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Semi-Supervised Deep Transfer Learning for Benign-Malignant Diagnosis of Pulmonary Nodules in Chest CT Images

人工智能 计算机科学 恶性肿瘤 深度学习 肺癌 肺孤立结节 模式识别(心理学) 放射科 学习迁移 医学 结核(地质) 计算机断层摄影术 病理 内科学 古生物学 生物
作者
Feng Shi,Bojiang Chen,Qiqi Cao,Ying Wei,Qing Zhou,Rui Zhang,Yaojie Zhou,Wenjie Yang,Xiang Wang,Rongrong Fan,Fan Yang,Yanbo Chen,Weimin Li,Yaozong Gao,Dinggang Shen
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:41 (4): 771-781 被引量:79
标识
DOI:10.1109/tmi.2021.3123572
摘要

Lung cancer is the leading cause of cancer deaths worldwide. Accurately diagnosing the malignancy of suspected lung nodules is of paramount clinical importance. However, to date, the pathologically-proven lung nodule dataset is largely limited and is highly imbalanced in benign and malignant distributions. In this study, we proposed a Semi-supervised Deep Transfer Learning (SDTL) framework for benign-malignant pulmonary nodule diagnosis. First, we utilize a transfer learning strategy by adopting a pre-trained classification network that is used to differentiate pulmonary nodules from nodule-like tissues. Second, since the size of samples with pathological-proven is small, an iterated feature-matching-based semi-supervised method is proposed to take advantage of a large available dataset with no pathological results. Specifically, a similarity metric function is adopted in the network semantic representation space for gradually including a small subset of samples with no pathological results to iteratively optimize the classification network. In this study, a total of 3,038 pulmonary nodules (from 2,853 subjects) with pathologically-proven benign or malignant labels and 14,735 unlabeled nodules (from 4,391 subjects) were retrospectively collected. Experimental results demonstrate that our proposed SDTL framework achieves superior diagnosis performance, with accuracy = 88.3%, AUC = 91.0% in the main dataset, and accuracy = 74.5%, AUC = 79.5% in the independent testing dataset. Furthermore, ablation study shows that the use of transfer learning provides 2% accuracy improvement, and the use of semi-supervised learning further contributes 2.9% accuracy improvement. Results implicate that our proposed classification network could provide an effective diagnostic tool for suspected lung nodules, and might have a promising application in clinical practice.
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