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Resampling-based cost loss attention network for explainable imbalanced diabetic retinopathy grading

计算机科学 人工智能 重采样 糖尿病性视网膜病变 模式识别(心理学) 分级(工程) 人工神经网络 生物识别 机器学习 医学 工程类 内分泌学 土木工程 糖尿病
作者
Haiyan Li,Xiaofang Dong,Wei Shen,Fuhua Ge,Hongsong Li
出处
期刊:Computers in Biology and Medicine [Elsevier BV]
卷期号:149: 105970-105970 被引量:10
标识
DOI:10.1016/j.compbiomed.2022.105970
摘要

Diabetic retinopathy (DR) is currently considered to be one of the most common diseases that cause blindness. However, DR grading methods are still challenged by the presence of imbalanced class distributions, small lesions, low accuracy of small sample classes and poor explainability. To address these issues, a resampling-based cost loss attention network for explainable imbalanced diabetic retinopathy grading is proposed. First, the progressively-balanced resampling strategy is put forward to create a balanced training data by mixing the two sets of samples obtained from instance-based sampling and class-based sampling. Subsequently, a neuron and normalized channel-spatial attention module (Neu-NCSAM) is designed to learn the global features with 3-D weights and a weight sparsity penalty is applied to the attention module to suppress irrelevant channels or pixels, thereby capturing detailed small lesion information. Thereafter, a weighted loss function of the Cost-Sensitive (CS) regularization and Gaussian label smoothing loss, called cost loss, is proposed to intelligently penalize the incorrect predictions and thus to improve the grading accuracy of small sample classes. Finally, the Gradient-weighted Class Activation Mapping (Grad-CAM) is performed to acquire the localization map of the questionable lesions in order to visually interpret and understand the effect of our model. Comprehensive experiments are carried out on two public datasets, and the subjective and objective results demonstrate that the proposed network outperforms the state-of-the-art methods and achieves the best DR grading results with 83.46%, 60.44%, 65.18%, 63.69% and 92.26% for Kappa, BACC, MCC, F1 and mAUC, respectively.

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