(46-2) 17 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Использование блоков сжатия и возбуждения для повышения точности автоматической классификации остеоартрита коленного сустава при помощи сверточных нейронных сетей
А.А. Михайличенко 1, Я.М. Демяненко 1

1 Южный Федеральный университет, Институт математики, механики и компьютерных наук,
Ростов-на-Дону, Россия

 PDF, 1062 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-897

Страницы: 317-325.

Аннотация:
В данной работе исследуется влияние блоков сжатия и возбуждения на улучшение качества классификации остеоартрита при помощи сверточных нейронных сетей с архитектурами ResNet и DenseNet. Показано, что использование подобных блоков позволяет повысить качество классификации остеоартрита по шкале Келлгрена–Лоуренса на 1–3 % без существенной модификации традиционных схем. Также показано, что объединение 0-го и 1-го классов шкалы Келлгрена–Лоуренса в один класс позволяет на 12,74 % повысить точность автоматической классификации стадии остеоартрита, не теряя при этом значимой информации о заболевании. Наилучшая точность классификации составила 84,66 % при использовании ансамбля трех сверточных сетей с архитектурой DenseNet-121, с включенными в них блоками сжатия и возбуждения, что существенно превосходит результаты предыдущих исследований. Полученные результаты могут быть использованы как для автоматической постановки предварительного диагноза, так и в качестве вспомогательного инструмента.

Ключевые слова:
обработка изображений, автоматическая классификация остеоартрита, сверточные нейронные сети.

Цитирование:
Михайличенко, А.А. Использование блоков сжатия и возбуждения для повышения точности автоматической классификации остеоартрита коленного сустава при помощи сверточных нейронных сетей / А.А. Михайличенко, Я.М. Демяненко // Компьютерная оптика. – 2022. – Т. 46, № 2. – С. 317-325. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-897.

Citation:
Mikhaylichenko AA, Demyanenko YM. Using squeeze-and-excitation blocks to improve an accuracy of automatically grading knee osteoarthritis severity using convolutional neural networks. Computer Optics 2022; 46(2): 317-325. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-897.

References:
  1. Balabanova RM. Osteoarthrosis or osteoarthritis? Modern ideas about the disease and its treatment [In Russian]. Modern rheumatology 2013; 3: 67-70.
  2. Doherty M, Doherty J. Clinical examination in rheumatology. Wolfe Pub Ltd; 1992.
  3. Kellgren J, Lawrence J. Radiological assessment of osteoarthrosis. Ann Rheum Dis 1957; 16: 494-502.
  4. Altman R, Gold GE. Atlas of individual radiographic features in osteoarthritis, revised. Osteoarthr Cartil 2007; 15: A1-56.
  5. Altman R. Development of criteria for the classification and reporting of osteoarthritis. Classification of osteoarthritis of the knee. Arthritis Rheum 1986; 29(8): 1039-1049.
  6. Tiulpin A, Klein S, Bierma-Zeinstra S, Thevenot J. Multimodal machine learning-based knee osteoarthritis progression prediction from plain radiographs and clinical data. Sci Rep 2019; 9: 20038.
  7. Mikhaylichenko A, Demyanenko Y. Automatic grading of knee osteoarthritis from plain radiographs using densely connected convolutional networks. Recent trends in analysis of images, social networks and texts (AIST 2020). Commun Comput Inf Sci 2021; 1357: 149-161.
  8. Chan S, Dittakan K. Osteoarthritis stages classification to human joint imagery using texture analysis: A comparative study on ten texture descriptors. Recent Trends in Image Processing and Pattern Recognition 2019; 209-225.
  9. Antony J, McGuinness K, Moran K, O'Connor N. Automatic detection of knee joints and quantification of knee osteoarthritis severity using convolutional neural networks. Machine Learning and Data Mining in Pattern Recognition (MLDM) 2017: 376-390.
  10. Tiulpin A, Thevenot J, Rahtu E, Lehenkari P, Saarakkala S. Automatic knee osteoarthritis diagnosis from plain radiographs: A deep learning-based approach. Sci Rep 2018; 8: 1727.
  11. Tiulpin A, Saarakkala S. Automatic grading of individual knee osteoarthritis features in plain radiographs using deep convolutional neural networks. Osteoarthr Cartil 2020; 28(1): S308. DOI: 10.1016/j.joca.2020.02.480.
  12. Pingjun C, Linlin G, Xiaoshuang S, Kyle A, Lin Y. Fully automatic knee osteoarthritis severity grading using deep neural networks with a novel ordinal loss. Comput Med Imaging Graph 2019; 75: 84-92.
  13. Norman B, Pedoia V, Noworolski A. Applying densely connected convolutional neural networks for staging osteoarthritis severity from plain radiographs. J Digit Imaging 2019; 32: 471-477.
  14. Hu J, Shen L, Sun G. Squeeze-and-excitation networks. 2018 IEEE/CVF Conf on Computer Vision and Pattern Recognition 2018: 7132-7141.
  15. Kingma DP, Ba J. Adam: A method for stochastic optimization. Int Conf on Learning Representations (ICLR) 2015.
  16. Antony J, McGuinness K, Moran K, O'Connor N. Quantifying radiographic knee osteoarthritis severity using deep convolutional neural networks. 23rd Int Conf on Pattern Recognition (ICPR) 2016: 1195-1200.
  17. Cheng J, Aurelien B, Mark L. The relative performance of ensemble methods with deep convolutional neural networks for image classification. J Appl Stat 2018; 45: 2800-2818.
  18. Wesseling J, Boers M, Viergever MA, Hilberdink WKHA, Lafeber FPJG, Dekker J, Bijlsma JWJ. Cohort profile: Cohort hip and Cohort knee (CHECK) study. Int J Epidemiol 2016; 45(1): 36-44.
  19. Shamir L, Ling S, Scott W, Orlov N. Knee X-Ray image analysis method for automated detection of osteoarthritis. IEEE Trans Biomed Eng 2009; 56: 407-415.
  20. Kwon SB, Han H, Lee MC, Kim HC. Machine learning-based automatic classification of knee osteoarthritis severity using gait data and radiographic images. IEEE Access 2020; 8: 120597-120603.
  21. He K, Zhang X, Ren S, Sun J. Deep residual learning for image recognition. IEEE Conf on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR) 2016: 770-778.
  22. Huang G, Liu Z, Weinberger KQ. Densely connected convolutional networks. IEEE Conf on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR) 2017; 8: 2261-2269.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: journal@computeroptics.ru; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20