Derin öğrenme teknikleri kullanılarak kemik kırığı tespiti ve sınıflandırması
Bone fracture detection and classification using deep learning techniques
Yazar: KORAY AÇICI
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ EMRE SÜMER
Başkent Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Proksimal femur kırıklarının özellikle yaşlı nüfusu etkileyen ciddi bir sağlık sorunu olduğu bilinmektedir. Önümüzdeki yıllarda artan nüfusla birlikte vaka sayısının ikiye katlanacağı tahmin edilmektedir. Femoral kırıkların teşhisi için düz frontal pelvik radyografiler (PXR'ler) düşük maliyetleri nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır. Ne yazık ki, tüm kalça kırıklarının %2'sinin PXR ile teşhis edilemediği belirtilmektedir. Bu durum yanlış tanıya yol açmakta, iyileşme sürecini engellemekte, tedavi maliyetlerini artırmakta ve hastaların yaşam kalitelerini düşürmektedir. Bu nedenle, kanonik makine öğrenimi algoritmalarının ve derin öğrenme mimarilerinin kırık tespiti ve sınıflandırmasında kullanımı, doğru teşhis ve tedaviye yardımcı olmak için artmaktadır. Buradan yola çıkılarak, tez çalışması kapsamında femur boyun kırığı tespiti ve femur kırığı sınıflandırması çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Femur boyun kırığı tespiti çalışmasında sıfırdan bir CNN mimarisi önerilerek tasarlanmış ve dengeli ve dengesiz iki veri kümesi üzerinde deneyler yapılmıştır. GA ve PSO üst-sezgisel optimizasyon algoritmaları kullanılarak, önerilen CNN mimarisinin evrişimsel katmanlarındaki filtre boyutları ve bu katmanlarda üretilen öznitelik haritası sayıları optimize edilmeye çalışılmış ve başarım ölçütleri üzerinden performans artışı sağlandığı ortaya konmuştur. Femur kırığı sınıflandırması çalışmasında ise hazır CNN mimarileri transfer öğrenme yöntemiyle mevcut probleme uyarlanarak deneyler yürütülmüş ve performansları karşılaştırılmıştır. Hazır CNN mimarilerinin evrişimsel katmalarında otomatik olarak üretilen öznitelikler kanonik makine öğrenme sınıflandırıcılarını beslemek için kullanılmıştır. Tespit ve sınıflandırma çalışmalarında elde edilen performanslara göre derin öğrenme mimarilerinin kanonik sınıflandırıcılara üstün geldiği gözlemlenmiştir.

Abstract:
It is known that proximal femur fractures are a serious health problem affecting especially the elderly population. It is estimated that the number of cases will double in the next three decades with the increasing population. To diagnose femoral fractures plain frontal pelvic radiographs (PXRs) are widely used due to their low cost. Unfortunately, it was stated that 2% of all hip fractures could not be diagnosed by a PXR. This situation leads to misdiagnosis, hinders the recovery process, increases the treatment costs, and decreases the life quality of the patients. Therefore, the utilization of canonical machine learning algorithms and deep learning architectures in fracture detection and classification has increased to aid in accurate diagnosis and treatment. Starting from this point of view, within the scope of the thesis, femoral neck fracture detection and femur fracture classification studies were carried out. The femoral neck fracture detection study was designed by proposing a CNN architecture from scratch and the experiments were conducted on the balanced and the imbalanced data sets. Using the meta-heuristic optimization algorithms, the filter sizes in the convolutional layers of the proposed CNN architecture and the number of feature maps generated in these layers have been tried to be optimized and it has been revealed that performance increases are achieved through performance criteria. In the femur fracture classification study, the experiments were carried out by adapting the pretrained CNN architectures to the existing problem with the transfer learning method. Automatically generated features of the pretrained CNN architectures were used to feed canonical machine learning classifiers. According to the performances obtained in the detection and classification studies, it has been observed that deep learning architectures are superior to canonical classifiers.