Classification of optical coherence tomography images using deep machine-learning methods

Cover Image

Cite item

Abstract

BACKGROUND: Optical coherence tomography is a modern high-tech, insightful approach to detecting pathologies of the retina and preretinal layers of the vitreous body. However, the description and interpretation of study findings require advanced qualifications and special training of ophthalmologists and are highly time-consuming for both the doctor and the patient. Moreover, mathematical models based on artificial neural networks now allow for the automation of many image processing tasks. Therefore, addressing the issues of automated classification of optical coherence tomography images using deep learning artificial neural network models is crucial.

AIM: To develop architectures of mathematical (computer) models based on deep learning of convolutional neural networks for the classification of retinal optical coherence tomography images; to compare the results of computational experiments conducted using Python tools in Google Colaboratory with single-model and multimodel approaches, and evaluate classification accuracy; and to determine the optimal architecture of models based on artificial neural networks, as well as the values of the hyperparameters used.

MATERIALS AND METHODS: The original dataset included >2,000 anonymized optical coherence tomography images of real patients, obtained directly from the device with a resolution of 1,920×969×24 BPP. The number of image classes was 12. To create the training and validation datasets, a subject area of 1,100×550×24 BPP was “cut out”. Various approaches were studied: the possibility of using pretrained convolutional neural networks with transfer learning, techniques for resizing and augmenting images, and various combinations of the hyperparameters of models based on artificial neural networks. When compiling a model, the following parameters were used: Adam optimizer, categorical_crossentropy loss function, and accuracy. All technological operations involving images and models based on artificial neural networks were performed using Python language tools in Google Colaboratory.

RESULTS: Single-model and multimodel approaches to the classification of retinal optical coherence tomography images were developed. Computational experiments on the automated classification of such images obtained from a DRI OCT Triton tomograph using various architectures of models based on artificial neural networks showed an accuracy of 98–100% during training and validation, and 85% during an additional test, which is a satisfactory result. The optimal architecture of the model based on an artificial neural network, a six-layer convolutional network, was selected, and the values of its hyperparameters were determined.

CONCLUSION: Deep training of convolutional neural network models with various architectures, as well as their validation and testing, resulted in satisfactory classification accuracy of retinal optical coherence tomography images. These findings can be used in decision support systems in ophthalmology.

About the authors

Alexander A. Arzamastsev

Voronezh State University; The S. Fyodorov Eye Microsurgery Federal State Institution

Email: arz_sci@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6795-2370
SPIN-code: 4410-6340

Dr. Sci. (Engineering), Professor

Russian Federation, Voronezh; Tambov

Oleg L. Fabrikantov

The S. Fyodorov Eye Microsurgery Federal State Institution

Email: fabr-mntk@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0097-991X
SPIN-code: 9675-9696

MD, Dr. Sci. (Medicine), Professor

Russian Federation, Tambov

Elena V. Kulagina

The S. Fyodorov Eye Microsurgery Federal State Institution

Email: irina-kulagin2015@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0006-0026-0832
SPIN-code: 8785-4949

MD

Russian Federation, Tambov

Natalia A. Zenkova

Derzhavin Tambov State University

Author for correspondence.
Email: natulin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2325-1924
SPIN-code: 2266-4168

Cand. Sci. (Psychology), Assistant Professor

Russian Federation, Tambov

References

  1. Daker DS, Vekhid NK, Goldman DR, editors. Optical coherence tomography of the retina. Moscow: MEDpress-inform; 2021. (In Russ).
  2. Oakden-Rayner L, Palme LJ. Artificial intelligence in medicine: Validation and study design. In: Ranschart E, Morozov S, Algra P, editors. Artificial intelligence in medical imaging. Cham: Springer; 2019. Р:83–104. doi: 10.1007/978-3-319-94878-2_8
  3. Ramsundar B, Istman P, Uolters P, Pande V. Deep learning in biology and medicine. Moscow: DMK Press; 2020. (In Russ).
  4. Buduma N, Lokasho N. Foundations of deep learning. Creating Algorithms for Next Generation Artificial Intelligence. Moscow: Mann, Ivanov i Ferber; 2020. (In Russ).
  5. Foster D. Generative deep learning. Creative potential of neural networks. Saint Petersburg: Piter; 2020. (In Russ).
  6. Postolit AV. Fundamentals of Artificial Intelligence in Python examples. Saint Petersburg: BKhV-Peterburg; 2021. (In Russ).
  7. Arzamastsev AA, Fabrikantov OL, Zenkova NA, Kulagina EV. Software development for analysing the optical coherence tomography protocols of the retina and automatic composition of their descriptions. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2021;(6). EDN: PCVMRX doi: 10.17513/spno.31208
  8. Vasiliev YA, Vlazimirsky AV, Omelyanskaya OV, et al. Methodology for testing and monitoring artificial intelligence-based software for medical diagnostics. Digital Diagnostics. 2023;4(3):252−267. doi: 10.17816/DD321971
  9. Katalevskaya EA, Katalevsky DYu, Tyurikov MI, Shaykhutdinova EF, Sizov AYu. Algorithm for segmentation of visual signs of diabetic retinopathy (DR) and diabetic macular edema (DME) in digital fundus images. Russian Journal of Telemedicine and e-health. 2021;7(4):17–26. EDN: PPSPAL doi: 10.29188/2712-9217-2021-7-4-17-26
  10. Kepp T, Sudkamp H, Burchard C, et al. Segmentation of retinal low-cost optical coherence tomography images using deep learning. Medical Imaging 2020: Computer-Aided Diagnosis. 2020;11314:389–396. doi: 10.48550/arXiv.2001.08480
  11. Sakhnov SN, Axenov KD, Axenova LE, et al. Development of a cataract screening model using an open dataset and deep machine learning algorithms. Fyodorov Journal of Ophthalmic Surgery. 2022;(4S):13–20. EDN: VEGPAW doi: 10.25276/0235-4160-2022-4S-13-20
  12. Shukhaev SV, Mordovtseva EA, Pustozerov EA, Kudlakhmedov SS. Application of convolutional neural networks to define Fuchs endothelial dystrophy. Fyodorov Journal of Ophthalmic Surgery. 2022;(4S):70–76. EDN: WEZTKV doi: 10.25276/0235-4160-2022-4S-70-76

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Training and validation of convolutional neural network models with: a — four, b — five, c — six, and d — seven convolutional layers.

Download (410KB)
3. Fig. 2. Architecture and parameters of a six-layer convolutional artificial neural network model: the first number in Conv2D denotes the number of filters to be used in the convolution layer. The next two numbers represent the size (in pixels) of the filters. The activation functions of the network neurons are Relu and Softmax in the output classification layer. The first number in the fully connected Dense layer represents the number of neurons.

Download (216KB)
4. Fig. 3. Flowchart of a multimodel algorithm for optical coherence tomography image identification; ANN, artificial neural network; OCT, optical coherence tomography.

Download (459KB)

Copyright (c) 2024 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 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».