Hibrit bir derin öğrenme modeli kullanarak tripanozom parazitlerinin üstün otomatik tanımlanması

Özet

Dünya çapında tıbbi kan parazitleri, düşük kodlu bir yapay zeka platformunda basit adımlar kullanılarak otomatik olarak tarandı. Kan filmlerinin prospektif tanısı, hibrit bir derin öğrenme modelinde bir nesne algılama ve sınıflandırma yöntemi kullanılarak geliştirilmiştir. Aktif izleme ve iyi eğitilmiş modellerin işbirliği, tripanozom iletiminin sıcak noktalarının belirlenmesine yardımcı olur.

Özet

Tripanozomiyazis, Güney Asya ve Güneydoğu Asya da dahil olmak üzere dünyanın çeşitli bölgelerinde önemli bir halk sağlığı sorunudur. Aktif gözetim altındaki sıcak nokta alanlarının belirlenmesi, hastalık bulaşmasını kontrol etmek için temel bir prosedürdür. Mikroskobik inceleme yaygın olarak kullanılan bir tanı yöntemidir. Bununla birlikte, öncelikle yetenekli ve deneyimli personele bağlıdır. Bu sorunu çözmek için, şirket içi düşük kodlu yapay zeka platformunda (CiRA CORE) nesne tanımlama ve nesne sınıflandırma sinir ağı omurgalarının hibrit derin öğrenme tekniğini kullanan bir yapay zeka (AI) programı tanıtıldı. Program, protozoan tripanozom türlerini, yani Trypanosoma cruzi, T. brucei ve T. evansi'yi yağa daldırma mikroskobik görüntülerinden tanımlayabilir ve sınıflandırabilir. AI programı, tek bir kan örneğinde birden fazla protozoayı gözlemlemek ve analiz etmek için örüntü tanımayı kullanır ve bir dikkat haritası kullanarak her parazitin çekirdeğini ve kinetoplastını belirli karakteristik özellikler olarak vurgular.

Yapay zeka programının performansını değerlendirmek için doğruluk, geri çağırma, özgüllük, kesinlik, F1 puanı, yanlış sınıflandırma oranı, alıcı çalışma özellikleri (ROC) eğrileri ve kesinliğe karşı geri çağırma (PR) eğrileri gibi çeşitli istatistiksel ölçümler sağlayan iki benzersiz modül oluşturulur. Değerlendirme bulguları, AI algoritmasının parazitleri tanımlamada ve kategorize etmede etkili olduğunu göstermektedir. Hızlı, otomatik ve doğru bir tarama aracı sunan bu teknoloji, hastalık gözetimini ve kontrolünü dönüştürme potansiyeline sahiptir. Ayrıca, yerel yetkililerin hastalık bulaşmasını engelleme stratejileri hakkında daha bilinçli kararlar almalarına yardımcı olabilir.

Giriş

Tripanozomiyazis, Güney ve Güneydoğu Asya^gibi Afrika ve Amerika kıtaları dışında geniş bir coğrafi dağılıma sahip insan hastalığına neden olan çeşitli zoonotik türler nedeniyle küresel sağlık sorunları için önemli bir zorluktur ^1,2,3. İnsan Afrika tripanozomiyazisi (HAT) veya uyku hastalığı, Afrika'daki ana yayılımı temsil eden sırasıyla kronik ve akut formları üreten Trypanosoma brucei gambiense ve T. b. rhodesiense'den kaynaklanır. Etken parazit, Tsetse sineklerinin enfekte tükürüğü ile bulaşmasından dolayı Tükürük grubuna aittir⁴. Oysa, T. cruzi'nin neden olduğu iyi bilinen Amerikan tripanozomiyazis (Chagas hastalığı), endemik olmayan ülkeler için bir halk sağlığı sorunu olmuştur; Kanada, ABD, Avrupa, Avustralya ve Japonya dahil olmak üzere, endemik bölgelerden bireylerin sık göç etmesi nedeniyle⁵. Tripanozom enfeksiyonu, reduviid böceklerin enfekte dışkısı ile bulaştığı için Stercoraria grubuna aittir. T. evansi enfeksiyonunun neden olduğu tripanozomiazlar ve tripanozomozlar (Surra hastalığı) Afrika, Güney Amerika, Batı ve Doğu Asya ile Güney ve Güneydoğu Asya ülkelerinde endemiktir ^3,6. Tripanozomun neden olduğu insan tripanozomiyazisi bildirilmiş olmasına rağmen ^{3,4,7,8,9,10,11,12}, parazit enfeksiyonunun bulaşma yolu tartışmalıdır: ya mekanik ya da enfekte kan, çeçe sinekleri ve tabanidler veya at sinekleri gibi hematofag böcekler yoluyla ^6,7, 8,9,10,12,13,14. Tayland'da herhangi bir vaka raporu bulunamamıştır, ancak doğu bölgesindeki köpek¹⁵, yarış atları ve su bufalolarında T. evansi enfeksiyonunun yüksek prevalansı^{yayınlanmıştır 16}, bu da evcil hayvanlar arasında edinilmiş bir bulaşmanın meydana gelmiş olabileceğini düşündürmektedir. İnsan tripanozomlarının klasik formları olmayan hayvan tripanozomlarının (T. vivax, T. b. brucei, T. congolense, T. lewisi ve T. evansi) neden olduğu birkaç atipik insan enfeksiyonu bildirilmiştir¹⁷. Atipik insan enfeksiyonları hakkındaki farkındalık hafife alınabilir, bu atipik vakaların tespiti ve doğrulanması için gelişmiş tanı testlerine ve saha araştırmalarına duyulan ihtiyacı vurgulayarak ve küresel hayvancılığı, gıda güvenliğini¹⁸ ve insan sağlığını etkileyen hayvan patojenik hastalıklarının uygun şekilde kontrol ve tedavisine izin verir. Bu, aktif sürveyans sırasında uzak bölgelerdeki kan örneklerini hızlı bir şekilde taramak için mevcut bir ortak yöntemle (mikroskobik inceleme) entegre edilmiş potansiyel bir stratejinin geliştirilmesine yol açtı ve hastalığı kısıtlamak ve kontrol etmek için sıcak nokta bölgelerinin tanımlanmasını sağladı.

Tek hörgüçlü hayvanlar, sığırlar, atlar ve köpekler gibi çok çeşitli evcil hayvanlarda Surra hastalığının sporadik bir insidansına sahip olmak, bir euryxenous T. evansi'yi çağrıştıran insanlar için zoonotik olabilir 1,4,13,14. İnsan enfeksiyonu imkansız görünmektedir, çünkü insan serumundaki sra benzeri bir genden eksprese edilen tripanolitik bir faktör, insan T. brucei ve T. congolense^12,19'u önleyebilir. Ayrıca, Hindistan'dan gelen ilk vaka raporunun gösterdiği gibi, hastalığın bağışıklığı baskılanmış HIV hastaları ile hiçbir ilişkisi yoktur⁴. Yukarıda tarif edildiği gibi, olası insan enfeksiyonu, nadir görülen bir otozomal resesif genetik bozukluk olan tripanozom litik faktörünün, yani Tangier hastalığının^anormal fonksiyonuna sahip yüksek yoğunluklu bir lipoprotein eksikliği ile ilişkili olabilir 4. 2016 yılında, Vietnamlı bir hastanın iki vahşi tip APOL1 aleline ve normal aralıkta bir serum APOL1 konsantrasyonuna sahip olduğu keşfedildi. Bununla birlikte, APOL-1 eksikliği teorisi artık geçerli kabul edilmemektedir¹². Bu nedenle, tripanozom enfeksiyonunun olası bir mekanizması, mesleki hayvancılık sırasında bir yaranın enfekte hayvan kanı ile doğrudan temasıdır ^4,12. Mikroskobik inceleme, T. evansi morfolojisinin, T. brucei 1,12,13'ün göreceli türlerine benzer olan, baskın uzun ince, kamçılı ve bölücü bir tripanozom içeren tripomastigotun monomorfik bir formu olduğunu ortaya koymaktadır. Çekirdek, arka pozisyonda görünür küçük bir kinetoplast ile merkezi konumdadır. Önceki bir çalışma, parazitin klasik ve kesik formlar olarak bilinen iki karşılaştırılabilir formda bulunabileceğini göstermiştir. Bununla birlikte, konakçılar²⁰ üzerindeki ilgili patojenik etkilerini doğrulamak gerekli olmaya devam etmektedir. Semptomların seyri, titreme ve terleme ile ilişkili aralıklı ateşe kadar değişir. Suramin, neyse ki, Hindistan ve Vietnam'daki hastaları iyileştiren, merkezi sinir sistemini (CNS) istila etmeyen erken evre insan Afrika tripanozomiyazisi için başarılı bir birinci basamak tedavidir ^4,12,21.

Klinik belirti muayenesi dışında, parazitolojik mikroskobik gözlem ^4,9,12, serolojik ^4,8,9,10,12 ve moleküler biyolojik testler ^4,12 dahil olmak üzere T. evansi parazitleri için çeşitli tanı yöntemleri mevcuttur. Giemsa ile boyanmış ince kan filmleri, rutin ve yaygın olarak kullanılan mikroskobik inceleme altında bulunan paraziti görselleştirmek için sıklıkla kullanılır²². Bununla birlikte, prosedür uygulanabilir görünmektedir; Bununla birlikte, zaman alıcı ve emek yoğundur, değerlendiriciler arası değerlendirme değişkenliğine sahiptir, yalnızca akut bir aşamaya duyarlıdır ve kişisel bir stajyer^{gerektirir 23}. Hem moleküler biyoloji hem de serolojik testler, standartlaştırılması zor olan pahalı aparatlarla test edilmeden önce numunelerin ekstrakte edilmesi ve saflaştırılması, ekstra parazitik malzemelerle kontaminasyon riski ve sonuçlardaki tutarsızlıklar da dahil olmak üzere çok sayıda numune hazırlama işlemini gerçekleştirmek için yüksek vasıflı personele ihtiyaç duyuyordu²⁴. Yukarıda açıklanan mantığa dayanarak, saha sürveyans çalışmasını desteklemek ve hastalık bulaşmasının daha fazla kontrolü için sıcak nokta bölgesini belirlemek için anket sonucunun zamanında rapor edilmesini sağlamak için hızlı ve erken tarama teknolojisine ihtiyaç vardır ^1,8. Bilgisayar tabanlı cihazlar (CAD), histopatolojik ve sitopatolojik görevler de dahil olmak üzere tıbbi alanlar için yenilikçi bir teknoloji olarak önerilmiştir²⁵. Yukarıda bahsedilen CAD, yüksek hızda gerçekleştirildi ve örüntü tanıma, yani yapay zeka (AI) kullanılarak hesaplandı. AI yöntemi, çok sayıda veri kümesi örneğiyle başa çıkmak için kullanılabilen evrişimli sinir ağı algoritmaları, özellikle de veri tüketimi üzerine iyi eğitilmiş bir modeli eğiten denetimli bir öğrenme yaklaşımı kullanılarak gerçekleştirilir.

Genel olarak yapay zeka, bilgisayarların veri etiketleme gibi uzman zekası gerektiren görevleri çözme yeteneğidir. Yapay zekanın bir alt alanı olan makine öğrenimi (ML), özellik çıkarma ve örüntü tanımadan oluşan iki farklı sürece sahip bir bilgisayar sistemi olarak temsil edilir. Derin öğrenme (DL) veya gelişmiş makine öğrenimi algoritmaları, insan benzeri performansı, insan profesyoneller tarafından elde edilenden daha büyük ve eşit doğruluk seviyeleriyle karşılaştıran bilgisayarlı programların ve cihazların geliştirilmesini ifade eder²⁶. Şu anda, DL'nin tıp ve veterinerlik alanlarındaki rolü, son zamanlarda önleme ve bireysel sağlık personeline rehberlik etme amacıyla bulaşıcı hastalıkların önlenmesinde umut verici bir şekilde genişlemekte ve devrim yaratmaktadır^22,27. Potansiyel DL uygulaması, kalite etiketleri ve çok sayıda artırılmış veri kümesi ile sınırsızdır ve uzmanların proje görevini yönetmesini sağlar. Özellikle, bilgisayar destekli analizle birlikte dijital görüntüdeki bir ilerleme, bildirilen beş patoloji kategorisinde otomatik tanı ve taramayı iyileştirdi; statik, dinamik, robotik, tüm slayt görüntüleme ve hibrit yöntemler dahil^{olmak üzere 28}. DL algoritma yaklaşımlarının ve dijital görüntü verilerinin entegrasyonunun, yerel personeli teknolojiyi günlük uygulamalarında kullanmaya teşvik edebileceğini düşünmek gerekir.

Daha önce, hibrit bir model kullanmanın tahmin doğruluğundaki artış kanıtlanmıştı²⁷. Mikroskobik görüntülerde tripanozom parazitini tanımlamak için bu araştırma, YOLOv4-tiny (nesne algılama) ve Densenet201 (nesne sınıflandırma) algoritmalarını içeren iki hibrit model sunmaktadır. Çeşitli algılama modelleri arasında, CSPDarknet53 omurgasına sahip YOLOv4-tiny, yerelleştirme ve sınıflandırma açısından bir tahmin sonucu olarak yüksek performans gösterdi²⁹. Gerçek zamanlı dedektör, giriş ağı çözünürlüğü, evrişimli katman miktarı, toplam parametre ve katman çıktılarının sayısı arasındaki optimum dengeyi değiştirdiğinden, önceki sürümlere kıyasla hızlı çalışma hızlarına öncelik vermeyi ve paralel hesaplamalar için optimize etmeyi iyileştirdi. Yoğun Evrişimli Ağ (DenseNet), rekabetçi veri kümelerinde son teknoloji sonuçlar elde eden bir başka popüler modeldir. DenseNet201, ResNet101 ile karşılaştırılabilir benzer bir doğrulama hatası verdi; ancak, DenseNet201'in 20 milyondan az parametresi vardır, bu da ResNet101'in 40 milyondan fazla parametresinden^{daha azdır 30}. Bu nedenle, DenseNet modeli, aşırı öğrenme belirtisi olmadan artan sayıda parametre ile tahmin doğruluğunu iyileştirebilir. Burada, bir yapay zeka (AI) programı, şirket içi CiRA CORE platformunda derin algılama ve sınıflandırma sinir ağı omurgalarına sahip hibrit bir derin öğrenme algoritması kullanır. Geliştirilen program, protozoan tripanozom türlerini, yani Trypanosoma cruzi, T. brucei ve T. evansi'yi yağa daldırma mikroskobik görüntülerden tanımlayabilir ve sınıflandırabilir. Bu teknoloji, hızlı, otomatik ve doğru bir tarama yöntemi sağlayarak hastalık gözetimi ve kontrolünde devrim yaratma potansiyeline sahiptir. Yerel personelin parazitik protozoon hastalığı için bulaşmayı engelleme stratejileri hakkında daha bilinçli kararlar almasına yardımcı olabilir.

Protokol

Arşivlenen kan filmleri ve proje tasarımı, Kurumsal Biyogüvenlik Komitesi, Chulalongkorn Üniversitesi Veterinerlik Fakültesi Kurumsal Hayvan Bakımı ve Kullanımı Komitesi (IBC No. 2031033 ve IACUC No. 1931027) ve King Mongkut Teknoloji Enstitüsü Ladkrabang (EC-KMITL_66_014) İnsan Araştırmaları Etik Komitesi tarafından onaylandı.

1. Ham görüntülerin hazırlanması

1. Görüntü veri kümesi hazırlığı
   1. Parazitolog uzmanları tarafından onaylanan T. brucei, T. cruzi ve T. evansi dahil olmak üzere kan paraziti enfeksiyonları olan en az 13 pozitif slayt elde edin. 13 slaydı eğitim (10 slayt) ve test (üç slayt) için ayırın.
   2. Bir dijital kamera ile bir ışık mikroskobunun yağa daldırma alanı altında yukarıda açıklanan Giemsa lekeli ince kan filmlerinin görüntülerini elde edin. Mikroskobik inceleme altında her üç parazit türünün tripomastigotlarının birden fazla nesnesini içeren görüntüler elde edin; İnce bir şekil, uzun kuyruklar, dalgalı bir zar ve ön uçta bir kinetoplast arayın.
      NOT: Hem kalın hem de ince yaymaların oluşturulması, akut faz tripanozomiyazis^31'in tespitini artıracaktır. Parmak delme ile kan alınması WHO³² tarafından önerilmektedir. Bununla birlikte, ince filmler Trypanosoma cruzi ve diğer türlerin tanımlanmasında daha etkilidir, çünkü bu organizmalar kalın filmlerde bozulma eğilimindedir³³. Bunun ışığında, bu çalışma için parazitlerin uygun morfolojisini korumak için ince kan filmi görüntüleri kullandık.
   3. Tüm görüntüleri parazite özgü bir klasörde şu özelliklere sahip olarak depolayın: 1.600 x 1.200 piksel, 24 bit derinlik ve JPG dosya biçimi. Görüntüleri eğitim ve test kümelerine ~6:1 oranında bölün.
      NOT: https://gitlab.com/parasite3/superior-auto-identification-of-medically-important-trypanosome-parasites-by-using-a-hybrid-deep-learning-model/-/blob/main/JOVEimage.zip bakınız; 650 görüntü eğitim (560 görüntü) ve test (90 görüntü) modeline bölünmüştür.
   4. İlgilenilen bölgeyi iki sınıf için dikdörtgen bir etiket olarak tanımlayın: tripanozomlar ve tripanozom olmayanlar. İyi eğitilmiş nesne algılama modelini kullanarak algılanan tüm görüntüleri kırpmak için otomatik kırpma modülünü kullanın. Otomatik kırpma modülü, şirket içi CiRA CORE programında geliştirilen modüldür (bkz. Nesne sınıflandırmasını eğitmek için görüntü başına tek bir nesne toplayın.
      NOT: Bu makale için 1.017 görüntü eğitim (892 görüntü) ve test (126 görüntü) için bölünmüştür. Model eğitimi, lökosit, T. brucei, T. cruzi ve T. evansi olmak üzere dört etiketli sınıfla gerçekleştirildi.

2. Kurum içi CiRA CORE platformu ile eğitim süreci

1. Yeni bir projeye başlama
   1. Bilgisayar masaüstünden CiRA CORE uygulamasını açın (Malzeme Tablosuna bakın) ve programın simgesine çift tıklayarak yeni bir proje oluşturun.
   2. Gerekli araçları seçmek için sol dikey araç çubuğundaki işlem simgesini seçin.
2. Nesne algılama modeli eğitimi
   1. Sürükle ve bırak yöntemini kullanarak veri etiketleme ve eğitim için training-DL model işlevini seçin. Genel araç çubuğuna gidin | CiRA Yapay Zeka | Sürükleme DeepTrain | DeepTrain'i ekrana bırakın (sağ tarafta).
      NOT: Ek seçenekler için, seçilen araca sağ tıklayın ve uygun işlevleri gerçekleştirin: Kopyala, Kes veya Sil.
   2. DeepTrain aracının ayarlarını kullanarak görüntüleri içe aktarın. Resimleri yükle düğmesine tıklayın ve resim dizinine gidin. Sol tıklamayı basılı tutup seçili nesneyi adlandırarak nesneleri etiketleyin. Ekran Ayarı düğmesine tıklayarak dikdörtgen çizgi kalınlığını ve yazı tipi boyutunu ayarlayın ve GT'yi aynı dizine .gt dosyası olarak kaydedin.
      NOT: Elektrik kesintisi, otomatik program kapanmaları ve etiketleme işleminde takılma gibi istenmeyen durumları önlemek için gerektiği gibi kaydedin.
   3. Model eğitiminden önce, dört büyütme tekniğini kullanarak yeterli bilgi toplamak için verileri genişletin: Döndürme, Kontrast, Gürültü ve Bulanıklaştırma. Bu özelliğe erişmek için Gen Setting (Gen Ayarı ) düğmesine tıklayın.
   4. DeepTrain aracındaki Eğitim düğmesine tıklayarak model eğitimini başlatın. Eğitim bölümünün iki alt işlevi vardır: Eğitim Dosyaları Oluştur ve Eğit. Eğitim Dosyaları Oluştur işlevi altında, istediğiniz modelleri, toplu iş boyutunu ve alt bölümleri seçin. Veri oluşturmak ve dizine kaydetmek için Oluştur düğmesine tıklayın. Eğitme işlevinde şu seçenekleri belirleyin: i) koşullar ve yedekleme için oluşturulan başka bir egzersiz konumu kullanın, ii) devam eden egzersiz için önceden oluşturulmuş ağırlıkları kullanın veya iii) mevcut egzersiz tasarımı için parametreleri geçersiz kılın. Bu, model yapılandırmasını ve eğitim koşullarını tasarlayacaktır.
      NOT: Oluşturma işlemi süresi, görüntü dosyası boyutuna, büyütme kullanımına ve kullanılabilir bellek alanına bağlıdır.
   5. Gerekli tüm yapılandırmalar tamamlandıktan sonra Eğit düğmesine tıklayarak model eğitimine başlayın. Programın sürekli olarak yürütülmesine, eğitim kaybını değerlendirmesine ve eğitim sürecinde veri kümesinin ağırlığını ayarlamasına izin verin. Model optimum kayba ulaşırsa, Dışa Aktar düğmesine tıklayarak eğitilmiş ağırlık dosyasını belirtilen dizine kaydedin.

3. Nesne algılama modeli değerlendirmesi

1. Sürükle ve bırak yöntemini kullanarak model değerlendirmesi için nesne algılama modeli değerlendirme işlevini seçin. Eklenti araç çubuğuna gidin | Değerlendirin | Sürükleme EvalDetect | EvalDetect'i ekrana bırakın (sağ taraf).
2. Ayar'a tıklayın ve üç işlevi bekleyin: Algılama, Değerlendirme ve Çizim. Config Yükle'ye tıklayarak eğitilen ağırlık dosyasını dizinden içe aktararak (adım 2.2.5) model değerlendirmesini başlatın.
3. Algılama işlevi altında, gereksiz yanlış pozitif (FP) algılamaları ortadan kaldırarak doğruluğu artırmak için maksimum olmayan bastırma (NMS) değerini seçin. NMS, gelişmiş güvenilirlik için yinelenen model tarafından oluşturulan algılamaları kaldırır.
4. Değerlendirme işlevi altında aşağıdaki adımlarla devam edin:
   1. Gözat'a tıklayarak test görüntülerini görüntü dosyası dizininden içe aktarın. GT dosyasını, 2.2.2 adımında kaydedildiği dizinden GT Yükle'ye tıklayarak içe aktarın.
   2. Belirli görüntü testi veri kümesindeki doğruluğu değerlendirmek için Birleşim Üzerinden Kesişim (IoU) değerini seçin.
   3. Belirtilen dizindeki algılama modelini değerlendirmek için Değerlendirme düğmesine tıklayın. Değerlendirme tamamlandıktan sonra, sonuçlar otomatik olarak aynı dizine sınıf adına göre sıralanmış bir CSV dosyası olarak kaydedilecektir. Bu CSV dosyası, her sınıf için Doğru Pozitif (TP), Yanlış Pozitif (FP), Yanlış Negatif (FN), Geri Çağırma ve Kesinlik gibi temel parametreleri sağlayacaktır.
5. Kesinlik-Geri Çağırma (PR) eğrisini çizmek için Plot işlevi altında şu adımları izleyin: Gözat'a tıklayarak CSV dosyalarını önceki bölüm (adım 3.4) dizininden içe aktarın. Listeden sınıfları seçin ve düzenlenebilir PR eğrisi görüntüsünü görüntülemek için Çizim düğmesine tıklayın.
6. Son olarak, PR eğrisinin AUC değerlerine sahip bir görüntüyü belirtilen dizinde gerekli görüntü formatında kaydetmek için görüntünün Kaydet düğmesine tıklayın.

4. Görüntü başına tek bir nesne için görüntü kırpma

1. Görüntüleri kırpmadan önce aşağıdaki adımları tamamlayın:
   1. Görüntü Kaydırma aracının ayarlarına erişerek görüntüleri görüntü dosyası dizininden içe aktarın.
   2. Eğitilen ağırlık dosyasını (adım 2.2.8'de kaydedilen) Derin Algılama aracının ayarlarına erişerek içe aktarın. Config düğmesine | + düğmesine tıklayın, arka ucu (CUDA veya CPU) seçin, bir ad girin, Tamam'a tıklayın, ağırlık dosyası dizinini seçin ve Seç'e tıklayın. Derin Algılama aracında, algılama parametrelerini seçin (eşik ve maksimum olmayan bastırma (nms)); çizim parametreleri; izleme parametreleri; ve ilgi bölgesi (ROI) parametreleri.
   3. Derin Kırpma aracının ayarlarına erişerek kırpılan görüntülerin kaydedileceği dizini seçin. Gözat'ı tıklatın | kırpılan görüntülerin kaydedileceği dizini seçin | Seç'i tıklatın | Görüntü formatını seçin (jpg veya png) | Otomatik Kaydet seçeneğini etkinleştirin.
2. Görüntü sınıflandırma ve segmentasyon için görüntü başına tek bir nesne elde etmek için görüntüleri kırpın. Bu işlemi gerçekleştirmek için dört araç kullanın ve aralarında bağlantı kurun: Genel araç çubuğuna gidin | Genel | Düğme Çalıştır. Ardından, Genel araç çubuğu | CiRA Yapay Zeka | Derin Algılama; ardından Genel araç çubuğu | CiRA Yapay Zeka | Derin Kırpma. Son olarak, Görüntü araç çubuğu | Edinme | Görüntü Slaytı.
3. Gerekli tüm ayarlar yapıldıktan sonra, Düğme Çalıştırma aracına tıklayarak görüntü kırpma işlemini başlatın.
4. 608 x 608 boyutunda tek nesneli görüntülerden oluşan yeni bir görüntü eğitimi veri kümesi edinin.

5. Model eğitimi olarak görüntü sınıflandırması

1. Veri eğitimi için görüntü sınıflandırma modeli eğitim işlevini seçmek için sürükle ve bırak özelliğini kullanın. Görüntü araç çubuğuna gidin | Derin Sınıf | Sürükle ClassifTrain | ClassifTrain'i ekrana bırakın.
2. ClassifTrain aracının ayarlarını kullanarak model eğitimi için görüntüleri içeri aktarın. Klasörü aç düğmesine tıklayın ve istediğiniz görüntü dizinine gidin. Egzersizden önce, Döndürme, Kontrast, Çevirme (yatay ve/veya dikey), Gürültü ve Bulanıklaştırma gibi teknikleri kullanarak daha fazla bilgi için Büyütme düğmesine tıklayarak verileri genişletin.
3. Model eğitimine başlamak için ClassifTrain aracının GenTrain düğmesine tıklayın. GenTrain işlevi altında modelleri, toplu iş boyutunu ve alt bölümleri seçin. Oluşturulan dosyayı kaydetmek için bir dizin atayın. Eğitim verileriyle devam etmek için Oluştur düğmesine tıklayın. Train (Eğit) işlevinde uygun seçenekleri işaretleyin: Varsayılan ağırlıkla veya özel ağırlıkla egzersize devam edin.
   NOT: Görüntü dosyası boyutu, büyütme kullanımı, sınıf dengeleme ve kullanılabilir bellek alanı gibi faktörlere bağlı olarak oluşturma işlemi zaman alabilir.
4. Tüm hazırlıklar tamamlandıktan sonra Başlat düğmesine tıklayarak model eğitimini başlatın. Programın sürekli olarak yürütülmesine, eğitim kaybını değerlendirmesine ve eğitim sürecinde veri kümesinin ağırlığının ayarlanmasına izin verin. Model istenen kayıp seviyesine ulaşırsa, Dışa Aktar düğmesine tıklayarak eğitilen ağırlık dosyasını belirtilen dizine kaydedin.

6. Sınıflandırma modeli değerlendirmesi

1. Sürükle ve bırak yöntemini kullanarak model değerlendirmesi için görüntü sınıflandırma modeli değerlendirme işlevini seçin. Eklenti araç çubuğuna gidin | Değerlendirin | EvaluateClassif'i sürükleyin | EvaluateClassif'i ekrana bırakın (sağ tarafta).
2. EvaluateClassif aracındaki Evaluate ve PlotROC gibi ek işlevlere erişmek için Ayarlar'a tıklayın.
3. Model değerlendirmesini başlatmak için EvaluateClassif aracındaki Değerlendir düğmesine tıklayın. Değerlendir işlevi altında aşağıdaki adımları izleyin.
   1. Klasör görüntüsünü yükle'ye tıklayarak test görüntülerini görüntü dosyası dizininden içe aktarın. Eğitilmiş ağırlık dosyasını dizinden içe aktarın (adım 5.4'te kaydedildi) Yapılandırmayı Yükle'ye tıklayarak. Sınıflandırma modelini değerlendirmek için Başlat düğmesine tıklayın.
   2. Değerlendirme tamamlandıktan sonra, CSV'ye Aktar düğmesine tıklayarak değerlendirilen dosyayı belirtilen dizine CSV olarak kaydedin. Verilerin her eşikte değerlendirilmesi için, Tüm eşiği başlat'a tıklayarak sınıf adlarıyla CSV dosyasını belirtilen dizine kaydedin. Kaydedilen CSV dosyası, her sınıf için Geri Çağırma (Gerçek Pozitif Oran), Yanlış Pozitif Oran ve Kesinlik gibi parametreleri içerir.
4. Alıcı Çalışma Özellikleri (ROC) eğrisini çizmek için EvaluateClassif aracındaki PlotROC düğmesine tıklayın. PlotROC işlevi altında aşağıdaki adımları izleyin.
   1. Gözat'a tıklayarak daha önce elde edilen dizinden CSV dosyalarını içe aktarın. İçe aktarılan sınıf listesini inceleyin ve ROC eğrisini çizmek için her bir sınıf etiketini seçin.
   2. ROC eğrisini bir görüntü olarak görselleştirmek için Çizim düğmesine tıklayın. Yazı tipi boyutu, yazı tipi renkleri, ondalık sayıyı yuvarlama, çizgi stilleri ve çizgi renkleri dahil olmak üzere görüntü özelliklerini ayarlamak için istediğiniz düzenlemeleri yapın.
5. Son olarak, Kaydet düğmesine tıklayarak belirtilen dizinde AUC değerleriyle birlikte ROC eğrisinin bir görüntüsünü kaydedin.

7. Sürecin CiRA CORE uygulaması ile test edilmesi

1. Model testi olarak nesne algılama
   1. Model testi yapmak için dört araç kullanın ve bunlar arasında bağlantılar kurun. Genel araç çubuğuna gidin | Genel | Düğme Çalıştır. Ardından, Genel araç çubuğu | Genel | Hata ayıklama. Bundan sonra, tıklayın Genel araç çubuğu | CiRA Yapay Zeka | DeepDetect ve son olarak Görüntü araç çubuğu | Edinme | Görüntü Slaytı.
   2. Görüntüleri test etmeden önce şu adımları izleyin:
      1. Görüntü Kaydırma aracındaki Ayar seçeneğine tıklayarak test görüntülerini görüntü dosyası dizininden içe aktarın.
      2. DeepDetect aracındaki Ayar seçeneğine tıklayarak 2.2.8 adımındaki kayıtlı eğitilmiş ağırlık dosyasını içe aktarın. Config (Yapılandır) düğmesine, ardından + düğmesine tıklayın, arka ucu (CUDA veya CPU) seçin, bir ad girin, Tamam'a tıklayın, ağırlık dosyası dizinini seçin ve Seç'e tıklayın. DeepDetect aracı altında, algılama parametrelerini (Eşik ve nms), çizim parametrelerini, izleme parametrelerini ve ROI parametrelerini seçin.
      3. Hata Ayıklama aracındaki görüntü işlevine tıklayarak test görüntüsü sonuçlarını görüntüleyin.
   3. Son olarak, Düğme Çalıştır aracındaki Çalıştır düğmesine tıklayarak her görüntü için tahmin edilen sonuçları kontrol edin.
2. Model testi olarak görüntü sınıflandırması
   1. Model testi yapmak için dört araç kullanın ve bunlar arasında bağlantılar kurun. Genel araç çubuğuna gidin | Genel | Düğme Çalıştırma; ardından, Genel araç çubuğu | Hata ayıklama. Bundan sonra, şuraya gidin: Görüntü araç çubuğu | Edinme | ImageSlide ve son olarak, Görüntü araç çubuğu | Derin Sınıf | Derin Sınıflandırma.
   2. Görüntüleri test etmeden önce şu adımları izleyin:
      1. Görüntü Kaydırma aracındaki Ayar seçeneğine tıklayarak test görüntülerini görüntü dosyası dizininden içe aktarın.
      2. DeepClassif aracındaki Ayar seçeneğine tıklayarak bölüm 5.5'ten kaydedilen eğitimli ağırlık dosyasını içe aktarın. Yapılandır düğmesine tıklayın | + düğmesi | arka ucu seçin (CUDA veya CPU) | Bir İsim Sağlayın | Tamam'ı tıklayın | Ağırlık dosyası dizinini seçin | Seç'i tıklayın. DeepClassif aracı altında, sınıflandırma parametrelerini (Eşik ve birinci sınıf tahminlerin sayısı), Kılavuz harita parametrelerini (eşik, alfa, beta ve renk haritası) ve renk haritasındaki çeşitli parametreleri seçin.
      3. Hata Ayıklama aracındaki görüntü işlevine tıklayarak test görüntüsü sonuçlarını görüntüleyin.
   3. Son olarak, Düğme Çalıştır aracındaki Çalıştır düğmesine tıklayarak her görüntü için tahmin edilen sonuçları kontrol edin.

8. Model testi olarak hibrit (algılama ve sınıflandırma)

1. Bu model testini gerçekleştirmek için dört araç kullanın ve aralarında bağlantılar kurun. Genel araç çubuğuna gidin | Genel | ButtonRun'ı seçin. Ardından, Genel araç çubuğu | Genel | Hata ayıklama. Bundan sonra, Görüntü araç çubuğu | Edinme | ImageSlide ve son olarak, Görüntü araç çubuğu | Derin Kompozit | Derin D->C.
2. Görüntüleri test etmeden önce şu adımları izleyin: Görüntü Kaydırma aracındaki Ayar seçeneğine tıklayarak test görüntülerini görüntü dosyası dizininden içe aktarın. DeepD->C aracındaki Ayar seçeneğine tıklayarak bölüm 2.1.5 ve bölüm 4.4'ten kaydedilmiş iki eğitimli ağırlık dosyasını içe aktarın:
   1. Algıla işlevi için Yapılandır düğmesine tıklayın |+ düğmesine tıklayın, arka ucu seçin (CUDA veya CPU) | Bir İsim Sağlayın | Tamam'a tıklayın | ağırlık dosyası dizinini seçin | Seç'i tıklayın. Detect işlevi altında, algılama parametrelerini (Threshold ve nms), çizim parametrelerini, izleme parametrelerini ve ROI parametrelerini seçin.
   2. Classif işlevi için Yapılandır düğmesine tıklayın |+ düğmesine tıklayın, arka ucu seçin (CUDA veya CPU) | Bir İsim Sağlayın | Tamam'a tıklayın | ağırlık dosyası dizinini seçin | Seç'e tıklayın. Classif işlevinin altında, sınıflandırma parametrelerini (Eşik ve üst sınıf tahmin sayısı) ve Kılavuz harita parametrelerini (eşik, alfa, beta ve renk haritası) seçin.
3. Hata Ayıklama aracındaki görüntü işlevine tıklayarak test görüntüsü sonuçlarını görüntüleyin. Son olarak, Düğme Çalıştır aracındaki Çalıştır düğmesine tıklayarak her görüntü için tahmin edilen sonuçları kontrol edin.

9. Beş katlı çapraz doğrulama

NOT: Önerilen modelin performansını daha etkili bir şekilde doğrulamak için K-kat çapraz doğrulama kullanılır.

1. Veri kümesini, çapraz doğrulamanın beş katına karşılık gelen beş bölüme ayırın. Model eğitimi ve testinin her yinelemesi sırasında, test için doğrulama kümesi olarak bir bölüm ve eğitim için kalan dört bölüm kullanın. Bu işlemi beş kez yineleyin ve her katlamada doğrulama kümesi olarak bir kez kullanılır.
2. 1'den 5'e kadar olan Katlar için:
   1. Dört kattan gelen eğitim verilerini kullanarak modeli eğitmek için bölüm 5'i yineleyin.
   2. Kalan katlamayı test seti olarak kullanarak modeli test etmek için bölüm 7.2'yi tekrarlayın.

10. Model değerlendirmesi

1. Karışıklık matrisi
   1. Test sonuçlarına göre, dört koşul aşağıdaki gibi gerçekleşecektir:
      1. Gerçek Pozitif (TP): Giriş görüntüsü doğru olduğunda ve tahmin de doğru olduğunda.
      2. Yanlış Pozitif (FP): Giriş görüntüsü yanlış olduğunda, ancak tahmin doğru olduğunda.
      3. Yanlış Negatif (FN): Giriş görüntüsü doğru, ancak tahmin yanlış olduğunda.
      4. Doğru Negatif (TN): Giriş görüntüsü yanlış olduğunda ve tahmin de yanlış olduğunda.
   2. Bu dört koşulu kullanarak, performansları karışıklık matrisi ile değerlendirin.
2. Performans değerlendirmeleri
   1. En sık kullanılan sınıflandırma performans ölçümleri doğruluk, kesinlik, geri çağırma, özgüllük ve F1 puanı değerleridir. Karışıklık matrisindeki değerlerden model performansını değerlendirmek için kullanılan denklemlerdeki (1-6) tüm değerlendirme ölçümlerini hesaplayın.
      (1)
      (2)
      (3)
      (4)
      (5)
      (6)
3. ROC eğrisi
   NOT: ROC eğrisi , farklı eşik ayarlarına sahip sınıflandırma problemleri için bir performans ölçüsüdür. ROC eğrisinin (AUC) altındaki alan, ayrılabilirliğin derecesini veya ölçüsünü temsil ederken, ROC bir olasılık eğrisidir.
   1. ROC eğrisi, sırasıyla Y ve X eksenlerinde çizilen gerçek pozitif oran (TPR) ve yanlış pozitif oran (FPR) değerlerine sahip iki boyutlu bir grafiktir. Karışıklık matrisinden elde edilen TPR ve TFR değerlerini kullanarak ROC eğrilerini oluşturun. TPR değeri hassasiyet ile aynıdır; denklemi (7) kullanarak FPR değerini hesaplayın.
      (7)
   2. TPR ve FPR değerlerini aldıktan sonra, Python ortamında Jupyter Notebook açık kaynak web aracını kullanarak ROC eğrisini çizin. AUC, ROC eğrisi analizinde önerilen modelin performansını değerlendirmenin etkili bir yoludur.
4. PR eğrisi
   1. PR eğrisinin altındaki alanı ölçerek modelleri değerlendirmek için PR eğrisini kullanın. Modelin kesinliğini çizerek PR eğrisini oluşturun ve modelin güven eşiği fonksiyonlarını kullanarak geri çağırın. PR eğrisi aynı zamanda iki boyutlu bir grafik olduğundan, x ekseninde Geri Çağırma ve y ekseninde Kesinlik'i çizin.
   2. Python ortamında açık kaynak Jupyter Notebook web aracını kullanarak PR eğrisini ROC eğrisi gibi çizin. Kesinlik-Geri Çağırma eğrisi (AUC) puanının altındaki alan, çok etiketli sınıflandırmada da yararlıdır.

Sonuçlar

Bu çalışmada, tripanozom parazit enfeksiyonu olan bir kan örneğinin pozitifliğini otomatik olarak tahmin etmeye yardımcı olmak için hibrit derin öğrenme algoritmaları önerilmiştir. Arşivlenmiş, Giemsa ile boyanmış kan filmleri, bir darknet omurga sinir ağına dayalı nesne algılama algoritması kullanılarak parazitli ve parazit olmayanları lokalize etmek ve sınıflandırmak için sıralandı. Önceki model tarafından elde edilen herhangi bir dikdörtgen kutu tahmin sonucunda, en iyi seçilmiş sı...

Tartışmalar

Trypanosoma protozoa enfeksiyonu için mikroskobik gözlem, özellikle vasıflı teknisyen eksikliğinin ve sağlık kuruluşunun zamanında rapor edilmesinin önündeki engellerin tümü olan emek yoğun ve zaman alıcı süreçlerin olduğu uzak bölgelerde sürveyans sırasında erken ve yaygın olarak kullanılmaktadır. İmmünoloji ve polimeraz zincir reaksiyonu (PCR) gibi moleküler biyoloji teknikleri, laboratuvar bulgularının etkinliğini desteklemek için yüksek duyarlılıklı yöntemler olarak onaylanmış...

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
Darknet19, Darknet53 and Densenet201	Gao Huang, Z. L., Laurens van der Maaten. Densely Connected Convolutional Networks. arXiv:1608.06993 [cs.CV]. (2016)	https://github.com/liuzhuang13/DenseNet	Deep convolutional neural network model that can function to  classification Generic name: YOLO model/ detection model?
Olympus CX31 Model CX31RRBSFA	Olympus, Tokyo, Japan	SN 4G42178	A light microscope
Olympus DP21-SAL U-TV0.5XC-3	Olympus, Tokyo, Japan	SN 3D03838	A digital camera Generic name: Classification models/ densely CNNs
Window 10	Microsoft	Window 10	Operation system in computers
YOLO v4-tiny	Naing, K. M. et al. Automatic recognition of parasitic products in stool examination using object detection approach. PeerJ Comput Sci. 8 e1065, (2022).	https://git.cira-lab.com/users/sign_in	Deep convolutional neural network model that can function to both localization and also classification
		https://git.cira-lab.com/users/sign_in