Yıl: 2022 Cilt: 52 Sayı: 3 Sayfa Aralığı: 193 - 200 Metin Dili: Türkçe DOI: 10.4274/tjo.galenos.2021.29726 İndeks Tarihi: 25-05-2023

Glokomun Renkli Fundus Fotoğrafı ile Teşhisinde Evrişimsel Yapay Sinir Ağları Yapılarının Rolünün Araştırılması

Öz:
Amaç: Evrişimsel yapay sinir ağları (EYSA) yapılarının glokomlu gözleri normal gözlerden ayırt etme performansının değerlendirilmesidir. Gereç ve Yöntem: Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Tıp Fakültesi Göz Hastalıkları Kliniği Arşivi’nde bulunan 5.388 hastaya ait 9.950 fundus fotoğrafı, farklı 3 deneyimli göz hekimi tarafından glokom, glokom şüpheli ve normal olarak değerlendirildi. Sınıflandırılan fundus fotoğrafları; son teknoloji yapay sinir ağı mimarileri olan 2-B evrişimli yapay sinir ağları ile değerlendirilerek derin artık ağlar (ResNet) ve çok derin sinir ağları (VGG) ile karşılaştırıldı. İki yüz otuz sekiz normal ve 320 glokomlu fundus fotoğraflarıyla oluşturulan veri setinde farklı algoritmalarla EYSA’nın glokomu saptamada doğruluğu, duyarlılığı ve özgüllüğü belirlendi. Glokom şüphesi tespiti için 170 normal, 170 glokomlu ve 167 glokom şüpheli fundus fotoğrafından veri seti oluşturularak ResNet-101 yapıları ile test edildi. Bulgular: Glokomu saptamada doğruluk oranı, duyarlılık ve özgüllük; ResNet-50 ile %96,2, %99,5 ve %93,7, ResNet-101 ile %97,4, %97,8 ve %97,1, VGG-19 ile %98,9, %100 ve %98,1, 2-B EYSA ile %99,4, %100 ve %99 olarak saptandı. Glokom şüphelileri; normallerden ayırmada doğruluk oranı %62, duyarlılık %68 ve özgüllük %56; glokomlulardan ayırmada doğruluk oranı ise %92, duyarlılık %81 ve özgüllük %97 idi. Glokom EYSA ile 55 fotoğraf 2 sn’de test edilirken, klinisyenler tarafından bir fotoğrafın ortalama 24,2 sn’de değerlendirildiği görüldü. Sonuç: Çalışmada en uygun şekilde tasarlanan ve eğitilen EYSA yöntemi az sayıda fundus fotoğrafıyla dahi yüksek doğrulukla glokomlu fundus fotoğraflarını normallerden ayırt edebilmiştir.
Anahtar Kelime:

Investigation of the Role of Convolutional Neural Network Architectures in the Diagnosis of Glaucoma using Color Fundus Photography

Öz:
Objectives: To evaluate the performance of convolutional neural network (CNN) architectures to distinguish eyes with glaucoma from normal eyes. Materials and Methods: A total of 9,950 fundus photographs of 5,388 patients from the database of Eskişehir Osmangazi University Faculty of Medicine Ophthalmology Clinic were labelled as glaucoma, glaucoma suspect, or normal by three different experienced ophthalmologists. The categorized fundus photographs were evaluated using a state-of-the-art two-dimensional CNN and compared with deep residual networks (ResNet) and very deep neural networks (VGG). The accuracy, sensitivity, and specificity of glaucoma detection with the different algorithms were evaluated using a dataset of 238 normal and 320 glaucomatous fundus photographs. For the detection of suspected glaucoma, ResNet-101 architectures were tested with a data set of 170 normal, 170 glaucoma, and 167 glaucoma-suspect fundus photographs. Results: Accuracy, sensitivity, and specificity in detecting glaucoma were 96.2%, 99.5%, and 93.7% with ResNet-50; 97.4%, 97.8%, and 97.1% with ResNet-101; 98.9%, 100%, and 98.1% with VGG-19, and 99.4%, 100%, and 99% with the 2D CNN, respectively. Accuracy, sensitivity, and specificity values in distinguishing glaucoma suspects from normal eyes were 62%, 68%, and 56% and those for differentiating glaucoma from suspected glaucoma were 92%, 81%, and 97%, respectively. While 55 photographs could be evaluated in 2 seconds with CNN, a clinician spent an average of 24.2 seconds to evaluate a single photograph. Conclusion: An appropriately designed and trained CNN was able to distinguish glaucoma with high accuracy even with a small number of fundus photographs.
Anahtar Kelime:

Belge Türü: Makale Makale Türü: Araştırma Makalesi Erişim Türü: Erişime Açık
  • 1. Bourne RR, Stevens GA, White RA, Smith JL, Flaxman SR, Price H, Jonas JB, Keeffe J, Leasher J, Naidoo K, Pesudovs K, Resnikoff S, Taylor HR; Vision Loss Expert Group. Causes of vision loss worldwide, 1990-2010: a systematic analysis. Lancet Glob Health. 2013;1:e339-e349.
  • 2. Quigley HA, Broman AT. The number of people with glaucoma worldwide in 2010 and 2020. Br J Ophthalmol. 2006;90:262-267.
  • 3. Tham YC, Li X, Wong TY, Quigley HA, Aung T, Cheng CY. Global prevalence of glaucoma and projections of glaucoma burden through 2040: a systematic review and meta-analysis. Ophthalmology. 2014;121:2081-2090.
  • 4. Yavaş GF, Küsbeci T, Şanlı M, Toprak D, Ermiş SS, İnan ÜÜ, Öztürk F. Risk Factors for Primary Open-Angle Glaucoma in Western Turkey. Turk J Ophthalmol. 2013;43:87-90.
  • 5. Bourne RR, Jonas JB, Flaxman SR, Keeffe J, Leasher J, Naidoo K, Parodi MB, Pesudovs K, Price H, White RA, Wong TY, Resnikoff S, Taylor HR; Vision Loss Expert Group of the Global Burden of Disease Study. Prevalence and causes of vision loss in high-income countries and in Eastern and Central Europe: 1990-2010. Br J Ophthalmol. 2014;98:629-638.
  • 6. Varma R, Ying-Lai M, Francis BA, Nguyen BB, Deneen J, Wilson MR, Azen SP; Los Angeles Latino Eye Study Group. Prevalence of open-angle glaucoma and ocular hypertension in Latinos: the Los Angeles Latino Eye Study. Ophthalmology. 2004;111:1439-1448.
  • 7. Baskaran M, Foo RC, Cheng CY, Narayanaswamy AK, Zheng YF, Wu R, Saw SM, Foster PJ, Wong TY, Aung T. The Prevalence and Types of Glaucoma in an Urban Chinese Population: The Singapore Chinese Eye Study. JAMA Ophthalmol. 2015;133:874-880.
  • 8. Gupta P, Zhao D, Guallar E, Ko F, Boland MV, Friedman DS. Prevalence of Glaucoma in the United States: The 2005-2008 National Health and Nutrition Examination Survey. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2016;57:2905- 2913.
  • 9. Li Z, He Y, Keel S, Meng W, Chang RT, He M. Efficacy of a Deep Learning System for Detecting Glaucomatous Optic Neuropathy Based on Color Fundus Photographs. Ophthalmology. 2018;125:1199-1206.
  • 10. Foster PJ, Buhrmann R, Quigley HA, Johnson GJ. The definition and classification of glaucoma in prevalence surveys. Br J Ophthalmol. 2002;86:238-242.
  • 11. Iwase A, Suzuki Y, Araie M, Yamamoto T, Abe H, Shirato S, Kuwayama Y, Mishima HK, Shimizu H, Tomita G, Inoue Y, Kitazawa Y; Tajimi Study Group, Japan Glaucoma Society. The prevalence of primary open-angle glaucoma in Japanese: the Tajimi Study. Ophthalmology. 2004;111:1641- 1648.
  • 12. He M, Foster PJ, Ge J, Huang W, Zheng Y, Friedman DS, Lee PS, Khaw PT. Prevalence and clinical characteristics of glaucoma in adult Chinese: a population-based study in Liwan District, Guangzhou. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2006;47(7):2782-2788.
  • 13. Topouzis F, Wilson MR, Harris A, Anastasopoulos E, Yu F, Mavroudis L, Pappas T, Koskosas A, Coleman AL. Prevalence of open-angle glaucoma in Greece: the Thessaloniki Eye Study. Am J Ophthalmol. 2007;144:511-519.
  • 14. Cireşan DC, Meier U, Gambardella LM, Schmidhuber J. Deep, big, simple neural nets for handwritten digit recognition. Neural Comput. 2010;22:3207- 3220.
  • 15. Scherer D, Müller A, Behnke S. Evaluation of pooling operations in convolutional architectures for object recognition. International conference on artificial neural networks: Springer, 2010.
  • 16. Krizhevsky A, Sutskever I, Hinton GE. Imagenet classification with deep convolutional neural networks. Communications of the ACM. 2017;60:84-90.
  • 17. Gómez-Valverde JJ, Antón A, Fatti G, Liefers B, Herranz A, Santos A, Sánchez CI, Ledesma-Carbayo MJ. Automatic glaucoma classification using color fundus images based on convolutional neural networks and transfer learning. Biomed Opt Express. 2019;10:892-913.
  • 18. Diaz-Pinto A, Morales S, Naranjo V, Köhler T, Mossi JM, Navea A. CNNs for automatic glaucoma assessment using fundus images: an extensive validation. Biomed Eng Online. 2019;18:29.
  • 19. Serener A, Serte S. Transfer learning for early and advanced glaucoma detection with convolutional neural networks. 2019 Medical Technologies Congress (TIPTEKNO): IEEE, 2019.
  • 20. Deng J, Dong W, Socher R, Li L-J, Li K, Fei-Fei L. Imagenet: A large-scale hierarchical image database. 2009 IEEE conference on computer vision and pattern recognition: Ieee, 2009.
  • 21. Ting DSW, Cheung CY, Lim G, Tan GSW, Quang ND, Gan A, Hamzah H, Garcia-Franco R, San Yeo IY, Lee SY, Wong EYM, Sabanayagam C, Baskaran M, Ibrahim F, Tan NC, Finkelstein EA, Lamoureux EL, Wong IY, Bressler NM, Sivaprasad S, Varma R, Jonas JB, He MG, Cheng CY, Cheung GCM, Aung T, Hsu W, Lee ML, Wong TY. Development and Validation of a Deep Learning System for Diabetic Retinopathy and Related Eye Diseases Using Retinal Images From Multiethnic Populations With Diabetes. JAMA. 2017;318:2211-2223.
  • 22. Shibata N, Tanito M, Mitsuhashi K, Fujino Y, Matsuura M, Murata H, Asaoka R. Development of a deep residual learning algorithm to screen for glaucoma from fundus photography. Sci Rep. 2018;8:14665.
  • 23. Masumoto H, Tabuchi H, Nakakura S, Ishitobi N, Miki M, Enno H. Deep- learning Classifier With an Ultrawide-field Scanning Laser Ophthalmoscope Detects Glaucoma Visual Field Severity. J Glaucoma. 2018;27:647-652.
  • 24. Asaoka R, Murata H, Hirasawa K, Fujino Y, Matsuura M, Miki A, Kanamoto T, Ikeda Y, Mori K, Iwase A, Shoji N, Inoue K, Yamagami J, Araie M. Using Deep Learning and Transfer Learning to Accurately Diagnose Early-Onset Glaucoma From Macular Optical Coherence Tomography Images. Am J Ophthalmol. 2019;198:136-145.
  • 25. Burgansky-Eliash Z, Wollstein G, Chu T, Ramsey JD, Glymour C, Noecker RJ, Ishikawa H, Schuman JS. Optical coherence tomography machine learning classifiers for glaucoma detection: a preliminary study. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2005;46:4147-4152.
  • 26. Kim SJ, Cho KJ, Oh S. Development of machine learning models for diagnosis of glaucoma. PLoS One. 2017;12:e0177726.
  • 27. Barella KA, Costa VP, Gonçalves Vidotti V, Silva FR, Dias M, Gomi ES. Glaucoma Diagnostic Accuracy of Machine Learning Classifiers Using Retinal Nerve Fiber Layer and Optic Nerve Data from SD-OCT. J Ophthalmol. 2013;2013:789129.
  • 28. Christopher M, Belghith A, Weinreb RN, Bowd C, Goldbaum MH, Saunders LJ, Medeiros FA, Zangwill LM. Retinal Nerve Fiber Layer Features Identified by Unsupervised Machine Learning on Optical Coherence Tomography Scans Predict Glaucoma Progression. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2018;59:2748- 2756.
  • 29. Bowd C, Zangwill LM, Medeiros FA, Hao J, Chan K, Lee TW, Sejnowski TJ, Goldbaum MH, Sample PA, Crowston JG, Weinreb RN. Confocal scanning laser ophthalmoscopy classifiers and stereophotograph evaluation for prediction of visual field abnormalities in glaucoma-suspect eyes. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2004;45:2255-2262.
  • 30. Townsend KA, Wollstein G, Danks D, Sung KR, Ishikawa H, Kagemann L, Gabriele ML, Schuman JS. Heidelberg Retina Tomograph 3 machine learning classifiers for glaucoma detection. Br J Ophthalmol. 2008;92:814-818.
  • 31. Zangwill LM, Chan K, Bowd C, Hao J, Lee TW, Weinreb RN, Sejnowski TJ, Goldbaum MH. Heidelberg retina tomograph measurements of the optic disc and parapapillary retina for detecting glaucoma analyzed by machine learning classifiers. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2004;45:3144-3151.
  • 32. Uchida H, Brigatti L, Caprioli J. Detection of structural damage from glaucoma with confocal laser image analysis. Invest Ophthalmol Vis Sci. 1996;37:2393-2401.
  • 33. Adler W, Peters A, Lausen B. Comparison of classifiers applied to confocal scanning laser ophthalmoscopy data. Methods Inf Med. 2008;47:38-46.
  • 34. Weinreb RN, Zangwill L, Berry CC, Bathija R, Sample PA. Detection of glaucoma with scanning laser polarimetry. Arch Ophthalmol. 1998;116:1583- 1589.
  • 35. Medeiros FA, Jammal AA, Thompson AC. From Machine to Machine: An OCT-Trained Deep Learning Algorithm for Objective Quantification of Glaucomatous Damage in Fundus Photographs. Ophthalmology. 2019;126:513-521.
  • 36. Brigatti L, Hoffman D, Caprioli J. Neural networks to identify glaucoma with structural and functional measurements. Am J Ophthalmol. 1996;121:511- 521.
APA Atalay E, Ozalp O, Devecioğlu Ö, ERDOGAN H, Ince T, Yildirim N (2022). Glokomun Renkli Fundus Fotoğrafı ile Teşhisinde Evrişimsel Yapay Sinir Ağları Yapılarının Rolünün Araştırılması. , 193 - 200. 10.4274/tjo.galenos.2021.29726
Chicago Atalay Eray,Ozalp Onur,Devecioğlu Özer Can,ERDOGAN HAKIKA,Ince Turker,Yildirim Nilgun Glokomun Renkli Fundus Fotoğrafı ile Teşhisinde Evrişimsel Yapay Sinir Ağları Yapılarının Rolünün Araştırılması. (2022): 193 - 200. 10.4274/tjo.galenos.2021.29726
MLA Atalay Eray,Ozalp Onur,Devecioğlu Özer Can,ERDOGAN HAKIKA,Ince Turker,Yildirim Nilgun Glokomun Renkli Fundus Fotoğrafı ile Teşhisinde Evrişimsel Yapay Sinir Ağları Yapılarının Rolünün Araştırılması. , 2022, ss.193 - 200. 10.4274/tjo.galenos.2021.29726
AMA Atalay E,Ozalp O,Devecioğlu Ö,ERDOGAN H,Ince T,Yildirim N Glokomun Renkli Fundus Fotoğrafı ile Teşhisinde Evrişimsel Yapay Sinir Ağları Yapılarının Rolünün Araştırılması. . 2022; 193 - 200. 10.4274/tjo.galenos.2021.29726
Vancouver Atalay E,Ozalp O,Devecioğlu Ö,ERDOGAN H,Ince T,Yildirim N Glokomun Renkli Fundus Fotoğrafı ile Teşhisinde Evrişimsel Yapay Sinir Ağları Yapılarının Rolünün Araştırılması. . 2022; 193 - 200. 10.4274/tjo.galenos.2021.29726
IEEE Atalay E,Ozalp O,Devecioğlu Ö,ERDOGAN H,Ince T,Yildirim N "Glokomun Renkli Fundus Fotoğrafı ile Teşhisinde Evrişimsel Yapay Sinir Ağları Yapılarının Rolünün Araştırılması." , ss.193 - 200, 2022. 10.4274/tjo.galenos.2021.29726
ISNAD Atalay, Eray vd. "Glokomun Renkli Fundus Fotoğrafı ile Teşhisinde Evrişimsel Yapay Sinir Ağları Yapılarının Rolünün Araştırılması". (2022), 193-200. https://doi.org/10.4274/tjo.galenos.2021.29726
APA Atalay E, Ozalp O, Devecioğlu Ö, ERDOGAN H, Ince T, Yildirim N (2022). Glokomun Renkli Fundus Fotoğrafı ile Teşhisinde Evrişimsel Yapay Sinir Ağları Yapılarının Rolünün Araştırılması. Türk Oftalmoloji Dergisi, 52(3), 193 - 200. 10.4274/tjo.galenos.2021.29726
Chicago Atalay Eray,Ozalp Onur,Devecioğlu Özer Can,ERDOGAN HAKIKA,Ince Turker,Yildirim Nilgun Glokomun Renkli Fundus Fotoğrafı ile Teşhisinde Evrişimsel Yapay Sinir Ağları Yapılarının Rolünün Araştırılması. Türk Oftalmoloji Dergisi 52, no.3 (2022): 193 - 200. 10.4274/tjo.galenos.2021.29726
MLA Atalay Eray,Ozalp Onur,Devecioğlu Özer Can,ERDOGAN HAKIKA,Ince Turker,Yildirim Nilgun Glokomun Renkli Fundus Fotoğrafı ile Teşhisinde Evrişimsel Yapay Sinir Ağları Yapılarının Rolünün Araştırılması. Türk Oftalmoloji Dergisi, vol.52, no.3, 2022, ss.193 - 200. 10.4274/tjo.galenos.2021.29726
AMA Atalay E,Ozalp O,Devecioğlu Ö,ERDOGAN H,Ince T,Yildirim N Glokomun Renkli Fundus Fotoğrafı ile Teşhisinde Evrişimsel Yapay Sinir Ağları Yapılarının Rolünün Araştırılması. Türk Oftalmoloji Dergisi. 2022; 52(3): 193 - 200. 10.4274/tjo.galenos.2021.29726
Vancouver Atalay E,Ozalp O,Devecioğlu Ö,ERDOGAN H,Ince T,Yildirim N Glokomun Renkli Fundus Fotoğrafı ile Teşhisinde Evrişimsel Yapay Sinir Ağları Yapılarının Rolünün Araştırılması. Türk Oftalmoloji Dergisi. 2022; 52(3): 193 - 200. 10.4274/tjo.galenos.2021.29726
IEEE Atalay E,Ozalp O,Devecioğlu Ö,ERDOGAN H,Ince T,Yildirim N "Glokomun Renkli Fundus Fotoğrafı ile Teşhisinde Evrişimsel Yapay Sinir Ağları Yapılarının Rolünün Araştırılması." Türk Oftalmoloji Dergisi, 52, ss.193 - 200, 2022. 10.4274/tjo.galenos.2021.29726
ISNAD Atalay, Eray vd. "Glokomun Renkli Fundus Fotoğrafı ile Teşhisinde Evrişimsel Yapay Sinir Ağları Yapılarının Rolünün Araştırılması". Türk Oftalmoloji Dergisi 52/3 (2022), 193-200. https://doi.org/10.4274/tjo.galenos.2021.29726