Ultrasound (US) is a non-invasive yet effective medical diagnostic imaging technique for the COVID-19 global pandemic. However, due to complex feature behaviors and expensive annotations of US images, it is difficult to apply Artificial Intelligence (AI) assisting approaches for lung's multi-symptom (multi-label) classification. To overcome these difficulties, we propose a novel semi-supervised Two-Stream Active Learning (TSAL) method to model complicated features and reduce labeling costs in an iterative procedure. The core component of TSAL is the multi-label learning mechanism, in which label correlations information is used to design multi-label margin (MLM) strategy and confidence validation for automatically selecting informative samples and confident labels. On this basis, a multi-symptom multi-label (MSML) classification network is proposed to learn discriminative features of lung symptoms, and a human-machine interaction is exploited to confirm the final annotations that are used to fine-tune MSML with progressively labeled data. Moreover, a novel lung US dataset named COVID19-LUSMS is built, currently containing 71 clinical patients with 6,836 images sampled from 678 videos. Experimental evaluations show that TSAL using only 20% data can achieve superior performance to the baseline and the state-of-the-art. Qualitatively, visualization of both attention map and sample distribution confirms the good consistency with the clinic knowledge.


翻译:超声波(US)是COVID-19全球大流行的一种非侵入但有效的医学诊断成像技术,但是,由于复杂的特征行为和美国图像的昂贵说明,很难应用人工智能(AI)协助肺部多症状(多标签)分类。为了克服这些困难,我们提议采用一种新型半监督的双层主动学习(TSAL)方法,以模拟复杂特征,降低迭接程序中的标签成本。TSAL的核心组成部分是多标签学习机制,其中使用相关信息设计多标签比值(MLM)战略和信心验证自动选择信息样本和自信标签。在此基础上,建议采用多症状(MSMLML)分类网络来学习肺部症状的歧视性特征,并且利用人体-机器互动来确认用于微调MSMLML(TAR)的最后说明,并逐步标注数据的一致性。此外,一个名为COVID19-LUSMS(M)的新肺部数据集用于设计多标签比值(MLMLM)战略和信任度验证,用于自动选择信息样本和自信标签。在此基础上,目前只使用71个临床实验性水平数据,通过SLAL(SAL)进行临床分析。

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主动学习是机器学习(更普遍的说是人工智能)的一个子领域,在统计学领域也叫查询学习、最优实验设计。“学习模块”和“选择策略”是主动学习算法的2个基本且重要的模块。 主动学习是“一种学习方法,在这种方法中,学生会主动或体验性地参与学习过程,并且根据学生的参与程度,有不同程度的主动学习。” (Bonwell&Eison 1991)Bonwell&Eison(1991) 指出:“学生除了被动地听课以外,还从事其他活动。” 在高等教育研究协会(ASHE)的一份报告中,作者讨论了各种促进主动学习的方法。他们引用了一些文献,这些文献表明学生不仅要做听,还必须做更多的事情才能学习。他们必须阅读,写作,讨论并参与解决问题。此过程涉及三个学习领域,即知识,技能和态度(KSA)。这种学习行为分类法可以被认为是“学习过程的目标”。特别是,学生必须从事诸如分析,综合和评估之类的高级思维任务。
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