With the increasing demand for histopathological specimen examination and diagnostic reporting, Multiple Instance Learning (MIL) has received heightened research focus as a viable solution for AI-centric diagnostic aid. Recently, to improve its performance and make it work more like a pathologist, several MIL approaches based on the use of multiple-resolution images have been proposed, delivering often higher performance than those that use single-resolution images. Despite impressive recent developments of multiple-resolution MIL, previous approaches only focus on improving performance, thereby lacking research on well-calibrated MIL that clinical experts can rely on for trustworthy diagnostic results. In this study, we propose Uncertainty-Focused Calibrated MIL (UFC-MIL), which more closely mimics the pathologists' examination behaviors while providing calibrated diagnostic predictions, using multiple images with different resolutions. UFC-MIL includes a novel patch-wise loss that learns the latent patterns of instances and expresses their uncertainty for classification. Also, the attention-based architecture with a neighbor patch aggregation module collects features for the classifier. In addition, aggregated predictions are calibrated through patch-level uncertainty without requiring multiple iterative inferences, which is a key practical advantage. Against challenging public datasets, UFC-MIL shows superior performance in model calibration while achieving classification accuracy comparable to that of state-of-the-art methods.


翻译:随着组织病理学标本检查与诊断报告需求的日益增长,多示例学习(MIL)作为一种以人工智能为核心的诊断辅助可行方案,受到了越来越多的研究关注。近期,为提升其性能并使其工作方式更接近病理学家,基于多分辨率图像使用的多种MIL方法被提出,其性能通常优于使用单分辨率图像的方法。尽管多分辨率MIL近期取得了显著进展,但以往方法仅聚焦于性能提升,因而缺乏对校准良好的MIL的研究——这种MIL能够为临床专家提供可信赖的诊断结果。在本研究中,我们提出不确定性聚焦校准MIL(UFC-MIL),该方法通过使用不同分辨率的多个图像,在提供校准诊断预测的同时,更贴近地模拟病理学家的检查行为。UFC-MIL包含一种新颖的基于图像块的损失函数,该函数学习实例的潜在模式并表达其分类不确定性。同时,采用带有相邻图像块聚合模块的注意力架构为分类器收集特征。此外,聚合预测通过图像块级不确定性进行校准,无需多次迭代推理,这是关键的实用优势。在具有挑战性的公开数据集上,UFC-MIL在模型校准方面表现出优越性能,同时达到了与最先进方法相当的分类准确率。

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