Published April 11, 2023 | Version v1
Publication

Augmenting healthy brain magnetic resonance images using generative adversarial networks

  • 1. Buraydah Colleges
  • 2. Qassim University
  • 3. Tanta University

Description

Machine learning applications in the medical sector face a lack of medical data due to privacy issues. For instance, brain tumor image-based classification suffers from the lack of brain images. The lack of such images produces some classification problems, i.e., class imbalance issues which can cause a bias toward one class over the others. This study aims to solve the imbalance problem of the "no tumor" class in the publicly available brain magnetic resonance imaging (MRI) dataset. Generative adversarial network (GAN)-based augmentation techniques were used to solve the imbalance classification problem. Specifically, deep convolutional GAN (DCGAN) and single GAN (SinGAN). Moreover, the traditional-based augmentation techniques were implemented using the rotation method. Thus, several VGG16 classification experiments were conducted, including (i) the original dataset, (ii) the DCGAN-based dataset, (iii) the SinGAN-based dataset, (iv) a combination of the DCGAN and SinGAN dataset, and (v) the rotation-based dataset. However, the results show that the original dataset achieved the highest accuracy, 73%. Additionally, SinGAN outperformed DCGAN by a significant margin of 4%. In contrast, experimenting with the non-augmented original dataset resulted in the highest classification loss value, which explains the effect of the imbalance issue. These results provide a general view of the effect of different image augmentation techniques on enlarging the healthy brain dataset.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تواجه تطبيقات التعلم الآلي في القطاع الطبي نقصًا في البيانات الطبية بسبب مشكلات الخصوصية. على سبيل المثال، يعاني التصنيف القائم على صورة ورم الدماغ من نقص صور الدماغ. ينتج عن عدم وجود مثل هذه الصور بعض مشكلات التصنيف، أي مشكلات اختلال التوازن الطبقي التي يمكن أن تسبب تحيزًا تجاه فئة واحدة على الأخرى. تهدف هذه الدراسة إلى حل مشكلة عدم التوازن في فئة "عدم وجود ورم" في مجموعة بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي للدماغ (MRI) المتاحة للجمهور. تم استخدام تقنيات التعزيز القائمة على الشبكة العدائية التوليدية (GAN) لحل مشكلة تصنيف الاختلال. على وجه التحديد، GAN الالتفافي العميق (DCGAN) و GAN الفردي (SinGAN). علاوة على ذلك، تم تنفيذ تقنيات التعزيز التقليدية باستخدام طريقة الدوران. وهكذا، أجريت العديد من تجارب تصنيف VGG16، بما في ذلك (1) مجموعة البيانات الأصلية، (2) مجموعة البيانات القائمة على DCGAN، (3) مجموعة البيانات القائمة على SinGAN، (4) مزيج من مجموعة بيانات DCGAN و SinGAN، و (5) مجموعة البيانات القائمة على الدوران. ومع ذلك، تظهر النتائج أن مجموعة البيانات الأصلية حققت أعلى دقة، 73 ٪. بالإضافة إلى ذلك، تفوقت SinGAN على DCGAN بهامش كبير قدره 4 ٪. في المقابل، أدت تجربة مجموعة البيانات الأصلية غير المعززة إلى أعلى قيمة لخسارة التصنيف، وهو ما يفسر تأثير مشكلة عدم التوازن. توفر هذه النتائج نظرة عامة على تأثير تقنيات زيادة الصورة المختلفة على توسيع مجموعة بيانات الدماغ الصحية.

Translated Description (French)

Les applications d'apprentissage automatique dans le secteur médical sont confrontées à un manque de données médicales en raison de problèmes de confidentialité. Par exemple, la classification basée sur l'image de la tumeur cérébrale souffre du manque d'images cérébrales. L'absence de telles images produit certains problèmes de classification, c'est-à-dire des problèmes de déséquilibre de classe qui peuvent provoquer un biais en faveur d'une classe par rapport aux autres. Cette étude vise à résoudre le problème de déséquilibre de la classe « sans tumeur » dans l'ensemble de données d'imagerie par résonance magnétique (IRM) cérébrale accessibles au public. Des techniques d'augmentation basées sur le réseau antagoniste génératif (GaN) ont été utilisées pour résoudre le problème de classification des déséquilibres. Plus précisément, le GaN convolutionnel profond (DCGAN) et le GaN simple (SinGAN). De plus, les techniques d'augmentation traditionnelles ont été mises en œuvre en utilisant la méthode de rotation. Ainsi, plusieurs expériences de classification VGG16 ont été menées, y compris (i) l'ensemble de données original, (ii) l'ensemble de données basé sur DCGAN, (iii) l'ensemble de données basé sur SinGAN, (iv) une combinaison de l'ensemble de données DCGAN et SinGAN, et (v) l'ensemble de données basé sur la rotation. Cependant, les résultats montrent que l'ensemble de données original a atteint la plus grande précision, 73 %. De plus, SinGAN a surperformé DCGAN d'une marge significative de 4 %. En revanche, l'expérimentation avec l'ensemble de données original non augmenté a abouti à la valeur de perte de classification la plus élevée, ce qui explique l'effet du problème de déséquilibre. Ces résultats fournissent une vue générale de l'effet de différentes techniques d'augmentation d'image sur l'élargissement de l'ensemble de données sur le cerveau sain.

Translated Description (Spanish)

Las aplicaciones de aprendizaje automático en el sector médico se enfrentan a una falta de datos médicos debido a problemas de privacidad. Por ejemplo, la clasificación basada en imágenes de tumores cerebrales adolece de la falta de imágenes cerebrales. La falta de tales imágenes produce algunos problemas de clasificación, es decir, problemas de desequilibrio de clases que pueden causar un sesgo hacia una clase sobre las otras. Este estudio tiene como objetivo resolver el problema de desequilibrio de la clase "sin tumor" en el conjunto de datos de imágenes de resonancia magnética cerebral (IRM) disponibles públicamente. Se utilizaron técnicas de aumento basadas en redes generativas de confrontación (GAN) para resolver el problema de clasificación de desequilibrios. Específicamente, GAN convolucional profundo (DCGAN) y GAN simple (SinGAN). Además, las técnicas de aumento tradicionales se implementaron utilizando el método de rotación. Por lo tanto, se llevaron a cabo varios experimentos de clasificación de VGG16, incluyendo (i) el conjunto de datos original, (ii) el conjunto de datos basado en DCGAN, (iii) el conjunto de datos basado en SinGAN, (iv) una combinación del conjunto de datos DCGAN y SinGAN, y (v) el conjunto de datos basado en la rotación. Sin embargo, los resultados muestran que el conjunto de datos original logró la mayor precisión, el 73%. Además, SinGAN superó a DCGAN por un margen significativo del 4%. Por el contrario, experimentar con el conjunto de datos original no aumentado dio como resultado el valor de pérdida de clasificación más alto, lo que explica el efecto del problema de desequilibrio. Estos resultados proporcionan una visión general del efecto de las diferentes técnicas de aumento de imágenes en la ampliación del conjunto de datos del cerebro sano.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تعزيز صور الرنين المغناطيسي للدماغ السليم باستخدام شبكات الخصومة التوليدية
Translated title (French)
Augmenter les images de résonance magnétique cérébrale saines à l'aide de réseaux antagonistes génératifs
Translated title (Spanish)
Aumentar las imágenes de resonancia magnética del cerebro sano utilizando redes generativas de confrontación

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4364376715
DOI
10.7717/peerj-cs.1318

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Egypt

References

  • https://openalex.org/W2594721753
  • https://openalex.org/W2889890092
  • https://openalex.org/W2890139949
  • https://openalex.org/W2898992996
  • https://openalex.org/W2909445826
  • https://openalex.org/W2971667786
  • https://openalex.org/W2973700646
  • https://openalex.org/W2981036610
  • https://openalex.org/W2982041717
  • https://openalex.org/W2988141759
  • https://openalex.org/W2989219518
  • https://openalex.org/W3003254765
  • https://openalex.org/W3029477994
  • https://openalex.org/W3082338056
  • https://openalex.org/W3087478415
  • https://openalex.org/W3120990782
  • https://openalex.org/W3142414976
  • https://openalex.org/W3165254547
  • https://openalex.org/W3169684453
  • https://openalex.org/W3176923149
  • https://openalex.org/W4200384181
  • https://openalex.org/W4242121546
  • https://openalex.org/W4301206121