Advanced Deep Learning Models for Precise Medical Image Analysis and Diagnosis

Deep Learning has emerged as a strategic area in medical image diagnosis, with numerous studies exploring automation in this field. However, many existing approaches attempt to fully replace medical professionals by relying exclusively on model predictions. This thesis presents an alternative strategy, proposing Deep Learning architectures designed to support, rather than replace, physicians in diagnostic tasks. Two distinct methodologies are explored to achieve this goal: Content-Based Image Retrieval and eXplainable Artificial Intelligence. Content-Based Image Retrieval system enables physicians to compare complex cases with similar ones from a curated database, enhancing decision-making through feature-based similarities. The eXplainable Artificial Intelligence approach provides visual explanations through heatmaps, indicating the regions of interest detected by the model. The thesis introduces two novel architecturesMulti-Output Classification Autoencoder (MOC-AE) and Multi-Output Classification Variational Autoencoder (MOC-VAE). These models employ multi-objective training to generate rich image descriptors, capturing both pathological and anatomical information. These descriptors are then used to identify visually similar cases in a low-dimensional space. To address the challenge of quantifying visual similarity in Content-Based Image Retrieval, the Sliced Wasserstein distance is proposed, offering a robust metric for comparative diagnosis. Furthermore, the thesis demonstrates the utility of these architectures in generating precise, non-linear explanations for diagnoses, leveraging the factorization process inherent to the models. The simplicity and enhanced performance of the proposed approaches, compared to prior methods, offer a foundation for future research and real-world applications in medical diagnostics using Deep Learning. RESUMEN El Deep Learning ha surgido como un área estratégica en el diagnóstico de imágenes médicas, con numerosos estudios que exploran la automatización en este campo. Sin embargo, muchos enfoques actuales buscan reemplazar por completo a los profesionales médicos basándose únicamente en las predicciones de los modelos. Esta tesis presenta una estrategia alternativa, proponiendo arquitecturas de Deep Learning diseñadas para apoyar, en lugar de reemplazar, a los médicos en tareas diagnósticas. Se exploran dos metodologías distintas para alcanzar este objetivo: Sistemas de Recuperación de Imágenes Basada en Contenido e Inteligencia Artificial Explicable. Los Sistemas de Recuperación de Imágenes Basada en Contenido permiten a los médicos comparar casos complejos con otros similares de una base de datos curada, mejorando la toma de decisiones mediante similitudes basadas en características. El enfoque de la Inteligencia Artificial Explicable proporciona explicaciones visuales a través de mapas de calor, que indican las regiones de interés detectadas por el modelo. La tesis introduce dos arquitecturas novedosas: el Autoencoder de Clasificación Multi-Salida (MOC-AE) y el Autoencoder Variacional de Clasificación Multi-Salida (MOC-VAE). Estos modelos emplean un entrenamiento multiobjetivo para generar descriptores de imágenes enriquecidos que capturan tanto información patológica como anatómica. Estos descriptores se utilizan para identificar casos visualmente similares en un espacio de baja dimensionalidad. Para abordar el desafío de cuantificar la similitud visual en Sistemas de Recuperación de Imágenes Basada en Contenido, se propone la distancia de Wasserstein por secciones, ofreciendo una métrica robusta para el diagnóstico comparativo. Además, la tesis demuestra la utilidad de estas arquitecturas para generar explicaciones precisas y no lineales de los diagnósticos, aprovechando el proceso de factorización inherente a los modelos. La simplicidad y el rendimiento mejorado de los enfoques propuestos, en comparación con métodos anteriores, ofrecen una base sólida para futuras investigaciones y aplicaciones reales en diagnósticos médicos utilizando Deep Learning.