Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł badawczy

Wyjaśnialna struktura wspomagania komputerowego w klasyfikacji zmian skórnych z wykorzystaniem głębokiego uczenia

103 wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/72639

⸱

25 sierpnia 2026

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 

W tym artykule

Podsumowanie

Niniejszy artykuł przedstawia wyjaśnialną strukturę opartą na sieciach CNN do klasyfikacji zmian skórnych, która łączy wysoką dokładność diagnostyczną z interpretowalnością modelu. System klasyfikuje obrazy zmian i generuje wizualne wyjaśnienia dla swoich przewidywań. Wyniki wykazują wysoką wydajność i zwiększoną przejrzystość, co wspiera podejmowanie decyzji klinicznych i pomaga dermatologom we wczesnym wykrywaniu chorób skóry.

Streszczenie

Wykorzystanie głębokich splotowych sieci neuronowych do diagnostyki chorób skóry wykazało w różnych badaniach poziom dokładności zbliżony do wyników uzyskiwanych przez dermatologów. Niemniej jednak wciąż istnieje wiele wyzwań, w tym niewystarczająca wydajność i słaba generalizacja w niektórych przypadkach, a także niska interpretowalność związana z wykorzystaniem modeli typu „czarna skrzynka”. Stanowi to istotną przeszkodę w praktycznym wdrożeniu, ponieważ oprócz dokładnej diagnostyki wymagana jest wyjaśnialność, co sprawia, że znalezienie rozwiązania staje się konieczne. Aby przezwyciężyć wspomniane trudności, w niniejszym badaniu opracowano wyjaśnialną strukturę głębokiego uczenia do klasyfikacji zmian skórnych (EDLF-SLC). Struktura ta wykorzystuje różne podejścia w zakresie uczenia maszynowego i wyjaśnialnej sztucznej inteligencji (XAI), aby zapewnić poprawę zarówno dokładności, jak i interpretowalności w trzech etapach. W pierwszym etapie reprezentacje głębokie wyodrębnione z wielu wstępnie wytrenowanych architektur CNN są łączone, aby zachować komplementarne informacje dyskryminacyjne wyuczone przez różne architektury sieci przed klasyfikacją za pomocą SVM z jądrem funkcji radialnej. Następnie do klasyfikacji uzyskanych cech wykorzystuje się klasyfikatory maszyn wektorów nośnych (SVM) z jądrem funkcji radialnej. Na koniec predykcje dokonane przez model są interpretowane za pomocą lokalnych wyjaśnień interpretowalnych i niezależnych od modelu (LIME). Wyniki eksperymentalne pokazują, że EDLF-SLC osiąga 88,0% dokładności, 89,0% precyzji, 87,0% czułości oraz 88,0% wskaźnika F1, co wykazuje konkurencyjną wydajność w porównaniu z kilkoma niedawno opisanymi metodami w warunkach eksperymentalnych przyjętych w tym badaniu.

Wprowadzenie

Zmiany skórne stanowią główny problem w dermatologii i onkologii, ponieważ obejmują szerokie spektrum – od łagodnych nieprawidłowości po nowotwory złośliwe, takie jak czerniak, najgroźniejsza postać raka skóry. W 2020 roku na czerniaka zachorowało około 325 000 osób, a liczba zgonów na całym świecie przekroczyła 57 0001. Chociaż postępy w badaniach przesiewowych i leczeniu poprawiły rokowania pacjentów, opóźniona diagnostyka oraz ograniczony dostęp do opieki zdrowotnej wciąż przyczyniają się do wysokiej śmiertelności i utraty lat życia, szczególnie w młodszych grupach populacyjnych2,3.

Tradycyjna diagnostyka opiera się głównie na badaniu wizualnym i dermatoskopii, co sprawia, że proces ten jest zależny od doświadczenia klinicystów i podatny na subiektywizm, zmienność międzyobserwacyjną, niepotrzebne biopsje oraz wydłużony czas badania4,5,6. Aby wyeliminować te ograniczenia, głębokie uczenie, a w szczególności konwolucyjne sieci neuronowe (CNN), stało się skutecznym rozwiązaniem w automatycznej klasyfikacji zmian skórnych. Modele oparte na CNN, w tym DDCNN-F7, YOLOv7-XAI8 oraz kilka innych architektur9,10,11,12,13, wykazały wysoką dokładność diagnostyczną dzięki automatycznemu uczeniu się dyskryminatywnych cech obrazu. Pomimo sukcesów, większość modeli głębokiego uczenia działa jako tzw. „czarne skrzynki”, co ogranicza zaufanie klinicystów i utrudnia ich wdrażanie w rutynowej praktyce medycznej. W związku z tym wprowadzono techniki wyjaśnialnej sztucznej inteligencji, aby poprawić przejrzystość modeli poprzez dostarczanie wizualnych wyjaśnień przewidywań. Wśród tych metod, Local Interpretable Model-Agnostic Explanations generuje interpretowalne lokalne wyjaśnienia poprzez identyfikację obszarów obrazu, które mają największy wpływ na decyzje modelu14.

Klasyfikacja zmian skórnych ewoluowała od tradycyjnej oceny klinicznej do zaawansowanych diagnostycznych systemów opartych na AI, napędzana potrzebą dokładnego, wiarygodnego i wczesnego wykrywania raka skóry. Ewolucja ta przebiegała przez pięć głównych etapów — tradycyjne metody diagnostyczne, diagnostykę wspomaganą komputerowo (CAD), ML, DL, a ostatnio XAI oraz uczenie federacyjne (FL) — co odzwierciedla ciągłe wysiłki zmierzające do poprawy dokładności diagnostycznej, spójności, skalowalności i zaufania klinicznego, przy jednoczesnym przezwyciężaniu ograniczeń konwencjonalnego badania. Wczesne metody obliczeniowe próbowały naśladować rozumowanie kliniczne za pomocą ręcznie opracowanych deskryptorów obrazu wywodzących się z reguły ABCD, obejmujących asymetrię, nieregularność brzegów, zmienność koloru i średnicę zmiany. Cechy te łączono z sieciami bayesowskimi, drzewami decyzyjnymi, systemami ekspertowymi i modelami wnioskowania rozmytego w celu wsparcia diagnostyki czerniaka, przy czym w kilku badaniach zgłoszono dokładność klasyfikacji przekraczającą 90%15,16,17. Mimo że metody te stworzyły ważny fundament dla diagnostyki wspomaganej komputerowo, opierały się one całkowicie na ręcznie zaprojektowanych cechach i zdefiniowanych regułach diagnostycznych. W konsekwencji wykazywały one ograniczoną odporność na zmienność jakości obrazu, morfologii zmiany, oświetlenia oraz warunków akwizycji.

Aby rozwiązać te niedociągnięcia, jako etap pośredni między konwencjonalną analizą obrazu a nowoczesnymi ramami opartymi na AI pojawiły się klasyczne systemy CAD. Systemy CAD łączyły ręcznie opracowaną ekstrakcję cech z konwencjonalnymi klasyfikatorami w celu poprawy spójności diagnostycznej i wsparcia podejmowania decyzji klinicznych. Kilka podejść hybrydowych zintegrowało klasteryzację hierarchiczną z rekurencyjnymi sieciami neuronowymi i architekturami długiej krótkotrwałej pamięci (LSTM), osiągając dokładność klasyfikacji bliską 99,5%18. Inne frameworki oparte na CAD wykorzystywały klasyfikatory gradient boosting z wyjaśnieniami opartymi na SHAP, wykazując konkurencyjną dokładność diagnostyczną przy jednoczesnej poprawie przejrzystości modelu19. Chociaż systemy te stanowiły znaczącą poprawę w stosunku do podejść opartych wyłącznie na regułach, nadal w dużym stopniu polegały na ręcznej ekstrakcji cech, rozbudowanym przetwarzaniu wstępnym, starannie adnotowanych zestawach danych oraz wieloetapowych potokach przetwarzania.

Techniki uczenia maszynowego dodatkowo usprawniły zautomatyzowaną klasyfikację zmian skórnych, umożliwiając uczenie oparte na danych zamiast jawnego projektowania reguł. Frameworki hybrydowe łączące splotowe sieci neuronowe z konwencjonalnymi klasyfikatorami uczenia maszynowego, w tym regresją logistyczną i algorytmem k-najbliższych sąsiadów, wykazały wysoką skuteczność klasyfikacji na zbiorach danych referencyjnych, osiągając dokładność przekraczającą 95%9. Samonadzorowane uczenie multimodalne dodatkowo poprawiło reprezentację cech poprzez wspólne wykorzystanie obrazów dermoskopowych i klinicznych, co zmniejszyło zależność od obszernych ręcznych adnotacji przy jednoczesnej poprawie wyników klasyfikacji20. Dodatkowe badania łączyły CNN z uogólnioną analizą dyskryminacyjną, deskryptorami SURF oraz algorytmami optymalizacji w celu poprawy dyskryminacji cech i dokładności klasyfikacji21. Techniki automatycznego wyboru cech z wykorzystaniem DenseNet-201, InceptionV3 oraz algorytmów optymalizacji drzew binarnych dodatkowo usprawniły reprezentację cech, zachowując przy tym konkurencyjną wydajność diagnostyczną22. Podejścia oparte na uczeniu transferowym z wykorzystaniem wstępnie wytrenowanych architektur, takich jak AlexNet i GoogLeNet, wykazały również obiecujące możliwości klasyfikacji pomimo ograniczonej ilości danych treningowych23. Niemniej jednak większość metod ML nadal była zależna od starannie zaprojektowanych procedur wstępnego przetwarzania, ręcznie opracowanych strategii optymalizacji, zbalansowanych zbiorów danych oraz rozbudzonego strojenia hiperparametrów. Ich ograniczona walidacja zewnętrzna oraz wrażliwość na niezbalansowanie klas dodatkowo ograniczyły ich praktyczną przydatność w zróżnicowanych warunkach klinicznych.

Wprowadzenie DL zasadniczo przekształciło zautomatyzowaną klasyfikację zmian skórnych, umożliwiając uczenie end-to-end bezpośrednio z surowych danych obrazowych. Sieci CNN wyeliminowały potrzebę ręcznego projektowania cech, jednocześnie znacząco poprawiając wydajność diagnostyczną w wielu zestawach danych referencyjnych. Większość podejść opartych na CNN wykazała istotną poprawę w klasyfikacji zmian dzięki coraz bardziej zaawansowanym architekturom. Modele CNN uwzględniające symetrię badały istotne klinicznie cechy zmian, jednak osiągnęły jedynie umiarkowaną zrównoważoną dokładność24. Inne podejścia zintegrowały architektury EfficientNet z wyjaśnieniami LIME i SHAP w celu poprawy interpretowalności, wprowadzając jednocześnie ilościowe miary wiarygodności25. Hybrydowe systemy DL łączące segmentację zmian, uczenie zespołowe i sieci CNN osiągnęły doskonałe wyniki w wielu zestawach danych ISIC, lecz pozostały wrażliwe na jakość segmentacji i niezbilansowanie klas26.

W ostatnim czasie coraz bardziej zaawansowane architektury hybrydowe pozwoliły na dalsze zwiększenie dokładności klasyfikacji poprzez integrację komplementarnych technik DL. Warunkowe generatywne sieci przeciwstawne (Conditional generative adversarial networks) w połączeniu z YOLOv5 i analizą niezależnych komponentów osiągnęły dokładność klasyfikacji przekraczającą 99%, choć ich złożoność obliczeniowa ograniczyła praktyczne wdrożenie 27. Podobnie, hybrydowe architektury LSTM–ResNet skutecznie uczyły się reprezentacji przestrzenno-czasowych, lecz wymagały znacznie większych zasobów obliczeniowych28. Modele oparte na transformatorach, w tym Sap-Former, wykorzystywały globalne informacje kontekstowe w celu usprawnienia reprezentacji cech, jednak wymagały one rozbudowanego przetwarzania wstępnego, wielkoskalowych adnotowanych zbiorów danych oraz znacznej mocy obliczeniowej29. Lekkie alternatywy, takie jak S-MobileNet, próbowały zrównoważyć wydajność obliczeniową z dokładnością diagnostyczną30, podczas gdy metody nienadzorowanej adaptacji domenowej poprawiły generalizację między domenami, mimo mniejszej skuteczności w przypadku dostępności jedynie ograniczonej liczby próbek treningowych31. Hybrydowe sieci z mechanizmami uwagi, włączające zmodyfikowane moduły uwagi splotowej i snapshot ensemble learning, wykazały również obiecujące wyniki w klasyfikacji zmian skórnych w ospie małpiej, choć problemy związane z niezbalansowaniem klas, różnorodnością obrazów i ograniczoną wyjaśnialnością pozostały nierozwiązane32. Dostosowane architektury rezydualne, wykorzystujące głębsze projekty sieci i hybrydowe funkcje straty, dodatkowo zwiększyły dokładność klasyfikacji powyżej 99%, lecz wiązało się to ze znacznie większymi kosztami obliczeniowymi i dłuższym czasem uczenia33. Kompleksowe opracowania przeglądowe konsekwentnie wyciągały wniosek, że DL znacząco przewyższa tradycyjne podejścia oparte na ręcznie projektowanych cechach dzięki automatycznemu uczeniu dyskryminatywnych reprezentacji obrazów, wskazując jednocześnie na trwałe wyzwania związane z artefaktami obrazowania, zmiennością oświetlenia, złożonością obliczeniową oraz ograniczoną generalizacją kliniczną34.

Choć DL znacznie poprawiło dokładność diagnostyczną, obawy dotyczące przejrzystości modeli, szacowania niepewności oraz godnego zaufania wdrożenia klinicznego pobudziły rosnące zainteresowanie XAI oraz uczeniem federacyjnym. W kilku badaniach zbadano techniki kwantyfikacji niepewności, w tym predykcję konformalną, dropout Monte Carlo oraz ewidencyjne uczenie głębokie, wykazując, że wiarygodne szacowanie ufności może znacząco poprawić wsparcie decyzji, mimo narzucenia dodatkowych ograniczeń obliczeniowych i związanych z danymi35. Zaproponowano również ramy wzajemnego uczenia oparte na Transformerach, aby rozwiązać problem niezbalansowania klas przy jednoczesnej poprawie wydajności uczenia cech36. Inne podejścia łączyły pełnorozdzielcze sieci CNN z technikami optymalizacji opartymi na grafach w celu poprawy segmentacji i klasyfikacji zmian37, natomiast hybrydowe ramy uczenia głębokiego integrujące wiele komplementarnych reprezentacji cech osiągnęły dokładność klasyfikacji zbliżoną do 99,5%, mimo wymagania rozbudowanego przetwarzania wstępnego38.

Niedawne badania coraz częściej koncentrują się na bezpośrednim integrowaniu wyjaśnialności w ramach DL, aby zwiększyć zaufanie klinicystów i ułatwić praktyczne wdrożenie kliniczne. Systemy wyjaśnialne wykorzystujące wiele architektur splotowych sieci neuronowych wraz z Grad-CAM i Score-CAM z powodzeniem lokalizowały diagnostycznie istotne obszary zmian, zachowując jednocześnie konkurencyjne wyniki klasyfikacji zarówno na zbiorach danych wewnętrznych, jak i zewnętrznych39. Hybrydowe ramy CNN–Transformer łączące obrazy dermoskopowe z metadanymi klinicznymi dodatkowo poprawiły wydajność predykcyjną, wykorzystując SHAP i Grad-CAM do generowania klinicznie znaczących wyjaśnień wizualnych40. Dodatkowe hybrydowe architektury oparte na transformerach, integrujące EfficientNetV2S, Swin Transformers, zmodyfikowane sieci Xception oraz mechanizmy uwagi grafowej, skutecznie uchwyciły komplementarne globalne i lokalne cechy zmian, choć ich duża liczba parametrów i ograniczona wydajność w przypadku klas mniejszościowych ograniczyły praktyczne wdrożenie41. Podobnie, hybrydowe ramy YOLOv8–Vision Transformer wykazały poprawę w lokalizacji zmian, klasyfikacji wieloklasowej i interpretowalności wizualnej dzięki adaptacyjnej augmentacji wraz z wyjaśnieniami SHAP i Grad-CAM; jednak metody te nadal opierały się głównie na zbiorach danych referencyjnych i wykazywały ograniczoną odporność w odniesieniu do mniejszościowych kategorii zmian42. W kilku artykułach przeglądowych podsumowano te osiągnięcia, podkreślając zarówno znaczący postęp dokonany dzięki nowoczesnym technikom głębokiego uczenia, jak i uporczywe wyzwania związane z wydajnością obliczeniową, wyjaśnialnością, zależnością od zbiorów danych oraz walidacją kliniczną43,44,45. Tabela 1 podsumowuje niektóre z niedawno opublikowanych prac wykorzystujących algorytmy głębokiego uczenia do klasyfikacji zmian skórnych.

Mimo znaczących postępów osiągniętych przez niedawne metody DL w klasyfikacji zmian skórnych, większość istniejących podejść pozostaje ograniczona przez wysoką złożoność obliczeniową, zależność od dużych adnotowanych zbiorów danych, ograniczoną interpretowalność modeli oraz niewystarczającą walidację w zróżnicowanych, rzeczywistych warunkach klinicznych. Aby przezwyciężyć te ograniczenia, w niniejszej pracy zaproponowano framework EDLF-SLC, który integruje komplementarne cechy wyekstrahowane z wielu architektur CNN z klasyfikatorem SVM w celu zapewnienia odpornej i dokładnej klasyfikacji. Framework wykorzystuje ponadto ulepszony preprocessing w celu poprawy jakości obrazów i rozwiązania problemu niezbalansowania klas, jednocześnie implementując technikę LIME w celu dostarczenia wizualnych wyjaśnień poszczególnych predykcji, co zwiększa przejrzystość modelu i jego wiarygodność kliniczną.

Wkład niniejszego badania jest trójstopniowy. Po pierwsze, autorzy proponują solidne ramy metodologiczne, EDLF-SLC, które integrują zaawansowane splotowe sieci neuronowe (CNN) z klasyfikatorem maszyny wektorów nośnych (SVM) w celu uzyskania dokładnej i niezawodnej klasyfikacji zmian skórnych. Po drugie, autorzy wdrażają ulepszone techniki wstępnego przetwarzania, aby rozwiązać problem niezrównoważenia klas i zredukować szum obrazu, co poprawia jakość obrazów wejściowych oraz ogólną wydajność modelu klasyfikacji. Po trzecie, autorzy wykorzystują metodę Local Interpretable Model-agnostic Explanations (LIME) do wizualizacji i interpretacji poszczególnych predykcji modelu poprzez wyróżnienie obszarów obrazu, które najsilniej wpływają na decyzje klasyfikacyjne, zwiększając tym samym przejrzystość i interpretowalność zaproponowanych ram metodologicznych.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

W niniejszym badaniu nie uczestniczyli ochotnicy ani nie gromadzono możliwych do zidentyfikowania danych pacjentów. Wszystkie eksperymenty zostały przeprowadzone z wykorzystaniem publicznie dostępnego zbioru danych zmian skórnych ISIC 2020 pobranego z repozytorium Kaggle; w związku z tym nie wymagano zgody instytucjonalnej komisji etycznej ani świadomej zgody uczestników. Wszystkie materiały wykorzystane w tym badaniu znajdują się w Tabeli materiałów.

Ekstrakcja i fuzja cech
Obrazy zmian skórnych zostały przetworzone przy użyciu wielu wstępnie wytrenowanych modeli CNN. Wektory cech głębokich wyekstrahowane z wybranych architektur CNN zostały połączone w celu stworzenia ujednoliconej reprezentacji cech dla każdego obrazu zmiany skórnej. Przyjęta strategia fuzji zachowuje komplementarne informacje wizualne wyuczone przez różne architektury CNN, co pozwala następującemu klasyfikatorowi SVM wykorzystać zarówno niskopoziomowe charakterystyki tekstury, jak i wysokopoziomowe reprezentacje semantyczne. Chociaż techniki redukcji wymiarowości, takie jak analiza głównych składowych lub selekcja cech oparta na informacji wzajemnej, mogłyby zmniejszyć wymiarowość cech, celowo zachowano pełną reprezentację połączoną, ponieważ fuzjonowana przestrzeń cech pozostaje obliczeniowo zarządzalna dla zastosowanego klasyfikatora RBF-SVM, przy jednoczesnym zachowaniu komplementarnych informacji diagnostycznych wyekstrahowanych z heterogenicznych szkieletów CNN.

Klasyfikacja
Połączone wektory cech zostały wykorzystane do wytrenowania klasyfikatora SVM z jądrem RBF. W celu określenia optymalnych ustawień klasyfikacji zastosowano techniki optymalizacji hiperparametrów. Następnie klasyfikator przypisał zmiany skórne do odpowiednich klas.

Wyjaśnialność
Aby poprawić interpretowalność, zastosowano metodę LIME w celu wygenerowania wizualnych wyjaśnień wskazujących obszary obrazu, które mają najistotniejszy wpływ na wyniki klasyfikacji. Wyjaśnienia te pomogłyby klinicystom w zrozumieniu i walidacji decyzji modelu.

Plan oceny
Zaproponowany model został oceniony przy użyciu zestawu danych referencyjnych zmian skórnych. Wydajność oceniono za pomocą wskaźników Accuracy, Precision, Recall oraz F1-Score. Przeprowadzono eksperymenty porównawcze z istniejącymi podejściami opartymi na uczeniu maszynowym i głębokim uczeniu, aby wykazać skuteczność zaproponowanego modelu.

Oczekiwane wyniki
Oczekiwano, że badanie pozwoli na opracowanie dokładnego i interpretowalnego systemu klasyfikacji zmian skórnych. Wstępne wyniki eksperymentalne wskazują, że EDLF-SLC osiąga dokładność na poziomie 88.0%, precyzję 89.0%, czułość 87.0% oraz wynik F1-score 88.0%, przewyższając tym samym kilka konkurencyjnych metod. Przewidywano, że integracja wyjaśnień LIME zwiększy wiarygodność i ułatwi wdrożenie systemów diagnostycznych wspomaganych przez AI w praktyce klinicznej.

Znaczenie
Niniejsza praca wnosi wkład w rozwijającą się dziedzinę wyjaśnialnej sztucznej inteligencji w opiece zdrowotnej, rozwiązując problemy związane zarówno z wydajnością, jak i przejrzystością diagnozowania zmian skórnych. Zaproponowany model ma potencjał, aby wspierać dermatologów w podejmowaniu bardziej wiarygodnych i interpretowalnych decyzji diagnostycznych, co w ostateczności przełoży się na poprawę opieki nad pacjentem. Ponadto w tej sekcji autorzy przedstawili informacje dotyczące materiałów oraz metodologii zastosowanej w niniejszym badaniu. W szczególności autorzy rozpoczęli od opisu zbioru danych wykorzystanego w eksperymentach, a następnie przeszli do szczegółowego omówienia wyjaśnialnego modelu głębokiego uczenia do klasyfikacji zmian skórnych.

Zbiór danych
Przedstawiona praca opiera się na publicznie dostępnym zbiorze danych ISIC 2020 (International Skin Imaging Collaboration), do którego można uzyskać dostęp w serwisie Kaggle (https://www.kaggle.com/datasets/fanconic/skin-cancer-malignant-vs-benign). Repozytorium ISIC uznawane jest za jedno z najlepszych źródeł w dziedzinie obrazowania dermatologicznego, ponieważ zapewnia szeroką gamę obrazów dermoskopowych różnych typów zmian skórnych, co pokazano na Rysunku 1. Co ważne, zbiór danych obejmuje obrazy zarówno zmian łagodnych, jak i złośliwych, co czyni go użytecznym do wykonywania zadań klasyfikacji binarnej w przypadku raka skóry 46. W obecnym zbiorze danych znajduje się 3 297 obrazów, z czego 1 800 jest łagodnych, a 1 497 złośliwych. Aby przeprowadzić bardziej efektywne eksperymenty, dane należało podzielić na zbiór treningowy i zbiór testowy. W szczególności dostępnych jest 2 637 obrazów treningowych, w tym 1 440 łagodnych i 1 197 złośliwych, natomiast zbiór testowy składa się z 660 obrazów, z czego 360 jest łagodnych, a 300 złośliwych. Podsumowanie zbioru danych przedstawiono w Tabeli 2.

Zaproponowany model EDLF-SLC
W niniejszej pracy zaproponowano wydajne i zrozumiałe rozwiązanie służące do klasyfikacji zmian skórnych na kategorie łagodne i złośliwe, wykorzystując nowatorską, wyjaśnialną technikę głębokiego uczenia opartą na podejściu hybrydowym, łączącym zalety wielu wstępnie wytrenowanych modeli konwolucyjnych sieci neuronowych. Konwolucyjne sieci neuronowe okazały się wysoce skuteczne w ekstrahcji wysokopoziomowych cech semantycznych z obrazów medycznych. Wykorzystując tę zdolność, zaproponowane wyjaśnialne ramy głębokiego uczenia do klasyfikacji zmian skórnych (EDLF-SLC) wykorzystują wiele wstępnie wytrenowanych modeli CNN w celu osiągnięcia lepszych wyników. Aby zapewnić niezbędną przejrzystość procesu podejmowania decyzji medycznych, w proponowanym podejściu zastosowano metodę LIME do generowania lokalnych, zrozumiałych dla człowieka wyjaśnień dla wyników wyjściowych. Cały schemat można podzielić na trzy główne etapy, przedstawione na Ryc. 2, a mianowicie: (1) wstępne przetwarzanie danych, (2) ekstrakcja cech i klasyfikacja oraz (3) interpretowalność.

Architektura i integracja modelu
W ramach etapu wstępnego wybrano siedem popularnych modeli głębokiego uczenia (MobileNetV2, ResNet50, EfficientNetB0, Xception, InceptionResNetV2, NASNetLarge oraz MobileNet) i oceniono je osobno na zbiorze walidacyjnym, a następnie wybrano cztery najskuteczniejsze modele (ResNet50, EfficientNetB0, MobileNet oraz Xception) do etapu ekstrakcji cech. W proponowanym schemacie każdy obraz wejściowy x został niezależnie przepuszczony przez wybrane wstępnie wytrenowane modele. Z każdego z tych modeli usunięto ostatnią warstwę w pełni połączoną, a wektory cech uzyskano z warstw poprzednich. Symbole fResNet50(x), fEfficientNetB0(x), fMobileNet(x) oraz fXception(x) odnoszą się do wyjściowych wektorów cech z każdego z wyżej wymienionych modeli. Poprzez konkatenację tych wektorów cech otrzymano nowy zagregowany wektor cech F(xi):

F(xi) = [f(ResNet50)(xi);f(EfficientNetB0)(xi);f(MobileNet)(xi);f(Xception)(xi)] (1)

Następnie F(xi) zostało przekazane do klasyfikatora SVM z rdzeniem funkcji radialnej (RBF) w celu uzyskania wyniku klasyfikacji. Cały algorytm dla proponowanego schematu przedstawiono w Pliku uzupełniającym 1.

Zaproponowane ramy przyjmują bezpośrednią fuzję na poziomie cech, ponieważ każda wstępnie wytrenowana architektura CNN wychwytuje różne cechy dyskryminacyjne zmian skórnych dzięki swojej odrębnej architekturze sieci i wyuczonej hierarchii cech. W konsekwencji konkatenacja tych heterogenicznych reprezentacji cech pozwala zachować informacje komplementarne, które przyczyniają się do bardziej kompleksowej charakterystyki zmian przed klasyfikacją. Chociaż techniki redukcji wymiarowości, takie jak analiza głównych składowych (PCA) lub selekcja cech oparta na wzajemnej informacji, mogłyby zmniejszyć wymiarowość zfuzowanej reprezentacji, celowo zachowano pełny zfuzowany wektor cech, ponieważ jego wymiarowość pozostaje obliczeniowo zarządzalna dla przyjętego klasyfikatora RBF-SVM, przy jednoczesnym zachowaniu komplementarnych informacji diagnostycznych wyekstrahowanych przez różne szkielety CNN. Projekt ten priorytetyzuje zatem zachowanie komplementarnych reprezentacji głębokich zamiast eliminowania potencjalnie informatywnych cech przed klasyfikacją.

Przygotowanie danych
Przygotowanie danych obejmowało wstępne przetwarzanie oraz podział zbioru danych na zbiory treningowy i testowy. Wstępne przetwarzanie ma na celu poprawę jakości danych poprzez eliminację niespójności, usuwanie duplikatów, formatowanie obrazów wejściowych oraz skalowanie cech w celu zapewnienia stabilnego treningu wysokiej jakości modelu. Wszystkie obrazy zostały znormalizowane do zakresu [−1, 1] za pomocą normalizacji Z-score:

Wzór na wartość znormalizowaną (X-μ)/σ, koncepcja statystyczna, schemat równania. (2)

gdzie µ i σ oznaczają odpowiednio wartość średnią i odchylenie standardowe dla danego obrazu. Zbiór danych został podzielony na dwa podzbiory, tj. zbiór treningowy (70,0%) oraz zbiór testowy (30,0%).

Augmentacja danych
Aby uniknąć przeuczenia i zwiększyć zdolność modelu do generalizacji, w odniesieniu do zbioru treningowego zastosowano pewne augmentacje. Augmentacja obrazów polega na modyfikowaniu zdjęć w celu sztucznego rozszerzenia zbioru danych bez zmiany istotnych cech stanów medycznych. Potok augmentacji został zbudowany przy użyciu Keras Sequential API. Zastosowano takie transformacje jak losowe odwrócenie poziome, obrót pod niewielkim kątem, zmiana rozmiaru, skalowanie, regulacja jasności/kontrastu, przybliżanie oraz niewielkie przesunięcia. Reprezentatywne przykłady augmentowanych obrazów przedstawiono na Rysunku 3.

Modele wstępnie wytrenowane
W proponowanym schemacie przyjęto kilka wstępnie wytrenowanych modeli głębokiego uczenia w celu ekstrakcji cech z obrazów wejściowych. Modele te obejmują MobileNet, ResNet50, EfficientNetB0, Xception, NASNetLarge, Inception-ResNet-v2 oraz MobileNetV2. MobileNet i MobileNetV2 to lekkie modele głębokiego uczenia umożliwiające wydajne obliczenia dzięki zastosowaniu splotów rozdzielnych wgłębnie (depth-wise separable convolutions). ResNet50 wykorzystuje mechanizm połączeń rezydualnych do trenowania modelu, co pozwala uniknąć problemu zanikającego gradientu podczas uczenia. EfficientNetB0 zapewnia równowagę między wydajnością a precyzją dzięki podejściu polegającemu na skalowaniu złożonym (compound scaling). Xception rozszerza sieć Inception, wykorzystując sploty rozdzielne wgłębnie. NASNetLarge opiera się na wykorzystaniu automatycznego wyszukiwania architektury neuronowej (neural architecture search) w celu budowy optymalnych struktur głębokich sieci neuronowych, natomiast Inception-ResNet-v2 stanowi hybrydę modelu Inception i mechanizmu połączeń rezydualnych. Wektory cech wyekstrahowane z ResNet50 (1 024 cechy), EfficientNetB0 (1 280 cech), MobileNet (1 024 cechy) oraz Xception (2 048 cech) są łączone w celu uzyskania jednolitej reprezentacji 5 376-wymiarowej. Wybrano tę strategię fuzji, aby zachować komplementarne reprezentacje wyuczone przez różne architektury CNN, zamiast redukować reprezentację przed klasyfikacją. Powstały wektor cech jest następnie przekazywany do klasyfikatora RBF-SVM, który wyznacza optymalną nieliniową granicę decyzyjną w zfuzowanej przestrzeni cech.

Wyjaśnialny model AI (LIME)
Aby zapewnić lokalną interpretowalność przewidywań modelu, autorzy zastosowali metodę generowania lokalnych, zrozumiałych dla człowieka wyjaśnień dla każdego konkretnego przewidywania modelu, zwaną LIME47. W przypadku każdego obrazu wejściowego LIME najpierw dzieli go na mniejsze jednostki zwane superpikselami. Następnie z oryginalnego obrazu generowane są perturbacje, a dla każdej z nich szacowane są przewidywania z głębokiego modelu neuronowego. Następnie, na podstawie perturbacji, dopasowywany jest ważony model liniowy z wykorzystaniem wag zależnych od ich bliskości względem oryginalnej instancji wejściowej. Po dopasowaniu modelu liniowego szacowane są wyniki istotności cech, które wskazują na rolę każdego superpiksela w przewidywaniu końcowej etykiety. Wyniki istotności te są wizualnie zaznaczone na końcowym obrazie wyjaśniającym. Algorytm LIME przedstawiono w Pliku uzupełniającym 2.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Ocena wydajności opracowanego systemu klasyfikacji opiera się na tradycyjnych miarach ewaluacyjnych wynikających z macierzy pomyłek. Macierz pomyłek pozwala na pełne zrozumienie działania klasyfikatora poprzez przedstawienie liczby poprawnych i błędnych klasyfikacji dokonanych dla każdej zdefiniowanej klasy. W ten sposób można przeanalizować wszystkie rodzaje błędów. Na przykład zarówno wyniki fałszywie dodatnie, jak i fałszywie ujemne są szczególnie istotne w diagnostyce chorób. Wysokie wartości wyników fałszywie dodatn...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Zaproponowane wyjaśnialne ramy głębokiego uczenia do klasyfikacji zmian skórnych (EDLF-SLC) wykazują, że połączenie komplementarnych reprezentacji cech głębokich z wyjaśnialną sztuczną inteligencją może poprawić zarówno wydajność klasyfikacji, jak i przejrzystość modelu. Poprzez integrację wielu wstępnie wytrenowanych architektur CNN (ResNet50, EfficientNetB0, MobileNet oraz Xception) do ekstrakcji cech i zastosowanie maszyny wektorów nośnych (SVM) do końcowej klasyfikacji, ramy te wykorzystują mocne strony różnych ekstr...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy oświadczają, że nie występuje konflikt interesów.

Podziękowania

Autorzy chcieliby wyrazić szczerą wdzięczność Uniwersytetowi w Taif za zapewnienie środowiska badawczego oraz wsparcia instytucjonalnego, które umożliwiły ukończenie niniejszej pracy.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Zbiór danych zmian skórnych ISIC 2020International Skin Imaging Collaboration (ISIC)ISIC 2020 Challenge DatasetZbiór obrazów dermoskopowych wykorzystany do opracowania i ewaluacji modelu.
KerasKeras TeamZintegrowany z TensorFlowKonstrukcja i trenowanie modeli głębokiego uczenia.
LIME (Local Interpretable Model-Agnostic Explanations)Ribeiro et al.Pakiet PythonGenerowanie lokalnych wyjaśnień wizualnych dla predykcji modelu.
MatplotlibMatplotlib DevelopersNajnowsza kompatybilna wersjaWizualizacja krzywych uczenia, macierzy pomyłek i wykresów ewaluacyjnych.
NumPyNumPy DevelopersNajnowsza kompatybilna wersjaObliczenia numeryczne i manipulacja tablicami.
NVIDIA Tesla T4 GPUNVIDIA Corporation16 GB VRAMAkceleracja trenowania i inferencji modelu.
PandasPandas Development TeamNajnowsza kompatybilna wersjaPrzetwarzanie danych i zarządzanie wynikami eksperymentalnymi.
Wstępnie wytrenowane modele CNNTensorFlow/Keras ApplicationsResNet50, EfficientNetB0, MobileNet, XceptionGłęboka ekstrakcja cech z obrazów dermoskopowych.
PythonPython Software FoundationWersja 3.9Język programowania użyty do implementacji.
PyTorchPyTorch FoundationWersja 2.3.1Framework głębokiego uczenia wykorzystany do ekstrakcji cech i implementacji modelu.
Scikit-learnScikit-learn DevelopersNajnowsza kompatybilna wersjaMaszyna wektorów nośnych (SVM), metryki ewaluacyjne i wstępne przetwarzanie danych.
Maszyna wektorów nośnych (jądro RBF)Scikit-learnSVCKlasyfikacja zfuzowanych głębokich reprezentacji cech.
TensorFlowGoogle LLCWersja 2.xFramework głębokiego uczenia do trenowania i inferencji modelu.
System operacyjny UbuntuCanonical Ltd.Ubuntu 20.04Operacyjne środowisko eksperymentalne.

Bibliografia

  1. Chan S, Reddy V, Myers B, Thibodeaux Q, Brown-Stone N, Liao W. Machine learning in dermatology: current applications, opportunities, and limitations. Dermatol Ther (Heidelb). 2020;10:365-386.
  2. Olsen CM. Global trends in melanoma mortality differ by sex and age. Br J Dermatol. 2020;183(6):985-986.
  3. Sun Y, Shen Y, Liu Q, Zhang H, Jia L, Chai Y, et al. Global trends in melanoma burden: a comprehensive analysis from the Global Burden of Disease Study, 1990-2021. J Am Acad Dermatol. 2025;92(1):100-107.
  4. Monika MK, Vignesh NA, Kumari CU, Kumar M, Lydia EL. Skin cancer detection and classification using machine learning. Mater Today Proc. 2020;33:4266-4270.
  5. Hosny KM, Elshora D, Mohamed ER, Vrochidou E, Papakostas GA. Deep learning and optimization-based methods for skin lesions segmentation: a review. IEEE Access. 2023.
  6. Baghdadi NA, Farghaly Abdelaliem SM, Malki A, Gad I, Ewis A, Atlam ES. Advanced machine learning techniques for cardiovascular disease early detection and diagnosis. J Big Data. 2023;10(1):144.
  7. Veeramani N, Jayaraman P, Krishankumar R, Ravichandran KS, Gandomi AH. DDCNN-F: double decker convolutional neural network feature fusion as a medical image classification framework. Sci Rep. 2024;14(1).
  8. Veeramani N, Jayaraman P. YOLOv7-XAI: multiclass skin lesion diagnosis using explainable artificial intelligence with fair decision making. Int J Imaging Syst Technol. 2024;34(6).
  9. Shetty B, Fernandes R, Rodrigues AP, Chengoden R, Bhattacharya S, Lakshmanna K. Skin lesion classification of dermoscopic images using machine learning and convolutional neural network. Sci Rep. 2022;12(1):18134.
  10. Ali AR, Li J, Yang G, O'Shea SJ. A machine learning approach to automatic detection of irregularity in skin lesion border using dermoscopic images. PeerJ Comput Sci. 2020;6:e268.
  11. Pham TTH, Luu TN, Nguyen TV, Huynh NT, Phan QH, Le TH. Polarimetric imaging combining optical parameters for classification of mice non-melanoma skin cancer tissue using machine learning. Heliyon. 2023;9(11).
  12. Liu N, Rejeesh M, Sundararaj V, Gunasundari B. ACO-KELM: anti coronavirus optimized kernel-based softplus extreme learning machine for classification of skin cancer. Expert Syst Appl. 2023;232:120719.
  13. Masud M, Almars AM, Rokaya MB, Meshref H, Gad I, Atlam ES. A novel lightweight convolutional neural network model to predict Alzheimer's disease applying weighted loss function. J Disabil Res. 2024;3(4):20240042.
  14. Kumar A, Veeraiah V, Gongada TN, Ahamad S, Khan H, Gupta A. Explainable machine learning models for clinical decision support systems. In: 2024 15th International Conference on Computing Communication and Networking Technologies (ICCCNT). Piscataway (NJ): IEEE; 2024. p. 1-6.
  15. Shahzad K, Wasim M, Pires IM, Garcia NM. Multi-classification of skin lesions using a deep learning-based convolutional neural network. Procedia Comput Sci. 2024;241:588-593.
  16. Celebi ME, Kingravi HA, Uddin B, Iyatomi H, Aslandogan YA, Stoecker WV, et al. A methodological approach to the classification of dermoscopy images. Comput Med Imaging Graph. 2007;31(6):362-373.
  17. Li CX, Shen CB, Xue K, Shen X, Jing Y, Wang ZY, et al. Artificial intelligence in dermatology: past, present, and future. Chin Med J (Engl). 2019;132(17):2017-2020.
  18. Ramprasad M, Nagesh S, Sahith V, Lankalapalli RK. Hierarchical agglomerative clustering based skin lesion detection with region-based neural networks classification. Meas Sens. 2023;29:100865.
  19. Khater T, Ansari S, Mahmoud S, Hussain A, Tawfik H. Skin cancer classification using explainable artificial intelligence on pre-extracted image features. Intell Syst Appl. 2023;20:200275.
  20. Wang H, Ahn E, Bi L, Kim J. Self-supervised multi-modality learning for multi-label skin lesion classification. Comput Methods Programs Biomed. 2025;265:108729.
  21. Thapar P, Rakhra M, Alsaadi M, Quraishi A, Deka A, Naga Ramesh JV. A hybrid grasshopper optimization algorithm for skin lesion segmentation and melanoma classification using deep learning. Healthc Anal. 2024;5:100326.
  22. Kumar S, Nath VK, Hazarika D. Blend of deep features and binary tree growth algorithm for skin lesion classification. Symmetry (Basel). 2023;15(12):2213.
  23. Chandrahaas BV, Mohanty SN, Panda SK, et al. An empirical study on classification of monkeypox skin lesion detection. EAI Endorsed Trans Pervasive Health Technol. 2023;9:e4.
  24. Talavera-Martínez L, Bibiloni P, Giacaman A, Taberner R, de Paz Hernando LJD, González-Hidalgo M. A novel approach for skin lesion symmetry classification with a deep learning model. Comput Biol Med. 2022;145:105450.
  25. Ieracitano C, Morabito FC, Hussain A, Suffian M, Mammone N. TIXAI: a trustworthiness index for explainable artificial intelligence in skin lesion classification. Neurocomputing. 2025;630:129701.
  26. Hasan MK, Elahi MTE, Alam MA, Jawad MT, Martí R. DermoExpert: skin lesion classification using a hybrid convolutional neural network through segmentation, transfer learning, and augmentation. Inform Med Unlocked. 2022;28:100819.
  27. Koparde S, Kotwal J, Deshmukh S, Adsure S, Chaudhari P, Kimbahune V. Conditional generative adversarial networks and YOLOv5 Darknet-based skin lesion localization and classification using an independent component analysis model. Inform Med Unlocked. 2024;47:101515.
  28. Padhy S, Dash S, Kumar N, Singh SP, Kumar G, Moral P. Temporal integration of ResNet features with LSTM for enhanced skin lesion classification. Results Eng. 2025;25:104201.
  29. Xin C, Liu Z, Ma Y, Wang D, Zhang J, Li L, et al. Transformer-guided self-adaptive network for multi-scale skin lesion image segmentation. Comput Biol Med. 2024;169:107846.
  30. Sulthana R, Chamola V, Hussain Z, Albalwy F, Hussain A. A novel end-to-end deep convolutional neural network-based skin lesion classification framework. Expert Syst Appl. 2024;246:123056.
  31. Chamarthi S, Fogelberg K, Brinker TJ, Niebling J. Mitigating the influence of domain shift in skin lesion classification: a benchmark study of unsupervised domain adaptation methods. Inform Med Unlocked. 2024;44:101430.
  32. Maity S, Paul S, Guha S, Dasgupta S, Ghosh M. Automated classification of monkeypox skin lesions using a hybrid deep learning model. Biomed Signal Process Control. 2026;126:110955.
  33. Nasir S, Bilal M, Khalidi H. Detection and classification of skin cancer by using CNN-enabled cloud storage data access control algorithm based on blockchain technology. Int J Theor Appl Comput Intell. 2025:145-169.
  34. Saba T. Computer vision for microscopic skin cancer diagnosis using handcrafted and non-handcrafted features. Microsc Res Tech. 2021;84(6):1272-1283.
  35. Fayyad J, Alijani S, Najjaran H. Empirical validation of conformal prediction for trustworthy skin lesion classification. Comput Methods Programs Biomed. 2024;253:108231.
  36. Liu P, Qian W, Li H, Cao J. A relationship-aware mutual learning method for lightweight skin lesion classification. Digit Commun Netw. 2025;11(3):603-612.
  37. Adla D, Reddy GVR, Nayak P, Karuna G. A full-resolution convolutional network with a dynamic graph cut algorithm for skin cancer classification and detection. Healthc Anal. 2023;3:100154.
  38. Thamizhamuthu R, Maniraj SP. Deep learning-based dermoscopic image classification system for robust skin lesion analysis. Trait Signal. 2023;40(3).
  39. Di Giammarco M, Santone A, Cesarelli M, Martinelli F, Mercaldo F. A method for skin lesion detection and localization by means of deep learning and reliable prediction explainability. Image Vis Comput. 2025;162:105675.
  40. Haq IU, Joarder HA, Khan AA, Shi X, Alsayaydeh JAJ, Yusof MFB, et al. XAAI-ledger: an explainable CNN-transformer-based multimodal deep learning framework for early detection of melanoma and non-melanoma skin cancers using dermoscopic and clinical data. Biomed Signal Process Control. 2026;123:110410.
  41. Saeed K, Shehzad M, Malik MGA, Ahmed S, Azar AT. TransXV2S-NET: a novel hybrid deep learning architecture with dual-contextual graph attention for multi-class skin lesion classification. Knowl Based Syst. 2026;337:115407.
  42. AbuAlkebash H, Saleh RAA, Ertunç HM. Automated explainable deep learning framework for multiclass skin cancer detection and classification using hybrid YOLOv8 and vision transformer (ViT). Biomed Signal Process Control. 2025;108:107934.
  43. Hasan MK, Ahamad MA, Yap CH, Yang G. A survey, review, and future trends of skin lesion segmentation and classification. Comput Biol Med. 2023;155:106624.
  44. Li H, Pan Y, Zhao J, Zhang L. Skin disease diagnosis with deep learning: a review. Neurocomputing. 2021;464:364-393.
  45. Wu Y, Chen B, Zeng A, Pan D, Wang R, Zhao S. Skin cancer classification with deep learning: a systematic review. Front Oncol. 2022;12:893972.
  46. Fanconic. Skin cancer: malignant vs benign dataset. Kaggle; 2023. Available from: https://www.kaggle.com/datasets/fanconic/skin-cancer-malignant-vs-benign
  47. Ribeiro MT, Singh S, Guestrin C. "Why should I trust you?": Explaining the predictions of any classifier. In: Proceedings of the 22nd ACM SIGKDD International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining (KDD '16). New York (NY): ACM; 2016. p. 1135-1144.
  48. Bassel A, Abdulkareem AB, Alyasseri ZAA, Sani NS, Mohammed HJ. Automatic malignant and benign skin cancer classification using a hybrid deep learning approach. Diagnostics (Basel). 2022;12(10):2472.
  49. Bhardwaj A, Rege PP. Skin lesion classification using deep learning. In: Advances in Signal and Data Processing: Select Proceedings of ICSDP 2019. Singapore: Springer; 2021. p. 575-589.
  50. Keerthana D, Venugopal V, Nath MK, Mishra M. Hybrid convolutional neural networks with SVM classifier for classification of skin cancer. Biomed Eng Adv. 2023;5:100069.
  51. Ahmed A, Siam AI, Atwa MA, Atwa EM, Abdelrahim EM, Atlam ES. An explainable YOLO-based deep learning framework for pneumonia detection from chest X-ray images. Algorithms. 2025;18(11):703.
  52. Farsi M, ZainEldin H, Sayed RF, El-Agamy ES, Atlam SA, Alsaedi M, et al. Deep learning for pathology: YOLOv8 with EigenCAM for reliable colorectal cancer diagnostics. Bioengineering (Basel). 2025;12(11):1203.
  53. Atwa EA, Atlam ES, Ahmed A, Atwa MA, Abdelrahim EM, Siam AI. Interpretable deep learning models for arrhythmia classification based on ECG signals using the PTB-XL dataset. Diagnostics (Basel). 2025;15(15):1950.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Przeglądaj więcej artykułów

Wyjaśnialna sztuczna inteligencjasplotowe sieci neuronowemaszyna wektorów nośnychinterpretowalność modelufuzja cechwstępnie wytrenowana sieć CNNwyjaśnienia LIMEdiagnostyka chorób