We propose a highly data-efficient classification and active learning framework for classifying chest X-rays. It is based on (1) unsupervised representation learning of a Convolutional Neural Network and (2) the Gaussian Process method. The unsupervised representation learning employs self-supervision that does not require class labels, and the learned features are proven to achieve label-efficient classification. GP is a kernel-based Bayesian approach that also leads to data-efficient predictions with the added benefit of estimating each decision's uncertainty. Our novel framework combines these two elements in sequence to achieve highly data and label efficient classifications. Moreover, both elements are less sensitive to the prevalent and challenging class imbalance issue, thanks to the (1) feature learned without labels and (2) the Bayesian nature of GP. The GP-provided uncertainty estimates enable active learning by ranking samples based on the uncertainty and selectively labeling samples showing higher uncertainty. We apply this novel combination to the data-deficient and severely imbalanced case of COVID-19 chest X-ray classification. We demonstrate that only $\sim 10\%$ of the labeled data is needed to reach the accuracy from training all available labels. Its application to the COVID-19 data in a fully supervised classification scenario shows that our model, with a generic ResNet backbone, outperforms (COVID-19 case by 4\%) the state-of-the-art model with a highly tuned architecture. Our model architecture and proposed framework are general and straightforward to apply to a broader class of datasets, with expected success.


翻译:我们提出一个高数据效率的分类和积极的学习框架,用于对胸前X光进行分类,其依据是:(1) 对进化神经网络进行不受监督的代表性学习,(2) 高斯进程方法;无监督的代表性学习采用自我监督,不需要等级标签,所学到的特征证明可以实现标签效率分类;GP是一种以内核为基础的巴伊西亚方法,它也导致数据效率的预测,并增加估算每项决定不确定性的效益。我们的新框架将这两个要素按顺序合并,以达到高数据并标出效率的分类。此外,这两个要素对普遍和具有挑战性的阶级不平衡问题不太敏感,因为(1) 在没有标签的情况下学习的特征以及(2) 通用GP的巴伊西亚性质。 GP提供的不确定性估计有助于根据不确定性和有选择性的标签样本进行排名,显示更高的不确定性。我们将这种新组合应用于CVI-19胸前框架的模型和严重失衡的架构分类。 我们证明,只有10-CO-19标准结构中的10-x值, 和整个通用标准数据库中的常规数据应用需要完全的准确性。

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