Improving skin cancer detection by Raman spectroscopy using convolutional neural networks and data augmentation
Notice bibliographique
Résumé
Background: Our previous studies have demonstrated that Raman spectroscopy could be used for skin cancer detection with good sensitivity and specificity. The objective of this study is to determine if skin cancer detection can be further improved by combining deep neural networks and Raman spectroscopy. Patients and methods: Raman spectra of 731 skin lesions were included in this study, containing 340 cancerous and precancerous lesions (melanoma, basal cell carcinoma, squamous cell carcinoma and actinic keratosis) and 391 benign lesions (melanocytic nevus and seborrheic keratosis). One-dimensional convolutional neural networks (1D-CNN) were developed for Raman spectral classification. The stratified samples were divided randomly into training (70%), validation (10%) and test set (20%), and were repeated 56 times using parallel computing. Different data augmentation strategies were implemented for the training dataset, including added random noise, spectral shift, spectral combination and artificially synthesized Raman spectra using one-dimensional generative adversarial networks (1D-GAN). The area under the receiver operating characteristic curve (ROC AUC) was used as a measure of the diagnostic performance. Conventional machine learning approaches, including partial least squares for discriminant analysis (PLS-DA), principal component and linear discriminant analysis (PC-LDA), support vector machine (SVM), and logistic regression (LR) were evaluated for comparison with the same data splitting scheme as the 1D-CNN. Results: The ROC AUC of the test dataset based on the original training spectra were 0.886±0.022 (1D-CNN), 0.870±0.028 (PLS-DA), 0.875±0.033 (PC-LDA), 0.864±0.027 (SVM), and 0.525±0.045 (LR), which were improved to 0.909±0.021 (1D-CNN), 0.899±0.022 (PLS-DA), 0.895±0.022 (PC-LDA), 0.901±0.020 (SVM), and 0.897±0.021 (LR) respectively after augmentation of the training dataset (p<0.0001, Wilcoxon test). Paired analyses of 1D-CNN with conventional machine learning approaches showed that 1D-CNN had a 1-3% improvement (p<0.001, Wilcoxon test). Conclusions: Data augmentation not only improved the performance of both deep neural networks and conventional machine learning techniques by 2-4%, but also improved the performance of the models on spectra with higher noise or spectral shifting. Convolutional neural networks slightly outperformed conventional machine learning approaches for skin cancer detection by Raman spectroscopy.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».