JP7429514B2 - 機械学習装置 - Google Patents

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Description

本発明は、機械学習に関し、例えば、撮像した画像内に含まれる特定の物体(例えば、がんの細胞や液面上の泡等)を検出するための機械学習を用いた画像処理技術に適用可能である。
近年、画像認識技術においては、機械学習等を用いた画像認識技術の検討が行われている。Deep Learning等を用いることで、画像内の物体の検出精度を向上している。画像内の物体を検出するための識別器を開発するために、例えば、特許文献1に提案される技術がある。当該特許文献1では、複数の学習画像データ群を設定して機械学習を行い、ニューラルネットワークのパラメータを算出する。
特開2016-143351号公報
しかしながら、特許文献1のように、学習画像を複数の画像群に分けて再学習してパラメータを求めても、画像群の中に識別器の識別精度の向上に寄与しない画像が含まれることがあり、必ずしも識別器の識別精度は向上しない。また、特許文献1では、継続的に識別器の識別精度を向上できる学習画像データベースを作成できない。
本発明の一態様の機械学習装置は、データサンプルを処理するプロセッサと、前記処理の結果を格納する記憶装置と、を含む。前記プロセッサは、複数学習データベースから複数識別器を作成し、前記複数学習データベースそれぞれは複数学習データサンプルを格納し、前記複数識別器それぞれの識別性能の評価結果を作成し、前記評価結果に基づいて、前記複数学習データベースにおける一つの学習データベースおよび前記一つの学習データベースから生成される識別器を、使用する学習データベースおよび識別器と決定する。
本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、本発明の態様は、要素および多様な要素の組み合わせおよび以降の詳細な記述と添付される特許請求の範囲の様態により達成され実現される。本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本発明の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味に於いても限定するものではないことを理解する必要がある。
本発明の一態様によれば、適切な学習データベースおよび識別器を作成および使用することができる。
第1の実施形態による機械学習装置の機能を示すブロック図である。 第1の実施形態による機械学習装置のハードウェア構成例を示す図である。 第1の実施形態による学習部の構成例を示す図である。 第1の実施形態による学習部の動作の一例を説明するための図である。 第1の実施形態による学習部の動作の一例を説明するための図である。 第1の実施形態による学習部の動作の一例を説明するための図である。 第1の実施形態による学習部の動作の一例を説明するための図である。 第1の実施形態による学習部の動作の一例を説明するための図である。 第1の実施形態による描画部の動作の一例を説明するための図である。 第1の実施形態による学習部の動作を説明するためのフローチャートである。 第1の実施形態による機械学習装置の全体動作を説明するためのフローチャートである。 第1の実施形態による描画部の更新状況表示の一例を説明するための図である。 第2の実施形態による機械学習装置の機能を示すブロック図である。 第2の実施形態による機械学習装置の全体動作を説明するためのフローチャートである。 第3の実施形態による機械学習装置を含む画像診断支援装置を搭載した遠隔診断支援システムの概略構成を示す図である。 第4の実施形態による機械学習装置を含む画像診断支援装置を搭載したネット受託サービス提供システムの概略構成を示す図である。
一実施形態は、学習画像データベースの各画像を用いて機械学習を行って複数の識別器を作成し、さらに、作成した複数の識別器を評価して評価結果を求め、複数の評価結果を判定して識別器および学習画像データベースの更新可否を制御する。これにより、画像内の物体(例えば、組織・細胞等)を高精度に識別可能な識別器および識別器の継続的な識別精度の向上に寄与する画像から構成される学習画像データベースの作成を実現する機械学習装置およびその方法を提供する。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施形態と実装例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。
本実施形態では、当業者が本発明を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本発明の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。
更に、本発明の実施形態は、後述されるように、汎用コンピュータ上で稼動するソフトウェアで実装してもよいし専用ハードウェア又はソフトウェアとハードウェアの組み合わせで実装してもよい。以下では「プログラムとしての各処理部(例えば、学習部等)」を主語(動作主体)として本発明の実施形態における各処理について説明を行うが、プログラムはプロセッサ(CPU等)によって実行されることで定められた処理をメモリおよび通信ポート(通信制御装置)を用いながら行うため、プロセッサを主語とした説明としてもよい。
(1)第1の実施形態
<機械学習装置の機能構成>
図1は、第1の実施形態による機械学習装置の機能構成を示すブロック図である。機械学習装置1は、入力部10と、学習部11と、適性評価部12と、更新判定部13と、描画部14と、制御部91と、学習画像データベース(DB)(確定)100、学習画像DB(確定+確定前)101、評価画像102、メモリ90と、を含む。機械学習装置1は、画像診断支援装置等の画像取得装置内に実装してもよいし、後述する(第3乃至第4の実施形態)ように、画像取得装置とネットワークを介して接続されるサーバ内に実装してもよい。
機械学習装置1における、入力部10、学習部11、適性評価部12、更新判定部13、および描画部14は、プログラム又はプログラムを実行するプロセッサによって実現してもよいし、ハードウェアモジュールにより実現してもよい。
入力部10には画像データが入力される。例えば、入力部10は、画像取得装置(図1において不図示)にビルトインされたカメラ等の撮像手段が、所定時間間隔で撮像した、JPG、Jpeg2000、PNG、BMP形式等の符号化された静止画像データ等を、入力画像として取得してもよい。
入力部10は、MotionJPEG、MPEG、H.264、HD/SDI形式等の動画像データから、所定間隔のフレームの静止画像データを抜き出して、その画像を入力画像として取得してもよい。入力部10は、撮像手段からバスやネットワーク等を介して入力画像を取得してよい。入力部10は、脱着可能な記録媒体に既に記憶されている画像を入力画像として取得してもよい。入力部10から入力され画像は、学習画像(確定前)として、学習画像DB(確定+確定前)101に格納される。
学習画像DB(確定)100は、学習用画像と確定された画像と正解ラベルとの複数の組み合わせを格納している。各画像に対応する正解ラベルは確定されている。学習画像(確定前)は、学習用画像と確定される前の画像と正解ラベルとの、複数の組み合わせで構成されている。各画像に対応する正解ラベルは、変更され得る
学習部11は、入力画像内の特定の物体の画像を当該特定の物体と識別するように、例えば、正常の組織や細胞の画像を正常の組織や細胞と識別するように、また、入力画像内の異常の組織や細胞の画像を異常の組織や細胞と識別するように、機械学習を行う。学習部11は、学習画像DB(確定)100から識別器CA(識別に必要なパラメータ(フィルタ係数、オフセット値等))を作成する。学習部11は、学習画像DB(確定)100に入力部10から入力した学習画像(確定前)を加えた学習画像DB(確定+確定前)101から、識別器CBを作成する。
適性評価部12は、評価画像102を用いて、識別器CAとCBの識別結果および識別値を算出する。更新判定部13は、適性評価部12にて求めた識別器CAとCBの識別結果および識別値を用いて、識別器CAおよび学習画像DB(確定)100の更新可否を制御する。また、更新判定部13は、適性評価部12にて求めた後述するAvedr1やAvedr2、各MdrN、更新判定部13が判定した識別器CAや学習画像DB(確定)の更新の回数や更新したAvedr1の推移等の情報を、メモリ90に保存する。
描画部14は、適性評価部12にて求めた後述するAvedr1やAvedr2、各MdrN、更新判定部13が判定した識別器CAや学習画像DB(確定)の更新回数や更新したAvedr1の推移等の情報を、ディスプレイやプリンタ等の出力装置に出力する。
制御部91は、例えば、プログラムを実行するプロセッサで実現され、機械学習装置1内の各要素に接続される。機械学習装置1の各構成要素は、自律的又は制御部91の指示により、上述のように動作する。
このように本実施形態の機械学習装置1では、学習部11は、機械学習を行って、学習画像DB(確定)100から識別器CAを生成し、学習画像DB(確定)100に入力部10から入力した学習画像(確定前)を加えた学習画像DB(確定+確定前)101から識別器CBを作成する。適性評価部12は、評価画像102を用いて、識別器CAとCBの識別結果および識別値を算出する。更新判定部13は、適性評価部12にて求めた識別器CAとCBの識別結果および識別値を用いて、識別器CAおよび学習画像DB(確定)100の更新可否を制御する。
<機械学習装置のハードウェア構成>
図2Aは、第1の実施形態による機械学習装置1のハードウェア構成例を示す図である。機械学習装置1は、各種プログラムを実行するCPU(プロセッサ)201と、各種プログラムを格納するメモリ202(主記憶装置)と、各種データを格納する補助記憶装置203(メモリ90に相当)を含む。機械学習装置1は、さらに、識別結果や識別器や学習画像DB(確定)100の更新可否結果を出力するための出力装置204と、ユーザによる指示や画像等を入力するための入力装置205と、他の装置と通信を行うための通信デバイス206と、を含む。機械学習装置1内のこれら構成要素は、バス207によって相互に接続されている。
CPU201は、必要に応じてメモリ202から各種プログラムを読み込み、実行する。メモリ202は、プログラムとしての、入力部10と、学習部11と、適性評価部12と、更新判定部13と、描画部14とを格納する。
補助記憶装置203は、学習画像(確定前)、学習部11によって生成された識別器CAとCBのパラメータ、適性評価部12によって生成された識別結果と識別値、更新判定部13によって判定された更新結果を格納している。補助記憶装置203は、さらに、学習画像DB(確定)100および学習画像DB(確定+確定前)101、描画部14によって生成された検出枠を描画するための位置情報等を格納している。メモリ202、補助記憶装置203またはこれらの組み合わせは記憶装置である。
出力装置204は、ディスプレイ、プリンタ、スピーカ等のデバイスを含んで構成される。例えば、出力装置204は表示装置であり、描画部14によって生成されたデータを画面上に表示する。入力装置205は、キーボード、マウス、マイク等のデバイスを含んで構成される。入力装置205によってユーザによる指示(学習画像(確定前)入力の決定を含む)が、機械学習装置1に入力される。
通信デバイス206は、機械学習装置1において必須ではなく、画像取得装置に接続されたパソコン等に通信デバイスが含まれる場合には、機械学習装置1は通信デバイス206を保持していなくてもよい。通信デバイス206は、例えば、ネットワークを介して接続される他の装置(例えば、サーバ)から送信されてきたデータ(画像を含む)を受信し、補助記憶装置203に格納する。
本実施形態の機械学習装置は、学習画像データベースの画像を用いて機械学習を行って複数の識別器を作成し、さらに、作成した複数の識別器を評価して評価結果を求める。機械学習装置は、評価結果を判定して識別器および学習画像データベースの更新可否を制御することで、画像内の物体(例えば、組織・細胞等)をより高精度に識別可能な識別器、および、識別器の継続的な識別精度の向上に寄与する画像から構成される学習画像データベースを作成できる。
<各部の構成と動作>
以下、各要素の構成と動作について詳細に説明する。
(i)学習部11
図2Bは、学習部11の構成例を示す。学習部11は、特徴抽出部111、局所識別部112、全体識別部113を含む。
(i-i)特徴抽出部111
特徴抽出部111は、入力画像の特徴量を求める。図3は、特徴量を求める例を示す。図3のCNNは、Convolutional Neural Networkを表す。例えば、特徴抽出部111は、式1の演算を行う特徴抽出器FEAを用いて、入力画像Aiから入力画像Aiの物体(例えば、組織・細胞等)の特徴量FAiを求める。
Figure 0007429514000001
学習部11は、各物体の画像を各物体(正常組織や正常細胞を正常組織や正常細胞、もしくは異常組織や異常細胞を異常組織や異常細胞等)と識別するように、機械学習によりフィルタ係数wjを求める。pjは画素値、biはオフセット値、mはフィルタ係数の数、hは非線形関数を示す。
図4に示すように、特徴抽出部111は、式1を用いて、対象画像(例として病理組織画像)41の左上から右下に対して、各フィルタ42の計算結果を求めることで、任意のフィルタiの特徴量fiを求める。例えば、特徴抽出器FEAで求めた特徴量fiの行列を入力画像Aiの特徴量FAiとする。特徴抽出器FEAの作成方法については、後述する
(i-ii)局所識別部112
局所識別部112は、図5に示すように、特徴抽出部111で求めた特徴抽出器FEAの特徴量FAiと非線形関数NF(例えば、sigmoid関数等)を用いて、式2により、局所領域毎に物体らしさ(例えば、病変らしさ等)の値を算出する。局所識別部112は、算出した値に基づき、入力画像Ai内の物体が検出すべき物体か否か(例えば、正常細胞、もしくは異常細胞等)を判定する。
Figure 0007429514000002
式2において、LSはクラス、高さ、幅の3次元配列から成る局所識別値、FAiは特徴抽出部111にて求めた特徴量の番号、高さ、幅の3次元配列から成る特徴量である。Wは、クラス、特徴量の番号、高さ、幅の4次元配列から成る局所識別値算出のためのフィルタ、Bはクラスの1次元配列から成る局所識別値算出のためのオフセット値である。cはクラスのインデックス、yは特徴量の垂直方向のインデックス、xは特徴量の水平方向のインデックス、fyはフィルタの垂直方向のインデックス、fxはフィルタの水平方向のインデックス、jはフィルタのインデックスを示す。
式2ではConvolution処理を用いて局所識別値を算出しているが、局所識別値の算出方法はこれに限らない。例えばConvolution処理や非線形関数等を複数回適用して求めてもよいし、各座標における特徴量をRandom forestやSVM等、その他の識別手法に入力して局所識別値を算出してもよい。
(i-iii)全体識別部113
全体識別部113は、図6に示すように、局所識別部112にて求めた局所識別値LSと非線形関数(例えば、sigmoid関数等)を用いて基礎識別値BSを求める。全体識別部113は、基礎識別値BSを入力画像内の各物体画像の物体らしさ(例えば、病変らしさ等)の値を示す計算結果Rとして、入力画像Ai内の物体が検出すべき物体か否か(例えば、正常細胞、もしくは異常細胞等)を判定する(S1)。
基礎識別値BSは、式3の大局識別値GSと式4を用いて算出される。
Figure 0007429514000003
Figure 0007429514000004
式3において、GSはクラスの1次元配列から成る大局識別値、FAiは、特徴抽出部111で求めた特徴量の番号、高さ、幅の3次元配列から成る特徴量、Wはクラス、特徴量の番号、高さ、幅の4次元配列から成る大局識別値算出のためのフィルタを示す。Bはクラスの1次元配列から成る大局識別値算出のためのオフセット値、cはクラスのインデックスを示す。yは特徴量の垂直方向のインデックス、xは特徴量の水平方向のインデックス、fyはフィルタの垂直方向のインデックス、fxはフィルタの水平方向のインデックス、jはフィルタのインデックスを示す。
また、式4のLabelはクラスの1次元配列から成る画像単位の教師ラベル(正解ラベル)を示す。後述する学習部11は、機械学習により、式3の更新されるフィルタWの係数とオフセット値Bを求める。NLLは損失関数、例えば、Negative log likelihoodを示す。
式3はConvolution処理と水平・垂直方向の平均処理を用いて大局識別値を算出しているが、大局識別値の算出方法はこれに限らない。例えばConvolution処理や非線形関数等を複数回適用した後に、水平・垂直方向の平均処理を行ってもよいし、各座標における特徴量をRandom forestやSVM等、その他の識別手法に入力して得られた値の水平・垂直方向の平均値を算出してもよい。また水平・垂直方向の平均処理に限らず、総和処理等を用いてもよい。
学習部11は、全体識別部113が、局所識別値を用いて、入力画像内の各物体を各物体(例えば、正常組織や正常細胞を正常組織や正常細胞、異常組織や異常細胞を異常組織や異常細胞)と識別するように、既存の機械学習の技術を用いて各物体の特徴量を学習し、フィルタWの係数とオフセット値Bを求める。例えば、機械学習の技術として、Convolutional Neural Networkを用いてもよい。
学習部11は、図7に示すように、事前の機械学習により、入力画像Ai(例えば、病理画像)を用いて、式1により、入力画像Aiの特徴量FAiを算出する。次に、学習部11は、式2により、特徴量FAiから局所識別値LSを求める。学習部11は、局所識別値LSから求めた基礎識別値BSを用いて、各対象物体の画像を各対象物体(例えば、異常組織や異常細胞を異常組織や異常細胞、正常組織や正常細胞を正常組織や正常細胞)と判定するように、式1から式3までの各パラメータを算出する。
学習部11は、学習画像DB(確定)100の複数の学習用画像を用いて、特徴抽出部111、局所識別部112、および全体識別部113の処理を繰り返して行い、式1、式2および式3に示す各パラメータ(フィルタ係数wj、フィルタWの係数、オフセット値biとB等)を求める。
学習部11は、入力画像から入力画像の特徴量を算出する特徴抽出器、局所識別値を求める局所識別器、大局識別値を求める大局識別器から成る識別器CAを作成する。同様に、学習部11は、学習画像DB(確定+確定前)101の複数の学習画像を用いて、式1、式2および式3に示す各パラメータ(フィルタ係数wj、フィルタWの係数、オフセット値biとB等)を求め、識別器CBを作成する。学習部11は、求めた各パラメータ(フィルタ係数wj、フィルタWの係数、オフセット値biとB等)をメモリ90に格納する。
例えば、学習部11は、学習画像DB(確定)100および学習画像DB(確定+確定前)101それぞれの識別タイプの画像数のバランスを調整して、識別器CAおよびCBを作成する。例えば、学習部11は、学習画像DB(確定)100および学習画像DB(確定+確定前)101それぞれにおいて、識別タイプ間の画像数の差が所定の閾値より小さくなるように画像数を調整する。これにより、より適切な評価を行うことができる。
(ii)適性評価部12
適性評価部12は、評価画像102を用いて、式5により、学習部11が作成した識別器CAとCBについて、識別器CAのAvedrX(Avedr1)と識別器CBのAvedrX(Avedr2)を求めることで、それら識別器の評価を行う。式5において、Nは識別するタイプの数を示す。各MdrNは対象の検出率を示す。例えば、N=2であり、Mdr1は良性腫瘍検出率(平均)を示し、Mdr2は悪性腫瘍検出率(平均)を示す。適性評価部12は、AvedrXと異なる値を使用することができ、例えば、MdrNの最大値を使用してもよい。
Figure 0007429514000005
(iii)更新判定部13
更新判定部13は、適性評価部12で求めた複数のAvedrXを比較して、識別器CAおよび学習画像DB(確定)100の更新可否を制御する。例えば、Avedr2>Avedr1かつAvedr2>TH1(例えば、TH1=0.7)の場合(K1)、更新判定部13は、識別器CAおよび学習画像DB(確定)100の更新を行う。具体的には、更新判定部13は学習画像DB(確定)100の内容を学習画像DB(確定+確定前)101の内容に更新し、識別器CAを学習画像DB(確定+確定前)101で学習した識別器CBの内容に更新する。
また、Avedr2≦Avedr1かつAvedr2>TH1の場合(K2)、更新判定部13は、識別器CAおよび学習画像DB(確定)の更新を行わず、学習画像DB(確定前)の画像の順番を、例えばランダムに、入れ替える。学習部11は、順番が入れ替えられた学習画像DB(確定前)によって再学習を行う。K1の場合でもK2の場合でもない場合、更新判定部13は、再学習のために、入力装置を介したにユーザよる指示に従って又は自動的に、学習画像DB(確定前)におけるいくつかの画像の正解ラベルを変更する。例えば、更新判定部13は、画像のミニバッチ毎に正解ラベルの変更の有無を判定してもよい。
更新判定部13は、適性評価部12にて求めたAvedr1やAvedr2、各MdrN、更新判定部13が判定した識別器CAや学習画像DB(確定)100の更新回数や更新したAvedr1の推移等を、メモリ90またはログファイルに記録する。
(iv)描画部14
描画部14は、一例として、図11に示すGUI(グラフィカルユーザーインタフェース)にて、適性評価部12にて求めたAvedr1やAvedr2、各MdrN、更新判定部13で判定した識別器CAや学習画像DB(確定)の更新回数や更新したAvedr1の推移等を表示する。図11の例は、Avedr1を0.71、Avedr2を0.81、Mdr1を0.80、Mdr2を0.82、更新回数を10と表示している。
また、描画部14は、入力部10から入力された未知の画像の各識別器での識別結果を表示する。画像内の特定の部分が検出すべき物体(例えば、異常組織や異常細胞)と判定されている場合、図8に示すように、描画部14は、検出すべき物体の箇所(例えば、異常組織や異常細胞が疑われる箇所等)を示すために、入力した対象画像81内に検出枠82を描画してもよい。一方、対象画像81が正常組織や正常細胞と判定された場合は、描画部14は、検出枠82を入力した対象画像81上に描画せず、入力した対象画像81をそのまま表示してもよい。
また、図8に示すように、描画部14は、判定した物体らしさの結果(例えば、腫瘍)83を表示する。描画部14は、機械学習装置1としては必須の構成ではなく、画像診断支援装置に描画部が含まれる場合には、機械学習装置1は描画部14を保持していなくてもよい。
<機械学習装置の処理手順>
図9は、第1の実施形態による機械学習装置1の学習部11の動作を説明するためのフローチャートである。以下では、学習部11を動作主体として記述するが、CPU201を動作主体とし、CPU201がプログラムとしての各処理部を実行するように読み替えてもよい。
(i)ステップ901
入力部10は、学習用入力画像Aiを受け付け、当該入力画像Aiを学習部11に出力する。
(ii)ステップ902
学習部11は、機械学習によって、上述の式1により、フィルタを用いて入力画像Aiにおける物体(例えば、組織や細胞等)の特徴量を求め、特徴抽出器FEAを作成する。学習部11は、特徴量FAiについて、フィルタ係数wj、オフセット値biを求める。
(iii)ステップ903
学習部11は、機械学習によって、式2により、特徴量FAiから局所識別値LSを求め、局所領域毎に物体らしさ(例えば、病変らしさ等)の値を算出し、入力画像Ai内の物体が検出すべき物体か否か(例えば、正常細胞、もしくは異常細胞等)を判定するように、局所識別値を求めるための式2の各パラメータ(フィルタWの係数、オフセット値B等)を求める。
(iv)ステップ904
学習部11は、機械学習によって、局所識別値LSから求めた基礎識別値BSを用いて、各対象物体の画像を各対象物体(例えば、異常組織や異常細胞を異常組織や異常細胞、正常組織や正常細胞を正常組織や正常細胞)と判定するように、式3の各パラメータ(フィルタWの係数、オフセット値B等)を求める。
(v)ステップ905
学習部11は、式1、式2および式3の各パラメータ(フィルタ係数wj、フィルタWの係数、オフセット値bi、B等)をメモリ90に保存する。
図10は、本実施形態による機械学習装置1の動作を説明するためのフローチャートである。以下では、各処理部(入力部10、学習部11等)を動作主体として記述するが、CPU201を動作主体とし、CPU201がプログラムとしての各処理部を実行するように読み替えてもよい。
(i)ステップ1001
入力部10は、学習画像DB(確定+確定前)の入力画像Aiを学習部11に出力する。
(ii)ステップ1002
学習部11は、メモリ90から識別器CAに関する式1、式2および式3の各パラメータを読込む。学習部11は、さらに、学習画像DB(確定+確定前)101を用いて機械学習を行い、識別器CBに関する式1、式2および式3の各パラメータを算出する。
(iii)ステップ1003
適性評価部12は、識別器CAおよびCBそれぞれの各パラメータと評価画像を用いて、式5より、識別器CAのAvedr1と識別器CBのAvedr2を算出する。
(iv)ステップ1004
更新判定部13は、算出したAvedr1とAvedr2を比較する。Avedr2>Avedr1の場合、更新判定部13は、ステップ1005に移行する。一方、計算結果Avedr2≦Avedr1の場合、更新判定部13は、ステップ1006に移行する。
(v)ステップ1005
Avedr2>TH1の場合、更新判定部13は、ステップ1007に移行する。一方、Avedr2≦TH1の場合、更新判定部13は、ステップ1008に移行する。
(vi)ステップ1006
Avedr2>TH1の場合、更新判定部13は、ステップ1008に移行する。一方、Avedr2≦TH1の場合、更新判定部13は、はステップ1009に移行する。
(vii)ステップ1007
更新判定部13は、識別器CAと学習画像DB(確定)100を更新する。
(viii)ステップ1008
更新判定部13は、学習画像DB(確定+確定前)の画像の順番を入れ換える。
(ix)ステップ1009
更新判定部13は、学習画像DB(確定前)の正解ラベルを付け替える。
(x)ステップ1010
更新判定部13は、学習画像DB(確定+確定前)の全ての画像について更新判定が終了したかをチェックし、終了していればステップ1011に移行する。一方、終了していない場合、更新判定部13は、ステップ1002に戻って、ステップ1002からステップ1009を繰返し行う。
(xi)ステップ1011
更新判定部13は、識別器CAの情報をメモリ90(補助記憶装置203に相当)に保存する。
上述のように、機械学習装置は、学習画像データベースの中に識別器の識別精度の向上に寄与しない画像が含まれている場合でも、識別器の識別精度の向上に寄与する画像を自動判定し、判定結果に応じて識別器および学習画像データベースの更新可否を制御する。より具体的には、機械学習装置は、複数の学習画像データベースの各画像を用いて機械学習を行って複数の識別器を作成し、さらに、作成した複数の識別器を評価して評価結果を求める。機械学習装置は、複数の評価結果を判定して識別器および学習画像データベースの更新可否を制御して、使用する学習画像データベースおよび識別器を決定する。これにより、画像内の物体(例えば、組織・細胞等)を高精度に識別可能な識別器および識別器の継続的な識別精度の向上に寄与する画像から構成される学習画像データベースを作成することが可能となる。
また、入力する学習画像の中に識別器の識別精度の向上に寄与しない画像が含まれていても、それらの画像を排除して学習画像データベースを作成することが可能となる。また、入力した学習画像がその時点で識別器の識別精度の向上に寄与しない場合でも、学習する画像の順番を変えて再度学習することで、識別器の識別精度の向上に寄与する画像として利用することが可能となる。
(2)第2の実施形態
以下において、第2の実施形態を説明する。図12に示す第2の実施形態に係る機械学習装置1は、第1の実施形態の図1と同様の構成要素を多く含むが、第1の実施形態の学習画像DB(確定+確定前)101の代わりに、学習画像DB(確定前)201を含み、また、更新判定部23を含む。以下において、図1と異なる構成について主に説明をする。
本実施形態の機械学習装置1は、学習画像データベースの各画像を用いて機械学習を行って複数の識別器を作成し、さらに、作成した複数の識別器を評価して評価結果を求める。機械学習装置1は、複数の評価結果を判定して識別器および学習画像データベースの更新可否または作成を制御する。これにより、例えば施設毎または時期毎に適した、画像内の物体(例えば、組織・細胞等)を高精度に識別可能な識別器および識別器の継続的な識別精度の向上に寄与する画像から構成される学習画像データベースを作成できる。
<各部の構成と動作>
以下、図1と異なる各要素の構成と動作について詳細に説明する。
(i)学習画像DB(確定前)201
学習画像DB(確定前)201は、入力部10から入力された画像を格納し、その他の画像を格納していない。
(ii)更新判定部23
学習部11は、学習画像DB(確定)100から識別器CAを作成し、学習画像DB(確定前)201から識別器CBを作成する。適性評価部12は、評価画像を用いて、識別器CAのAvedr1と識別器CBのAvedr2を求めることで、識別器の評価を行う。更新判定部23は、適性評価部12で求めた複数のAvedrXを比較して、識別器CA、CB、学習画像DB(確定)100および学習画像DB(確定前)201の更新可否または作成を制御する。
すなわち、評価画像の全ての画像について、Avedr2>Avedr1の場合、以前に収集した学習画像DB(確定)100から作成した識別器CAよりも、例えば他施設または他時期に収集した学習画像DB(確定前)201から作成した識別器CBの方が、評価画像の識別に適している。そのため、更新判定部23は、識別器CAや学習画像DB(確定)とは別に、評価画像とセットにして識別器CBおよび学習画像DB(確定前)を保存する。
Avedr2≦Avedr1の場合、以前に収集した学習画像DB(確定)から作成した識別器CAの方が、例えば他施設または他時期で収集した学習画像DB(確定前)から作成した識別器CBよりも評価画像の識別に適している。そのため、更新判定部23は、評価画像とセットにして識別器CAおよび学習画像DB(確定)を保存する。
<機械学習装置のハードウェア構成>
本実施形態による機械学習装置1のハードウェア構成例は、図2と同様の構成を有するが、第1の実施形態に係る機械学習装置1と異なり、メモリ202に更新判定部23を含む。
機械学習装置1の補助記憶装置203は、適性評価部12で求めた計算結果AvedrX、更新判定部23によって判定された識別器CA、CB、学習画像DB(確定)100、学習画像DB(確定前)201および評価画像、学習部11によって生成した式1、式2および式3の各パラメータ等を記憶している。
図13は、本実施形態による機械学習装置1の動作を説明するためのフローチャートである。以下では、各処理部(入力部10、学習部11等)を動作主体として記述するが、CPU201を動作主体とし、CPU201がプログラムとしての各処理部を実行するように読み替えてもよい。
(i)ステップ1301
入力部10は、学習画像DB(確定前)201の入力画像Aiを学習部11に出力する。
(ii)ステップ1302
学習部11は、メモリ90から識別器CAに関する式1、式2および式3の各パラメータを読込む。また、学習画像DB(確定前)201を用いて機械学習を行い、識別器CBに関する式1、式2および式3の各パラメータを算出する。
(iii)ステップ1303
適性評価部12は、識別器CAおよびCBそれぞれの各パラメータと評価画像を用いて、式5より、識別器CAのAvedr1と識別器CBのAvedr2を算出する。
(iv)ステップ1304
更新判定部13は、算出したAvedr1とAvedr2を比較する。Avedr2>Avedr1の場合、更新判定部13は、ステップ1305に移行する。一方、Avedr2≦Avedr1の場合、更新判定部13は、ステップ1306に移行する。
(v)ステップ1305
更新判定部13は、識別器CB、学習画像DB(確定前)201、評価画像および計算結果(Avedr2、Avedr1)をセットにしてメモリ90(補助記憶装置203に相当)に保存する。
(vi)ステップ1306
更新判定部13は、識別器CA、学習画像DB(確定)100、評価画像および計算結果(Avedr2、Avedr1)をセットにしてメモリ90(補助記憶装置203に相当)に保存する。
(vii)ステップ1307
更新判定部13は、学習画像DB(確定前)201の全ての画像について更新判定が終了したかをチェックし、終了していれば処理を終える。一方、終了していない場合、更新判定部13はステップ1302に戻って、ステップ1302からステップ1306を繰返し行う。
第2の実施形態は、複数の学習画像データベースの各画像を用いて機械学習を行って複数の識別器を作成し、さらに、作成した複数の識別器を評価して評価結果を求める。第2の実施形態は複数の評価結果を判定して識別器および学習画像データベースの更新可否または作成を制御して、使用する学習画像データベースおよび識別器を決定する。これにより、施設毎の画像内の物体(例えば、組織・細胞等)を高精度に識別可能な識別器および学習画像データベースを得ることが可能となる。
また、識別器、学習画像DB、評価画像および計算結果をセットにしてデータを作成することで、計算結果を比較することで他施設(病院等)のデータで作成した識別器の性能を判定することが可能となる。
また、評価画像を任意の施設の画像データに変更することで、その施設の画像がどの施設用の識別器を使えば、画像内の物体を高精度に識別できるかを判定することが可能となる。
機械学習装置1は、複数の学習画像DB(確定)100を保持し、複数の学習画像DB(確定)100それぞれと、学習画像DB(確定前)201との間において、上記処理を実行してもよい。これにより、より適切な学習画像DBおよび識別器を得ることができる。
(3)第3の実施形態
図14は、第3の実施形態による遠隔診断支援システム1400の構成を示す機能ブロック図である。遠隔診断支援システム1400は、サーバ(計算機)1403と、画像取得装置1405と、を含む。
画像取得装置1405は、例えばバーチャルスライド装置やカメラを装備したパソコンのような装置であり、新たな画像を撮像する撮像部1401と、サーバ1403から伝送されてきた判定結果を表示するための表示部1404と、を含む。なお、画像取得装置1405は、図示されてはいないが、画像データをサーバ1403に送信し、サーバ1403から送信されてきたデータを受信する通信デバイスを含む。
サーバ1403は、画像取得装置1405から伝送されてきた画像データに対して、第1の実施形態または第2の実施形態による機械学習装置1を用いて画像処理を行う画像診断支援装置5と、画像診断支援装置5から出力された識別結果を格納する格納部1402と、を含む。なお、サーバ1403は、図示されてはいないが、画像取得装置1405から送信されてきた画像データを受信し、画像取得装置1405に判定結果データを送信する通信デバイスを含む。
画像診断支援装置5は、機械学習装置1で求めた識別器(現在識別器)を用いて、撮像部1401で生成された画像内の物体(例えば、組織や細胞等)について、検出すべき物体(例えば、異常組織や異常細胞(例:がん等)の有無を識別する。表示部1404は、サーバ1403から伝送された識別結果を、画像取得装置1405の表示装置画面に表示する。
画像取得装置1405として、撮影部を含む再生医療装置やiPS細胞の培養装置、またはMRIや超音波画像撮像装置等を用いてもよい。
上述のように、第3の実施形態によれば、遠隔診断支援システムを提供することが可能となる。具体的には、遠隔診断支援システムは、地点の異なる施設等から伝送された画像内の物体(例えば、組織や細胞等)について、機械学習装置1で求めた識別器の各パラメータを用いて検出すべき物体(異常組織や異常細胞等)か否かを精度よく分類する。さらに、分類結果を上記地点の異なる施設等に伝送して、その施設等にある画像取得装置の表示部で分類結果を表示する。
(4)第4の実施形態
図15は、第4の実施形態によるネット受託サービス提供システム1500の構成を示す機能ブロック図である。ネット受託サービス提供システム1500は、サーバ(計算機)1503と、画像取得装置1505と、を含む。
画像取得装置1505は、例えばバーチャルスライド装置やカメラを装備したパソコンのような装置である。画像取得装置1505は、新たな画像を撮像する撮像部1501と、サーバ1503から伝送された識別器(現在識別器)を格納する格納部1504と、画像診断支援装置5とを含む。
画像診断支援装置5は、サーバ1503から伝送された識別器を読込んで、撮像部1501にて新たに撮像された画像内の物体(例えば、組織や細胞等)について、第1の実施形態または第2の実施形態による機械学習装置1により求めた識別器を用いて、検出すべき物体(例えば、異常組織や異常細胞等)か否かを判定する。
なお、画像取得装置1505は、図示されてはいないが、画像データをサーバ1503に送信し、サーバ1503から送信されてきたデータを受信する通信デバイスを含む。
サーバ1503は、画像診断支援装置5と、画像診断支援装置5の機械学習装置1から出力された識別器を格納する格納部1502と、を含む。画像診断支援装置5は、画像取得装置1505から伝送されてきた画像データに対して、第1の実施形態または第2の実施形態による機械学習装置1から識別器の作成を行い、さらに作成した識別器を用いて識別処理を行う。
なお、サーバ1503は、図示されてはいないが、画像取得装置1505から送信されてきた画像データを受信し、画像取得装置1505に識別器を送信する通信デバイスを有している。
尚、画像診断支援装置5内の機械学習装置1は、撮像部1501で撮像した画像内の物体(例えば、組織や細胞等)について、検出すべき物体(例えば、正常の組織や細胞は正常の組織や細胞、異常の組織や細胞は異常の組織や細胞等)と判定するように機械学習を行い、識別器を作成する。識別器は、地点の異なる施設等の画像内の物体(例えば、組織・細胞等)の特徴量を算出する。格納部1504は、サーバ1503から伝送された識別器を格納する。
画像取得装置1505内の画像診断支援装置5は、格納部1504から識別器を読込み、その識別器を用いて、画像取得装置1505の撮像部1501にて新たに撮像した画像内の物体(例えば、組織や細胞等)について、検出すべき物体(例えば、異常組織や異常細胞等)か否かを分類し、画像診断支援装置5の出力装置(表示装置)204の表示画面に分類結果を表示する。
画像取得装置1505として、撮影部を含む再生医療装置やiPS細胞の培養装置、またはMRIや超音波画像撮像装置等を用いてもよい。
上述のように、第4の実施形態によれば、ネット受託サービス提供システムを提供することが可能となる。具体的には、ネット受託サービス提供システムは、地点の異なる施設等から伝送された画像内の物体(例えば、組織や細胞等)について、検出すべき物体(例えば、正常の組織や細胞は正常の組織や細胞、異常の組織や細胞は異常の組織や細胞等)と分類するように機械学習を行って識別器を作成する。ネット受託サービス提供システムは、識別器を上記地点の異なる施設等に伝送して、その施設等にある画像取得装置にて識別器を読込む。画像取得装置内の識別器は、新たな画像内の物体(例えば、組織や細胞等)について、検出すべき物体(例えば、異常組織や異常細胞等)か否かを分類する。
以上説明した各実施形態については、次のような変形が可能である。学習部11は、機械学習によりフィルタを用いて特徴量を求めたが、HOG等の他の特徴量を用いてもよい。学習部11は、損失関数として、Negative log likelihoodに代えて、2乗誤差やHinge loss等を用いてもよい。学習部11は、上記実施形態の方法と異なる任意の方法によって識別器を生成してよい。
上記実施形態は、識別器および学習画像データベースの更新または生成について説明したが、式1から式3への入力データの次元数を2次元から他の次元に変更することで、上記実施形態による識別器および学習データベースの更新または生成は、画像と異なるデータサンプル、例えば、音声データサンプル、センサデータサンプル、テキストデータサンプルにも適用することができる。
本発明は、実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードによっても実現できる。この場合、プログラムコードを記録した記憶媒体をシステム或は装置に提供し、そのシステム或は装置のコンピュータ(又はCPUやMPU)が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出す。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムコード自体、およびそれを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。このようなプログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、CD-ROM、DVD-ROM、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD-R、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ROMなどが用いられる。
また、プログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているOS(オペレーティングシステム)などが実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって前述した実施の形態の機能が実現されるようにしてもよい。さらに、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータ上のメモリに書きこまれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータのCPUなどが実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって前述した実施の形態の機能が実現されるようにしてもよい。
さらに、実施の形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを、ネットワークを介して配信することにより、それをシステム又は装置のハードディスクやメモリ等の記憶手段又はCD-RW、CD-R等の記憶媒体に格納し、使用時にそのシステム又は装置のコンピュータ(又はCPUやMPU)が当該記憶手段や当該記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行するようにしてもよい。
最後に、ここで述べたプロセスおよび技術は本質的に如何なる特定の装置に関連することはなく、コンポーネントの如何なる相応しい組み合わせによってでも実装できる。更に、汎用目的の多様なタイプのデバイスがここで記述した方法に従って使用可能である。ここで述べた方法のステップを実行するのに、専用の装置を構築するのが有益である場合もある。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。
例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。本発明は、具体例に関連して記述したが、これらは、すべての観点に於いて限定の為ではなく説明の為である。本分野にスキルのある者には、本発明を実施するのに相応しいハードウェア、ソフトウェア、およびファームウエアの多数の組み合わせがあることが解るであろう。例えば、記述したソフトウェアは、アセンブラ、C/C++、perl、Shell、PHP、Java(登録商標)等の広範囲のプログラム又はスクリプト言語で実装できる。
さらに、上述の実施形態において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。全ての構成が相互に接続されていてもよい。
加えて、本技術分野の通常の知識を有する者には、本発明のその他の実装がここに開示された本発明の明細書および実施形態の考察から明らかになる。記述された実施形態の多様な態様および/又はコンポーネントは、単独又は如何なる組み合わせでも使用することが出来る。
1・・・機械学習装置
5・・・画像診断支援装置
10・・・入力部
11・・・学習部
12・・・適性評価部
13・・・更新判定部
14・・・描画部
23・・・更新判定部
91・・・制御部
1400・・・遠隔診断支援システム
1500・・・ネット受託サービス提供システム

Claims (10)

  1. データサンプルを処理するプロセッサと、
    前記処理の結果を格納する記憶装置と、を含み、
    前記プロセッサは、
    複数学習データベースから複数識別器を作成し、前記複数学習データベースそれぞれは複数学習データサンプルを格納し、
    前記複数識別器それぞれの識別性能の評価結果を作成し、
    前記評価結果に基づいて、前記複数学習データベースにおける一つの学習データベースおよび前記一つの学習データベースから生成される識別器を、使用する学習データベースおよび識別器と決定し、
    前記複数学習データベースは、第1学習データベースおよび第2学習データベースを含み、
    前記第2学習データベースは、前記第1学習データベースが格納する画像および新規入力画像を格納し、
    前記プロセッサは、前記第2学習データベースにより前記第1学習データベースを更新し、前記第2学習データベースから生成される識別器を使用する、ことの可否を判定する、機械学習装置。
  2. 請求項1に記載の機械学習装置であって、
    前記データサンプルは画像であり、
    前記複数学習データベースは、それぞれ、学習画像データベースである、機械学習装置。
  3. 請求項1に記載の機械学習装置であって、
    前記プロセッサは、前記第1学習データベースから生成した第1識別器および前記第2学習データベースから生成した第2識別器それぞれの識別結果の比較結果に基づき、前記第2学習データベースにより前記第1学習データベースを更新し、前記第2学習データベースから生成される識別器を使用する、ことの可否を判定する、機械学習装置。
  4. 請求項3に記載の機械学習装置であって、
    前記プロセッサは、
    前記第1識別器の識別結果と前記第2識別器の識別結果との比較結果に基づき、前記新規入力画像の順番を入れ替えるか判定し、
    前記順番を入れ替えると判定した場合に、前記新規入力画像の順番を入れ換えた前記第2学習データベースから、新規第2識別器を作成し、
    前記第1識別器および前記新規第2識別器の識別結果の比較結果に基づき、前記第2学習データベースにより前記第1学習データベースを更新し、前記第2学習データベースから生成される識別器を使用する、ことの可否を判定する、機械学習装置。
  5. 請求項1に記載の機械学習装置であって、
    前記第1学習データベースおよび前記第2学習データベースにおいて、識別タイプの画像数のバランスが調整されている、機械学習装置。
  6. 画像を処理するプロセッサと、
    前記処理の結果を格納する記憶装置と、を含み、
    前記プロセッサは、
    複数学習画像データベースから複数識別器を作成し、
    前記複数識別器それぞれの識別性能の評価結果を作成し、
    前記評価結果に基づいて、前記複数学習画像データベースにおける一つの学習画像データベースおよび前記一つの学習画像データベースから生成される識別器を、使用する学習画像データベースおよび識別器と決定し、
    前記複数学習画像データベースは、第1学習データベースおよび第2学習データベースを含み、
    前記第2学習データベースは、前記第1学習データベースが格納する画像および新規入力画像を格納し、
    前記プロセッサは、前記第2学習データベースにより前記第1学習データベースを更新し、前記第2学習データベースから生成される識別器を使用する、ことの可否を判定し、
    前記一つの学習画像データベースから生成される前記識別器による新たな入力画像の識別結果を表示する、画像診断支援装置。
  7. 機械学習装置が識別器を作成する機械学習方法であって、
    前記機械学習装置は、
    データサンプルを処理するプロセッサと、
    前記処理の結果を格納する記憶装置と、を含み、
    前記機械学習方法は、
    前記プロセッサが、複数学習データベースから複数識別器を作成し、前記複数学習データベースそれぞれは複数学習データサンプルを格納し、
    前記プロセッサが、前記複数識別器それぞれの識別性能の評価結果を作成し、
    前記プロセッサが、前記評価結果に基づいて、前記複数学習データベースにおける一つの学習データベースおよび前記一つの学習データベースから生成される識別器を、使用する学習データベースおよび識別器と決定し、
    前記複数学習データベースは、第1学習データベースおよび第2学習データベースを含み、
    前記第2学習データベースは、前記第1学習データベースが格納する画像および新規入力画像を格納し、
    前記機械学習方法は、前記プロセッサが、前記第2学習データベースにより前記第1学習データベースを更新し、前記第2学習データベースから生成される識別器を使用する、ことの可否を判定する、機械学習方法。
  8. 請求項7に記載の機械学習方法であって、
    前記データサンプルは画像であり、
    前記複数学習データベースは、それぞれ、学習画像データベースである、機械学習方法。
  9. 請求項7に記載の機械学習方法であって、
    前記プロセッサが、前記第1学習データベースから生成した第1識別器および前記第2学習データベースから生成した第2識別器それぞれの識別結果の比較結果に基づき、前記第2学習データベースにより前記第1学習データベースを更新し、前記第2学習データベースから生成される識別器を使用する、ことの可否を判定する、機械学習方法。
  10. 画像診断支援装置による画像診断支援方法であって、
    前記画像診断支援装置は、
    画像を処理するプロセッサと、
    前記処理の結果を格納する記憶装置と、を含み、
    前記画像診断支援方法は、
    前記プロセッサが、複数学習画像データベースから複数識別器を作成し、
    前記プロセッサが、前記複数識別器それぞれの識別性能の評価結果を作成し、
    前記プロセッサが、前記評価結果に基づいて、前記複数学習画像データベースにおける一つの学習画像データベースおよび前記一つの学習画像データベースから生成される識別器を、使用する学習画像データベースおよび識別器と決定し、
    前記複数学習画像データベースは、第1学習データベースおよび第2学習データベースを含み、
    前記第2学習データベースは、前記第1学習データベースが格納する画像および新規入力画像を格納し、
    前記画像診断支援方法は、
    前記プロセッサが、前記第2学習データベースにより前記第1学習データベースを更新し、前記第2学習データベースから生成される識別器を使用する、ことの可否を判定し、
    前記プロセッサが、前記一つの学習画像データベースから生成される前記識別器による新たな入力画像の識別結果を表示する、画像診断支援方法。
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