Geri Dön

Derin öğrenme yöntemleri ile akciğer grafilerinde patoloji sınıflandırılması

Classification of pathologies in chest x-rays using deep learning techniques

PDF İndir

  1. Tez No: 956065
  2. Yazar: BURCU OLTU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. BERNA DENGİZ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Bilim ve Teknoloji, Biyomühendislik, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Science and Technology, Bioengineering, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Başkent Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 275

Özet

Akciğerler, solunum sisteminin temel organları olup yapısal bozukluklar, enfeksiyonlar veya çevresel etkenler nedeniyle işlev kaybına uğrayabilmektedir. COVID-19, tüberküloz, pnömoni, pulmoner fibröz, atelektazi, kardiyomegali ve pnömotoraks gibi akciğer hastalıkları erken evrede teşhis edilmediğinde ölümcül sonuçlara yol açabilmektedir. Bu nedenle akciğer hastalıklarının erken ve doğru şekilde teşhis edilmesi büyük önem taşımaktadır. Akciğer grafileri, düşük maliyet ve hızlı uygulanabilirlik gibi avantajlarıyla bu amaçla yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak örtüşen anatomik yapılar, sınırlı uzman sayısı ve yüksek görüntü hacmi gibi etkenler, bu görüntülerin yorumlanmasını zorlaştırmakta, günlük yaklaşık %3-5 oranında hata yapılmasına yol açmaktadır. Bu doğrultuda akciğer grafilerinin yorumlanabilmesi için radyologlara yardımcı olacak otomatik ve güvenilir teşhis sistemlerine duyulan ihtiyaç gün geçtikçe artmaktadır. Bu tez çalışmasında akciğer grafilerinin yüksek performansla sınıflandırılması amacıyla uçtan uca bir derin öğrenme modeli geliştirilmiş ve bu modelin başarısını artıracak özgün kayıp fonksiyonlarını önerilmiştir. Modelin omurgası olarak önceden eğitilmiş DenseNet201 mimarisi kullanılmıştır. DenseNet201'den çıkarılan öznitelik haritalarından daha zengin uzamsal bilgiler elde etmek amacıyla evrişimsel uzun kısa süreli bellek (Convolutional Long Short-Term Memory (ConvLSTM)) katmanı, kanal bazında özniteliklerin vurgulanması için sıkma-bırakma bloğu (Squeeze and Excitation (SE)) ve uzun menzilli bağımlılıkları yakalayan görü dönüştürücüler (Vision Transformer (ViT)) modele entegre edilmiştir. Ayrıca, küresel ortalama havuzlama (Global Average Pooling (GAP)) katmanı ile sınıflandırma için önemli uzamsal bilgilerin korunması sağlanmıştır. Bu bileşenlerin kombinasyonu ile önerilen model, yüksek sınıflandırma performansı sunmuştur. Çalışmada ayrıca, sınıflandırma başarısında önemli etkisi olan kayıp fonksiyonları derinlemesine incelenmiştir. Standart fonksiyonlara ek olarak hibrit ve dinamik yapılarda fonksiyonlar tasarlanmış, sınıflandırma eğilimlerine karşı ceza terimi içeren özgün bir fonksiyon önerilmiştir. Önerilen kayıp fonksiyonlarının avantajlarını bir araya getirerek sınıflandırma performansını artıracak farklı topluluk yaklaşımları uygulanmıştır. Bu fonksiyonların performansları sistematik olarak analiz edilmiş ve farklı modellerle de test edilerek modelden bağımsız başarı sağladığı gösterilmiştir. Başkent Üniversitesi Ankara Hastanesi Radyoloji Bölümü'nden elde edilen klinik veriler ile açık erişimli veri kümeleri birleştirilerek 7, 8, 9, 10, 12, 14 ve 15 sınıflı alt veri kümeleri oluşturulmuş ve her bir alt kümede önerilen model ve kayıp fonksiyonları detaylı şekilde test edilmiştir. Böylece hem veri kümesinden hem de sınıf sayısından bağımsız olarak modelin ve kayıp fonksiyonunun başarısı ortaya konmuştur. Elde edilen deneysel sonuçlar, önerilen yöntemin literatürdeki yaklaşımların çoğunu geride bıraktığını ve doğruluk, F1-skoru, AUC gibi performans metriklerinde yüksek başarı sergilediğini ortaya koymaktadır. Ayrıca modelin farklı senaryolarda tutarlı ve yüksek performans sergilemesi, güçlü bir genelleme yeteneğine sahip olduğunu kanıtlamaktadır. Sonuç olarak, bu tez kapsamında, akciğer grafilerinin otomatik olarak sınıflandırılmasını sağlayan yüksek performanslı ve tekrarlanabilir sonuçlar üreten yenilikçi bir model ve özgün kayıp fonksiyonları geliştirilmiştir.

Özet (Çeviri)

The lungs are the primary organs of the respiratory system and can lose functionality due to structural disorders, infections, or environmental factors. Lung diseases such as COVID-19, tuberculosis, pneumonia, pulmonary fibrosis, atelectasis, cardiomegaly, and pneumothorax may lead to fatal outcomes if not diagnosed at an early stage. Therefore, early and accurate diagnosis of lung diseases is crucial. Chest radiographs (CXRs) are widely used for this purpose due to their advantages, such as low cost, quick applicability, and low radiation dose. However, factors like overlapping anatomical structures, limited specialists, and high image volume make interpreting CXRs challenging, resulting in a daily error rate of 3–5%. Thus, the demand for automated and reliable diagnostic systems to assist radiologists in interpreting CXRs is increasing. In this thesis, an end-to-end deep learning model was developed for high-performance classification of CXRs, and novel loss functions were proposed to enhance the model's performance. The pre-trained DenseNet201 architecture was used as the backbone. A Convolutional Long Short-Term Memory (ConvLSTM) layer to obtain richer spatial and temporal information from the feature maps obtained from DenseNet201, a Squeeze and Excitation (SE) block to emphasize channel-wise features, and Vision Transformers (ViT) to capture long-range dependencies were integrated into the model. In addition, a Global Average Pooling (GAP) layer was used to preserve important spatial information for classification. The combination of these components enabled high classification performance. The study also examined the often-overlooked role of loss functions in classification performance. Beyond standard functions, hybrid and dynamic structures were designed. A custom function with a penalty term was proposed to improve sensitivity to misclassification. Ensemble approaches combining the strengths of proposed loss functions were implemented. These loss functions were systematically analyzed and tested with various models, demonstrating architecture-independent success. To evaluate the performance and generalization ability of the proposed model and loss functions, a comprehensive dataset was created by combining clinical images from Başkent University Ankara Hospital with open-access datasets. This dataset was divided into subsets containing 7, 8, 9, 10, 12, 14, and 15 classes, and extensive testing was conducted on each subset. Results showed that the proposed method outperforms many existing approaches in the literature, achieving superior accuracy, F1-score, and AUC. The model's consistent performance in various scenarios demonstrated strong generalization. In conclusion, this thesis presents a novel deep learning model and original loss functions that produce high-performance and reproducible results for the automatic classification of CXRs.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    747682

    Tıbbi görüntü işleme ile akciğer grafisinde COVID-19 pozitif tespiti için veri madenciliği ve derin öğrenme yöntemlerinin performanslarının incelenmesi

    Investigation of the performance of data mining and deep learning methods for COVID-19 positive detection in lung graph with medical image processing

    FATMA GÜL KURT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    BiyoistatistikHacettepe Üniversitesi

    Biyoistatistik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. JALE KARAKAYA KARABULUT

  2. Tez No

    816209

    Tomografi görüntülerinden akciğer hastalıklarının tespiti amaçlı bir derin öğrenme modelinin geliştirilmesi

    Development of deep learning model for detection of lung diseases from tomography images

    GÖKHAN KARABAĞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAkdeniz Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞÜKRÜ ÖZEN

  3. Tez No

    940092

    Makine ve derin öğrenme yöntemleri ile ratlarda akciğer ve ovaryum histopatolojik görüntülerinin sınıflandırılması

    Classification of lung and ovary histopathological images in rats using machi̇ne and deep learni̇ng methods

    TUĞBA ŞENTÜRK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Mühendislik BilimleriErciyes Üniversitesi

    Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATMA LATİFOĞLU

  4. Tez No

    932799

    Derin öğrenme yöntemleri ile bi-parametrik mr görüntülerinden prostat kanseri lezyonlarının segmentasyonu

    Segmentation of prostate cancer lesions from biparametric mri images using deep learning methods

    UFUK UÇAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolÜsküdar Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SONGÜL VARLI

  5. Tez No

    827867

    Classification of abnormal respiratory sounds using deep learning techniques

    Solunum seslerinin derin öğrenme yöntemleri ile sınıflandırılması

    AHAMADI ABDALLAH IDRISSE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolGazi Üniversitesi

    Bilgisayar Bilimleri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. OKTAY YILDIZ

Geri Dön