Derin öğrenme yöntemleri ile akciğer grafilerinde patoloji sınıflandırılması

Akciğerler, solunum sisteminin temel organları olup yapısal bozukluklar, enfeksiyonlar veya çevresel etkenler nedeniyle işlev kaybına uğrayabilmektedir. COVID-19, tüberküloz, pnömoni, pulmoner fibröz, atelektazi, kardiyomegali ve pnömotoraks gibi akciğer hastalıkları erken evrede teşhis edilmediğinde ölümcül sonuçlara yol açabilmektedir. Bu nedenle akciğer hastalıklarının erken ve doğru şekilde teşhis edilmesi büyük önem taşımaktadır. Akciğer grafileri, düşük maliyet ve hızlı uygulanabilirlik gibi avantajlarıyla bu amaçla yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak örtüşen anatomik yapılar, sınırlı uzman sayısı ve yüksek görüntü hacmi gibi etkenler, bu görüntülerin yorumlanmasını zorlaştırmakta, günlük yaklaşık %3-5 oranında hata yapılmasına yol açmaktadır. Bu doğrultuda akciğer grafilerinin yorumlanabilmesi için radyologlara yardımcı olacak otomatik ve güvenilir teşhis sistemlerine duyulan ihtiyaç gün geçtikçe artmaktadır. Bu tez çalışmasında akciğer grafilerinin yüksek performansla sınıflandırılması amacıyla uçtan uca bir derin öğrenme modeli geliştirilmiş ve bu modelin başarısını artıracak özgün kayıp fonksiyonlarını önerilmiştir. Modelin omurgası olarak önceden eğitilmiş DenseNet201 mimarisi kullanılmıştır. DenseNet201'den çıkarılan öznitelik haritalarından daha zengin uzamsal bilgiler elde etmek amacıyla evrişimsel uzun kısa süreli bellek (Convolutional Long Short-Term Memory (ConvLSTM)) katmanı, kanal bazında özniteliklerin vurgulanması için sıkma-bırakma bloğu (Squeeze and Excitation (SE)) ve uzun menzilli bağımlılıkları yakalayan görü dönüştürücüler (Vision Transformer (ViT)) modele entegre edilmiştir. Ayrıca, küresel ortalama havuzlama (Global Average Pooling (GAP)) katmanı ile sınıflandırma için önemli uzamsal bilgilerin korunması sağlanmıştır. Bu bileşenlerin kombinasyonu ile önerilen model, yüksek sınıflandırma performansı sunmuştur. Çalışmada ayrıca, sınıflandırma başarısında önemli etkisi olan kayıp fonksiyonları derinlemesine incelenmiştir. Standart fonksiyonlara ek olarak hibrit ve dinamik yapılarda fonksiyonlar tasarlanmış, sınıflandırma eğilimlerine karşı ceza terimi içeren özgün bir fonksiyon önerilmiştir. Önerilen kayıp fonksiyonlarının avantajlarını bir araya getirerek sınıflandırma performansını artıracak farklı topluluk yaklaşımları uygulanmıştır. Bu fonksiyonların performansları sistematik olarak analiz edilmiş ve farklı modellerle de test edilerek modelden bağımsız başarı sağladığı gösterilmiştir. Başkent Üniversitesi Ankara Hastanesi Radyoloji Bölümü'nden elde edilen klinik veriler ile açık erişimli veri kümeleri birleştirilerek 7, 8, 9, 10, 12, 14 ve 15 sınıflı alt veri kümeleri oluşturulmuş ve her bir alt kümede önerilen model ve kayıp fonksiyonları detaylı şekilde test edilmiştir. Böylece hem veri kümesinden hem de sınıf sayısından bağımsız olarak modelin ve kayıp fonksiyonunun başarısı ortaya konmuştur. Elde edilen deneysel sonuçlar, önerilen yöntemin literatürdeki yaklaşımların çoğunu geride bıraktığını ve doğruluk, F1-skoru, AUC gibi performans metriklerinde yüksek başarı sergilediğini ortaya koymaktadır. Ayrıca modelin farklı senaryolarda tutarlı ve yüksek performans sergilemesi, güçlü bir genelleme yeteneğine sahip olduğunu kanıtlamaktadır. Sonuç olarak, bu tez kapsamında, akciğer grafilerinin otomatik olarak sınıflandırılmasını sağlayan yüksek performanslı ve tekrarlanabilir sonuçlar üreten yenilikçi bir model ve özgün kayıp fonksiyonları geliştirilmiştir.