НЕЙРОСЕТЕВОЙ КЛАССИФИКАТОР РЕНТГЕНОВСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ГРУДНОЙ КЛЕТКИ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРИЗНАКОВ COVID-19 ПНЕВМОНИИ

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Актуальность и цели. Рассматривается разработка нейросетевого бинарного классификатора рентгеновских изображений грудной клетки, позволяющего обнаружить характерные признаки пневмоний, вызванных COVID-19. Приведены до- воды в пользу применения рентгенографии как альтернативы компьютерной томографии при выявлении изменений в легких, характерных для COVID-19. Проведен анализ публикаций в области автоматической классификации рентгеновских изображений с признаками COVID-19 пневмоний. Материалы и методы. Для обучения и тестирования модели использовался авторский набор данных, состоящий из 1240 рентгеновских изображений грудной клетки. Обучающая часть набора данных была подвергнута процедуре аугментации. Предложена оригинальная четырнадцатислойная модель классификатора. Обучение модели проходило в течение 20 эпох. Результаты. Оценка качества классификации проведена при помощи стандартных метрик. Были получены следующие значения метрик: Sensitivity (Recall) – 95,4 %, Specificity – 97,8 %, Accuracy – 96,7 %, Precision – 96,6 %, F1-scope – 96 %. Дополнительное тестирование модели было проведено на 228 изображениях базы COVID-19 Radiography Database платформы Kaggle, при этом получены следующие значения метрик: Sensitivity (Recall), Specificity, Accuracy – 96 %, Precision – 93 %, F1-scope – 94 %. Выводы. Качество классификации рентгеновских изображений грудной клетки разработанной моделью соответствует современному уровню и достаточно близко к врачебному. Разработанный классификатор может быть использован в практической рентгенологии в качестве нейросетевого ассистента врача-рентгенолога.

Об авторах

Леонид Юрьевич Кривоногов

Пензенский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: leonidkrivonogov@yandex.ru

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры медицинской кибернетики и информатики

(Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)

Илхомджон Сулхиддинович Иномбоев

Пензенский государственный университет

Email: ilhomdzoninomboev@gmail.com

студент

(Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)

Юлия Петровна Чебан

Пензенская областная клиническая больница имени Н. Н. Бурденко

Email: petrunina_julija@inbox.ru

врач-рентгенолог рентгеновского отделения

(Россия, г. Пенза, ул. Лермонтова, 28)

Список литературы

  1. Эсауленко Е. В., Александрович Ю. С., Бушманова А. Д. [и др.]. Вирусные пневмонии : учеб. пособие для врачей. СПб. : Изд-во СПбГПМУ, 2021.
  2. Ковидная пневмония // Медпортал. URL: https://medportal.ru/enc/infection/coronavirus/ kovidnaya-pnevmoniya/ (дата обращения: 20.05.2025).
  3. Профилактика, диагностика и лечение новой коронавирусной инфекции (COVID19): временные методические рекомендации. Версия 18 (от 26.10.2023) / Министерство здравоохранения Российской Федерации. 250 с. URL: http://disuria.ru/_ld/13/1343_C19PDL261023N18.pdf (дата обращения: 20.05.2025).
  4. Hemdan E. E., Shouman M. A., Karar M. E. COVIDX-NET: A Framework of Deep Learning Classifiers to Diagnose COVID-19 in X-ray Images. URL: arXiv:2003.11055 (дата обращения: 20.05.2025).
  5. Nishio M., Noguchi S., Matsuo H., Murakami T. Automatic Classification between COVID-19 Pneumonia, Non-COVID-19 Pneumonia, and The Healthy on Chest X-ray Image: Combination of Data Augmentation Methods // Sci. Rep. 2020. № 10 (1). Р. 1–6.
  6. Minaee S., Kafiehb R., Sonkac M. [et al.]. Deep-COVID: Predicting COVID-19 from chest X-ray images using deep transfer learning // Med. Image Anal. 2020. № 65. Р. 101794.
  7. Wang L., Lin Z. Q., Wong A. COVID-NET: A Tailored Deep Convolutional Neural Network Design for Detection of COVID-19 Cases from Chest X-Ray Images // Sci Rep. 2020. № 10 (1). Р. 1–2.
  8. Sethy P. K., Behera S. K., Ratha P. K., Biswas P. Detection of coronavirus disease (COVID-19) based on deep features and support vector machine. 2020. April // International Journal of Mathematical Engineering and Management Sciences. doi: 10.33889/IJMEMS.2020.5.4.052
  9. Bassi P. R. A. S., Attux R. A Deep Convolutional Neural Network for COVID-19 Detection Using Chest X-Rays. URL: https://arxiv.org/abs/2005.01578 (дата обращения: 20.05.2025).
  10. Narin A., Kaya C., Pamuk Z. Automatic Detection of Coronavirus Disease (COVID- 19) Using X-ray Images and Deep Convolutional Neural Networks // Pattern Anal Appl. 2021. May 9. Р. 1–4.
  11. Ефремцев В. Г., Ефремцев Н. Г., Тетерин Е. П. [и др.]. Классификация рентгеновских изображений грудной клетки больных вирусной пневмонией и COVID-19 с помощью нейронных сетей // Компьютерная оптика. 2021. Т. 45, № 1. С. 149–153.
  12. Shelke A., Inamdar M., Shah V. [et al.]. Chest X-ray Classification Using Deep Learning for Automated COVID-19 Screening // SN Comput Sci. 2021. № 2 (4). Р. 300. URL: https://link.springer.com/article/10.1007/s42979-021-00695-5 (дата обращения: 20.05.2025).
  13. Зеленина Л. И., Хаймина Л. Э., Деменкова Е. А. [и др.]. Сверточные нейронные сети в задаче классификации медицинских изображений // Современные науко- емкие технологии. 2021. № 9. С. 68–73.
  14. Nigam B., Nigam A., Jain R. [et al.]. COVID-19: Automatic detection from X-ray images by utilizing deep learning methods // Expert Syst. Appl. 2021. № 176. Р. 114883.
  15. Щетинин Е. Ю. Обнаружение коронавирусной инфекции COVID-19 на основе анализа рентгеновских снимков грудной клетки методами глубокого обучения // Компьютерная оптика. 2022. Т. 46, № 6. С. 963–970.
  16. Basma W. A., Salman H. M. A. A Convolutional Neural Network for Detecting COVID-19 from Chest X-ray Images // Iraqi Journal of Computer Communication Control and System Engineering. 2022. № 22 (3). Р. 1–14. doi: 10.33103/uot.ijccce.22.3.1
  17. Chow L. S., Tang G. S., Solihin M. I. [et al.]. Quantitative and qualitative analysis of 18 deep convolutional neural network (CNN) models with transfer learning to diagnose COVID-19 on chest X-ray (CXR) images // SN Comput. Sci. 2023. № 4 (2). Р. 141.
  18. Md. Harun Or Rashid, Minhaz M. H., Sarker A. [et al.]. COVID-19 Detection from Chest X-Ray Images Using Convolutional Neural Network Approach // Journal of Computer and Communications. 2023. Vol. 11, № 5.
  19. Asif S., Qurrat-ul-Ain, Awais M. [et al.]. A Deep Ensemble Learning Framework for COVID-19 Detection in Chest X-ray Images // Network Modeling Analysis in Health Informatics and Bioinformatics. 2024. Vol. 13. Р. 30.
  20. Ghaderzadeh M., Farkhondeh A. Deep Learning in the Detection and Diagnosis of COVID-19 Using Radiology Modalities: A Systematic Review // Journal of Healthcare Engineering. 2021. Р. 6677314. doi: 10.1155/2021/6677314
  21. Захаренко Е. Метрики оценки качества моделей и анализ ошибок в машинном обучении. Подробное руководство. URL: https://habr.com/ru/users/egaoharu_kensei/ (дата обращения: 20.05.2025).
  22. Kaggle. URL: https://www.kaggle.com/ (дата обращения: 20.05.2025).
  23. Арзамасов К. М., Семенов С. С., Кокина Д. Ю. [и др.]. Критерии применимости компьютерного зрения для профилактических исследований на примере рентгенографии и флюорографии органов грудной клетки // Медицинская физика. 2022. № 4. С. 56–63.
  24. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2024616745. Программа для обнаружения признаков пневмонии, вызванной COVID-19, на рентгеновских снимках грудной клетки / Л. Ю. Кривоногов, И. С. Иномбоев ; опубл. 25.03.2024.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».