Many anomaly detection approaches, especially deep learning methods, have been recently developed to identify abnormal image morphology by only employing normal images during training. Unfortunately, many prior anomaly detection methods were optimized for a specific "known" abnormality (e.g., brain tumor, bone fraction, cell types). Moreover, even though only the normal images were used in the training process, the abnormal images were oftenly employed during the validation process (e.g., epoch selection, hyper-parameter tuning), which might leak the supposed ``unknown" abnormality unintentionally. In this study, we investigated these two essential aspects regarding universal anomaly detection in medical images by (1) comparing various anomaly detection methods across four medical datasets, (2) investigating the inevitable but often neglected issues on how to unbiasedly select the optimal anomaly detection model during the validation phase using only normal images, and (3) proposing a simple decision-level ensemble method to leverage the advantage of different kinds of anomaly detection without knowing the abnormality. The results of our experiments indicate that none of the evaluated methods consistently achieved the best performance across all datasets. Our proposed method enhanced the robustness of performance in general (average AUC 0.956).


翻译:许多异常检测方法(尤其是深度学习方法)近年来被开发出来,通过仅使用正常图像进行训练来识别异常图像形态。然而,许多先前的异常检测方法针对特定的“已知”异常(如脑肿瘤、骨折、细胞类型)进行了优化。此外,尽管训练过程中仅使用了正常图像,但在验证过程(如epoch选择、超参数调优)中常会使用异常图像,这可能无意中泄露了原本“未知”的异常信息。本研究针对医学图像通用异常检测的两个关键方面进行了探索:(1)在四个医学数据集上比较多种异常检测方法;(2)研究验证阶段如何仅使用正常图像无偏选择最优异常检测模型这一不可避免却常被忽视的问题;(3)提出一种简单的决策级集成方法,以在不了解异常类型的情况下利用不同异常检测方法的优势。实验结果表明,没有任何一种评估方法能在所有数据集上持续取得最佳性能。我们提出的方法整体提升了性能的鲁棒性(平均AUC达到0.956)。

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在数据挖掘中,异常检测(英语:anomaly detection)对不符合预期模式或数据集中其他项目的项目、事件或观测值的识别。通常异常项目会转变成银行欺诈、结构缺陷、医疗问题、文本错误等类型的问题。异常也被称为离群值、新奇、噪声、偏差和例外。 特别是在检测滥用与网络入侵时,有趣性对象往往不是罕见对象,但却是超出预料的突发活动。这种模式不遵循通常统计定义中把异常点看作是罕见对象,于是许多异常检测方法(特别是无监督的方法)将对此类数据失效,除非进行了合适的聚集。相反,聚类分析算法可能可以检测出这些模式形成的微聚类。 有三大类异常检测方法。[1] 在假设数据集中大多数实例都是正常的前提下,无监督异常检测方法能通过寻找与其他数据最不匹配的实例来检测出未标记测试数据的异常。监督式异常检测方法需要一个已经被标记“正常”与“异常”的数据集,并涉及到训练分类器(与许多其他的统计分类问题的关键区别是异常检测的内在不均衡性)。半监督式异常检测方法根据一个给定的正常训练数据集创建一个表示正常行为的模型,然后检测由学习模型生成的测试实例的可能性。
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