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KR20050043869A - Developing a computer aided diagnostic system on breast cancer using adaptive neuro-fuzzy inference system - Google Patents

Developing a computer aided diagnostic system on breast cancer using adaptive neuro-fuzzy inference system Download PDF

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Publication number
KR20050043869A
KR20050043869A KR1020050032574A KR20050032574A KR20050043869A KR 20050043869 A KR20050043869 A KR 20050043869A KR 1020050032574 A KR1020050032574 A KR 1020050032574A KR 20050032574 A KR20050032574 A KR 20050032574A KR 20050043869 A KR20050043869 A KR 20050043869A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuzzy
diagnosis
breast cancer
data
algorithm
Prior art date
Application number
KR1020050032574A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
송희성
송희준
이선구
Original Assignee
송희성
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 송희성 filed Critical 송희성
Priority to KR1020050032574A priority Critical patent/KR20050043869A/en
Publication of KR20050043869A publication Critical patent/KR20050043869A/en

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    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • A61B10/0041Detection of breast cancer
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
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Abstract

본 발명은 질병의 진단을 자동화하는 알고리즘에 대한 것으로, 인공지능 알고리즘 중의 하나인 적응 퍼지-뉴럴 네트워크 또는 기타 인공지능 알고리즘을 이용하여, 진단이 까다롭고 의사에 의한 진단의 정확도가 높지 않은 질병에 대해, 컴퓨터 소프트웨어 또는 하드웨어를 이용한 자동 진단을 가능하게 하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an algorithm for automating the diagnosis of a disease, using an adaptive fuzzy-neural network or other artificial intelligence algorithm, which is one of artificial intelligence algorithms, for a disease that is difficult to diagnose and does not have high accuracy of diagnosis by a doctor. The present invention relates to an apparatus for enabling automatic diagnosis using computer software or hardware.

본 발명의 실시 예 에서는 유전자 알고리즘을 통한 사전 데이터 처리 작업으로 입력 변수를 우수한 요인들로 제한한 후, 적응 퍼지-뉴럴 네트워크을 통하여 유방암에 대한 자동 진단 시스템을 구축함으로서, 빠른 실행 시간과 가능한 정확한 결과를 동시에 만족시킬 수 있는 방법을 완성하였다.In the embodiment of the present invention, by limiting the input variables to excellent factors through a preliminary data processing operation through a genetic algorithm, and by establishing an automatic diagnosis system for breast cancer through an adaptive fuzzy-neural network, the fast execution time and possible accurate results At the same time, we have completed the method to satisfy.

Description

적응 퍼지-뉴럴 네트워크를 이용한 유방암 자동 진단기의 개발 {Developing a Computer Aided Diagnostic System on Breast Cancer Using Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System}Developing a Computer Aided Diagnostic System on Breast Cancer Using Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System

본 발명은 유방암 및 기타 진단이 어려운 질병을 컴퓨터를 이용하여 자동 진단하는 시스템에 대한 것으로서, 특히 인공지능 알고리즘 중의 하나인 적응 퍼지-뉴럴 네트워크(Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System: 이하 ANFIS)을 이용하여, 유방암의 진단 환경을 모델링하고, 이를 바탕으로 질병의 감염 여부를 판단하는 유방암 자동 진단기에 관한 것이다.The present invention relates to a system for automatically diagnosing breast cancer and other difficult diseases using a computer, and in particular, using an adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS), which is one of artificial intelligence algorithms, The present invention relates to a breast cancer automatic diagnosis device for modeling a diagnosis environment of breast cancer and determining whether the disease is infected.

현재 질병의 진단은, 여러 테스트를 통하여 얻어진 결과를 기반으로 하여 얻어지나, 최종적인 판단은 전문가 집단인 의사들에 의해 전적으로 이루어짐으로 인하여, 오진의 가능성이 상존하고, 더욱이, 테스트의 결과가 방대하거나, 그들 사이의 정확한 관계 파악이 어려울 시에는 전문가조차 진단이 힘든 경우가 있다.Currently, diagnosis of the disease is based on the results obtained through various tests, but since the final judgment is made entirely by doctors who are experts, there is a possibility of misdiagnosis, and furthermore, However, even when it is difficult to determine the exact relationship between them, even a specialist can be difficult to diagnose.

유방암의 경우, 현재 한국 여성들에게서 가장 많이 발생하는 종양계열의 질병으로 알려져 있으며, 생활 습관과 식습관의 서구화로 인해 그 발병률 또한 지속적으로 높아지고 있어, 환자/의심되는 환자의 수가 급격히 증가하고 있다. 유방암의 양성 및 악성 진단을 위해 사용되는 방법은 크게 두 가지가 있다. 첫 번째는, 초음파 검사법 또는 유방 조영술로서 의심되는 환자의 유방을 초음파 또는 유방암 X-선 사진을 이용해 촬영후, 그 형태를 바탕으로 진단을 하는 것으로, 진단의 정확도는 70%정도로 높지 않은 실정이다. 두 번째 방법은, 보다 정확한 방법으로서, 세침 흡인 생검법 (FNA test: Fine Needle Aspiration Test)이라 불리며, 미세한 침을 이용해 유방암으로 의심되는 조직을 추출, 이를 분석한 결과를 바탕으로 진단을 내리는 것이다. 이 방법에서, 기존의 의사에 의한 진단시 평균적으로 90%의 정확도를 가지게 되어 유방을 절제하여 검사하지 않는 경우 보다 선호되는 방법이다. Breast cancer is known to be the most common tumor-related disease among Korean women, and the incidence rate is continuously increasing due to the westernization of lifestyle and eating habits, and the number of patients / suspected patients is rapidly increasing. There are two main methods used to diagnose benign and malignant breast cancer. Firstly, the breast of a patient suspected of ultrasonography or mammography is photographed using ultrasound or X-ray of breast cancer, and then diagnosed based on the shape, and the accuracy of diagnosis is not as high as 70%. The second method, called the Fine Needle Aspiration Test (FNA test), is a more accurate method and uses a fine needle to extract tissue suspected of breast cancer and make a diagnosis based on the analysis result. In this method, the diagnosis by a conventional doctor has an average of 90% accuracy, and is the preferred method when the breast is not excised and examined.

세침 흡인 생검법에서는, (1) 조직의 두께, (2) 세포 크기의 균일성, (3) 세포 모양의 균일성, (4) 점착 정도, (5) 단일 상피 세포 크기, (6) 노출 새포핵, (7) 크로마틴, (8) 정상 세포핵, (9) 간접 핵분열 등의 9가지 요소들이 검사의 결과물로서 얻어지게 되며, 최종적인 진단은 이들 요소들과 환자의 병력 등을 종합하여, 전문가(의사)에 의해 내려지게 된다. 하지만, 이 경우, 이 9가지의 요소들이 서로 밀접한 관계를 갖지 않으며, 그들 사이의 비선형성이 강함으로 인해, 정확한 진단을 내리기가 쉽지 않으며, 따라서 전문가조차 최종 진단을 얻는데 있어 혼란을 겪게 되고 오진이 발생할 가능성이 있다.In fine needle aspiration biopsy, (1) tissue thickness, (2) cell size uniformity, (3) cell shape uniformity, (4) adhesion degree, (5) single epithelial cell size, (6) exposed nucleus nucleus Nine factors such as (7) chromatin, (8) normal cell nucleus, and (9) indirect fission are obtained as a result of the test. The final diagnosis is a combination of these factors and the patient's medical history. By a doctor). In this case, however, these nine elements are not closely related to each other, and because of the strong nonlinearity between them, it is not easy to make an accurate diagnosis, so even an expert may be confused in obtaining a final diagnosis. There is a possibility.

마찬가지로 X선, 초음파 등을 이용한 유방 단층 사진을 이용한 진단에서 역시, 그 결과에 다양한 형태가 존재하고, 이에 대한 정확한 진단이 쉽지 않으며, 전자의 방법과 마찬가지로, 정확한 최종 진단을 얻기 위해서는 숙련되고 경험이 많은 전문가가 꼭 필요한 단점이 있고, 더군다나, 전문가에 의해 내려진 진단조차 항상 정확하다고 할 수는 없는 실정이다.Similarly, in the diagnosis using mammograms using X-ray, ultrasound, etc., there are various forms in the results, and accurate diagnosis is not easy, and as in the former method, skilled and experienced to obtain accurate final diagnosis. Many experts have the disadvantages that are necessary, and moreover, even the diagnosis made by the experts may not always be accurate.

따라서 상기한 바와 같이 동작되는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 본 발명의 목적은, 세침 흡인 검사 또는 X-선, 초음파 검사 등을 통한 유방암 검사에 의해 얻어지는 결과물들을 이용한 유방암의 최종 진단 판정 과정에서, 인공지능 알고리즘의 학습과 추론 기능을 이용하여, 방대하고 판정이 어려운 검사 결과물들에 대한 컴퓨터 소프트웨어 또는 하드웨어에 의해 도움을 받아 최종 진단을 얻는 것, 또는 최종 진단시 참고할 수 있는 판정을 얻는 것이다.Accordingly, an object of the present invention, which was devised to solve the problems of the prior art operating as described above, is a final diagnostic determination process of breast cancer using results obtained by breast cancer examination through fine needle aspiration test or X-ray, ultrasound, etc. , Using the AI algorithm's learning and reasoning functions, to obtain a final diagnosis, or to obtain a decision that can be referred to in the final diagnosis, with the help of computer software or hardware for a large and difficult to determine test result. .

본 발명의 다른 목적은, 기존의 진단 과정에서 필요로 하는 고도로 숙련된 전문의의 역할을 컴퓨터에 의해 도움을 받음으로서, 인력 수급에 필요로 하는 비용을 절감하고, 인력 부족에서 또한 벗어나도록 하는 것이다.Another object of the present invention is to assist the computer with the role of a highly skilled specialist required in the existing diagnostic process, thereby reducing the cost required for manpower supply and also freeing the manpower shortage.

거기에, 본 발명에서 사용된 알고리즘을 이용하면, 유방암에 국한되지 않고, 다른 정확한 진단을 얻기 어려운 질병의 최종 진단 결심 또는 그 과정의 도움을 받을 수 있으므로, 본 발명을 이용하여, 기타 질병에 대한 자동 진단 시스템으로의 확장 및 적용 또한 용이하다.In addition, the algorithm used in the present invention can be used to determine the final diagnosis or process of a disease that is not limited to breast cancer and is difficult to obtain another accurate diagnosis. It is also easy to extend and apply to automated diagnostic systems.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명의 실시 예는, Embodiment of the present invention created to achieve the above object,

세침 흡인 검사 또는 촬영 영상을 통해 얻어진 자료들을 인공지능 시스템에 알맞도록 처리하는 단계;Processing the data obtained through the fine needle aspiration test or the captured image according to the artificial intelligence system;

뉴럴 네트워크, 퍼지 시스템 및 기타 뉴로-퍼지 혼합 시스템 등 인공지능 알고리즘을 이용하여 자동 진단기를 설계하는 단계;Designing an automated diagnostics system using artificial intelligence algorithms such as neural networks, fuzzy systems, and other neuro-fuzzy mixed systems;

유전자 알고리즘을 이용하여, 진단에 유리한 요인들을 찾아내는 단계;Using a genetic algorithm to find factors favorable for diagnosis;

적응 뉴로-퍼지 추론 시스템과, 기존의 진단 데이터를 이용하여, 자동 진단 시스템을 모델링하는 단계;Modeling an automated diagnostic system using an adaptive neuro-fuzzy inference system and existing diagnostic data;

유전자 알고리즘과 적응 퍼지-뉴럴 네트워크를 혼합하여, 진단 시스템에 필수적이고 유리한 요인들을 찾아내고 시스템을 학습시키는 단계;Combining genetic algorithms and adaptive fuzzy-neural networks to find essential and beneficial factors for the diagnostic system and to train the system;

유전자 알고리즘, 퍼지 시스템, 뉴럴 네트워크(신경망 회로)에 필요한 파라미터들을 설정하는 단계;Setting parameters required for genetic algorithms, fuzzy systems, neural networks (neural network circuits);

기존의 데이터로부터 학습이 완료된 시스템을 이용하여, 새로운 입력이 들어갔을 때, 결과를 얻어내는 단계;Obtaining a result when a new input is entered, using a system where learning from the existing data is completed;

시험 데이터를 이용하여, 시스템을 테스트하는 단계;Using the test data, testing the system;

최종적으로 구성된 시스템을 이용하여, 출력을 얻어내는 단계;Using the finally configured system, obtaining an output;

등이 포함된다.Etc. are included.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐를 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. Hereinafter, the operating principle of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a known function or configuration may unnecessarily flow the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. Terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, and may be changed according to intentions or customs of users or operators. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the specification.

본 발명은 인공지능 알고리즘인 적응 퍼지-뉴럴 네트워크를 이용하여, 유방암에 대한 데이터를 학습시키고, 그 학습된 모델을 바탕으로 하여, 새로운 환자에 대하여, 유방암인지 아닌지의 진단을 내리는 시스템에 관한 것이다. 이 과정에 앞서, 전처리 과정으로서, 모델의 최소화와 시스템의 효율성을 위해, 세침 검사법 또는 유방암 촬영검사법에서 도출된 여러 가지 많은 입력 변수들 중에서 가장 효율성이 높고, 진단에 영향을 많이 미치는 요소들을, 유전자 알고리즘을 이용하여 찾아내게 된다. 따라서 본 발명에서 주요한 역할을 하는 두 가지 알고리즘인 유전자 알고리즘과 적응 뉴로-퍼지 네트워크에 대하여 간략히 설명하고자 한다.The present invention relates to a system for learning data about breast cancer using an adaptive fuzzy-neural network, which is an artificial intelligence algorithm, and based on the learned model, for a new patient to diagnose whether or not breast cancer is present. Prior to this process, as a pretreatment process, for minimizing the model and the efficiency of the system, among the many input variables derived from fine-grained or mammograms, the most efficient and diagnostic-affected factors were selected. It is found using an algorithm. Therefore, the two algorithms that play a major role in the present invention, the genetic algorithm and the adaptive neuro-fuzzy network will be briefly described.

유전자 알고리즘(Genetic Algorithms)은 자연계에서, 어떠한 개체의 유전자가 진화를 통하여, 세대가 지나갈수록 우수한 형질을 찾는 자연적인 문제 해결 방법을 컴퓨터 상에서 시뮬레이션 함으로써 복잡한 실제 세계의 문제를 해결하고자 하는 방법이다. 특히 유전자 알고리즘은 적응적 탐색 문제 및 학습, 최적화 문제에 폭넓게 응용되고 있다. Genetic algorithms attempt to solve complex real-world problems by simulating on the computer a natural problem-solving method in nature, where genes of an individual evolve to find superior traits over generations. In particular, genetic algorithms are widely applied to adaptive search, learning and optimization problems.

이러한 자연적인 진화론에 바탕을 둔 유전 알고리즘의 일반적인 문제 해결 방법은 다음과 같다.The general problem solving method of genetic algorithm based on this natural evolution is as follows.

첫째, 해결하고자 하는 어떠한 방법에 대한 여러 가지 다양한 특성을 가지는 유전자 개체군을 결정하고, 다양한 유전자 개체로 이루어진 첫 세대를 형성한다.First, determine gene populations with different characteristics for any method to be solved, and form the first generation of different gene populations.

둘째, 한 세대 내의 개체들은 사용자에 의해 정해진 일정한 목적함수를 기초로 하여, 목표로 하는 문제에 가장 적합한 해로부터 순위가 결정되고, 일정수의 낮은 순위의 개체들은 도태된다.Second, individuals within a generation are ranked from the year best suited to the problem they are targeting, based on a set of objective functions determined by the user, and a number of lower ranking entities are eliminated.

셋째, 살아남은 개체들의 유전자를 이용하여, 유전자 재조합 및 재생산이 일어나고, 이 과정에서 교배, 돌연변이 등의 연산이 일어나 개체의 다양성을 증가시켜, 지역해에 빠지는 것을 방지한다. Third, by using the genes of surviving individuals, genetic recombination and reproduction occurs, and in this process, operations such as crosses and mutations occur to increase the diversity of the individuals, thereby preventing them from falling into local seas.

넷째, 이렇게 새로 구성된 세대를 이용 다시 경쟁 과정이 반복되고, 평가되며, 세대가 계속될수록, 개체군 속에는 점점 우수한 개체만이 남게 되어, 최종적으로 최적해를 얻을 수가 있다.Fourth, using the newly constructed generation again, the competition process is repeated, evaluated, and as generations continue, only the better individuals remain in the population, and finally the optimal solution can be obtained.

본 발명에서는, 과중한 컴퓨터의 연산 시간을 줄이기 위하여, 유전자 알고리즘이 이용되었다. 유방암의 세침 흡인 생검법 또는 단층 촬영 결과에서 얻어지는 정보들은 상당히 다양하며, 이들이 통합적으로 적응 유로-퍼지 시스템에 적용되어야만 적절한 결과를 얻을 수가 있다. 그러나, 이들 정보중에는 결과와 연관성이 떨어지는 요인들이 있으며, 여기서 야기되는 문제는 이들 정보들간의 명확한 선형적인 관계가 존재하지 않거나 또는 정보를 식별하여 간단히 불필요 요소들을 제거할 수 있는 방법이 없다는 것이다. 따라서 본 발명에서는, 데이터의 모델링에 앞서, 유전자 알고리즘을 이용하여, 적합도가 높고, 정확한 결과를 얻는데 유리한 입력 요소들을 사전에 추려냄으로 하여, 데이터 처리의 효율성을 높이고, 프로그램의 복잡도를 줄이고, 빠른 연산시간과 높은 정확도를 얻어내었다.In the present invention, genetic algorithms have been used to reduce the computational time of heavy computers. The information obtained from fine needle aspiration biopsy or tomography findings of breast cancer varies considerably and can only be achieved if they are integrated and applied to an adaptive flow-purge system. However, there are factors that are less relevant to the results, and the problem is that there is no clear linear relationship between these information or there is no way to identify the information and simply remove unnecessary elements. Therefore, in the present invention, prior to modeling the data, genetic algorithms are used to select input elements that are highly suitable and advantageous for obtaining accurate results in advance, thereby increasing the efficiency of data processing, reducing the complexity of the program, The computation time and high accuracy are obtained.

본 명세서에서는, 여러 가지 유방암의 검사법 중에, 세침 흡인 검사법에 의한 결과를 중심으로 설명하고자 한다. 세침 흡인 생검법에서 얻어지는 기 설명되었던 9가지 요소들을 이용하여, 적응 퍼지-뉴럴 네트워크 또는 다른 학습이 가능한 인공지능 알고리즘을 학습시켜 데이터를 모델링하고자 하는 경우, 문제가 되는 것이, 많은 양의 샘플 데이터에 의해 야기되는 높은 연산량과 완성된 시스템의 복잡도이다. 어떤 인공지능 네트워크의 연산에 가장 많은 영향을 미치는 것은 입력 변수들의 개수와, 은닉층 노드의 개수 그리고, 학습의 반복횟수이다. In this specification, the description by the result of the fine needle aspiration test is demonstrated in various breast cancer test methods. If you want to model the data by learning the adaptive fuzzy-neural network or other learnable AI algorithms using the nine previously described elements obtained by fine needle aspiration biopsy, the problem is that a large amount of sample data The high amount of computation that is caused and the complexity of the finished system. The most influential operation of any AI network is the number of input variables, the number of hidden layer nodes, and the number of iterations of learning.

본 발명에서는 위의 9가지 요소들과, 380여개의 샘플 데이터로 이루어진 위스콘신 대학 병원 유방암 데이터베이스를 이용하여, 데이터를 모델링하고, 자동 진단기를 구성하였으며, 그 선행처리로서, 유전자 알고리즘을 이용하여 9가지 입력 가능 요소 중, 우수한 요소를 추출하였다. 그 단계는 다음과 같고 [도 1] 나타내었다.In the present invention, using the above nine elements and the University of Wisconsin University Breast Cancer Database consisting of 380 sample data, the data was modeled, and an automatic diagnosis system was constructed. Among the inputtable elements, excellent elements were extracted. The steps are as follows and shown in FIG.

첫째, 9가지 입력요소들을 2진 스트링으로 재구성한다;First, the nine input elements are reconstructed into binary strings;

둘째, 유전자 알고리즘의 최초 입력으로 사용될 첫 세대를 구성한다;Second, to constitute the first generation to be used as the initial input of the genetic algorithm;

셋째, 간략화된 적응 뉴로-퍼지 시스템을 이용하여 유전자 알고리즘의 목적함수를 구성한다;Third, construct the objective function of the genetic algorithm using a simplified adaptive neuro-fuzzy system;

넷째, 유전자 재조합, 교배, 돌연변이에 관련된 파라미터들을 설정한다;Fourth, set parameters related to genetic recombination, crosses, and mutations;

다섯째, 유전자 알고리즘에서 얻어진 우성 인자들을 이용하여, 적응 퍼지-뉴럴 네트워크을 다시 모델링하고, 최종적인 진단 시스템을 완성한다.Fifth, using the dominant factors obtained from the genetic algorithm, remodel the adaptive fuzzy-neural network and complete the final diagnostic system.

이와 같은 방법을 통해, 9개의 입력 요소 중에서, 결과와 관계가 최종적인 진단 결과를 얻음에 있어 기여도가 크고, 상관관계가 큰 6개의 입력 요소들을 얻어낼 수 있다. [도 2]에서는 세대가 지남에 따라 전체적인 오차가 줄어드는 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 다시 적응 퍼지-뉴럴 네트워크를 모델링하는데 사용한다. 이하는 적응 퍼지-뉴럴 네트워크에 대한 설명이다.In this way, it is possible to obtain six input elements having a high contribution and a high correlation among the nine input elements, in which the result and the relationship contribute to obtaining the final diagnosis result. 2 shows the result that the overall error decreases with generations. These results are then used to model the adaptive fuzzy-neural network. The following is an explanation of an adaptive fuzzy-neural network.

전형적인 수학적 방법에 근거한 시스템 모델링은 불확실하고 복잡한 시스템에 대해서는 적합하지 않다. 이와 반면에 퍼지집합 이론, 퍼지규칙 그리고 퍼지추론을 도입한 퍼지추론 시스템은 인간의 지식을 정량적으로 표현할 수 있고 언어적인 제어 규칙으로 표현할 수 있다. 이러한 퍼지추론 시스템을 신경망의 네트워크 개념으로 확장하고 학습 알고리즘을 부가한 적응 퍼지-뉴럴 네트워크 시스템은 퍼지 모델링 및 제어 시스템을 위한 뉴로-퍼지 시스템의 하나이다. 적응 퍼지-뉴럴 네트워크 각 층의 노드는 퍼지추론 시스템의 독립적인 행동을 수행하며, 오류 역전파 알고리즘 및 최소자승법을 사용한 하이브리드 학습 알고리즘을 이용하여 퍼지-뉴럴 네트워크의 전반부 및 후반부 파라미터를 동정한다.System modeling based on typical mathematical methods is not suitable for uncertain and complex systems. On the other hand, fuzzy inference system adopting fuzzy set theory, fuzzy rules and fuzzy inference can express human knowledge quantitatively and can be expressed by linguistic control rules. The adaptive fuzzy-neural network system that extends such fuzzy inference system to the neural network concept and adds a learning algorithm is one of the neuro-fuzzy systems for fuzzy modeling and control system. Adaptive Fuzzy-Nural Network Nodes in each layer perform independent behavior of fuzzy inference system and identify first and second parameters of fuzzy-neural network using hybrid back-propagation algorithm and hybrid learning algorithm using least-squares method.

2 개의 규칙을 가진 2 입력 1 출력 퍼지모델의 구조를 [도 3]에서 보인다. 여기서 규칙의 후반부는 1 차 선형식이고, 각 입력변수에 할당되는 멤버쉽함수는 2 개이다. The structure of a two input one output fuzzy model with two rules is shown in FIG. The latter part of the rule is linear linear, and there are two membership functions assigned to each input variable.

[도 3]에서 보인 퍼지 모델의 등가인 2입력 1출력을 가지고 각 입력변수에 대하여 2개의 멤버쉽함수를 사용하는 적응 뉴로-퍼지 네트워크 구조의 예를 [도 4]에 보였다.An example of an adaptive neuro-fuzzy network structure using two membership functions for each input variable with two input and one output equivalent to the fuzzy model shown in FIG. 3 is shown in FIG.

여기서, 입력은 x, y이고 출력은 z이다. 여기에 포함된 퍼지규칙은 다음과 같은 선형 추론형태의 규칙 두 개를 가진다.Where input is x, y and output is z. The fuzzy rules included here have two rules of linear inference.

각 층의 각 노드에서 수행되는 계산은 다음과 같다.The calculation performed at each node of each layer is as follows.

1 층 : 각 노드 i에 의한 출력은 [수학식 2]와 같다.1st floor: The output by each node i is shown in [Equation 2].

여기서, 는 노드 의 입력, 는 퍼지 언어 변수이다.here, Is a node Input, Is a fuzzy language variable.

의 멤버쉽함수 값으로 입력 x가 를 만족하는 정도를 나타낸다. 은 [수학식 3]으로 표현되는 종 모양의 멤버쉽함수를 사용한다. Is Enter x as the membership function value Indicates the degree of satisfaction. Uses the bell-shaped membership function represented by Equation 3.

여기서, 는 파라미터 집합이다. 이러한 파라미터들을 조정함으로써 멤버쉽함수의 모양을 변경시킨다. 이것이 동정되어야 할 전반부 파라미터이다.here, Is a set of parameters. By adjusting these parameters, you change the shape of the membership function. This is the first half parameter to be identified.

2 층 : 각 노드는 입력되는 신호들을 곱해서 식 4와 같이 출력된다. 이것은 각 퍼지 규칙의 전반부 적합도를 계산하는 것을 의미한다.Layer 2: Each node multiplies the incoming signals and outputs them as shown in Equation 4. This means calculating the first half fit of each fuzzy rule.

3 층 : 각 노드 i 는 i 번째 규칙의 적합도에 대한 모든 규칙의 적합도의 합의 비를 식 5와 같이 계산한다. 즉, 각 노드의 출력은 규준화된 적합도가 된다.Layer 3: Each node i computes the ratio of the sum of the goodness of fit of all the rules to the goodness of fit of the i th rule as shown in Equation 5. In other words, the output of each node is normalized goodness of fit.

4 층 : 각 노드에 대하여 후반부 변수를 곱한다.Fourth Floor: Multiply the latter variable for each node.

여기서, 는 3층의 출력이고 은 동조되어야 할 후반부 파라미터들의 집합이다. Where is the output of the third floor and is the later set of parameters to be tuned.

5 층 : 모든 입력 신호를 합하여 전체 퍼지모델의 출력을 [수학식 7]과 같이 계산한다.5th floor: Add all input signals and calculate the output of the entire fuzzy model as shown in [Equation 7].

적응 퍼지-뉴럴네트워크의 각 파라미터들을 동정하기 위해 경사하강법에 기초한 오류역전파 알고리즘과 최소자승법을 합성하여 사용한다. 이러한 하이브리드 학습 알고리즘은 전방향 경로에서 각 노드의 출력 신호는 4층까지 계산되고, 전반부 변수가 고정된 상태에서 후반부 변수가 최소자승법에 의해 동정된다. 후방향 경로에서는 오차율이 출력노드에서 입력 노드까지 역으로 전달되고 전반부 변수가 경사 하강법에 의해 조정된다. 이러한 하이브리드 알고리즘에 의한 접근은 경사 하강법으로만 수행하는 것보다 학습 속도가 매우 빠르다. 또한, 전반부 및 후반부 파라미터의 동정에서 전반부 및 후반부 파라미터를 따로따로 동정하기 때문에 동정해야할 파라미터의 수를 줄일 수 있다. [도 5]는 각 전달 방향에 대하여 요약하였다In order to identify each parameter of adaptive fuzzy-neural network, error backpropagation algorithm and least square method based on gradient descent method are used. In this hybrid learning algorithm, the output signal of each node in the omni-directional path is calculated to the fourth floor, and the latter half variable is identified by the least square method while the first half variable is fixed. In the backward path, the error rate is passed back from the output node to the input node and the first half variable is adjusted by the gradient descent method. This hybrid algorithm approach is much faster than the gradient descent approach. In addition, since the first half and second half parameters are separately identified in the identification of the first half and second half parameters, the number of parameters to be identified can be reduced. 5 summarizes each delivery direction.

전반부 변수의 동정을 위한 오류역전파 알고리즘은 다음과 같이 에러를 근거로 하여 퍼지규칙의 전반부 파라미터를 동정한다.The error backpropagation algorithm for identifying the first half variable identifies the first half parameter of the fuzzy rule based on the error as follows.

여기서, 는 학습율이고 [수학식 9]와 같이 계산된다.here, Is the learning rate and is calculated as shown in [Equation 9].

그러므로 새로운 파라미터 는 다음과 같이 주어진다.New parameters Is given by

[도 4]에서 보여진 적응 퍼지-뉴럴 네트워크으로부터 전반부 파라미터의 값이 고정되었을 때 전체적인 출력값은 후반부 파라미터의 선형적인 조합으로 표현될 수 있다는 것을 알았다. 적응 퍼지-뉴럴 네트워크에서 보여진 하이브리드 학습 알고리즘을 정리하면 파라미터의 빠른 동조를 위해 경사하강법과 최소자승법이 결합된 하이브리드 학습규칙을 유도함을 알 수 있다. 이에 대하여 구체적으로 알아보면 다음과 같다. From the adaptive fuzzy-neural network shown in FIG. 4, it was found that when the value of the first half parameter is fixed, the overall output value can be expressed as a linear combination of second half parameters. The hybrid learning algorithm shown in the adaptive fuzzy-neural network can be summarized to derive a hybrid learning rule combining gradient descent and least-square method for fast tuning of parameters. This will be described in detail below.

전방향 경로에서는 최소 자승법을 이용하며, 모델의 입력 벡터 에 대하여, 다음과 같은 식이 성립한다.The omni-directional path uses the least squares method and the input vector of the model. With respect to, the following equation holds.

따라서, [수학식 11]은 전체 데이터 모델에 적용하면 다음과 같이 나타내어진다. Therefore, Equation 11 is expressed as follows when applied to the entire data model.

이를 간략히 나타내면,In short,

만약, 이고 역행렬이 존재한다면, 다음의 관계가 성립한다.if, If there is an inverse, then the following relationship holds.

랜덤노이즈나 모델링 에러에 의하여 [수학식 13]이 변화되면, [수학식 15]와같이 표현할 수 있다.If [Equation 13] is changed due to random noise or modeling error, it can be expressed as in [Equation 15].

여기서, [수학식 3]에 대한 정확한 파라미터를 구하는 것이 아니라, 자승에러를 최소로 하는 를 구하는 것이다.Here, instead of obtaining the exact parameters for [Equation 3], the square error is minimized. To obtain.

[수학식 5]는 일 때 제곱에러가 가장 작아진다. 이것을 만족하는 정규방정식은, 다음과 같다.[Equation 5] is When the square error is the smallest. The regular equation that satisfies this is as follows.

상기 [수학식 17]의 에서 새로운 데이터쌍 가 인가되었다면Of Equation 17 above New data pairs If is authorized

처럼 표현된다.Is expressed as:

여기서, 간단히 하기 위해 라 하면,Here, for simplicity Say,

여기서, 이므로,here, Because of,

을 이용하면, Wow If you use,

가 되므로, [수학식 21]을 얻을 수 있다.Since Equation 21 can be obtained.

[수학식 21]을 [수학식 20]에 대입하고, 에 적용하면, [수학식 22]가 얻어진다.Substituting Equation 21 into Equation 20, When applied to, Equation 22 is obtained.

그럼으로써 와 새로운 데이터쌍 로 표현된다, 여기서 다시Thereby silver And new data pairs Is represented here, again

과 같은 관계가 성립하게 되며, 최종식을 정리하면 다음과 같다.The relationship is established and the final equation is summarized as follows.

역방향 경로 학습에서는 경사하강법을 이용하게 되며, 그 알고리즘은 다음과 같다.The backward path learning uses gradient descent, and the algorithm is as follows.

먼저 여기에서 쓰이는 종 모양의 멤버쉽 함수는 [수학식 25]와 같다.First, the bell-shaped membership function used is shown in Equation 25.

여기서, 동조될 각 파라미터는 임으로 각 각의 파라미터에 대하여 편미분을 취하면 수학식 26과 같이됨을 알 수 있다.Here, each parameter to be tuned Therefore, it can be seen that Equation 26 is obtained by taking partial derivatives for each parameter.

이상 기술한 바와 같은 과정을 통해 적응 퍼지-뉴럴 네트워크는 각 파라메터를 동정하고, 시스템을 학습하여 모델링하게 되고, 본 발명의 실시예에서는 유전자 알고리즘을 이용한 선행 데이터 처리과정에서 얻어진 6종류의 입력 데이터를 이용하여, 시스템을 모델링하고, 최종적인 자동 진단 모델이 얻어지게 된다. 이와 같이 얻어진 최종 모델에 새로운 환자로부터의 검사결과 데이터를 입력함으로서 그 환자에 대한 진단 결과를 얻을 수 있다. [도 6]에 전체적인 블록 다이어그램을 나타내었고, [도 7]에 자동 진단 시스템으로부터 얻어진 진단 결과를 나타내었으며, 구성된 시스템의 성능에 관한 도표를 [도 8]에 나타내었다.Through the above-described process, the adaptive fuzzy-neural network identifies each parameter, learns the system, and models the system. In the embodiment of the present invention, six types of input data obtained in the preceding data processing process using a genetic algorithm are used. By using this, the system is modeled and a final automated diagnostic model is obtained. By inputting test result data from a new patient into the final model thus obtained, a diagnosis result of the patient can be obtained. The overall block diagram is shown in FIG. 6, the diagnosis results obtained from the automatic diagnosis system are shown in FIG. 7, and a diagram of the performance of the configured system is shown in FIG. 8.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전체 시스템의 구성에 대한 블록 다이어그램을 도시한 도면이다. 전체 시스템의 입력단에서, 먼저 선행 처리기로서 본 모델링 알고리즘인 적응 퍼지-뉴로 네트워크에 데이터가 입력되기에 앞서 유전자 알고리즘을 이용하여 필수적이고 출력을 얻어냄에 있어 효과적인 데이터들을 얻기 위하여, 세침 흡인 검사법 또는 영상 투영법에 의해 얻어진 여러 종류의 데이터들의 각각의 종류를 대표하는 변수들을 2진 스트링으로 정의한다. 그 다음 이러한 각 변수들에 자동적으로 0과 1의 값을 부여한다. 이때, 0은 이 입력 변수가 퍼지-뉴로 네트워크의 입력으로 사용되지 않음을 의미하며, 1은 사용됨을 의미한다. 이후로의 동작은 유전자 알고리즘의 동작과 같으며, 교배, 돌연변이를 통해 새로운 세대를 생성하면서, 축소시킨 적응 퍼지-뉴럴 네트워크를 결정 함수로 사용하여, 유전자 알고리즘을 실행한다. 이의 최종 결과로서, 최적의 조건을 가진 개체가 선택되게 되며, 이는 다시, 완전한 퍼지-뉴럴 네트워크의 최종 입력으로 쓰여, 유방암의 진단 과정을 모델링하게 된다. 6 is a block diagram showing the configuration of an entire system according to a preferred embodiment of the present invention. At the input of the whole system, first, a fine needle aspiration test or imaging, in order to obtain the data necessary and effective in obtaining the output using the genetic algorithm before inputting the data into the adaptive fuzzy-neuro network, the modeling algorithm, as a preprocessor. Variables representing each type of the various types of data obtained by the projection method are defined as binary strings. Then each of these variables is automatically assigned a value of 0 and 1. In this case, 0 means that this input variable is not used as an input of the fuzzy-neuro network, and 1 means that it is used. Subsequent operations are the same as those of the genetic algorithm, and the genetic algorithm is executed using a reduced adaptive fuzzy-neural network as a decision function, generating a new generation through crosses, mutations. As a final result of this, individuals with optimal conditions will be selected, which, in turn, will be used as the final input of a complete fuzzy-neural network to model the diagnosis of breast cancer.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성된 자동 진단 시스템에 의한 테스트 결과를 도시한 도면이다. 도 7의 상단에 있는 그래프는 최종적으로 얻어진 입력의 조합을 이용하여 적응 퍼지-뉴럴 네트워크를 학습시킨 결과이며, 하단의 그래프는 학습된 모델을 이용하여, 테스트를 행한 결과이다. 여기서‘x'로 표시된 자료는 실제 유방암 데이터의 정확한 진단 결과이며‘o'로 표시된 자료는 적응 퍼지-뉴럴 네트워크의 출력에 의해 얻어진 자동 진단 결과이다. 이 때, 악성과 양성의 여부는 0.5를 기준으로 판단하였으며, 도 7의 결과를 기준으로 할 때, 본 발명에서 제시된 인공지능 유방암 진단 시스템은 학습 데이터에서 약 98%, 테스트 데이터에서 약 96%의 진단 정확도를 갖는다.7 is a diagram illustrating test results by an automatic diagnosis system constructed according to a preferred embodiment of the present invention. The graph at the top of FIG. 7 is the result of training the adaptive fuzzy-neural network using the finally obtained input combination, and the graph at the bottom is the result of the test using the learned model. The data marked with 'x' is the exact diagnosis of actual breast cancer data and the data marked with 'o' is the automatic diagnosis obtained by the output of the adaptive fuzzy-neural network. At this time, whether malignant or benign was determined based on 0.5. Based on the results of FIG. 7, the artificial breast cancer diagnosis system presented in the present invention was about 98% in the training data and about 96% in the test data. Has diagnostic accuracy.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성된 시스템의 성능에 관하여 도시한 도면이다. 도 8에서 알 수 있는 것과 같이, 유전자 알고리즘에 의하여, 얻어진 6개의 입력을 이용하여 모델링된 진단기는 정확도 면에서 약 97%의 정확도를 가지므로, 전체 데이터를 이용한 모델과 약 1%의 차이를 보이지만, 수행 시간에서 전체 데이터를 이용한 모델이 약 38분의 학습 시간을 보이는 것과 대조적으로 약 4분 내에 학습과정이 끝나게 되므로, 유용하다 할 수 있다. 진단 결과를 살펴보았을 때, 실제 전문가 집단인 의사들에 의해 얻어지는 진단 정확도가 약 90% 내외인 것을 고려하면, 본 발명에서 제시된 진단 시스템의 정확도 또한 매우 높다고 할 수 있다.8 illustrates the performance of a system constructed in accordance with a preferred embodiment of the present invention. As can be seen in Figure 8, by the genetic algorithm, the diagnostic model modeled using the six inputs obtained has an accuracy of about 97% in terms of accuracy, it shows a difference of about 1% from the model using the full data In contrast, this model is useful because the learning process is completed in about 4 minutes, as opposed to the model using the entire data at the execution time of about 38 minutes. Considering the results of the diagnosis, considering that the accuracy of diagnosis obtained by the doctors who are the actual expert group is about 90%, the accuracy of the diagnosis system presented in the present invention is also very high.

상기와 같이 본 발명에서 사용된 알고리즘을 이용하면, 유방암에 국한되지 않고, 다른 정확한 진단을 얻기 어려운 질병의 최종 진단 결심 또는 그 과정의 도움을 받을 수 있으므로, 본 발명을 이용하여, 기타 질병에 대한 자동 진단 시스템으로의 확장 및 적용 또한 용이하다.By using the algorithm used in the present invention as described above, it is possible not only to breast cancer, but also to receive the help of the final diagnosis of the disease or the process of the disease that is difficult to obtain another accurate diagnosis. It is also easy to extend and apply to automated diagnostic systems.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다. Meanwhile, in the detailed description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined not only by the scope of the following claims, but also by those equivalent to the scope of the claims.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 동작하는 본 발명에 있어서, 개시되는 발명중 대표적인 것에 의하여 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 다음과 같다.In the present invention operating as described in detail above, the effects obtained by the representative ones of the disclosed inventions will be briefly described as follows.

본 발명은, 전문가 집단인 의사에 있어서조차 정확한 진단이 쉽지 않은 비선형성이 높은 유방암 검사의 데이터에 의한 진단에 있어서, 인공지능 알고리즘인 적응 퍼지-뉴로 네트워크를 이용하여, 최종진단 또는 의사 진단시 참고로 활용할 수 있는 시스템을 구축하는 효과가 있다.The present invention, in the diagnosis by the data of the high non-linearity breast cancer test that is not easy to make accurate diagnosis even in the expert group of doctors, using the artificial intelligence algorithm adaptive fuzzy-neuron network, the reference during the final diagnosis or doctor diagnosis It is effective to build a system that can be utilized.

게다가, 발명에서 사용된 방법을 이용하면, 많은 데이터 또는 상관관계가 불명확한 데이터에 의한 다른 질병의 진단시에도 유용하게 이용될 수가 있다. In addition, by using the method used in the invention, it can be usefully used in the diagnosis of other diseases by a large amount of data or uncorrelated data.

그리고, 적응 퍼지-뉴럴 네트워크 뿐만이 아니라 기타 다른 인공지능 알고리즘을 이용하여 본 발명에서 제시된 바와 같은 방법으로 질병을 진단할 수 있다.In addition, the disease can be diagnosed by the method as proposed in the present invention using not only an adaptive fuzzy-neural network but also other AI algorithms.

도 1은 유전자 알고리즘을 이용하여, 입력 인자들 중 기여도가 높은 인자를 추려내는 단계;1 is a step of extracting a high contribution factor among input factors using a genetic algorithm;

도 2는 유전자 알고리즘에서 세대가 지남에 따라 오차가 줄어드는 모습;2 is a view that the error is reduced with generations in the genetic algorithm;

도 3은 2 개의 규칙을 가진 2 입력 1 출력 퍼지모델의 구조;3 is a structure of a two input one output fuzzy model with two rules;

도 4는 2개의 멤버쉽함수를 사용하는 적응 뉴로-퍼지 네트워크 구조;4 is an adaptive neuro-fuzzy network architecture using two membership functions;

도 5는 적응 퍼지-뉴럴 네트워크에서의 학습방법을 나타낸 표;5 is a table illustrating a learning method in an adaptive fuzzy-neural network;

도 6은 전체 시스템의 구성에 대한 블록 다이어그램;6 is a block diagram of the configuration of the entire system;

도 7은 구성된 자동 진단 시스템에 의한 테스트 결과에 대한 도표;7 is a diagram of test results by a configured automated diagnostic system;

도 8은 구성된 시스템의 성능에 관한 도표;8 is a diagram of the performance of a configured system;

Claims (1)

인공지능 알고리즘을 이용한 유방암의 진단에 있어서,In the diagnosis of breast cancer using an artificial intelligence algorithm, 세침 흡인 검사 또는 촬영 영상을 통해 얻어진 자료들을 인공지능 시스템에 알맞도록 처리하는 단계;Processing the data obtained through the fine needle aspiration test or the captured image according to the artificial intelligence system; 뉴럴 네트워크, 퍼지 시스템 및 기타 뉴로-퍼지 혼합 시스템 등 인공지능 알고리즘을 이용하여 자동 진단기를 설계하는 단계;Designing an automated diagnostics system using artificial intelligence algorithms such as neural networks, fuzzy systems, and other neuro-fuzzy mixed systems; 유전자 알고리즘을 이용하여, 진단에 유리한 요인들을 찾아내는 단계;Using a genetic algorithm to find factors favorable for diagnosis; 적응 뉴로-퍼지 추론 시스템과, 기존의 진단 데이터를 이용하여, 자동 진단 시스템을 모델링하는 단계;Modeling an automated diagnostic system using an adaptive neuro-fuzzy inference system and existing diagnostic data; 유전자 알고리즘과 적응 퍼지-뉴럴 네트워크를 혼합하여, 진단 시스템에 필수적이고 유리한 요인들을 찾아내고 시스템을 학습시키는 단계;Combining genetic algorithms and adaptive fuzzy-neural networks to find essential and beneficial factors for the diagnostic system and to train the system; 유전자 알고리즘, 퍼지 시스템, 뉴럴 네트워크(신경망 회로)에 필요한 파라미터들을 설정하는 단계;Setting parameters required for genetic algorithms, fuzzy systems, neural networks (neural network circuits); 기존의 데이터로부터 학습이 완료된 시스템을 이용하여, 새로운 입력이 들어갔을 때, 결과를 얻어내는 단계;Obtaining a result when a new input is entered, using a system in which learning has been completed from existing data; 시험 데이터를 이용하여, 시스템을 테스트하는 단계;Using the test data, testing the system; 최종적으로 구성된 시스템을 이용하여, 출력을 얻어내는 단계;Using the finally configured system, obtaining an output;
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