Deep Learning Approaches for Malaria Diagnosis: A Comparative Study of Custom CNN and Transfer Learning Models in Blood Smear Analysis
Abstract
The Plasmodium genus of single-celled parasites is the cause of malaria. These parasites are spread to humans through the bite of an infected Anopheles mosquito. Particularly in sub-Saharan Africa, where it severely strains health systems and economics, the illness remains an essential public health issue. Effective diagnosis and treatment are crucial for controlling and eventually eliminating malaria. The microscopic analysis of blood smears is the conventional yet labour-intensive method for diagnosing malaria, demanding extensive expertise. Automated detection through deep learning presents a vital alternative, particularly crucial for sub-Saharan Africa. This study aims to meticulously compare the performance of a custom-designed Convolutional Neural Network (CNN) with five advanced transfer learning models, ResNet50, VGG19, InceptionV3, EfficientNet-B3, EfficientNet-B7, and YOLOv11m, in categorizing segmented red blood cell images for malaria detection. Our approach involves comprehensive image preprocessing, data augmentation, and the implementation of various models. The models were evaluated using a National Library of Medicine dataset based on various metrics, including F1 Score, Accuracy, Precision, Recall, Matthews Correlation Coefficient (MCC), AUC ROC, and AUC PR. The EfficientNet-B3 model emerged as the top performer, surpassing even the custom CNN with an impressive F1 Score of 98.12%, Accuracy of 98.08%, and an MCC of 96.15%, demonstrating its superior predictive power and reliability. YOLOv11m also showed strong performance with an F1 Score of 96.89%, Accuracy of 96.93%, and MCC of 93.91%, highlighting its efficiency for real-time applications. Although the custom CNN did not outperform the advanced models, it still exhibited commendable performance, underscoring the potential of tailored architectures. The results of this study demonstrate the great potential that deep learning methods have to improve the precision of malaria diagnosis, providing notable benefits to the healthcare systems, especially for regions most severely impacted by the disease.
Keywords
Malaria diagnosis, Deep learning, CNN, Transfer learning, Healthcare
Sıtma Tanısı İçin Derin Öğrenme Yaklaşımları: Kan Sürüntüsü Analizinde Özel CNN ve Transfer Öğrenme Modellerinin Karşılaştırmalı Çalışması
Abstract
Tek hücreli parazitlerin Plasmodium cinsi, sıtmanın nedenidir. Bu parazitler, enfekte olmuş Anopheles sivrisineklerinin ısırmasıyla insanlara bulaşır. Özellikle sağlık sistemlerini ve ekonomiyi ciddi şekilde zorlayan Sahra altı Afrika'da, bu hastalık önemli bir halk sağlığı sorunu olmaya devam etmektedir. Sıtmayı kontrol altına almak ve nihayetinde ortadan kaldırmak için etkili tanı ve tedavi çok önemlidir. Kan yaymalarının mikroskobik analizi, sıtmayı teşhis etmek için geleneksel ancak emek yoğun bir yöntemdir ve kapsamlı uzmanlık gerektirir. Derin öğrenme yoluyla otomatik tespit, özellikle Sahra altı Afrika için hayati bir alternatif sunmaktadır. Bu çalışma, sıtma tespiti için segmentlere ayrılmış kırmızı kan hücresi görüntülerini sınıflandırmada, özel olarak tasarlanmış bir Convolutional Neural Network (CNN) ile beş gelişmiş transfer öğrenme modeli olan ResNet50, VGG19, InceptionV3, EfficientNet-B3, EfficientNet-B7 ve YOLOv11m'nin performansını titizlikle karşılaştırmayı amaçlamaktadır. Yaklaşımımız, kapsamlı görüntü ön işleme, veri artırma ve çeşitli modellerin uygulanmasını içermektedir. Modeller, F1 Skoru, Doğruluk, Hassasiyet, Geri Çağırma, Matthews Korelasyon Katsayısı (MCC), AUC ROC ve AUC PR gibi çeşitli metriklere dayalı olarak Ulusal Tıp Kütüphanesi veri seti kullanılarak değerlendirildi. EfficientNet-B3 modeli, %98,12'lik etkileyici bir F1 Skoru, %98,08'lik Doğruluk ve %96,15'lik MCC ile özel CNN'yi bile geride bırakarak en iyi performans gösteren model olarak öne çıktı ve üstün tahmin gücü ve güvenilirliğini kanıtladı. YOLOv11m de %96,89 F1 Skoru, %96,93 Doğruluk ve %93,91 MCC ile güçlü bir performans sergiledi ve gerçek zamanlı uygulamalar için verimliliğini vurguladı. Özel CNN, gelişmiş modelleri geride bırakmasa da, yine de övgüye değer bir performans sergiledi ve özel olarak tasarlanmış mimarilerin potansiyelini vurguladı. Bu çalışmanın sonuçları, derin öğrenme yöntemlerinin sıtma tanısının doğruluğunu artırma konusunda büyük potansiyele sahip olduğunu ve özellikle bu hastalıktan en ciddi şekilde etkilenen bölgelerde sağlık sistemlerine önemli faydalar sağladığını göstermektedir.
Keywords
Sıtma tanısı, Derin öğrenme, CNN, Transfer öğrenme, Sağlık hizmetleri