$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Rak piersi jest jedną z najważniejszych chorób zagrażających życiu kobiet na całym świecie. Według Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) rak piersi przyczynia się do większości zgonów związanych z rakiem, a wczesna diagnoza jest kluczowa dla poprawy wskaźnika przeżywalności1. Obrazowanie ultrasonograficzne stało się rutynową procedurą diagnostyczną w przypadku raka piersi, ponieważ jest bezpieczne, niedrogie i może produkować obrazy w czasie rzeczywistym. W przeciwieństwie do mammografii, ultradźwięki są niezwykle skuteczne w rozróżnianiu mas stałych i wzrostów zawierających płyn, a zatem służą jako doskonała pomoc diagnostyczna w przypadku patologii piersi. Interpretacja obrazu ultrasonograficznego jest wysoce subiektywna i zależy od wysokiego poziomu ekspertyzy, co powoduje zmienność diagnozy i możliwe błędy ludzkie.
W ciągu ostatnich kilku lat, AI i uczenie głębokie pokazało ogromne możliwości w automatyzacji analizy obrazów medycznych. Modele oparte na uczeniu głębokim, szczególnie CNN, wyróżniają się w segmentacji obiektów, wykrywaniu i klasyfikacji2. Jednak przyjmowanie AI w opiece zdrowotnej jest hamowanie przez "czarną skrzynkę" natury tych modeli. Termin "czarną skrzynkę" odnosi się do braku przejrzystości w sposobie, w jaki model osiąga określony wniosek; podczas gdy wejścia i wyjścia są znane, wewnętrzna logika i konkretne cechy użyte do wykonania kliniczna prognoza pozostają ukryte przed użytkownikiem.
Motywacja do tej pracy wynika z pilnej potrzeby niezawodnych instrumentów do wspierania wczesnej diagnozy raka piersi, który nadal jest główną przyczyną zgonów kobiet na całym świecie. Chociaż modele uczenia głębokiego są bardzo skuteczne, ich brak interpretowalności ogranicza integrację do ustawień klinicznych3. Obecna praca zajmuje się tymi luki, stosując EfficientNet-B0 do klasyfikacji o wysokiej wydajności i integrując techniki Explainable AI (XAI), takie jak Grad-CAM, aby zapewnić wizualne wgląd w proces decyzyjny modelu. Równoważąc przezroczystość i dokładność, niniejsze badanie ma na celu opracowanie godnego zaufania systemu AI, który zapewnia solidne wsparcie diagnostyczne dla lekarzy. Metody XAI ujawniają podstawowe rozumowanie przewidywań modelu, pozwalając lekarzom zweryfikować wyniki i przenieść lukę między praktyką kliniczną a zautomatyzowanymi systemami4. W klasyfikacji ultrasonografii piersi, ta interpretowalność zapewnia, że diagnostyka oparta na AI jest zarówno dokładna, jak i klinicznie uzasadniona.
Mimo postępów w uczeniu głębokim, klasyfikacja obrazów ultrasonograficznych piersi nie jest bez wyzwań, w tym braku równowagi klas, gdzie mniejszościowe klasy, takie jak guzy złośliwe, są niedoreprezentowane, co prowadzi do stronniczego modelu5. Brak interpretowalności w modelach uczenia głębokiego sprawia, że są one trudne do zastosowania w praktyce klinicznej, ponieważ lekarze wymagają przejrzystego podejmowania decyzji. Ograniczenia dotyczące zbioru danych, takie jak ograniczona wielkość i różnorodność, ograniczają ogólność modeli, podczas gdy złożone cechy obrazów w ultrasonografii, takie jak granice guzów i tekstura, są trudne do nauczenia6. Rozwiązania wyżej wymienionych problemów wymagają solidnej i interpretowalnej ramy, zapewniającej wysoką dokładność z jasnym wglądem w przewidywania modelu7.
Celem badania jest opracowanie ram uczenia głębokiego, które są w stanie klasyfikować obrazy ultrasonograficzne piersi na kategorie łagodne, złośliwe i normalne, poprawiając generalizację poprzez ukierunkowane powiększenie dla mniejszościowych klas. Ramy integrują Gradient-weighted Class Activation Mapping, aby zapewnić wizualne wyjaśnienia przewidywań i oceniają wydajność za pomocą dokładności, precyzji, odzysku i wskaźnika F1, demonstrując jego przydatność jako interpretowalny system wsparcia decyzji klinicznych. W przeciwieństwie do wyjaśnialnych badań opartych na ultrasonografii raka piersi przeprowadzonych wcześniej, gdzie Grad-CAM jest głównie wykorzystywany jako wizualizacja post-hoc8, proponowany rama łączy przetwarzanie wstępne świadome zmian oraz uczenie świadome klasy w fazie treningu. Maski rzeczywiste obrazy ultrasonograficzne piersi (BUSI) są nakładane na obrazy ultrasonograficzne, aby podkreślić granice zmian i wewnętrzne wzorce echo w momencie ekstrakcji cech, a selektywne powiększenie jest stosowane w mniejszych grupach diagnostycznych, aby zmniejszyć nierównowagę klas bez zmiany klinicznie istotnych cech wyglądu9. Ta połączona, świadoma zmian, poprawa widzenia zmian, EfficientNet-B0 transfer learning i interpretowalność Grad-CAM to kombinacja, która poprawia robustność diagnostyczną i daje interpretacje, które są zgodne z morfologią zmian, co uzasadnia hipotezę, że anatomicznie sterowane ulepszenie zmian i interpretowalność mogą sprawić, że diagnostyczne wspomaganie AI w diagnostyce raka piersi będzie niezawodne i godne zaufania10.
Tradicyjne obrazy medyczne opierały się na konwencjonalnych metodach przetwarzania obrazów, zawierających filtrowanie, segmentację i operacje morfologiczne, aby zidentyfikować widoczne struktury w cel