[논문 리뷰] Pneumonia Classification Using Deep Learning from Chest X‑ray Images During COVID‑19

 

 

Pneumonia Classification Using Deep Learning from Chest X‑ray Images During COVID‑19

COVID-19 시기에 흉부 X-ray 이미지로 딥러닝을 사용한 폐렴 분류

---

미리 학습된 AlexNet 모델을 TL(Transfer Learning)을 통해 적은 데이터셋으로도 폐렴 4-way (Covid-19 폐렴, 비 Covid-19 바이러스 성 폐렴, 세균성 폐렴, 건강)로 분류하는 딥러닝 모델 

 

2019년 12월 중국에서 시작된 코로나는 중증 급성 호흡기 증후군 코로나 바이러스에 의해 발생하며 전세계에 팬데믹을 일으켰습니다. 이로 인해 의료계에서 코로나의 치료법은 물론, 진단에 대한 활발한 연구가 진행되었습니다. 본 연구 이전까지의 코로나 진단은 RT-PCR과 흉부 X-ray 및 CT 스캔을 사용하였습니다. 그러나 기존 방식의 높은 비용 및 제한적인 진단 환경 등으로 코로나를 진단하기 위한 빠르고 저렴한 대규모 진단 방식이 요구되었습니다. 이에 본 연구에서는 Pre-trained AlexNet 모델을 전이 학습(Transfer Learning) 통해 코로나는 물론, 서로 다른 원인의 폐렴을 Four-way로 분류하였습니다.

Task. 폐렴의 Four-way 분류

폐렴은 원인 병원체에 따라 바이러스성, 세균성, 진균성 폐렴으로 나뉩니다. 이때 우리가 흔히 아는 코로나는 바이러스성 폐렴에 속합니다. 본 연구에서는 아래와 같이 정상, 코로나, 비 코로나 바이러스성, 세균성 폐렴으로 나누어 환자를 진단하고 이를 Four-way 분류라고 지칭합니다.

Model. Pre-trained AlexNet 모델

폐렴을 Four-way로 분류하여 진단하기 위해 본 논문에서는 다음과 같은 수의 CXR 이미지를 데이터셋으로 사용하였으며 Pre-trained AlexNet 모델을 전이 학습하여 효율성을 높였습니다.

 

AlexNet 모델

AlexNet architecture

AlexNet 모델은 5개의 Convolution Layer와 3개의 Fully-Connected Layer로 구성되어 있는 CNN 구조입니다. 먼저 5개의 Convolution Layer에 대해 살펴보면, 앞선 2개의 Layer는 Convolution과 함께 Pooling과 Normalization 연산을 수행합니다. 이후 2개의 Layer를 중심으로 Convolution이 일어나고 마지막 Layer는 Pooling 연산을 함께 수행합니다. 다음으로 3개의 Fully-Connected Layer 중 2개는 Dropout을 담당하여 과적합을 줄이는 역할을 가집니다. 마지막 Layer는 최종적인 출력을 담당하므로 Softmax 활성화 함수를 통해 분류를 수행합니다.

전이 학습(Transfer Learning)

전이 학습은 ‘한 분야의 문제를 해결하기 위해서 얻은 지식과 정보를 다른 문제를 푸는데 사용하는 방식’으로 정의합니다. 본 논문에서는 다른 분야의 문제를 해결하기 위해 사용한 AlexNet 모델을 이전과는 다른 문제인 폐렴 진단에 사용하였습니다. 전이 학습을 통해 CXR 이미지로 이루어진 적은 양의 데이터셋에서 더 높은 정확도로 신속하게 재 학습할 수 있습니다.

 

본 연구에서는 Pre-trained AlexNet을 기반으로 전이 학습을 통해 적은 양의 데이터셋으로 폐렴 진단 모델을 구현하였습니다. 기존의 진단 모델보다 높은 성능을 보였으며 이진 분류를 포함한 다중 분류를 제시하였습니다. 이를 통해 낮은 민감도, 오랜 시간과 노동력이 필요한 RT-PCR의 해결 방안으로 코로나를 포함한 폐렴 진단에 유용하게 사용될 것으로 기대됩니다.

 

🔽 Notion 링크 🔽

https://www.notion.so/Pneumonia-Classifcation-Using-Deep-Learning-from-Chest-X-ray-Images-During-COVID-19-97ea09b6f02b4e4ea24d135cb7029f6c?pvs=4

 

Pneumonia_Classifcation_Using_Deep_Learning_from_Chest_Xray_Images_During_COVID19.pdf

0.93MB