Published February 1, 2023 | Version v1
Publication Open

A deep learning architecture for multi-class lung diseases classification using chest X-ray (CXR) images

  • 1. Lancaster University
  • 2. Tanta University

Description

In 2019, the world experienced the rapid outbreak of the Covid-19 pandemic creating an alarming situation worldwide. The virus targets the respiratory system causing pneumonia with other symptoms such as fatigue, dry cough, and fever which can be mistakenly diagnosed as pneumonia, lung cancer, or TB. Thus, the early diagnosis of COVID-19 is critical since the disease can provoke patients' mortality. Chest X-ray (CXR) is commonly employed in healthcare sector where both quick and precise diagnosis can be supplied. Deep learning algorithms have proved extraordinary capabilities in terms of lung diseases detection and classification. They facilitate and expedite the diagnosis process and save time for the medical practitioners. In this paper, a deep learning (DL) architecture for multi-class classification of Pneumonia, Lung Cancer, tuberculosis (TB), Lung Opacity, and most recently COVID-19 is proposed. Tremendous CXR images of 3615 COVID-19, 6012 Lung opacity, 5870 Pneumonia, 20,000 lung cancer, 1400 tuberculosis, and 10,192 normal images were resized, normalized, and randomly split to fit the DL requirements. In terms of classification, we utilized a pre-trained model, VGG19 followed by three blocks of convolutional neural network (CNN) as a feature extraction and fully connected network at the classification stage. The experimental results revealed that our proposed VGG19 + CNN outperformed other existing work with 96.48 % accuracy, 93.75 % recall, 97.56 % precision, 95.62 % F1 score, and 99.82 % area under the curve (AUC). The proposed model delivered superior performance allowing healthcare practitioners to diagnose and treat patients more quickly and efficiently.

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

Translated Description (Arabic)

في عام 2019، شهد العالم تفشيًا سريعًا لجائحة كوفيد-19 مما خلق وضعًا مقلقًا في جميع أنحاء العالم. يستهدف الفيروس الجهاز التنفسي المسبب للالتهاب الرئوي مع أعراض أخرى مثل التعب والسعال الجاف والحمى التي يمكن تشخيصها عن طريق الخطأ على أنها التهاب رئوي أو سرطان رئوي أو سل. وبالتالي، فإن التشخيص المبكر لـ COVID -19 أمر بالغ الأهمية لأن المرض يمكن أن يؤدي إلى وفيات المرضى. تستخدم الأشعة السينية على الصدر (CXR) بشكل شائع في قطاع الرعاية الصحية حيث يمكن توفير تشخيص سريع ودقيق. أثبتت خوارزميات التعلم العميق قدرات غير عادية من حيث الكشف عن أمراض الرئة وتصنيفها. فهم يسهلون عملية التشخيص ويسرعونها ويوفرون الوقت للممارسين الطبيين. في هذه الورقة، تم اقتراح بنية التعلم العميق (DL) لتصنيف متعدد الطبقات للالتهاب الرئوي وسرطان الرئة والسل (TB) وعتامة الرئة ومؤخرًا COVID -19. تم تغيير حجم صور CXR الهائلة لـ 3615 COVID -19، و 6012 تعتيم الرئة، و 5870 الالتهاب الرئوي، و 20000 سرطان الرئة، و 1400 السل، و 10192 صورة طبيعية، وتطبيعها، وتقسيمها عشوائيًا لتناسب متطلبات DL. من حيث التصنيف، استخدمنا نموذجًا مدربًا مسبقًا، VGG19 متبوعًا بثلاث كتل من الشبكة العصبية الالتفافية (CNN) كاستخراج للميزات وشبكة متصلة بالكامل في مرحلة التصنيف. كشفت النتائج التجريبية أن VGG19 + CNN المقترحة لدينا تفوقت على الأعمال الحالية الأخرى بدقة 96.48 ٪، و 93.75 ٪ استدعاء، و 97.56 ٪ دقة، و 95.62 ٪ درجة F1، و 99.82 ٪ مساحة تحت المنحنى (AUC). قدم النموذج المقترح أداءً فائقًا يسمح لممارسي الرعاية الصحية بتشخيص وعلاج المرضى بسرعة وكفاءة أكبر.

Translated Description (French)

En 2019, le monde a connu l'épidémie rapide de la pandémie de Covid-19, créant une situation alarmante dans le monde entier. Le virus cible le système respiratoire provoquant une pneumonie avec d'autres symptômes tels que la fatigue, la toux sèche et la fièvre qui peuvent être diagnostiqués par erreur comme une pneumonie, un cancer du poumon ou une tuberculose. Ainsi, le diagnostic précoce de la COVID-19 est essentiel car la maladie peut provoquer la mortalité des patients. La radiographie thoracique (CXR) est couramment utilisée dans le secteur de la santé où un diagnostic rapide et précis peut être fourni. Les algorithmes d'apprentissage profond ont prouvé des capacités extraordinaires en termes de détection et de classification des maladies pulmonaires. Ils facilitent et accélèrent le processus de diagnostic et font gagner du temps aux médecins. Dans cet article, une architecture d'apprentissage en profondeur (DL) pour la classification multi-classe de la pneumonie, du cancer du poumon, de la tuberculose (TB), de l'opacité pulmonaire et, plus récemment, de la COVID-19 est proposée. D'énormes images CXR de 3615 COVID-19, 6012 Opacité pulmonaire, 5870 Pneumonie, 20 000 cancer du poumon, 1400 tuberculose et 10 192 images normales ont été redimensionnées, normalisées et divisées au hasard pour répondre aux exigences DL. En termes de classification, nous avons utilisé un modèle pré-entraîné, VGG19 suivi de trois blocs de réseau neuronal convolutif (CNN) comme extraction de caractéristiques et réseau entièrement connecté au stade de la classification. Les résultats expérimentaux ont révélé que notre VGG19 + CNN proposé surpassait d'autres travaux existants avec 96,48 % de précision, 93,75 % de rappel, 97,56 % de précision, 95,62 % de score F1 et 99,82 % d'aire sous la courbe (ASC). Le modèle proposé a fourni des performances supérieures permettant aux professionnels de la santé de diagnostiquer et de traiter les patients plus rapidement et plus efficacement.

Translated Description (Spanish)

En 2019, el mundo experimentó el rápido brote de la pandemia de Covid-19, creando una situación alarmante en todo el mundo. El virus se dirige al sistema respiratorio y causa neumonía con otros síntomas como fatiga, tos seca y fiebre que pueden diagnosticarse erróneamente como neumonía, cáncer de pulmón o tuberculosis. Por lo tanto, el diagnóstico precoz de COVID-19 es fundamental, ya que la enfermedad puede provocar la mortalidad de los pacientes. La radiografía de tórax (CXR) se emplea comúnmente en el sector de la salud, donde se puede proporcionar un diagnóstico rápido y preciso. Los algoritmos de aprendizaje profundo han demostrado capacidades extraordinarias en términos de detección y clasificación de enfermedades pulmonares. Facilitan y agilizan el proceso de diagnóstico y ahorran tiempo a los médicos. En este documento, se propone una arquitectura de aprendizaje profundo (DL) para la clasificación multiclase de neumonía, cáncer de pulmón, tuberculosis (TB), opacidad pulmonar y, más recientemente, COVID-19. Se redimensionaron, normalizaron y dividieron aleatoriamente imágenes CXR tremendas de 3615 COVID-19, 6012 Opacidad pulmonar, 5870 Neumonía, 20.000 cáncer de pulmón, 1400 tuberculosis y 10.192 imágenes normales para ajustarse a los requisitos de DL. En términos de clasificación, utilizamos un modelo previamente entrenado, VGG19, seguido de tres bloques de red neuronal convolucional (CNN) como extracción de características y red totalmente conectada en la etapa de clasificación. Los resultados experimentales revelaron que nuestro VGG19 + CNN propuesto superó a otros trabajos existentes con un 96,48 % de precisión, un 93,75 % de recuperación, un 97,56 % de precisión, un 95,62 % de puntuación F1 y un 99,82 % de área bajo la curva (AUC). El modelo propuesto ofreció un rendimiento superior que permitió a los profesionales de la salud diagnosticar y tratar a los pacientes de manera más rápida y eficiente.

Files

AEJ_Accepted_Manuscript.pdf.pdf

Files (1.2 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:1d2689ccfedb143b9d054aba2674f66b
1.2 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
بنية تعليمية عميقة لتصنيف أمراض الرئة متعددة الطبقات باستخدام صور الأشعة السينية للصدر (CXR)
Translated title (French)
Une architecture d'apprentissage en profondeur pour la classification des maladies pulmonaires multi-classes à l'aide d'images de radiographie pulmonaire (CXR)
Translated title (Spanish)
Una arquitectura de aprendizaje profundo para la clasificación de enfermedades pulmonares de múltiples clases utilizando imágenes de rayos X de tórax (CXR)

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4308160156
DOI
10.1016/j.aej.2022.10.053

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Egypt

References

  • https://openalex.org/W1994062553
  • https://openalex.org/W2142514727
  • https://openalex.org/W2743008510
  • https://openalex.org/W2745075853
  • https://openalex.org/W2802703689
  • https://openalex.org/W2897821359
  • https://openalex.org/W2917143046
  • https://openalex.org/W2924911266
  • https://openalex.org/W2943040914
  • https://openalex.org/W2959687571
  • https://openalex.org/W2963480753
  • https://openalex.org/W2968605358
  • https://openalex.org/W3007212997
  • https://openalex.org/W3011149445
  • https://openalex.org/W3012254913
  • https://openalex.org/W3015538848
  • https://openalex.org/W3018007233
  • https://openalex.org/W3024263255
  • https://openalex.org/W3027682070
  • https://openalex.org/W3034635466
  • https://openalex.org/W3038090612
  • https://openalex.org/W3039358234
  • https://openalex.org/W3046473234
  • https://openalex.org/W3048670851
  • https://openalex.org/W3080085601
  • https://openalex.org/W3081748421
  • https://openalex.org/W3082967155
  • https://openalex.org/W3097211536
  • https://openalex.org/W3099183222
  • https://openalex.org/W3105326651
  • https://openalex.org/W3109289137
  • https://openalex.org/W3129768930
  • https://openalex.org/W3135243128
  • https://openalex.org/W3155091372
  • https://openalex.org/W3157400239
  • https://openalex.org/W3159001838
  • https://openalex.org/W3162351260
  • https://openalex.org/W3168156287
  • https://openalex.org/W3170168153
  • https://openalex.org/W3170497404
  • https://openalex.org/W3172444062
  • https://openalex.org/W3176429669
  • https://openalex.org/W3179841826
  • https://openalex.org/W3199942699
  • https://openalex.org/W4212881316
  • https://openalex.org/W4225113120
  • https://openalex.org/W4232097126
  • https://openalex.org/W4234971943