$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Klasyfikacja guzów mózgu za pomocą rezonansu magnetycznego (MRI) jest kluczowym zadaniem w neuroonkologii, gdzie wczesna i dokładna diagnoza bezpośrednio wpływa na planowanie leczenia i wyniki leczenia1. CNN stały się dominującym podejściem do automatyzacji tego procesu dzięki zdolności do nauki hierarchicznych cech przestrzennych i teksturalnych bezpośrednio z surowych danych obrazowych2. Jednak jakość danych wejściowych pozostaje kluczowym czynnikiem decydującym o wydajności modelu. Klasyczne techniki wstępnego przetwarzania – takie jak konwersja w skale szarości, rozmycie Gaussa, progowanie i operacje morfologiczne – są rutynowo stosowane w celu redukcji szumów i podkreślenia granic strukturalnych 3,4,5. Gangadharan i in. przeprowadzili analizę porównawczą modeli głębokiego uczenia do przewidywania guzów mózgu, podkreślając zmienność wydajności w różnych architekturach oraz znaczenie cech zbioru danych w kształtowaniu wyników6. Qureshi i in. zaproponowali ultralekki CNN do wykrywania guzów wieloklasowych, kładąc nacisk na efektywność obliczeniową i zastosowanie w czasie rzeczywistym bez kompromisu w zakresie diagnostyki7. Wykraczając poza obrazowanie strukturalne, Qureshi i in. badali klasyfikację radiogenomową, wykorzystując połączone cechy multiomiczne z wieloparametrycznych skanów MRI do przewidywania statusu metylowania promotora metylu-gwaninotransferazy DNA (MGMT), wykazując potencjał zintegrowanych modalności danych dla nieinwazyjnego profilowania nowotworów8. Pomimo ich powszechności, wpływ tych transformacji na dynamikę treningów CNN, zachowanie optymalizatorów i interpretowalność pozostaje niedostatecznie zbadany.
Najnowsze postępy w klasyfikacji guzów mózgu koncentrują się na złożoności architektonicznej, hybrydach segmentacji i klasyfikacji oraz uczeniu transferowym. Na przykład MultiFeNet wykorzystuje wieloskalową fuzję cech do poprawy reprezentacji przestrzennej9, podczas gdy modele zespołowe i 3D CNN oferują wysoką jakość pracy kosztem zwiększonego narzutu obliczeniowego10,11. Najnowsze badania nad metodami hybrydowymi, takie jak transformacja falkowa z pomocą maszyny wektorowej (SVM) oraz detekcja krawędzi oparta na automatach komórkowych, zazwyczaj wymagają ręcznie wykonanych funkcji lub wieloetapowego przetwarzania12,13. Badania porównawcze nad niezrównoważonymi zbiorami danych uwypukliły wyzwania związane z osiągnięciem uogólnienia według klas14. Podejścia transferowe do uczenia wykorzystujące wcześniej wytrenowane sieci, takie jak VGG i ResNet, wykazały obiecujące wyniki w klasyfikacji MRI15, 16, 17; jednak często traktują preprocessing jako stały krok upstream. Modele te rzadko izolują, jak transformacje wejściowe wpływają na zbieżność optymalizatora lub zachowanie semantyczne.
Badania uwzględniające preprocessing zaczęły podkreślać tę lukę. Ivanescu i in. wykazali, że nadmierne filtrowanie może pogarszać wrażliwość CNN na subtelne wzorce nowotworowe3. Vu i in. wykazali, że konwersja i zmiana rozmiaru w odcieniach szarości mogą odrzucać informacje kontekstowe, co wpływa na dokładność diagnostyczną4. Hooper i in. ujawnili, że filtrowanie w górnej części prowadzonej Tomografii Komputerowej (CT) indukuje zmienność wydajności, podkreślając kruchość CNN wobec przesunięcia domen5. Kundu i in. zaproponowali transformacje intensywności oparte na Gaussowskim w celu poprawy segmentacji18; jednak nie oceniono czułości optymalizatora. Tymczasem Asiri i in. oraz Aamir i in. zoptymalizowali hiperparametry CNN do wykrywania guzów mózgu16,17, zauważając lepszą wydajność Adama bez analizy reakcji na zmiany wstępnego przetwarzania. Narzędzia wyjaśnialności, takie jak Gradient-weighted Class Activation Mapping (Grad-CAM) oraz SHapley Additive ExPlanations (SHAP), pogłębiły nasze rozumienie podejmowania decyzji CNN poprzez wizualizację regionów dyskryminujących klasę19,20. Metody te są niezbędne do weryfikacji, czy wstępne przetwarzanie poprawia, czy zniekształca zapamiętywanie semantyczne.
Jednak niewiele badań systematycznie analizowało, jak preprocessing wpływa na zbieżność optymalizatorów, uogólnienie i interpretowalność w ramach stałej architektury – kwestie istotne zarówno klinicznie, jak i obliczeniowo. Klinicznie nadmierne wygładzanie lub transformacje intensywności mogą osłabić diagnostycznie istotne gradienty tekstury i przestrzenne, obniżając wierność lokalizacji i zaufanie klinicystów. Obliczeniowo, optymalizatory reagują różnie na zmiany skali cech i wariancji gradientu; Niedopasowania między złożonością wejściową a dynamiką optymalizatora mogą prowadzić do niestabilnej zbieżności lub słabszej generalizacji.
Aby temu zaradzić, wprowadzamy ramy dwuścieżkowe, które systematycznie porównują bazowe (tylko z zmianą rozmiaru) i tradycyjne potoki wstępne w trzech optymalizatorach — Adam, RMSProp i SGD — wykorzystując spójną architekturę CNN oraz zbiór danych BR35H Kaggle21. Oceniamy wydajność klasyfikacji, szybkość zbieżności oraz interpretowalność za pomocą Grad-CAM, weryfikowanych poprzez pięciokrotną weryfikację krzyżową. W przeciwieństwie do wcześniejszych prac łączących zmiany architektoniczne i wstępne, protokół ten izoluje preprocessing jako niezależną zmienną, ujawniając, że agresywne filtrowanie może utrudniać działanie optymalizatora i uwagę.
Przedstawione tutaj ramy oferują kilka zalet w porównaniu z istniejącymi modelami. Po pierwsze, wyraźnie ocenia interakcje między strategiami preprzetwarzania a optymalizatorami, co jest często pomijane w badaniach zespołowych i transferowych 15,16,17. Po drugie, utrzymuje stałą architekturę CNN, symulując w ten sposób rzeczywiste ograniczenia wdrożenia, gdzie rekonfiguracja jest zazwyczaj niepraktyczna22. Po trzecie, integruje metody wizualnej atrybucji do oceny zapamiętywania semantycznego, uzupełniając wcześniejsze badania radiomiki i ręcznie wykonywane23. Wreszcie, ramy oferują powtarzalne wglądy w strategie szkoleniowe świadome preprocessing, zwiększając tym samym zarówno odporność, jak i interpretowalność.
Poprzez syntezę wniosków z metod wstępnego przetwarzania 3,4,5, badań optymalizatorskich16,17 oraz narzędzi wyjaśnialności19,20, praca ta przedstawia praktyczny i interpretowalny proces klasyfikacji guzów mózgu, który równoważy dokładność, stabilność i znaczenie kliniczne.