فصلنامه تخصصی فناوری اطلاعات و ارتباطات

تشخیص زودهنگام بیماری MS در تصاویر MRI با استفاده از تجمیع توصیفگرها و انتخاب ویژگی به کمک الگوریتم تکاملی- تفاضلی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی کامپیوتر، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

2 گروه مهندسی کامپیوتر، واحد فیروزآباد، دانشگاه آزاد اسلامی، فیروزآباد، ایران

3 گروه مهندسی برق، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

4 دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، واحد اصفهان (خوراسگان)، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران

10.22034/apj.2025.725725
چکیده
بیماری فلج چندگانه یک بیماری مغزی است که تشخیص زودهنگام آن در درمان آن اهمیت فراوانی دارد. یکی از راه های تشخیص این بیماری مشاهده ضایعات ناشی از این بیماری در MRI می‌باشد. اغلب راهکارهای پیشین با ایراداتی از قبیل دقت کم در تشخیص، وجود تعداد بالای ویژگی‌ها، به دنبال آن زمانبر بودن تحلیل و نیز نبود عدم‌قطعیت در دستیابی به پاسخ بهینه همراه هستند.
در این مقاله، برای اولین بار مجموعه بردار ویژگی‌ها از تجمیع نتایج حاصل از توصیفگرهای بافت تصویر MRI نظیر تبدیل موجک، ویژگی‌های آشوب (فراکتال)، الگوی باینری محلی شکل می‌گیرد. ارائه یک مجموعه ویژگی انتخاب شده با استفاده از الگوریتم تکاملی-تفاضلی تاکنون برای این مقوله از شناسایی مورد استفاده قرار نگرفته و از این رو تکنیک پیشنهادی برای اولین بار در انتخاب ویژگی بیماری MS پیشنهاد شده است. همچنین دسته‌بند پیشنهادی، مدلی بهبود یافته از در کنار هم قرار دادن سه نوع شبکه عصبی خواهد بود. مضاف بر این موارد، بهبود دقت، بهبود حساسیت و امکان بررسی صحت پاسخ‌های حاصل از طبقه‌بندی به عنوان موارد دیگر نوآوری تلقی می‌گردد.
داده‌های دریافتی در این مقاله، از دو مجموعه داده گرفته شده است. پس از اعتبارسنجی متقاطع K-fold، دقت آزمایشی در هر دو مجموعه تصویر به کار گرفته شده، به ترتیب معادل با ۹۵% و ۹۷% حاصل آمده‌اند که نسبت به روشی که در آن از تبدیل موجک به همراه آنالیز اجزای اصلی و ماشین بردار پشتیبان استفاده شده به میزان 2% بهبود داشته و همچنین مشکل عدم قطعیت نیز برطرف شده است.
الگوریتم معرفی‌شده، فاکتور دقت را که در روش‌های گذشته مورد توجه قرار نگرفته بود لحاظ کرده و نسبت به روش‌های قبلی دقت تشخیصی بیشتری دارد. این الگوریتم نه تنها زمان پردازش را کاهش می‌دهد، بلکه امکان پردازش همزمان از کانال‌های مختلف را نیز فراهم می‌کند و با نظرات پزشکان متخصص همخوانی بیشتری دارد. با وجود عدم استفاده از تکنیک جداسازی-پردازش همزمان، میزان خطاهای مثبت و منفی در شناسایی بیماری MS بسیار کم است. برای کارهای آینده، پیشنهاداتی شامل حذف نویز در مرحله پیش‌پردازش، ترکیب تکنیک‌های انتخاب ویژگی برای افزایش دقت و استفاده از پردازش موازی به عنوان ابزار اصلی در نرم‌افزارهای جداساز مطرح شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Early Detection of Multiple Sclerosis Using Combining Descriptors and Feature Subset Selection Based on Differential Evolutionary Algorithm

نویسندگان English

Farsad Zamani Boroujeni 1
Fatemeh Davami 2
Pouya Derakhshan-Barjoei 3
Fahimeh Changani 4
1 Department of Computer Engineering, SR.C, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Department of Computer Engineering, Firoozabad Branch, Islamic Azad University, Firoozabad, Iran
3 Department of Electrical Engineering, SR.C, Islamic Azad University, Tehran, Iran
4 Department of Electrical and Computer Engineering, Isfahan (Khorasgan) Branch, Islamic Azad University, Isfahan, Iran
چکیده English

Background and Objectives: Multiple sclerosis is a brain disease where early diagnosis is crucial for treatment. One of the ways to diagnose this disease is by observing lesions caused by it in MRI scans. Most previous approaches have issues such as low diagnostic accuracy, a high number of features, time-consuming analysis, and a lack of certainty in achieving optimal answers.
Methods: In this article, for the first time, a feature vector set is formed by aggregating results from image MRI texture descriptors such as wavelet transform, chaotic features (fractal), and local binary patterns. The presentation of a selected feature set using a differential evolutionary algorithm has not been utilized in this area of identification before, so our proposed technique is based on this approach. Additionally, the proposed classifier will be an improved model combining three types of neural networks. Moreover, improvements in accuracy, sensitivity, and the ability to verify the correctness of the classification results are also considered innovative aspects.
Findings: The data used in this article was obtained from two datasets. After K-fold cross-validation, the experimental accuracy for both image datasets were found to be 95% and 97%, respectively, which represents a 2% improvement over a method that used wavelet transform along with principal component analysis and support vector machines, while also addressing the uncertainty issue.
Conclusion: Our integrated algorithm introduced greater diagnostic accuracy compared to previous methods and takes into account the accuracy factor that was not considered in past approaches. This algorithm not only reduces processing time but also enables simultaneous processing from different channels, aligning better with the opinions of specialized doctors. Despite the lack of a simultaneous separation-processing technique, the rates of false positives and negatives in identifying MS disease are very low. For future work, recommendations include noise removal in the preprocessing stage, combining feature selection techniques to increase accuracy, and using parallel processing as the primary tool in separation software.

کلیدواژه‌ها English

MS disease
Feature extraction
Evolutionary-differential algorithm
[1]          R. E. Boeschoten et al., "Prevalence of depression and anxiety in multiple sclerosis: a systematic review and meta-analysis," Journal of the neurological sciences, vol. 372, pp. 331-341, 2017.
[2]          T. Olsson, L. F. Barcellos, and L. Alfredsson, "Interactions between genetic, lifestyle and environmental risk factors for multiple sclerosis," Nature Reviews Neurology, vol. 13, no. 1, pp. 25-36, 2017.
[3] و. امینی‌آذر, ر. فرحی, and ا. خوانچه سپهرالدین, "مروری بر روش‌های هوشمند در تشخیص و پیش‌بینی بیمارهای کبد با استفاده از تکنیک‌های یادگیری ماشین و الگوریتم‌های فراابتکاری," فصلنامه تخصصی آرمان پردازش, vol. 4, no. 2, pp. -, 2023. [Online]. Available: https://www.armanprocessjournal.ir/article_708841_cf94c99c44ee36fa708b221107724893.pdf.
[4]          م. دهقانی محمودآبادی, "بررسی کارایی سیستم دسته‌بند یادگیر برای شناسایی بیماران قلبی," فصلنامه تخصصی آرمان پردازش, vol. 4, no. 4, pp. 19-29, 2024. [Online]. Available: https://www.armanprocessjournal.ir/article_712664_0a3582cfe3711dea4a4f495519fcef56.pdf.
[5]          B. K. Tsang and R. Macdonell, "Multiple sclerosis: diagnosis, management and prognosis," Australian family physician, vol. 40, no. 12, pp. 948-955, 2011.
[6]          E. Roura et al., "A toolbox for multiple sclerosis lesion segmentation," Neuroradiology, vol. 57, pp. 1031-1043, 2015.
[7]          Y. Karpate, O. Commowick, and C. Barillot, "Probabilistic one class learning for automatic detection of multiple sclerosis lesions," in 2015 IEEE 12th International Symposium on biomedical imaging (ISBI), 2015: IEEE, pp. 486-489.
[8]          T. Brosch, L. Y. Tang, Y. Yoo, D. K. Li, A. Traboulsee, and R. Tam, "Deep 3D convolutional encoder networks with shortcuts for multiscale feature integration applied to multiple sclerosis lesion segmentation," IEEE transactions on medical imaging, vol. 35, no. 5, pp. 1229-1239, 2016.
[9]          I. De Falco, "Classification of Potential Multiple Sclerosis Lesions Through Automatic Knowledge Extraction by Means of Differential Evolution," in Applications of Evolutionary Computation: 17th European Conference, EvoApplications 2014, Granada, Spain, April 23-25, 2014, Revised Selected Papers 17, 2014: Springer, pp. 538-549.
[10]        A. Rezaee, K. Rezaee, J. Haddadnia, and H. T. Gorji, "Supervised meta-heuristic extreme learning machine for multiple sclerosis detection based on multiple feature descriptors in MR images," SN Applied Sciences, vol. 2, no. 5, p. 866, 2020.
[11]        L. Bai, J. Wu, L. Chen, X. Jiang, and Z. Song, "A density-based MS disease diagnosis model using the capuchin search algorithm and an ensemble of deep neural networks," Scientific Reports, vol. 14, no. 1, p. 31721, 2024.
[12]        C. Dachraoui et al., "A machine learning approach for multiple sclerosis diagnosis through Detecron Architecture," Multimedia Tools and Applications, vol. 83, no. 14, pp. 42837-42859, 2024.
[13]        C. P. Loizou et al., "Brain white matter lesion classification in multiple sclerosis subjects for the prognosis of future disability," Intelligent Decision Technologies, vol. 7, no. 1, pp. 3-10, 2013.
[14]        C. P. Loizou, V. Murray, M. S. Pattichis, I. Seimenis, M. Pantziaris, and C. S. Pattichis, "Multiscale amplitude-modulation frequency-modulation (AM–FM) texture analysis of multiple sclerosis in brain MRI images," IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine, vol. 15, no. 1, pp. 119-129, 2010.
[15]        P. DerakhshanBarjoei, M. Bahadorzadeh, and A. Arabzadeh, "Early Detection of Diabetic Foot Ulcers by Thermal Images of Foot Soles Using Nearest Neighbor Algorithm," Medical Journal of Mashhad University of Medical Sciences, vol. 66, no. 2, pp. 150-156, 2023.
[16]        E. Foroozandeh, P. Derakhshan-Barjoei, and M. Bahadorzadeh, "Investigation the effect of emotional control and extroversion on severity of central serous retinopathy in patients using fuzzy logic algorithm," Journal of Health and Biomedical Informatics, vol. 5, no. 3, pp. 337-347, 2018.