How GNNs Facilitate CNNs in Mining Geometric Information from Large-Scale Medical Images

计算机科学 卷积神经网络 人工智能 模式识别(心理学) 医学影像学 代表(政治) 特征学习 深度学习 图形 像素 人工神经网络 数据挖掘 机器学习 理论计算机科学 政治 政治学 法学
作者
Yiqing Shen,Bingxin Zhou,Xinye Xiong,Ruitian Gao,Yu Guang Wang
标识
DOI:10.1109/bibm58861.2023.10385379
摘要

Gigapixel medical images are a rich source of information containing both morphological textures and spatial information. However, existing deep learning solutions primarily rely on convolutional neural networks (CNNs) for global pixel-level analysis, ignoring the underlying local geometric structure. Since the topological structure in medical images is closely related to tumor evolution, graphs can be utilized to characterize it. To obtain a more comprehensive representation for downstream analysis, a fusion framework is proposed to enhance the global image-level representation captured by CNNs with the geometry of cell-level spatial information learned by graph neural networks (GNN). Two fusion strategies have been developed: one with MLP, which is simple but efficient through fine-tuning, and the other with TRANSFORMER, which excels in fusing multiple networks. The proposed fusion strategies have been evaluated on histology datasets from large patient cohorts of colorectal and gastric cancers for three biomarker prediction tasks. Both models outperform plain CNNs or GNNs, achieving a consistent AUC improvement of more than 5% on various network backbones. Importantly, the experimental results demonstrate the necessity of combining image-level morphological features with cell spatial relations in medical image analysis. Codes are available at https://github.com/yiqings/HEGnnEnhanceCnn.
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