Knee OsteoArthritis (KOA) is a prevalent musculoskeletal disorder that causes decreased mobility in seniors. The diagnosis provided by physicians is subjective, however, as it relies on personal experience and the semi-quantitative Kellgren-Lawrence (KL) scoring system. KOA has been successfully diagnosed by Computer-Aided Diagnostic (CAD) systems that use deep learning techniques like Convolutional Neural Networks (CNN). In this paper, we propose a novel Siamese-based network, and we introduce a new hybrid loss strategy for the early detection of KOA. The model extends the classical Siamese network by integrating a collection of Global Average Pooling (GAP) layers for feature extraction at each level. Then, to improve the classification performance, a novel training strategy that partitions each training batch into low-, medium- and high-confidence subsets, and a specific hybrid loss function are used for each new label attributed to each sample. The final loss function is then derived by combining the latter loss functions with optimized weights. Our test results demonstrate that our proposed approach significantly improves the detection performance.


翻译:---- 膝关节骨关节炎(KOA)是一种常见的肌肉骨骼障碍,会导致老年人活动能力下降。由于依赖于个人经验和半定量的Kellgren-Lawrence(KL)评分系统,医生提供的诊断是主观的。KOA已经成功地通过使用深度学习技术如卷积神经网络(CNN)的计算机辅助诊断(CAD)系统诊断。在本文中,我们提出了一种基于Siamese的新型网络,并引入了一种用于早期检测KOA的新型混合损失策略。该模型通过在每个级别集成一组全局平均池化(GAP)层来扩展经典的Siamese网络进行特征提取。然后,为了提高分类性能,我们使用了一种新的训练策略,即将每个训练批次划分为低、中和高置信度子集,并为分配给每个样本的每个新标签使用特定的混合损失函数。然后,通过优化权重将后一损失函数与所述损失函数相结合得到最终损失函数。我们的测试结果表明,我们提出的方法显着提高了检测性能。

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损失函数,在AI中亦称呼距离函数,度量函数。此处的距离代表的是抽象性的,代表真实数据与预测数据之间的误差。损失函数(loss function)是用来估量你模型的预测值f(x)与真实值Y的不一致程度,它是一个非负实值函数,通常使用L(Y, f(x))来表示,损失函数越小,模型的鲁棒性就越好。损失函数是经验风险函数的核心部分,也是结构风险函数重要组成部分。
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