Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

بهبود طبقه‌بندی و درجه‌بندی ضایعه‌های پستان با استفاده از یادگیری عمیق مبتنی بر روش جدید RFTSDP

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی پزشکی-دانشگاه صنعتی امیرکبیر

2 دانشکده مهندسی پزشکی دانشگاه صنعتی امیرکبیر تهران ایران

3 مهندسی پزشکی-دانشکده علوم و فناوری های پزشکی-دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات

4 بیوالکتریک-دانشکده مهندسی پزشکی-دانشگاه امیرکبیر

چکیده
تشخیص به موقع نوع ضایعه‌ی پستان در انجام اقدامات لازم برای بهبود سریع‌تر بسیار مفید است. به دلیل دقت ناکافی روش‌های موجود، تعیین دقیق نوع ضایعه فقط با روش تهاجمی نمونه‌برداری میسر است. در روش جدید تحلیل دینامیکی سری زمانی فرکانس رادیویی فراصوت (RFTSDP) که در سال ۲۰۲۰ توسط ما پیشنهاد شد، سیگنال‌های بازگشتی RF در حین اعمال تحریک‌های مختلف بررسی می‌شوند. اعمال تحریک می‌تواند ویژگی‌های مکانیکی بافت را در سیگنال‌های بازگشتی آشکار کند و اطلاعات بیشتری از دینامیک محیط فراهم نماید. در این مطالعه، دستگاهی برای ایجاد لرزش در فرکانس‌های مختلف طراحی و استفاده شد. داده‌ها از ۱۱ نمونه بافت خارج‌شده از پستان که درون فانتوم شبیه‌ساز بافت سالم پستان قرار گرفته‌بودند، جمع‌آوری شدند. داده‌های بیم‌فرم‌شده‌ی فوق‌سریع تحت شرایط عدم تحریک، نیروی ثابت و تحریک لرزشی با فرکانس‌های مختلف با استفاده از سیستم تصویربرداری فراصوت سوپرسونیک جمع‌آوری شدند. از یادگیری عمیق برای استخراج خودکار ویژگی، طبقه‌بندی و درجه‌بندی ۱۱ نمونه بافت به پنج گروه مختلف ضایعه‌های سرطانی (سه گروه همراه درجه‌بندی)، غیرسرطانی (نکروز چربی) و بافت سالم استفاده‌شد. در نهایت، نتایج روش یادگیری عمیق با نتایج به‌دست آمده از استخراج ویژگی‌های طیفی و غیرخطی سری زمانی RFو طبقه‌بندی با ماشین بردار پشتیبان، مقایسه‌‌شد. با اعمال لرزش ۶۵ هرتز در روش RFTSDP و استفاده از یادگیری عمیق، طبقه‌بندی انواع ضایعه‌های پستان و درجه‌بندی ضایعه‌ی سرطانی با صحت ۴۷/۰±۵۳/۹۹ درصد حاصل‌شد. استفاده از یادگیری عمیق به منظور استخراج خودکار ویژگی و طبقه‌بندی ضایعه‌ی پستان باعث افزایش صحت عملکرد و ارایه‌ی مدلی پایدارتر شد. همچنین بهبود قابل توجهی (۶۷/۲۸ درصد) در صحت طبقه‌بندی با استفاده از RFTSDPو بهره‌گیری از یادگیری عمیق نسبت به حالت بدون اعمال تحریک و ارزیابی داده‌های خام متمرکز حاصل شد. بنابراین نتایج این مطالعه تایید می‌کند که استفاده از روشRFTSDP ، باعث غنی‌تر شدن سیگنال‌های بازگشتی و بهبود تعیین نوع ضایعه‌ی پستان و درجه‌بندی سرطان شده‌است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Deep Learning-Enhanced Breast Lesion Classification and Grading Using Novel RFTSDP Approach

نویسندگان English

Elaheh Norouzi Ghehi 1
Ali Fallah 2
Saeeid Rashidi 3
Maryam Mehdizadeh Dastjerdi 4
1 Bioelectric-Biomedical Engineering -Amirkabir University
2 Bioelectric, Biomedical Engineering Dept. Amirkabir Univ. f tech.
3 Biomedical Engineering Group, Medical Sciences and Technologies Department, Islamic Azad University, Science and Research Branch
4 Bioelectric-Biomedical EngineeringDep-Amirkabir University
چکیده English

Early detection of breast lesion types is crucial for timely intervention and improved clinical outcomes. However, current diagnostic methods often lack sufficient accuracy and frequently necessitate invasive biopsies for definitive diagnosis. To address this limitation, we proposed a novel approach known as Radio Frequency Time Series Dynamic Profiling (RFTSDP) in 2020. This method analyzes radio frequency (RF) backscatter signals during controlled stimulations, revealing tissue mechanical properties and providing richer information about the dynamic microenvironment. In this study, we developed and implemented a device capable of generating vibrations at varying frequencies. Data were acquired from 11 ex-vivo human breast tissue samples embedded in a healthy breast tissue-mimicking phantom. Ultrafast beamformed data were collected under three conditions: no stimulation, constant force, and vibrational stimulation at various frequencies, using a Supersonic Imagine ultrasound system. Deep learning techniques were employed for automated feature extraction, classification, and grading of the tissue samples into five categories. The performance of the deep learning-based RFTSDP method was compared with conventional machine learning approaches, which involved spectral and nonlinear feature extraction from RF time series, followed by classification using a Support Vector Machine (SVM). Incorporating 65 Hz vibration into the RFTSDP alongside deep learning achieved an accuracy of 99.53% ± 0.47% in classifying and grading breast lesions. Using deep learning for automated feature extraction and breast lesion classification led to increased performance accuracy and a more robust model. Furthermore, RFTSDP combined with deep learning demonstrated a 28.67% improvement in classification accuracy compared to the non-stimulation condition and the analysis of focused raw data. These results confirm that enriching backscatter signals using RFTSDP, particularly when integrated with deep learning, enhances the determination of breast lesion types and facilitates more accurate cancer grading.

کلیدواژه‌ها English

Breast Lesions
Classification and Grading
Deep Learning
Dynamic Tissue Stimulation
RFTSDP Method
Ultrasound RF Time Series
دوره 18، شماره 3
پاییز 1403
صفحه 289-303

  • تاریخ دریافت 20 بهمن 1403
  • تاریخ بازنگری 09 اردیبهشت 1404
  • تاریخ پذیرش 19 اردیبهشت 1404