Phân loại nhiễm sắc thể người sử dụng mạng nơ-ron tích chập

Chuyên khảo phân tích Human chromosome classification using convolutional neutral network, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Quán Thị Yến
• Người hướng dẫn: PhD. Trần Anh Vũ
• Trường học: Hanoi University of Science and Technology
• Chuyên ngành: Biomedical Engineering
• Đề tài: Human Chromosome Classification Using Convolutional Neutral Network
• Loại tài liệu: Thesis
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Ha Noi

Mục lục chi tiết

• 1. CHAP 1: INTRODUCTION
• 1.1. Methods to identify mutated chromosomes in real life
• 1.2. Why chromosomal testing is required?
• 1.3. Using AI to replace Karyotyping method
• 1.3.1. Increase brightness and contrast
• 1.3.2. Crop chromosome image
• 1.3.3. Using CNN network for chromosome classification
• 1.3.4. Application in Passau dataset
• 1.4. SUMMARY OF THE MASTER'S THESIS
• 1.4.1. Reason of choosing the topic
• 1.4.2. Purpose, Research Object, Scope of Research
• 1.4.3. Content Summary and Author’s Contribution

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Phân Loại Nhiễm Sắc Thể Sử Dụng CNN

Bài viết này tập trung vào ứng dụng convolutional neural network (CNN) trong việc phân loại nhiễm sắc thể người. Đây là một lĩnh vực quan trọng trong phân tích di truyền và chẩn đoán y khoa. Phương pháp truyền thống karyotype analysis đòi hỏi nhiều công sức và thời gian. Do đó, việc tự động hóa quy trình này bằng trí tuệ nhân tạo (AI), đặc biệt là deep learning chromosome, mang lại nhiều tiềm năng. Nghiên cứu này sử dụng CNN for image recognition để giải quyết bài toán image classification trên dữ liệu chromosome image analysis. Mục tiêu chính là tạo ra một hệ thống có khả năng automatic chromosome classification, hỗ trợ các chuyên gia trong việc chromosome abnormality detection và chromosome disorder diagnosis. Các semantic LSI keywords như medical image analysis, cytogenetics, và genetics analysis được tích hợp để tăng cường khả năng tìm kiếm và hiểu của bài viết.

1.1. Vai Trò Quan Trọng của Phân Loại Nhiễm Sắc Thể

Chromosome classification đóng vai trò thiết yếu trong việc xác định các bất thường di truyền. Theo tài liệu gốc, hầu hết các tế bào chứa 23 cặp nhiễm sắc thể, trong đó cặp thứ 23 là nhiễm sắc thể giới tính. Các bất thường về nhiễm sắc thể có thể dẫn đến nhiều bệnh di truyền, ảnh hưởng đến sự phát triển của cơ thể. Phân tích karyotype analysis, mặc dù là phương pháp truyền thống, nhưng đòi hỏi chuyên môn sâu và tốn nhiều thời gian. Do đó, việc phát triển các phương pháp tự động hóa là vô cùng cần thiết. Việc phân loại nhiễm sắc thể chính xác góp phần vào việc chẩn đoán sớm và can thiệp kịp thời cho bệnh nhân.

1.2. Ưu Điểm của Mạng Nơ ron Tích Chập CNN

Convolutional neural network (CNN) đã chứng minh được hiệu quả vượt trội trong nhiều bài toán image classification. Với khả năng tự động học các đặc trưng từ ảnh, CNN architecture for chromosome classification có thể vượt qua những hạn chế của các phương pháp truyền thống. Theo nghiên cứu, mô hình deep learning chromosome như EfficientNet-b3 cho độ chính xác cao trong việc phân loại nhiễm sắc thể. Việc sử dụng CNN giúp giảm thiểu sự can thiệp thủ công, tăng tốc độ và độ chính xác của quy trình chromosome analysis. Các mô hình deep learning in cytogenetics đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong medical diagnosis using AI.

II. Thách Thức Trong Phân Loại Nhiễm Sắc Thể Tự Động

Mặc dù CNN mang lại nhiều hứa hẹn, việc phân loại nhiễm sắc thể tự động vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Đầu tiên, chất lượng ảnh chromosome image analysis có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, như độ phân giải, độ tương phản, và nhiễu. Thứ hai, các nhiễm sắc thể có thể bị chồng chéo hoặc dính liền, gây khó khăn cho việc phân đoạn và trích xuất đặc trưng. Thứ ba, sự đa dạng về hình dạng và kích thước của các nhiễm sắc thể đòi hỏi một mô hình CNN có khả năng học và khái quát hóa tốt. Cuối cùng, việc thu thập và gán nhãn một lượng lớn dữ liệu dataset for chromosome classification chất lượng cao là một thách thức lớn, đặc biệt là đối với các loại nhiễm sắc thể hiếm gặp.

2.1. Vấn Đề Chất Lượng Ảnh Nhiễm Sắc Thể

Chất lượng ảnh chromosome image analysis đóng vai trò then chốt trong hiệu suất của hệ thống automatic chromosome classification. Ảnh có độ phân giải thấp, độ tương phản kém, hoặc chứa nhiều nhiễu có thể làm giảm độ chính xác của việc phân đoạn và trích xuất đặc trưng. Việc sử dụng các kỹ thuật image processing chromosome như tăng cường độ tương phản, lọc nhiễu, và chuẩn hóa ảnh là cần thiết để cải thiện chất lượng ảnh đầu vào. Các phương pháp image processing chromosome như histogram equalization, contrast-limiting adaptive histogram equalization, gamma adjustment, and histogram equalization with 3D block matching có thể được sử dụng để cải thiện chất lượng hình ảnh.

2.2. Phân Đoạn và Trích Xuất Đặc Trưng Nhiễm Sắc Thể

Việc phân đoạn và trích xuất đặc trưng từ ảnh nhiễm sắc thể là một bước quan trọng trong quy trình automatic chromosome classification. Các nhiễm sắc thể có thể bị chồng chéo, dính liền, hoặc có hình dạng không đều, gây khó khăn cho việc phân đoạn chính xác. Các thuật toán pattern recognition chromosome như phân đoạn dựa trên ngưỡng, phân vùng ảnh, và phát hiện đường biên có thể được sử dụng để giải quyết vấn đề này. Sau khi phân đoạn, các đặc trưng như hình dạng, kích thước, và mô hình băng nhiễm sắc thể được trích xuất để làm đầu vào cho mô hình CNN.

2.3. Thiếu Dữ Liệu Đánh Giá Chất Lượng và Đa Dạng

Một dataset for chromosome classification đủ lớn và đa dạng là yếu tố quan trọng để training CNN for chromosome analysis hiệu quả. Tuy nhiên, việc thu thập và gán nhãn dữ liệu nhiễm sắc thể chất lượng cao là một thách thức lớn. Dữ liệu cần phải đại diện cho nhiều loại nhiễm sắc thể khác nhau, với các biến thể về hình dạng, kích thước, và mô hình băng. Việc sử dụng các kỹ thuật data augmentation như xoay, lật, và phóng to ảnh có thể giúp tăng kích thước của dataset. Ngoài ra, việc sử dụng kỹ thuật transfer learning chromosome classification có thể giúp cải thiện hiệu suất của mô hình CNN khi dữ liệu huấn luyện hạn chế.

III. Phương Pháp CNN Cho Phân Loại Nhiễm Sắc Thể Hiệu Quả

Để giải quyết các thách thức trên, nghiên cứu này tập trung vào việc xây dựng và huấn luyện một mô hình CNN hiệu quả cho phân loại nhiễm sắc thể. Mô hình được xây dựng dựa trên kiến trúc EfficientNet-b3, một trong những kiến trúc CNN tiên tiến nhất hiện nay. Các kỹ thuật tiền xử lý ảnh như tăng cường độ tương phản và lọc nhiễu được áp dụng để cải thiện chất lượng ảnh đầu vào. Kỹ thuật data augmentation được sử dụng để tăng kích thước của dataset. Cuối cùng, mô hình CNN được huấn luyện trên dataset đã được tiền xử lý và tăng cường, sử dụng các phương pháp tối ưu hóa và điều chỉnh siêu tham số.

3.1. Kiến Trúc EfficientNet b3 Cho Phân Loại

Kiến trúc EfficientNet-b3 là một lựa chọn phù hợp cho bài toán phân loại nhiễm sắc thể do tính hiệu quả và độ chính xác cao của nó. EfficientNet-b3 sử dụng một phương pháp tiếp cận có hệ thống để mở rộng kích thước của mạng CNN, cân bằng giữa độ sâu, độ rộng, và độ phân giải của ảnh đầu vào. Điều này giúp mô hình đạt được hiệu suất tốt với số lượng tham số ít hơn so với các kiến trúc CNN khác. Theo tài liệu gốc, EfficientNet-b3 đã đạt được kết quả tốt nhất trong các thử nghiệm với độ chính xác lên đến 97.12%.

3.2. Tiền Xử Lý Ảnh Để Nâng Cao Chất Lượng

Việc tiền xử lý ảnh là một bước quan trọng để cải thiện chất lượng ảnh đầu vào và nâng cao hiệu suất của mô hình CNN. Các kỹ thuật tiền xử lý ảnh như tăng cường độ tương phản, lọc nhiễu, và chuẩn hóa ảnh được áp dụng để loại bỏ các yếu tố gây nhiễu và làm nổi bật các đặc trưng quan trọng của nhiễm sắc thể. Việc tăng cường độ tương phản giúp cải thiện khả năng phân biệt giữa nhiễm sắc thể và nền. Việc lọc nhiễu giúp loại bỏ các yếu tố gây nhiễu như bụi bẩn và ánh sáng không đều. Việc chuẩn hóa ảnh giúp đảm bảo rằng tất cả các ảnh đầu vào có cùng kích thước và phạm vi giá trị.

3.3. Tăng Cường Dữ Liệu Để Tăng Độ Chính Xác

Data augmentation là một kỹ thuật quan trọng để tăng kích thước của dataset và cải thiện độ chính xác của mô hình CNN. Các kỹ thuật data augmentation như xoay, lật, phóng to, và thêm nhiễu được sử dụng để tạo ra các biến thể khác nhau của ảnh gốc. Điều này giúp mô hình CNN học được các đặc trưng bất biến và khái quát hóa tốt hơn. Theo nghiên cứu, việc sử dụng data augmentation có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của mô hình CNN khi dữ liệu huấn luyện hạn chế.

IV. Ứng Dụng Và Kết Quả Nghiên Cứu Phân Loại Nhiễm Sắc Thể

Nghiên cứu này đã đạt được kết quả khả quan trong việc phân loại nhiễm sắc thể sử dụng CNN. Mô hình EfficientNet-b3 đã đạt được độ chính xác cao trên dataset thử nghiệm. Kết quả này cho thấy tiềm năng lớn của việc sử dụng AI để tự động hóa quy trình karyotype analysis và hỗ trợ các chuyên gia trong việc chromosome abnormality detection. Ngoài ra, hệ thống automatic chromosome classification có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác, như nghiên cứu di truyền, chẩn đoán y khoa, và sàng lọc trước sinh.

4.1. Đánh Giá Hiệu Năng Mô Hình CNN Đề Xuất

Hiệu năng của mô hình CNN được đánh giá bằng các chỉ số như độ chính xác, độ thu hồi, và độ đo F1. Theo tài liệu gốc, mô hình EfficientNet-b3 đã đạt được độ chính xác 97.12% trên dataset thử nghiệm. Điều này cho thấy mô hình có khả năng phân loại nhiễm sắc thể chính xác cao. Ngoài ra, độ thu hồi và độ đo F1 cũng đạt được giá trị cao, cho thấy mô hình có khả năng phát hiện tốt các loại nhiễm sắc thể khác nhau. Việc sử dụng các chỉ số performance evaluation chromosome classification như macro-average precision, macro-average recall and macro- average F1-score and accuracy là cần thiết để đánh giá toàn diện hiệu năng của bộ phân loại.

4.2. So Sánh Với Các Phương Pháp Phân Loại Khác

Hiệu năng của mô hình CNN được so sánh với các phương pháp phân loại nhiễm sắc thể khác, như các phương pháp dựa trên học máy truyền thống và các phương pháp dựa trên chuyên gia. Kết quả cho thấy mô hình CNN vượt trội hơn so với các phương pháp khác về độ chính xác và tốc độ. Việc sử dụng CNN giúp giảm thiểu sự can thiệp thủ công và tăng tính khách quan của quy trình phân loại nhiễm sắc thể. Bên cạnh đó, so sánh với other approachers cũng được đưa ra trong các bảng (table) để đánh giá.

V. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Phân Loại Nhiễm Sắc Thể

Nghiên cứu này đã chứng minh được tiềm năng của việc sử dụng CNN để phân loại nhiễm sắc thể. Mô hình EfficientNet-b3 đã đạt được kết quả khả quan trên dataset thử nghiệm, cho thấy khả năng ứng dụng thực tế của hệ thống automatic chromosome classification. Trong tương lai, việc nghiên cứu và phát triển các kiến trúc CNN tiên tiến hơn, cũng như việc thu thập và gán nhãn một lượng lớn dữ liệu chất lượng cao, sẽ giúp cải thiện hơn nữa hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Điều này sẽ góp phần vào việc chẩn đoán sớm và can thiệp kịp thời cho các bệnh di truyền, mang lại lợi ích to lớn cho cộng đồng.

5.1. Tóm Tắt Những Đóng Góp Chính Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu này đã đóng góp vào lĩnh vực phân loại nhiễm sắc thể bằng cách đề xuất một phương pháp tiếp cận hiệu quả dựa trên CNN. Mô hình EfficientNet-b3 đã được chứng minh là có khả năng phân loại nhiễm sắc thể chính xác cao. Việc sử dụng các kỹ thuật tiền xử lý ảnh và data augmentation đã giúp cải thiện hiệu suất của mô hình. Các kết quả nghiên cứu này có thể được sử dụng để phát triển các hệ thống automatic chromosome classification trong thực tế.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Trong Tương Lai

Trong tương lai, việc nghiên cứu và phát triển các kiến trúc CNN tiên tiến hơn sẽ giúp cải thiện hơn nữa hiệu suất của hệ thống phân loại nhiễm sắc thể. Việc sử dụng các kỹ thuật học sâu như transfer learning và self-supervised learning có thể giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào dữ liệu huấn luyện được gán nhãn. Ngoài ra, việc tích hợp thông tin từ các nguồn khác, như dữ liệu di truyền và dữ liệu lâm sàng, có thể giúp nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của hệ thống.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Phân loại nhiễm sắc thể người là một bước quan trọng trong chẩn đoán các bệnh di truyền liên quan đến bất thường nhiễm sắc thể. Theo ước tính, mỗi tế bào người chứa 23 cặp nhiễm sắc thể, trong đó 22 cặp là nhiễm sắc thể thường (autosomes) và cặp thứ 23 là nhiễm sắc thể giới tính. Các rối loạn di truyền như hội chứng Down, Turner, Klinefelter đều liên quan đến sự bất thường về số lượng hoặc cấu trúc nhiễm sắc thể. Phương pháp truyền thống để phát hiện các bất thường này là kỹ thuật Karyotyping, tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi nhiều công sức thủ công, chuyên môn cao và tốn thời gian.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng mạng nơ-ron tích chập (Convolutional Neural Network - CNN) để tự động phân loại 24 loại nhiễm sắc thể người, từ đó thay thế bước phân loại trong kỹ thuật Karyotyping, giúp bác sĩ nhanh chóng phát hiện các bất thường. Nghiên cứu sử dụng bộ dữ liệu Passau gồm 2.809 ảnh nhiễm sắc thể đơn lẻ, trong đó có 48 ảnh nhiễm sắc thể bất thường, được phân chia thành 80% dữ liệu huấn luyện, 10% dữ liệu kiểm tra và 10% dữ liệu xác thực. Qua đó, nghiên cứu tập trung vào cải tiến bước tiền xử lý ảnh và lựa chọn mô hình CNN tối ưu nhằm nâng cao độ chính xác phân loại.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc rút ngắn thời gian chẩn đoán, giảm thiểu sai sót do con người và hỗ trợ phát hiện sớm các bệnh di truyền. Kết quả đạt được với mô hình EfficientNet-B3 cho độ chính xác lên đến 97,12%, mở ra hướng phát triển ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong y học phân tử và chẩn đoán hình ảnh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mô hình nhiễm sắc thể người: Nhiễm sắc thể được phân loại dựa trên vị trí tâm động thành 4 loại chính (metacentric, submetacentric, acrocentric, telocentric) và phân loại thành 24 loại nhiễm sắc thể (22 autosomes và 2 giới tính). Các đặc điểm hình thái và cấu trúc nhiễm sắc thể là cơ sở để phân loại.

• Mạng nơ-ron tích chập (CNN): CNN là mô hình học sâu chuyên dụng cho xử lý ảnh, gồm các lớp convolution, pooling và fully connected. CNN tự động trích xuất đặc trưng từ ảnh và phân loại dựa trên các đặc trưng này.

• Các kiến trúc CNN hiện đại: Nghiên cứu áp dụng và so sánh các kiến trúc DenseNet, EfficientNet và InceptionResNet. DenseNet cải thiện luồng thông tin và giảm hiện tượng biến mất gradient nhờ kết nối dày đặc giữa các lớp. EfficientNet sử dụng phương pháp compound scaling để cân bằng chiều sâu, chiều rộng và độ phân giải ảnh, tối ưu hiệu suất và độ chính xác. InceptionResNet kết hợp module Inception và ResNet giúp tăng độ sâu mạng mà không gây quá khớp.

• Các khái niệm chính: macro-average precision, recall, F1-score và accuracy được sử dụng để đánh giá hiệu quả phân loại đa lớp, giúp đo lường chính xác hiệu suất trên từng lớp nhiễm sắc thể.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Bộ dữ liệu Passau gồm 612 ảnh nhiễm sắc thể meta và 612 ảnh karyotyping, được phân tách thành 2.809 ảnh nhiễm sắc thể đơn lẻ, trong đó có 48 ảnh nhiễm sắc thể bất thường. Dữ liệu được phân chia 80% huấn luyện, 10% xác thực và 10% kiểm tra.

• Tiền xử lý dữ liệu: Bao gồm tăng cường độ sáng và tương phản bằng phương pháp histogram equalization kết hợp với particle swarm optimization, cắt ảnh để loại bỏ nền đen thừa, chuẩn hóa kích thước ảnh bằng ba phương pháp: scaling-up, zero-padding và adaptive resizing (phương pháp kết hợp scaling và zero-padding giữ tỉ lệ ảnh và tăng dữ liệu).

• Tăng cường dữ liệu (Data augmentation): Áp dụng các phép biến đổi hình học như xoay ±45 độ, lật ngang, lật dọc, dịch chuyển ngẫu nhiên để tăng số lượng ảnh huấn luyện lên gấp 30 lần, giúp cải thiện khả năng tổng quát của mô hình.

• Phương pháp phân tích: Huấn luyện và đánh giá các mô hình CNN DenseNet (các phiên bản 121, 161, 169, 201), EfficientNet (B0, B1, B3) và InceptionResNet-v2. Sử dụng kỹ thuật transfer learning với trọng số pretrained trên ImageNet, tối ưu bằng Adam với learning rate 10^-3, huấn luyện 200 epochs với early stopping để tránh overfitting.

• Đánh giá hiệu quả: Sử dụng các chỉ số macro-average precision, recall, F1-score và accuracy trên tập kiểm tra. So sánh kết quả giữa các mô hình và các phương pháp tiền xử lý ảnh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của tiền xử lý: Việc cắt ảnh loại bỏ nền đen và tăng cường độ sáng, tương phản giúp cải thiện hiệu suất phân loại khoảng 2% trên tất cả các chỉ số (F1-score, precision, recall, accuracy). Ví dụ, F1-score tăng từ khoảng 0.93 lên 0.95 sau tiền xử lý.

2. Hiệu quả các mô hình CNN: Mô hình EfficientNet-B3 đạt kết quả tốt nhất với độ chính xác 97,12%, F1-score 96,55%, precision 96,59% và recall 96,55%, vượt trội so với InceptionResNet-v2 (accuracy 97,12%) và DenseNet các phiên bản khác.

3. Phương pháp chuẩn hóa kích thước ảnh: Adaptive resizing kết hợp scaling và zero-padding cho kết quả tốt hơn so với chỉ scaling hoặc zero-padding riêng lẻ. Ví dụ, với kích thước ảnh 256x256, adaptive resizing đạt F1-score 0.9736, cao hơn zero-padding và scaling-up.

4. Ảnh hưởng của kích thước ảnh đầu vào: Kích thước ảnh 256x256 cho hiệu quả phân loại tốt nhất so với các kích thước nhỏ hơn như 175x135 hoặc 256x200, do giữ được chi tiết nhiễm sắc thể cần thiết.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy tiền xử lý ảnh đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng dữ liệu đầu vào, từ đó cải thiện hiệu quả phân loại. Việc loại bỏ nền đen thừa giúp giảm nhiễu và tăng tốc độ huấn luyện. Adaptive resizing vừa giữ được tỉ lệ ảnh gốc, tránh biến dạng nhiễm sắc thể, vừa tăng cường dữ liệu nhờ dịch chuyển vị trí nhiễm sắc thể trong ảnh.

Mô hình EfficientNet-B3 vượt trội nhờ kiến trúc compound scaling giúp cân bằng chiều sâu, chiều rộng và độ phân giải ảnh, đồng thời giảm số lượng tham số và tăng tốc độ tính toán. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả đạt được cao hơn đáng kể (ví dụ: so với accuracy 63,5% của một nghiên cứu trước, hoặc 92,8% của một nghiên cứu khác trên cùng bộ dữ liệu Passau).

Biểu đồ học tập (learning curve) cho thấy mô hình hội tụ nhanh sau khoảng 30-40 epochs, minh chứng cho hiệu quả của việc sử dụng pretrained weights và kỹ thuật early stopping. Bảng so sánh các mô hình và phương pháp tiền xử lý được trình bày rõ ràng, giúp minh họa sự khác biệt về hiệu suất.

Tuy nhiên, hạn chế của nghiên cứu là kích thước bộ dữ liệu còn hạn chế, ảnh hưởng đến khả năng tổng quát của mô hình. Ngoài ra, bước tiền xử lý có thể được cải tiến thêm để nâng cao chất lượng dữ liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Mở rộng bộ dữ liệu huấn luyện: Thu thập thêm ảnh nhiễm sắc thể từ nhiều nguồn khác nhau, đặc biệt là các trường hợp bất thường, nhằm tăng tính đa dạng và cải thiện độ chính xác mô hình. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể: các trung tâm y tế, viện nghiên cứu di truyền.

2. Cải tiến bước tiền xử lý ảnh: Áp dụng các kỹ thuật nâng cao như lọc nhiễu nâng cao, phân đoạn chính xác hơn, và thử nghiệm các phương pháp tăng cường dữ liệu mới như GAN để tạo ảnh tổng hợp. Thời gian: 3-6 tháng. Chủ thể: nhóm nghiên cứu AI và xử lý ảnh y sinh.

3. Triển khai mô hình vào hệ thống hỗ trợ chẩn đoán: Phát triển phần mềm tích hợp mô hình CNN để hỗ trợ bác sĩ trong phân loại nhiễm sắc thể, giảm thời gian và tăng độ chính xác chẩn đoán. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: phòng công nghệ thông tin bệnh viện, công ty phần mềm y tế.

4. Đào tạo và nâng cao nhận thức chuyên môn: Tổ chức các khóa đào tạo cho bác sĩ, kỹ thuật viên về ứng dụng AI trong phân tích nhiễm sắc thể, giúp họ hiểu và sử dụng hiệu quả công nghệ mới. Thời gian: liên tục. Chủ thể: trường đại học, bệnh viện, trung tâm đào tạo y tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật y sinh: Nghiên cứu về ứng dụng AI trong y học, đặc biệt là xử lý ảnh y tế và học sâu, có thể học hỏi phương pháp tiền xử lý và mô hình CNN hiệu quả.

2. Bác sĩ và kỹ thuật viên phòng xét nghiệm di truyền: Hiểu rõ về công nghệ mới hỗ trợ phân loại nhiễm sắc thể, giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong chẩn đoán.

3. Chuyên gia phát triển phần mềm y tế: Tham khảo kiến trúc mô hình và quy trình xử lý dữ liệu để phát triển các ứng dụng hỗ trợ chẩn đoán tự động.

4. Quản lý và nhà hoạch định chính sách y tế: Đánh giá tiềm năng ứng dụng AI trong y tế, từ đó xây dựng kế hoạch đầu tư và phát triển công nghệ phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần phân loại nhiễm sắc thể tự động?
   Phân loại tự động giúp giảm thời gian và sai sót do con người trong kỹ thuật Karyotyping truyền thống, đồng thời hỗ trợ phát hiện sớm các bệnh di truyền.

2. Mô hình CNN nào cho kết quả tốt nhất trong nghiên cứu?
   EfficientNet-B3 đạt độ chính xác cao nhất (97,12%) nhờ kiến trúc tối ưu cân bằng chiều sâu, chiều rộng và độ phân giải ảnh.

3. Phương pháp tiền xử lý ảnh nào hiệu quả nhất?
   Adaptive resizing kết hợp scaling và zero-padding giữ được tỉ lệ ảnh gốc và tăng cường dữ liệu, giúp cải thiện hiệu suất phân loại.

4. Bộ dữ liệu Passau có đặc điểm gì?
   Bộ dữ liệu gồm 2.809 ảnh nhiễm sắc thể đơn lẻ, trong đó có 48 ảnh nhiễm sắc thể bất thường, được phân chia thành 24 loại nhiễm sắc thể.

5. Làm thế nào để tránh overfitting khi huấn luyện mô hình?
   Sử dụng kỹ thuật early stopping, pretrained weights và tăng cường dữ liệu giúp mô hình không bị quá khớp với dữ liệu huấn luyện.

Kết luận

• Ứng dụng CNN, đặc biệt là mô hình EfficientNet-B3, đã đạt độ chính xác phân loại nhiễm sắc thể lên đến 97,12%, vượt trội so với các nghiên cứu trước.
• Tiền xử lý ảnh bao gồm tăng cường độ sáng, tương phản, cắt ảnh và adaptive resizing đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng dữ liệu và hiệu quả phân loại.
• Phương pháp adaptive resizing vừa giữ tỉ lệ ảnh gốc vừa tăng cường dữ liệu, giúp cải thiện độ chính xác và khả năng tổng quát của mô hình.
• Hạn chế hiện tại là kích thước bộ dữ liệu còn hạn chế, cần mở rộng và cải tiến bước tiền xử lý để nâng cao hơn nữa hiệu quả mô hình.
• Đề xuất triển khai mô hình vào hệ thống hỗ trợ chẩn đoán, mở rộng bộ dữ liệu và đào tạo chuyên môn để ứng dụng rộng rãi trong y học phân tử.

Hành động tiếp theo: Tiếp tục thu thập dữ liệu, cải tiến tiền xử lý và phát triển phần mềm ứng dụng mô hình CNN trong thực tế lâm sàng nhằm hỗ trợ chẩn đoán chính xác và nhanh chóng các bệnh di truyền liên quan đến nhiễm sắc thể.

Trích đoạn nội dung tài liệu

HA NOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SCHOOL OF ELECTRICAL & ELECTRONIC ENGINEERING MASTER THESIS Human chromosome classification using convolutional neutral network QUÁN THỊ YẾN yen.vn Advanced Program in Biomedical Engineering Instructor: PhD. Trần Anh Vũ Instructor's signature School: Electrical & Electronic Engineering HA NOI, 7th 2023 Ha Noi, 8th 2023 SOCIALIST REPUBLIC OF VIET NAM Independence- Freedom- Happiness VERIFICATION OF THE MASTER THESIS The full name of the author: Quán Thị Yến Thesis topic: Human chromosome classification using convolutional neutral network Majority: Biomedical Engineering The student code: 20212483M The Instructor and the chairman of committee verify that the author has corrected and supplemented the thesis according to the minutes of the meeting committee with the following contents: 1. Add the ways to classify chromosomes 2. Correct explanatory words in the thesis 3.

Correct the names of tables and pictures according to the rules of writing a thesis 4. Remove irrelevant images 5. Move the models of EfficientNet, Denset and Inception networks to the Chapter 2: Methodology 6. Describe in detail macro-average precision, macro-average recall and macro- average F1-score and accuracy to evaluate the performance of classifier.

, 2023 The Instructor The Author CHAIRMAN OF THE COMMITTEE THESIS TOPIC Human chromosome classification using convolutional neutral network Instructor Sign and write full name. Acknowledgements For the completion of this thesis, I would like to express my sincere gratitude to PhD. Tran Anh, Lecturer at School of Electrical and Electronic Engineering, Hanoi University of Science and Technology because he guided and facilitated me during the implementation process. His enthusiastic teachings have helped me a lot in the process of carrying out this research.

Thank you to Mr. Tuan, a former research student at room 418, C9 building, Hanoi University of Science and Technology, for supporting me in my thesis work. I sincerely thanks! Abstract Most cells are composed of 23 chromosomes. The first 22 pairs are called autosomes.

The 23rd pair contains the sex chromosomes: males typically have one X and one Y chromosome in each cell, while females typically have two X chromosomes. The chromosome contains all information that the body needs to grow and develop. Some genetic diseases are associated with chromosomal abnormalities. Diagnosis of these abnormalities has gained attention in recent years.

One of the most popular and useful ways to solve this problem is based on Karyotyping. Karyotyping is a laboratory procedure that allows doctors to examine the set of chromosomes. Karyotyping tests are performed to determine if the cell's chromosomes are normal. Therefore, it plays an important role in the diagnosis of genetic disorders.

In fact, Karyotyping requires considerable manual efforts, domain expertise and experience, and is very time- consuming. I made a thesis research with this topic to apply what I learned at school and self-study about the application of convolutional neural networks and many methods in the preprocessing step to be able to self-classify chromosome. Thereby, as a basis to replace Karyotyping method, helping doctors quickly identify abnormal chromosomes. At last, I have achieved the best results with the EfficientNet-b3 model in the series (Accuracy: 97.12%) of CNN models I put in to try.

For many reasons, in the process of implementing the thesis, I still made many mistakes and limitations. Therefore, I look forward to receiving your comments and evaluations for the topic to be developed and improved. Sincerely thank! STUDENT Sign and write full name. CONTENTS CHAP 1 INTRODUCTION .3 Methods to identify mutated chromosomes in real life.3 Why chromosomal testing is required? .4 Using AI to replace Karyotyping method.1 Increase brightness and contrast .3 Crop chromosome image .1 Using CNN network for chromosome classification.1 Application in Passau dataset.

41 SUMMARY OF THE MASTER'S THESIS. 44 a) Reason of choosing the topic. 44 b) Purpose, Research Object, Scope of Research. 44 c) Content Summary and Author’s Contribution.

46 LIST OF TABLES Table 3.1 The effect of pre-processing stage on performance .2 Experiment results between CNN models when trained with input images of size 256 x 256 .3 Performance of EfficientNet B3 with 3 resize methods using image size 256 x 256 .4 Performance of EffcientNet-b3 using adaptive resizing (k=1) with different input image sizes .5 The effect of augmented factor in adaptive resize method .6 Comparison to other approachers. 38 LIST OF FIGURES Figure 1.1 Diagram of a replicated and condensed metaphase eukaryotic chromosome:(1) Chromatid, (2) Centromere, (3) Short arm, (4) Long arm.2 A way to classify chromosome types .3 Down syndrome is a chromosomal disorder caused by an extra chromosome 21 .5 Children diagnosed with Turner syndrome .6 The process of using AI to separate and classify chromosomes .7 Result after AI processing .1 The proposed general model .2 Chromosome Image Data from University of Passau .3 The principal image of chromosome from Passau University .4 The Image of chromosome after labeling .5 The Data Processing .6 Amount of data for each section test, train, valid .7 Data Enhancement Process .8 5x5 image with 2 layer of Zero- padding .9 Example of matrix array .12 A 5-layer dense block with a growth rate of k = 4 and the standard ResNet structure.13 Block of convolution layers with results concatenated .15 A block diagram of pre-trained DenseNet-161 .17 The model of EfficientNet .18 The performance of some CNN networks .19 Architecture of EfficientNet-B0 with MBConv as Basic buildingblock .20 Structure of EfficientNet-B1 .21 Schematic representation of EfficientNet-B3 .23 The model of Inception V1 .26 The model of InceptionResnet .1 The proposed detail Diagram .2 The chromosome image (right) after rotating 45◦ from the original image (left) .3 The chromosome image (right) after flipping from the original image (left) .4 Crop chromosome image .5 Three approaches to resize cropped image to fixed size .6 Adaptive resizing method .7 Algorithm for the adaptive resizing method .9 Equations to evaluate performance .10 Comparison of Loss curves and Accuracy curves for train and validation stage.1 Chromosome A chromosome [1] is a long DNA molecule with part or all of the genetic material of an organism. In most chromosomes the very long thin DNA fibers are coated with packaging proteins; in eukaryotic cells the most important of these proteins are the histones. These proteins, aided by chaperone proteins, bind to and condense the DNA molecule to maintain its integrity.

These chromosomes display a complex three-dimensional structure, which plays a significant role in transcriptional regulation.1 Diagram of a replicated and condensed metaphase eukaryotic chromosome:(1) Chromatid, (2) Centromere, (3) Short arm, (4) Long arm Chromosomes as Figure 1.1 are normally visible under a light microscope only during the metaphase of cell division (where all chromosomes are aligned in the center of the cell in their condensed form). Before this happens, each chromosome is duplicated (S phase), and both copies are joined by a centromere, resulting either in an X-shaped structure (pictured above), if the centromere is located equatorially, or a two-arm structure, if the centromere is located distally. The joined copies are now called sister chromatids. During metaphase the X-shaped structure is called a metaphase chromosome, which is highly condensed and thus easiest to distinguish and study.

In animal cells, chromosomes reach their highest compaction level in anaphase during chromosome segregation. If these structures are manipulated incorrectly, through processes known as chromosomal instability and translocation, the cell may undergo mitotic catastrophe. Usually, this will make the cell initiate apoptosis leading to its own death, but sometimes mutations in the cell hamper this process and thus cause progression of cancer. Chromosome types There are many ways to classify chromosomes, and each way relies on different characteristics of chromosomes to distinguish.

1 Chromosomes are divided into two parts (p and q arms) with a constriction point called a centromere in the middle as the Figure 1. The centromere can be located in different positions and this forms the basis for the four different classes of chromosome: Metacentric – centromere is in middle, meaning p and q arms are of comparable length (e. chromosomes 1, 3, 16, 19, 20) Submetacentric – centromere off-center, leading to shorter p arm relative to q arm (e. chromosomes 2, 4 - 12, 17, 18, X) Acrocentric – centromere severely off-set from center, leading to much shorter p arm (e.

chromosomes 13 - 15, 21, 22, Y) Telocentric – centromere found at end of chromosome, meaning no p arm exists (chromosome not found in humans) Figure 1.2 A way to classify chromosome types Another way to classify chromosomes is classifying them into 24 types of chromosome. An autosome is one of the numbered chromosomes, as opposed to the sex chromosomes. Humans have 22 pairs of autosomes and one pair of sex chromosomes (XX or XY). Autosomes are numbered roughly in relation to their sizes.

The largest autosome- chromosome 1- has approximately 2,800 genes; the smallest autosome- chromosome 22- has approximately 750 genes. 22 pairs are known as autosomes and the remaining chromosome pair consists of the sex chromosomes and is directly involved in sex determination. In females, the two sex chromosomes are identical (XX), whereas in males the two sex chromosomes are not identical (XY). The Y chromosome is smaller than the X chromosome.

Besides, in humans, seven (A–G) groups of autosomes are recognized. Sex chromosomes (X, Y) are placed at the end. A diagram of the karyotype based on chromosome measurements in many cells is called an ideogram. Chromosome numbers 1–3 (A group) is metacentric, numbers 4–5 (B group) and 6–12 (C group) are submetacentric and 13–15 (D group) and 21–22 (G group) are acrocentric and have satellites and chromosomes 16–18 (E group) are again metacentric.2 Chromosome classification 2 Chromosome classification is the identification of which of the 23 types of chromosomes in a cell.

Chromosome classification plays an important role in determining whether chromosomes are normal or not, thereby determining whether a person has a disease, a very important method that can be used as an alternative to karyotyping test. Genetic disorders include of many types [2]. They includes: • Chromosomal: This type affects the structures that hold your genes/DNA within each cell (chromosomes). With these conditions, people are missing or have duplicated chromosome material.

• Complex (multifactorial): These disorders stem from a combination of gene mutations and other factors. They include chemical exposure, diet, certain medications and tobacco or alcohol use. • Single-gene (monogenic): This group of conditions occurs from a single gene mutation. Some common congenital syndromes caused by chromosomal disorders [2] are detected through Karyotyping test, or maybe through my research topic: • Down syndrome [3]: as described in Figure 1.3, occurs due to an extra chromosome 21 in the genome.

Children with Down syndrome will have poor physical and intellectual development, language delays, and self-care. In addition, children with Down syndrome often have congenital abnormalities of the heart, hearing, vision, thyroid disorders, digestion.3 Down syndrome is a chromosomal disorder caused by an extra chromosome 21 Edwards syndrome: occurs due to an excess of chromosome 18 in the genome. Children with Edwards syndrome often have serious health problems and most will not live more than a year. Patau syndrome: caused by an excess of a 13th chromosome in the genome.

Babies are often born with serious problems with the heart, nerves, weak health, 3 underdeveloped brain. People with Patau syndrome usually live only a short time after giving birth. Triple X Syndrome is a genetic condition where a female is born with an extra X chromosome. This condition only happens in females.

It can be passed down from a parent or happen spontaneously. Females with triple X syndrome may have no symptoms and not know they have the condition, or their symptoms could include being usually tall and fertility issues. There’s no cure for triple X syndrome. Triple X syndrome is a rare genetic condition that affects only females.

It can also be referred to as trisomy X syndrome or 47, XXX. A trisomy is a genetic condition in which there are three copies of a chromosome.