A comparative study of the effect of different data augmentation methods on the accuracy of a CNN model to detect Pneumothorax of the lungs

En komparativ studie om påverkan av olika dataförstärkningsmetoder på noggrannheten hos en CNN-modell för att detektera Pneumothorax i lungorna

KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS) 2024

The use of AI in the medical field is becoming more widespread, and research on its various applications is very popular. In biomedical image analysis, Convolutional Neural Networks (CNN), which are specialized in image processing, can analyze X-rays and detect signs of different diseases. However, to achieve that, CNNs require vast amounts of X-ray images with labels specifying the disease (labeled training data), which is not always available. One method to overcome this obstacle is the use of data augmentation. Data augmentation is manipulating images through flipping, rotating, or changing the saturation or brightness, among other methods. The purpose is to increase and diversify the training data to make the CNN model more robust. Our study aims to investigate the effects of different data augmentation techniques on the performance of a CNN model in detecting Pneumothorax. After fine-tuning our CNN model’s hyper-parameters, three data augmentation methods (color, geometric, and noise) and their combinations were applied to our model. We then tested and compared the effects of each data augmentation method on the accuracy of our model. Our study concluded that color augmentation performed the best compared to the other augmentation methods, while geometric augmentation had the worst performance. However, none of the augmentation methods significantly improved the original model’s performance, which can be attributed to the model’s configuration of hyper-parameters, leaving no room for improvement.
Användningen av AI inom det medicinska området blir mer utbredd och forskning om dess olika tillämpningar är mycket populär. Inom biomedicinsk bildanalys kan Convolutional Neural Networks (CNN), som är specialiserade på bildbehandling, analysera röntgenstrålar och upptäcka tecken på olika sjukdomar. Men för att uppnå det kräver CNN stora mängder röntgenbilder med etiketter som anger sjukdomen (märkta träningsdata), vilket inte alltid är tillgängligt. En metod för att övervinna detta hinder är användningen av dataförstärkning. Dataförstärkning är att manipulera bilder genom att bläddra, rotera eller ändra mättnad eller ljusstyrka, bland andra metoder. Syftet är att öka och diversifiera träningsdata för att göra CNN-modellen mer robust. Vår studie syftar till att undersöka effekterna av olika dataförstärkningstekniker på prestandan hos en CNN-modell vid detektering av pneumothorax. Efter att ha finjusterat vår CNN-modells hyperparametrar, tillämpades tre dataförstärkningsmetoder (färg, geometrisk och brus) och deras kombinationer på vår modell. Vi testade och jämförde sedan effekterna av varje dataförstärkningsmetod på noggrannheten i vår modell. Vår studie drog slutsatsen att färgförstärkning presterade bäst jämfört med andra förstärkningsmetoder, medan geometrisk förstärkning hade sämst prestanda. Ingen av förstärkningsmetoderna förbättrade dock den ursprungliga modellens prestanda avsevärt, vilket kan tillskrivas modellens konfiguration av hyperparametrar, vilket inte lämnar något utrymme för förbättringar.

Data augmentation; Pneumothorax; CNN; VGG-16; Chest X-RAY; Dataförstärkning; Bröströntgen; Computer and Information Sciences; Data- och informationsvetenskap; Student thesis; info:eu-repo/semantics/bachelorThesis; text

Open access content. Open access content
info:eu-repo/semantics/openAccess

application/pdf
English

UPE oai:DiVA.org:kth-345805
1457648717

UPPSALA UNIV LIBR
From OAIster®, provided by the OCLC Cooperative.

edsoai.on1457648717