemble methods in machine learning. Lect Notes Comput Sci (including Subser Lect Notes Artif Intell Lect Notes Bioinformatics) 1857 LNCS:1–15. https://doi.org/10.1007/3-540-45014-9_1/COVER

Manconi A, Armano G, Gnocchi M, Milanesi L (2022) A Soft-voting ensemble classifier for detecting patients affected by COVID-19. Appl Sci 12. https://doi.org/10.3390/app12157554

Kumari S, Kumar D, Mittal M (2021) An ensemble approach for classification and prediction of diabetes mellitus using soft voting classifier. Int J Cogn Comput Eng 2:40–46. https://doi.org/10.1016/J.IJCCE.2021.01.001

Chandra TB, Verma K, Singh BK et al (2021) Coronavirus disease (COVID-19) detection in Chest X-Ray images using majority voting based classifier ensemble. Expert Syst Appl 165:113909. https://doi.org/10.1016/J.ESWA.2020.113909

Saha S, Ekbal A (2013) Combining multiple classifiers using vote based classifier ensemble technique for named entity recognition. Data Knowl Eng 85:15–39. https://doi.org/10.1016/J.DATAK.2012.06.003

Yu X, Zhang Z, Wu L et al (2020) Deep ensemble learning for human action recognition in still images. Complexity 2020:9428612. https://doi.org/10.1155/2020/9428612

Sokolova M, Lapalme G (2009) A systematic analysis of performance measures for classification tasks. Inf Process Manag 45:427–437. https://doi.org/10.1016/J.IPM.2009.03.002

Al Afandy KA, Omara H, Lazaar M, Al Achhab M (2022) Deep learning. Approaches Appl Deep Learn Virtual Med Care:127–166. https://doi.org/10.4018/978-1-7998-8929-8.CH006