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Título: Classificação hierárquica de imagens citológicas cervicais utilizando redes neurais convolucionais e ensemble learning
Título(s) alternativo(s): Hierarchical classification of cervical cytology images using convolutional neural networks and ensemble learning
Autor(es): Andrade, Joao Vitor da Costa
Orientador(es): Sanches, Danilo Sipoli
Palavras-chave: Redes neurais (Computação)
Imagens
Útero - Câncer
Neural networks (Computer science)
Pictures
Uterus - Cancer
Data do documento: 26-Ago-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Cornelio Procopio
Citação: ANDRADE, Joao Vitor da Costa. Classificação hierárquica de imagens citológicas cervicais utilizando redes neurais convolucionais e ensemble learning. 2025. Dissertação (Mestrado em Informática) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Cornélio Procópio, 2025.
Resumo: O cancer do colo do útero permanece como um relevante desafio para a saúde pública global, especialmente em países de baixa e media renda, onde o acesso a programas de rastreamento e limitado. O diagnóstico convencional, baseado no exame de Papanicolau, exige avaliação microscópica manual, procedimento intensivo em recursos humanos e suscetível a falhas. Embora avanços recentes tenham ampliado a automação citológica a aplicação conjunta de supervisão hier árquica ou test-time augmentation (TTA) ainda é pouco explorada. Esta pesquisa propõe e avalia um pipeline de classificação hierárquica de células individuais, visando a curácia e consistência semântica. O estudo utiliza o conjunto de dados HiCervix, com 40.229 células anotadas, distribuídas em 29 classes e tres níveis taxonômicos, integrando backbones convolucionais e híbridos CNN-Transformer, função de perda hierarchical cross-entropy e aumento de dados adaptativo a frequência das classes. Na inferência, o pipeline emprega TTA com quatro variações de visualização e fusão de probabilidades por ensemble para maximizar a robustez preditiva. Os resultados demonstram ganhos consistentes, alcançando acurácia de até 78,9% no nível de espécie e o menor erro hierárquico registrado (20,01%) entre os modelos treinados. Além disso, o ensemble proposto, de baixo número de parâmetros, apresenta acurácia comparável a modelos de referência estado arte, com custo computacional inferior.
Abstract: Cervical cancer remains a significant challenge to global public health, particularly in low- and middle-income countries where access to screening programs is limited. Conventional diagnosis, based on the Pap smear, requires manual microscopic examination, a procedure that is labor-intensive and prone to errors. Although recent advances have expanded cytology automation, the combined application of hierarchical supervision and testtime augmentation (TTA) remains underexplored. This research proposes and evaluates a depth-aware hierarchical single-cell classification pipeline aimed at robustness, scalability, and semantic consistency. The study uses the HiCervix dataset, comprising 40,229 annotated cells distributed across 29 classes and three taxonomic levels, integrating convolutional and hybrid CNN–Transformer backbones, a hierarchical cross-entropy loss function, and frequency-adaptive data augmentation. At inference, the pipeline employs TTA with four visualization variants and probability fusion through ensemble to maximize predictive robustness. The results show consistent improvements, achieving accuracy of up to 78.9% at the species level and the lowest recorded hierarchical error (20.01%) among the trained models. Furthermore, the proposed low-complexity ensemble achieves accuracy comparable to state-ofthe-art models while requiring significantly lower computational cost.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/38850
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