Açıklanabilir kuantum destekli hibrit öğrenme ile meme kanseri sınıflandırması
Breast cancer classification with explainable quantum-assisted hybrid learning
Yazar: Uysal, İlhan
Dergi: Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, Vol. 15 No. 4, 2025
Anahtar kelimeler: Deep Learning ; Derin Öğrenme ; Machine Vision ; Yapay Görme ; Classification Algorithms ; Sınıflandırma algoritmaları ; Explainable AI,Ensemble learning,Hybrid model,Quantum machine learning,Breast cancer diagnosis ; Açıklanabilir yapay zekâ,Topluluk öğrenme yaklaşımı,Hibrit model,Kuantum makine öğrenmesi,Meme kanseri tanısı

Bu çalışma, meme kanseri tanısına yönelik olarak klasik makine öğrenmesi algoritmaları, derin öğrenme mimarileri ve kuantum destekli modellerin entegrasyonuyla oluşturulan açıklanabilir bir hibrit sınıflandırma yaklaşımı önermektedir. Breast Cancer Wisconsin (Diagnostic) veri seti üzerinde gerçekleştirilen analizde, Lojistik Regresyon, Rastgele Orman, Aşırı Gradyan Artırma (XGBoost), TabNet, Variational Quantum Classifier (VQC) ve Quantum Kernel Support Vector Classifier (QKSVC) gibi farklı sınıflandırıcılar kullanılmış, bu modellerin çıktıları yumuşak oylama (soft voting) yöntemiyle birleştirilerek nihai bir hibrit model oluşturulmuştur. Tabakalı on katlı çapraz doğrulama sonucunda topluluk modeli yaklaşık 0,995 ortalama AUC ve 0,98 doğruluk düzeyiyle yüksek bir başarı göstermiştir. Model kararlarının şeffaflığını artırmak amacıyla SHAP, LIME ve Q-MEDLEY gibi açıklanabilir yapay zekâ yöntemleri uygulanmıştır. Açıklanabilirlik analizlerinde ‘en kötü doku değeri’ (texture_worst), ‘tümör sınırındaki en belirgin içe çökük bölgelerin sayısı’ (concave points_worst) ve ‘tümör alan ölçümü standart hatası’ (area_se) gibi özniteliklerin model kararları üzerinde belirleyici rol oynadığı tespit edilmiştir. Bu araştırma, kuantum bilişim destekli açıklanabilir sınıflandırma yaklaşımlarının tablo formatındaki biyomedikal veriler üzerindeki uygulanabilirliğini ortaya koyarak, literatüre özgün bir katkı sunmaktadır. Tek veri seti kullanılması ve kuantum modellerin gürültüsüz simülasyon ortamında değerlendirilmesi, sonuçların genellenebilirliğini sınırlayan başlıca etmenlerdir. Gelecek çalışmaların çok merkezli, dengesiz ve çok sınıflı veri kümelerinde dış doğrulama yapılması ve gerçek NISQ (gürültülü ara ölçekli kuantum) donanımlarında deneysel testler gerçekleştirmesi önerilmektedir. Bulgular, kuantum çekirdek yöntemleriyle derin ve klasik öğrenme paradigmalarının açıklanabilir bir çerçevede bütünleştirilmesinin, klinik karar destek sistemleri için güvenilir ve yüksek performanslı çözümler sunma potansiyeli taşıdığını ortaya koymaktadır.

This study proposes an explainable hybrid classification approach for breast cancer diagnosis by integrating classical machine learning algorithms, deep learning architectures, and quantum-assisted models. The analysis was conducted on the Breast Cancer Wisconsin (Diagnostic) dataset, employing classifiers such as Logistic Regression, Random Forest, Extreme Gradient Boosting (XGBoost), TabNet, Variational Quantum Classifier (VQC), and Quantum Kernel Support Vector Classifier (QKSVC). The outputs of these models were combined through a soft voting strategy to construct the final hybrid model. Stratified ten-fold cross-validation demonstrated that the ensemble achieved high performance, with an average AUC of approximately 0.995 and an accuracy level of 0.98. To enhance the transparency of model decisions, explainable artificial intelligence (XAI) techniques such as SHAP, LIME, and Q-MEDLEY were applied. The interpretability analysis revealed that features including texture_worst (worst texture value), concave points_worst (number of the most prominent concave regions along the tumor boundary), and area_se (standard error of tumor area) played a decisive role in the model’s predictions. This research contributes uniquely to the literature by demonstrating the applicability of quantum computing–assisted explainable classification methods to tabular biomedical data. However, the reliance on a single dataset and the evaluation of quantum models within noiseless simulation environments represent key limitations that restrict the generalizability of the findings. Future studies are encouraged to conduct external validation on multi-center, imbalanced, and multi-class datasets, as well as experimental testing on real NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) devices. The findings highlight that integrating quantum kernel methods with deep and classical learning paradigms within an explainable framework holds strong potential for delivering reliable and high-performance solutions in clinical decision support systems.