I AE S In t er na t io na l J o urna l o f   Art if icia l In t ellig ence   ( I J - AI )   Vo l.  1 5 ,   No .   4 ,   A u g u s t 2 0 2 6 ,   p p .   3 6 4 6 ~ 3 6 5 9   I SS N:  2 2 5 2 - 8 9 3 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijai.v 15 .i 4 . p p 3 6 4 6 - 3 6 5 9           3646     J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij a i . ia esco r e. co m   Co mp a r a t iv e e v a l ua ti o n  o f  t ra nsfe r  lea rni ng   model s  a nd    G ra d - CA M  int er preta bil it y  f o r br a in t um o r d etec ti o n f r o m  M R I       M d.  F iro z  H a s a n 1 ,  M d.  Awa l H a di 1 ,   Su m a i ya  Na s rin 1 ,  M d.  Ra is ul I s la m 1 ,   M d.  At ik   Sh a hria r 1 ,     Md .   H a s a n M o o n 1 ,  T a nv ir  A hm ed  M o m in 1 ,   Dew a n M a m un   Ra za 1   D e p a r t me n t   o f   C o mp u t e r   S c i e n c e   a n d   En g i n e e r i n g ,   F a c u l t y   o f   S c i e n c e   a n d   I n f o r mat i o n   T e c h n o l o g y ,   D a f f o d i l   I n t e r n a t i o n a l   U n i v e r si t y ,   D h a k a ,   B a n g l a d e s h       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J an   1 2 ,   2 0 2 5   R ev is ed   J u n   9 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   J u l 9 ,   2 0 2 6       Bra in   tu m o r   c las sifica ti o n   p lay s   a n   imp o rtan t  r o le  i n   e a rly   d iag n o sis  a n d   trea tme n t  p lan n i n g .   T h e   c u rre n t   stu d y   a ims   to   e v a lu a te  a n d   c o m p a re   th e   p e rfo rm a n c e   o f  fi v e   p re - train e d   c o n v o lu t io n a l  n e u ra l   n e two r k   (CNN )   m o d e ls,  n a m e ly   VG G 1 6 ,   VG G 1 9 ,   M o b il e Ne t,   Xc e p ti o n ,   a n d   I n c e p ti o n V 3   u sin g   m a g n e ti c   re so n a n c e   ima g i n g   ( M RI )   ima g e s  c a teg o rize d   in to   g li o m a ,   m e n in g i o m a ,   p i tu it a r y   t u m o r ,   a n d   n o   t u m o r   c las se s.  To   e n h a n c e   m o d e l   p e rfo rm a n c e   a n d   a d d re ss   c las s   imb a lan c e ,   tran sfe r  lea rn in g   a n d   d a ta   a u g m e n tatio n   tec h n iq u e s  we re   e m p lo y e d .   T o   b o o st   m o d e l  in terp re tab il it y ,   h e a tma p s  o f  imp o rta n t  a re a s  in   t u m o r   c las sifica ti o n   we re   p ro d u c e d   th r o u g h   g ra d ien t - we ig h ted   c las s  a c ti v a ti o n   m a p p in g   (G ra d - CAM).   M o b il e Ne t  wa s   th e   m o st  a c c u ra te  wit h   9 7 %   a n d   wa s  m o re   p re c ise   a n d   m o re   se n si ti v e .   T h e   G ra d - CAM  v isu a li z a ti o n s   sh o we d   t h e   m o d e ls  we re   a tt e n d i n g   to   c li n ica ll y   re lev a n t  fe a tu re s,  wh ic h   in c re a se d   th e   i n terp re tab i li ty .   T h is  c o m p a ra ti v e   stu d y   d e m o n stra tes   th e   e ffe c ti v e n e ss   o f   th e   in te g ra ti o n   o f  e x p lai n a b le   a rti ficia l  in telli g e n c e   ( X A I )   in   d e e p   lea rn in g   p i p e li n e s  f o r  re li a b le  b ra in   tu m o r   d iag n o sis.   K ey w o r d s :   B r ain   tu m o r   class if icatio n   E x p l ai n a b l e  ar tif ici al   i n te lli g e n ce     Hea lth ca r e  ar tific ial  in tellig en ce   Me d ical  im ag in g   T r an s f er   lear n i n g   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Md .   Firo z  Hasan   Dep ar tm en t  o f   C o m p u te r   Scien ce   an d   E n g in ee r in g ,   Facu lty   o f   Scien ce   an d   I n f o r m at io n   T ec h n o l o g y   Daf f o d il I n te r n atio n al  Un i v er s ity   Daf f o d il Sm ar t Ci ty ,   B ir u lia,   Sav ar ,   Dh ak a,   B an g la d esh   E m ail:  f ir o z. cse@ d iu . ed u . b d       1.   I NT RO D UCT I O N    B r ain   tu m o r   class if icatio n   is   an   im p o r ta n t  task   in   th e  a r ea   o f   m ed ical  im ag in g   r esear ch   b ec au s e  o f   its   s ig n if ican t  r o le  in   ea r ly   d ia g n o s is   an d   tr ea tm en t  p lan n i n g   [ 1 ] .   T r ad itio n al  m et h o d s   r ely in g   o n   m an u al   in ter p r etatio n   a r e  o f ten   s u b je ctiv e  an d   in c o n s is ten t  [ 2 ] .   T h is   h as  p r o m p ted   th e   d ev elo p m en t  o f   ar tific ial   in tellig en ce   ( AI ) ,   esp ec ially   d ee p   lear n in g ,   to   im p r o v e   th e  a cc u r ac y   an d   r eliab ilit y   o f   d iag n o s is   [ 3 ] .   C o n v o lu tio n al   n eu r al  n etwo r k s   ( C NNs)  h av e  s h o w n   ex c ellen t  p er f o r m an ce   f o r   th e   a n aly s is   o f   co m p lex   m ag n etic  r eso n an ce   im ag in g   ( MRI)   d ata.   R ec en tly ,   p r e - tr ain e d   m o d els  s u ch   as  VGG1 6 ,   VGG1 9 ,   Mo b ileNet,   Xce p tio n ,   an d   I n ce p tio n V3   h a v e  b ee n   a p p li ed   with   h ig h   ac cu r ac y   f o r   t h e  task s   o f   tu m o r   class if icatio n   [ 4 ] ,  [ 5 ] .   T h ese  m o d els  h av e  b ee n   f u r th er   im p r o v e d   th r o u g h   tr an s f e r   lear n in g ,   wh ich   allo ws  ef f icien t  f ea tu r e  ex tr ac tio n   f r o m   s m aller   m ed ical  d atasets   [ 6 ] ,   [ 7 ] .   Ho wev e r ,   ch allen g es  r e m ain   to   en s u r e  h ig h   g en er aliza b ilit y   ac r o s s   d if f er e n t  tu m o r   ty p es  [ 8 ] .   T h e  p r es en t  s tu d y   aim s   to   o v er co m e  s u ch   lim itatio n s   b y   co m p ar in g   m u ltip le  f in e - tu n e d   C NN  m o d els  f o r   th e  class if icatio n   o f   g lio m a,   m en in g io m a,   p itu itar y   tu m o r s ,  an d   n o   tu m o r   ca s es  [ 9 ]   u s in g   d ata  au g m en tatio n   an d   o v er s am p lin g   to   h an d le  class   im b alan c e  [ 1 0 ] .    T h e  s tu d y   also   in cl u d es  ex p l ain ab le  ar tific ial  in tellig en ce   ( XAI )   in   th e  f o r m   o f   g r ad ie n t - weig h ted   class   ac tiv atio n   m ap p in g   ( G r ad - C AM )   h ea tm ap s   to   h ig h lig h t  th e  k e y   ar ea s   th at  in f l u en ce   p r ed ictio n s ,   th u s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       C o mp a r a tive  ev a lu a tio n   o f tra n s fer lea r n in g   mo d els a n d   Gr a d - C A M in terp r eta b ilit y  …   ( Md .   F ir o z   Ha s a n )   3647   in cr ea s in g   in ter p r etab ilit y   f o r   clin ician s .   Mo b ileNet  ac h iev e d   th e  b est  p e r f o r m an ce   with   9 7 %  ac cu r ac y   a n d   it  also   ex ce lled   in   p r ec is io n   an d   r ec all.   T h e  Gr a d - C AM   o u t p u ts   co n f i r m ed   th e  r eliab ilit y   o f   t h e  m o d el  b y   in d icatin g   th e  im p o r tan t  r eg io n s   o f   th e  im a g es th at  co n tr ib u t ed   to   its   d ec is io n s .     T h e  r e v iewin g   liter atu r e   h ig h l ig h ts   r ap id   p r o g r ess   an d   in cr e asin g   im p ac t  o f   d ee p   lear n in g   tech n iq u es  in   m ed ical  im a g e  class if icatio n ,   s p ec if ically   f o r   d etec tio n   o f   b r ain   tu m o r s .   B o u h af r a  an d   E l  B ah i   [ 1 1 ] ,  r ev iewe d   6 0   s tu d ies  ( 2 0 2 0 - 2 0 2 4 )   a n d   h ig h lig h te d   th e  ef f ec tiv en ess   o f   m eth o d s   s u ch   as  tr an s f er   lear n in g ,   au to en co d er s ,   tr an s f o r m er s ,   a n d   atten tio n   m ec h an is m s   in   en h an cin g   d iag n o s tic  p r ec is io n   an d   co m p u tatio n al   ef f icien cy ,   d esp ite  c h allen g es  s u ch   as  d ata   h eter o g en eity   an d   lim ited   i n ter p r etab ilit y .   B h a g y alax m i  et   a l.   [ 1 2 ]   em p h asized   th e  u s ef u ln ess   o f   d ee p   lear n in g   in   m u lti - g r ad e  tu m o r   class if icatio n .   Ag ar wal  et  a l.   [ 1 3 ]     r ep o r ted   9 9 . 5 4 %  ac cu r ac y   f o r   b r ain   tu m o r   d etec tio n   u s in g   R esNet5 0 .   Nea m ah   et  a l.   [ 1 0 ]   s im ilar ly   id en tifie d   s o m e  o f   th e  k ey   c h allen g es  o f   C NN - b ased   ap p r o ac h es,  s u c h   as  th e  n ee d   f o r   lar g e   an n o tated   d atasets   an d   h ig h   m o d el  c o m p lex ity .   Du e   to   th e ir   ab ilit y   t o   a u to m atica lly   lear n   co m p lex   f ea tu r es   [ 1 4 ] ,   [ 1 5 ] ,   C NNs  h av e  s h o w n   g r ea t  s u cc ess   in   d is tin g u is h in g   th e  ty p es  o f   tu m o r s   as  co m p ar ed   to   tr a d itio n al  m ac h in e  l ea r n in g   alg o r ith m s ,   s u ch   as  g lio m a,   m en in g i o m a ,   an d   p itu itar y .   B y   u s in g   tr a n s f er   lear n i n g ,   I m p r o v e d   C N N  m o d els  s u c h   as  Go o g L eNe t  an d   R esNet5 0   ac h iev ed   ac cu r ac ies   o f   9 9 . 6 7 %  an d   9 9 . 9 1 % ,   r esp ec tiv ely   with   b etter   p er f o r m a n ce   an d   co n v er g e n ce   [ 1 6 ] ,   [ 1 7 ] .     So m e  s tu d ies  also   lo o k ed   in to   th e  g r ad in g   o f   g lio m as,  wh ic h   s h o ws  th e   v er s atility   o f   d ee p   lear n in g   in   class if y in g   b r ain   tu m o r s .   T h e  s tan d ar d   class if icatio n   p ip elin e  co n s is ts   o f   p r e p r o ce s s in g   o f   MRI  im ag es,   f ea tu r e  ex tr ac tio n   a n d   class if icatio n   alg o r ith m s   [ 1 8 ] .   Me th o d s   lik e  d is cr ete  wav elet  tr an s f o r m   ( DW T )   an d   g r ey   lev el  co - o cc u r r en ce   m at r ix   ( GL C M)   ar e  u s ef u l  f o r   p r ep r o ce s s in g   an d   tex t u r e  an al y s is ,   an d   p r in cip al   co m p o n en t  an aly s is   ( PC A)   is   u s ed   to   r ed u ce   th e  d im en s io n a lity   o f   f ea tu r es  with o u t  lo s s   o f   ac cu r ac y .   Su p p o r t   v ec to r   m ac h in es  ( SVMs)  h av e  b ee n   s h o wn   to   b e  h ig h ly   ef f ec tiv e  f o r   b o th   b in a r y   an d   m u lti - class   class if icatio n   task s   with   th e  r ig h t   k er n els  [ 1 9 ] – [ 2 1 ] .   B esid es  b r ain   tu m o r   class if icati o n ,   m ed ical  im ag e   class if icatio n   h as  b ee n   ex ten d ed   to   o th er   m o d alities   s u ch   as  MRI,   co m p u ted   to m o g r ap h y   ( CT ) ,   X - r ay ,   a n d   f u n d u s   im ag in g   u s in g   m o d els   lik e  SVMs,  B ay esian   n etwo r k s ,   n eu r al  n etwo r k s ,   k - n ea r est  n eig h b o r s   ( KNN) ,  an d   f u zz y   l o g ic  [ 2 2 ] .   Stan d a r d   class if icatio n   p ip elin es  ar e  co m p o s ed   o f   d ata  ac q u is itio n ,   p r ep r o ce s s in g ,   f ea tu r e  s elec tio n ,   an d   m o d el  t r ain in g   [ 2 3 ] .   T h e  u s u al  tech n iq u es  ar e  te x tu r e   an aly s is ,   n e u r al  n etwo r k s ,   an d   d ata  m in in g ,   an d   th e   ev alu ati o n   is   u s u ally   b ased   o n   ac cu r a cy ,   s en s itiv ity ,   s p ec if icity ,   an d   r u n tim e  [ 2 4 ] ,   [ 2 5 ] .  C o llectiv ely ,   th ese  s tu d ies  h ig h lig h t  th e   p o ten tial  o f   d ee p   lea r n in g   f o r   im p r o v i n g   th e  ac c u r ac y ,   ef f icien cy ,   an d   clin ical  u tili ty   o f   b r ain   tu m o r   d iag n o s is ,   wh ile  ac k n o wled g in g   th e  o n g o in g   ch alle n g es  ass o ciate d   with   d ata  v ar iab ilit y   an d   c o m p u tatio n al  r eq u ir em e n ts .     T h e  s tu d y   s h o ws  th e  tr a n s f o r m ativ e  p o ten tial  o f   AI - d r i v en   s o lu tio n s   f o r   m ed ical  d iag n o s tics .     I t  h elp s   t o   b u ild   s tr o n g ,   ac c u r ate ,   a n d   in ter p r eta b le  b r ain   tu m o r   class if icatio n   s y s tem s   th at  ca n   s u p p o r t  r ad io lo g is ts   an d   r eliev e   d iag n o s tic  wo r k lo ad s   i n   clin ical  s e ttin g s   b y   c o m b in i n g   s o p h is ticated   d ee p   lear n in g   m o d els  with   ex p lain ab ilit y   te ch n iq u es.  Fu tu r e  wo r k   will  f o cu s   o n   ex p a n d in g   th e   d ataset,   ex p lo r in g   n o v e l   ar ch itectu r es,  an d   im p r o v i n g   in ter p r eta b ilit y   m eth o d s   to   f u r t h er   im p r o v e  class if icatio n   ac cu r ac y   an d     clin ical  ap p licab ilit y .       2.   M E T H O D   2 . 1 .    Da t a s et   des cr iptio n   T h e  b r ain   tu m o r   class if icatio n   d ataset  in clu d es  MRI  im ag es   o f   f o u r   class es:  g lio m a,   m en in g io m a,   n o   tu m o r ,   a n d   p itu itar y   tu m o r .   T h is   class if icatio n   f ac ilit ates  s u p er v is ed   lear n i n g   b y   ass o ciatin g   ea ch   im ag e   with   its   lab el  an d   th u s   allo win g   t h e  m o d els  to   r ec o g n ize   p atte r n s   s p ec if ic  to   ea c h   ty p e  o f   tu m o r .   T h e  d ataset  co n tain s   2 2 , 8 4 8   im a g es.  T h e  n u m b er   o f   im a g es  f o r   ea c h   tu m o r   is   6 , 3 8 0   im ag es  f o r   n o   tu m o r ,   5 , 8 2 8   im ag es   f o r   p itu itar y ,   5 , 3 5 6   im ag es f o r   m en in g io m a ,   an d   5 , 2 8 4   im a g es f o r   g lio m a.     2 . 2 .    Da t a s et   prepro ce s s ing   2 . 2 . 1 .   Resizing   a nd   re s ca lin g   R esizin g   an d   r escalin g   n o r m alize   th e  in p u t  im ag es  an d   h elp   in   co m p u tatio n al  ef f icien cy .   I n co n s is ten t  in p u t  s h ap es  d u e   to   d if f er e n t  im ag e  s izes  ca n   m ak e  m o d el  tr ai n in g   m o r e  d if f icu lt.  R escalin g   p ix el  in ten s ity   v alu es  to   a   co m m o n   s ca le  im p r o v es  n u m er ical  s tab ilit y   an d   s p ee d s   u p   c o n v er g en ce   d u r in g   tr ain in g   o f   th e  m o d el.   Fo r   d e ep   lear n in g   m o d els  s u ch   as  VGG 19 ,   I n ce p tio n ,   an d   Mo b ile Net,   all  th e  im ag es   ar e  r esized   to   2 2 4 × 2 2 4   p ix els.   T h is   g u ar a n tees  a  u n if o r m   i n p u t  d im en s io n   f o r   th e  d ataset,   wh ich   is   n ec ess ar y   f o r   b atch   p r o ce s s in g   an d   efficien t m em o r y   u s ag e.   I m ag es a r e   r escaled   s u ch   th at  p ix el  v alu es r an g e  f r o m   0   to   1   to   n o r m alize   th em .   T h e   in ten s ity   o f   ea c h   p i x el   is   s ca led   to   [ 0 ,   1 ]   b y   d i v id in g   b y   2 5 5   ( t h e  m ax im u m   p ix el   in ten s ity   v alu e  in   an   8 - b it  im ag e) .   T h is   p r e v en ts   lar g e  in p u t  v alu es ,   wh ich   ca n   h i n d er   t h e  lear n in g   o f   th e   n eu r al  n etwo r k .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,  Vo l.  1 5 ,   No .   4 ,   Au g u s t 2 0 2 6 :   3 6 4 6 - 3 6 5 9   3648   2 . 2 . 2 .   L a bel  enco di ng   T h e  m o d el  r eq u ir es   lab el  en c o d in g   to   co n v er t  th e   ca teg o r i ca l  lab els  ( g lio m a ,   m e n in g io m a ,   an d   no  tu m o r   p itu itar y )   t o   n u m er ic  v alu es  to   p r o ce s s .   Ma ch in e  lea r n in g   m o d els  ex p ec t  n u m er ic   in p u ts ,   s o   we  will  co n v er t th e  lab els to   in teg e r   v alu es th at  th e  m o d el  ca n   wo r k   with .   E ac h   ca teg o r y   is   ass ig n ed   a  s ep ar ate  in teg er   u s in g   ‘ L a b elE n co d er ’   f r o m   ‘ Sk lear n ’   lib r ar y .   Fo r   ex am p le,   g lio m a   ca n   b e   en c o d ed   as  0 ,   m en in g io m a   as  1 ,     no  tu m o r   as  2 ,   an d   p it u itar y   as  3 .   T h is   m ap p in g   f r o m   a   ca teg o r ical  lab el  to   its   en co d ed   in teg er   v alu e   is   ex p r ess ed   in   ( 1 ) .        = ( )     ( 1 )     W h er e     r ep r esen ts   th e  ca teg o r i ca l  lab el  ( e. g . ,   ' g lio m a' )   an d   f   is   th e  f u n ctio n   th at  m ap s   it  to   a n   in teg er   v alu e   .     2 . 2 . 3 .   Da t a   a ug m ent a t io n   Data   au g m en tatio n   ca n   in cr e ase  th e  d iv er s ity   o f   th e  tr ai n i n g   s et  with o u t  th e  n ee d   to   c o llect  m o r e  d ata.   I t  also   h elp s   th e  m o d el  to   g en er alize   b etter   ( b y   tr ain in g   o n   d if f e r en t  tr an s f o r m atio n s   o f   th e  s am e  im ag e) .   Au g m en tatio n   tech n iq u es  s u c h   as  s h if tin g ,   zo o m in g ,   an d   f lip p in g   cr ea te  n ew  im a g e  v ar i atio n s   wh ich   r ed u ce   o v er f itti n g   a n d   im p r o v e   r o b u s tn ess .     T h e  im ag e  is   tr an s lated   b y   a  r atio   o f   th e  wid th   in   h o r izo n tal  s h if tin g .   Fo r   ex am p le,   if   th e  wid th   s h if t  r an g e   is   0 . 2 ,   th e   im ag es  ca n   b e  s h if ted   lef t  o r   r ig h t   b y   u p   to   2 0 %  o f   t h e  im a g e  wid th .   T h is   au g m e n tatio n   s tr ateg y   f o llo ws estab lis h ed   p r ac tice  f o r   im p r o v in g   d ee p   lear n in g   g en e r aliza tio n   o n   lim ited   d atasets   [ 2 6 ] .   T h is   h o r izo n tal  s h if tin g   o p e r atio n   i s   ex p r ess ed   in   ( 2 ) .     ′ = + ×  ℎ   ( 2 )     Her e    is   th e  o r ig in al  h o r izo n t al  p o s itio n ,   an d   α   is   a  r an d o m   f ac to r   in   th e  r an g e  o f   s h if t .   Ver tical  s h if tin g   tr an s lates  th e  im ag e  u p   o r   d o wn   b y   a  f r ac tio n   o f   th e  im ag e  h eig h t.  T h e  r a n g e  is   0 . 2 ,   m ea n in g   th at  im ag es  ca n   b e  s h if ted   u p   o r   d o wn   b y   u p   to   2 0 % o f   th e   im ag e  h eig h t.   T h is   v er tical  s h if tin g   o p er atio n   is   ex p r ess ed   in   ( 3 ) .     ′ = + × ℎ  ℎ   ( 3 )     W h er e    is   th e  o r ig in al  v er tical   p o s itio n   an d     is   a  r an d o m   f ac t o r   in   th e  r an g e  o f   th e  s h if t.  Z o o m in g   in   o r   o u t  alter s   th e  p er ce iv ed   d is tan ce   o f   th e  im ag e.   T h e  zo o m   r atio   is   0 . 2 ,   wh ic h   m ea n s   th at  th e   im ag e  ca n   b e   zo o m e d   in   o r   o u t b y   u p   t o   2 0 %.   T h is   zo o m in g   tr an s f o r m atio n   is   ex p r ess ed   in   ( 4 ) .      =     ( , ( 1 ± ) ×       )     ( 4 )     W h er e    is   a  r an d o m   f ac to r   i n   th e  zo o m   r an g e .   T h is   m eth o d   r ev er s es  th e  im ag e  h o r izo n tally ,   cr ea tin g   a  m ir r o r   im a g e.   Ho r izo n tal  f lip p in g   ass is ts   th e  m o d el  in   lear n in g   i n v ar ian ce   to   o r ien tatio n .   T h is   h o r izo n tal   f lip p in g   o p er atio n   is   ex p r ess ed   in   ( 5 ) .     =  ( ,  = 1 )   ( 5 )     2 . 2 . 4 .   Cla s s   ba la ncing   ( o v er s a m pli ng )   C las s   b alan cin g   is   a  tech n iq u e   to   h an d le  th e  im b alan ce s   in   t h e  s am p le  s izes  am o n g   m o d el s   to   av o id   b iased   p r ed ictio n .   Ov e r s am p lin g   d u p licates  m in o r ity   in s tan ce s   to   en s u r e   th at  all  cl ass es  ar e  eq u ally   r ep r esen ted .   T h is   s tu d y   u s e  t h e  “Ran d o m Ov e r Sam p ler ”  f r o m   th e   “ I m b lear n ”  lib r a r y   t o   d u p licate  s am p les  f r o m   u n d er - r ep r esen te d   class es u n til all  class e s   h av e  eq u al  n u m b er s .   I t h el p s   to   in cr ea s e  th e  s ize  o f   th e  d ataset  wh ile  k ee p in g   th e  class   b alan ce ,   th u s   r ed u ci n g   th e  p o s s ib ilit y   o f   th e  m o d el  f a v o r in g   a n y   o n e  class .   T h is   o v er s am p lin g   s tr ateg y   is   co n s is ten t  with   s tan d ar d   ap p r o a ch es  f o r   h an d lin g   class   im b alan ce   in   m ac h in e   lear n in g   p ip elin es  [ 2 7 ] .   T h is   o v er s am p lin g   p r o ce s s ,   wh ich   e q u alize s   th e  n u m b er   o f   s am p le s   ac r o s s   all  class e s ,   is   ex p r ess ed   in   ( 6 ) .     =      ( 6 )     W h er e    is   th e  n ew  n u m b er   o f   s am p les  f o r   class   ,   eq u al is ed   am o n g   all  class es.  T h ese  p r ep r o ce s s in g   tech n iq u es  ar e  c o m b in e d   to   ef f ec tiv ely   p r e p ar e  th e   d ataset,   en ab lin g   b etter   m o d el  p er f o r m an ce   a n d   m o r e   r o b u s t r esu lts .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       C o mp a r a tive  ev a lu a tio n   o f tra n s fer lea r n in g   mo d els a n d   Gr a d - C A M in terp r eta b ilit y  …   ( Md .   F ir o z   Ha s a n )   3649   2 . 3 .     Xce ptio n  m o del w it h a t t ent io n m ec ha nis m   Xce p tio n   is   a  d ee p   C NN  [ 2 8 ] ,   wh ich   is   ef f icien t  in   ex tr ac tin g   co m p lex   p atter n s .   I t  r ep lace s   th e  s tan d ar d   I n ce p tio n   m o d u les  w ith   d ep th wis e  s ep ar ab le   co n v o lu tio n s ,   wh ich   d ec o u p le  s p atia l  an d   c h an n el - wis e  f ea tu r e  lear n i n g   to   ca p tu r e   v is u al  p atter n s   m o r e  e f f icien tl y .   Af ter   th e   f ea tu r e   ex tr ac ti o n ,   th e   o u tp u ts   o f   Xce p tio n   ar e  r esh ap ed   to   f ee d   in to   a  m u lti - h ea d   atten tio n   lay er .   T h is   atten tio n   m ec h an is m   is   u s ef u l  to   f o cu s   o n   s p ec ific  r eg io n s   in   t h e  b r ai n   MRI  s ca n s   th at   ar e   m o r e   li k ely   to   co n tain   in f o r m atio n   a b o u t  t h e  tu m o r .   T h e   m u lti - h ea d   atten tio n   m ec h a n is m   u s ed   h er e  f o llo ws  th e   f o r m u latio n   in tr o d u ce d   f o r   tr an s f o r m er - b ased   ar ch itectu r es  [ 2 9 ] ,   as e x p r ess ed   in   ( 7 ) .            =     (  / √ )     ( 7 )     W h er e  ,  ,   an d     ar e  t h e  v ec t o r s   o f   t h e  q u er ies,  k ey s ,   an d   v alu es ,   r esp ec tiv ely ,   an d     is   th e  d i m en s io n   o f   th e  k ey   v ec to r s .   T h e  C NN  m o d el  u s es  a  g lo b al  av er ag e   p o o lin g   lay er   to   r ed u ce   th e  s p atial   d im en s io n s   wh ile  r etain in g   f ea tu r e  i n f o r m atio n .   I t  also   u s es   d r o p o u t  lay er s   f o r   r eg u lar is atio n ,   a  s o f tm a x   o u tp u t  lay e r   f o r   class if icatio n   in to   f o u r   class es  an d   a  m u lti - h ea d   atten tio n   lay er   f o r   en h an ce d   f ea tu r e   ex tr ac tio n .   I t  u tili ze s   d r o p o u t  la y e r s ,   G a u s s ia n   n o is e   a n d   b atc h   n o r m ali za ti o n   an d   r ec ti f i ed   l in ea r   u n it   ( R e L U )   ac t iv a ti o n s   t o   p r e v e n t   o v e r f itti n g   a n d   t o   r et ai n   th e  f e atu r e  i n f o r m a ti o n .   Sp a r s e   ca te g o r i ca l  cr o s s - e n t r o p y   l o s s   a n d   Ad a m   o p t im ize r   a r e   u s e d   f o r   m o d el   tr ai n i n g .   T h e   o u t p u t  o b t ai n e d   b y   c o m b i n i n g   m u lti p l e  att en ti o n   h ea d s   is   e x p r ess e d   i n   ( 8 ) .            =       ( , , )     ( 8 )     W h er e  ,  ,   an d     m ec h an is m s   r ep r esen t th e  q u er ies,  k ey s   an d   v alu es m atr ices u s ed   in   atten tio n   m o d els .   T h e   Ad am   o p tim izer   a n d   ca teg o r i ca l  cr o s s - en tr o p y   ar e  u s ed   to   m in im ize   class if icatio n   er r o r s .   T h is   co m b in atio n   h elp s   to   h av e  s tab le  an d   ef f ec tiv e  g r ad ien t  u p d ates.   T h e  Ad am   o p tim izer   is   wid ely   ad o p ted   f o r   its   ad ap tiv e   lear n in g   r ate  a n d   f ast  co n v er g en ce   p r o p er ties   [ 3 0 ] .   T h e  s p ar s e  ca teg o r ical  c r o s s - en tr o p y   l o s s   f u n ctio n   u s ed   t o   tr ain   th e  m o d el  is   ex p r ess ed   in   ( 9 ) .        =   −   ∑ .      ( ̂ ) = 1   ( 9 )     W h er e  ̂   is   th e  p r ed icted   p r o b a b ilit y   f o r   class     an d     is   th e  tr u e  lab el.   T h e  tr ain in g   is   m o n it o r ed   an d   ea r ly   s to p p in g   is   u s ed   to   s to p   tr ain i n g   if   th er e   is   n o   im p r o v e m en t   in   v alid atio n   lo s s   o v er   a   s et  n u m b er   o f   ep o ch s .   T h is   p r ev en ts   o v er f itti n g   b y   r e tu r n in g   t o   th e  weig h ts   th at  wer e  s ee n   b est d u r in g   tr ain in g .     2 . 4 .    G ra d - CAM  hea t m a p v i s ua liza t io n   Gr ad - C AM   [ 3 1 ]   is   a  v is u al  ex p lan atio n   m eth o d   f o r   m o d el  p r ed ictio n s   th at  h ig h lig h ts   th e  m o s t   im p o r tan t  a r ea s   o f   th e   im ag e  f o r   th e   p r ed icted   class ,   p r o v id in g   in s ig h ts   in to   wh ich   im ag e   r eg io n s   th e  m o d e l   d ee m s   im p o r ta n t.   T h e   Gr ad - C AM   lo ca lizatio n   m ap ,   wh i ch   h ig h lig h ts   th e  r e g io n ’ s   m o s t  r elev an t  to   th e   p r ed icted   class ,   is   ex p r ess ed   in   ( 1 0 ) .      −  = ∆ ( ∑ )   ( 1 0 )     W h er e    ar e   th e  f ea tu r e  m ap s   o f   th e   last   co n v o lu tio n al   lay e r   an d   α c   ar e  t h e  weig h ts   wh i ch   r ep r esen t  th e   im p o r tan ce   o f   ea ch   f ea tu r e  m ap .   T h is   m eth o d   is   a  h o lis tic  ap p r o ac h   f o r   b r ain   tu m o r   class if icatio n ,   wh ich   in clu d es  f ea tu r e  e x tr ac tio n ,   atten tio n   m ec h an is m s ,   an d   r eg u lar is atio n   to   im p r o v e   th e   m o d el ’ s   ac cu r ac y ,   in ter p r etab ilit y ,   a n d   r o b u s tn e s s .   E ac h   m o d el  is   tr ain e d   f o r   th e  b r ain   tu m o r   class ificati o n   task   b y   ad d in g     m u lti - h ea d   atten tio n   m ec h an is m s   an d   r eg u lar is atio n   lay er s   o n   p r e - tr ain e d   I m ag eNe t  weig h ts .   T h e  m o d els  ar e  tr ain ed   to   class if y   f o u r   t y p es  o f   b r ain   tu m o r s :  g lio m a,   m en in g io m a,   n o   tu m o r ,   an d   p i tu itar y .   Gr ad - C AM   o u tp u ts   v is u al  ex p lan atio n s   o f   m o d el  d ec is io n s   b y   v is u a lizin g   p ar ts   o f   th e  im a g e  m o s t  r elev an t  to   t h e   p r ed icted   class .   T h e  co r r esp o n d in g   h ea tm a p   o b tain ed   f r o m   t h ese  weig h ted   f ea tu r e   m ap s   is   ex p r ess ed   in   ( 1 1 ) .        =    ( ∑ )     ( 1 1 )     W h er e    ar e  th e   weig h ts   o b ta in ed   b y   a v er ag i n g   t h e  g r ad ie n ts   an d     ar e  th e   f ea tu r e  m ap s   o f   t h e  last   co n v o l u tio n al  lay er .   T h is   m eth o d o lo g y   p r o v id es  a  co m p lete  d ee p   lear n in g   m eth o d   f o r   b r ain   tu m o r   class if icatio n .   E ac h   p h ase  is   f o cu s ed   o n   im p r o v in g   th e  ac cu r ac y ,   av o id in g   o v er f itti n g ,   an d   u n d er s tan d in g   th e   d ec is io n - m ak in g   p r o ce s s   o f   th e  m o d el.     2 . 5 .    VG G 1 6   m o del   VGG1 6   an d   VGG1 9   [ 3 2 ]   ar e  p r e - tr ain ed   m o d els  th at  h a v e  s tack ed   co n v o lu tio n al  lay er s ,   wh ich   m ak es  th em   m o r e  ef f icien t  in   ca p tu r in g   lo ca l  an d   d etailed   f ea tu r es  in   im ag es.  T h ey   ar e  r ef in ed   with   a     m u lti - h ea d   atten tio n   la y er ,   r eg u lar izatio n   b y   b atch   n o r m aliza tio n   an d   Gau s s ian   n o is e  to   im p r o v e  m o d e l   r o b u s tn ess .   Den s e  lay er s   wit h   5 1 2   u n its   ( R eL U  ac tiv atio n )   allo w  lear n in g   co m p lex   p atter n s   an d   d r o p o u t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,  Vo l.  1 5 ,   No .   4 ,   Au g u s t 2 0 2 6 :   3 6 4 6 - 3 6 5 9   3650   lay er s   p r ev en t  o v er f itti n g .   T h e  s p ar s e  ca teg o r ical  cr o s s - en tr o p y   lo s s   f u n ctio n   is   m in im ized   u s in g   th e  Ad am   o p tim izer ,   wh ich   m ea s u r es th e   d if f er en ce   b etwe en   th e  tr u e  la b els an d   th e  p r ed icted   p r o b a b ilit ies.  I n   th is   wo r k ,   th e  VGG1 6   m o d el  with   th e  p r etr ain ed   weig h ts   o n   I m ag e Net  is   u s ed   a s   a  f ea tu r e  ex tr ac to r ,   th e  lay er s   ar e   f r o ze n   d u r in g   tr ai n in g .   VGG1 9   m o d el  lik e  VGG1 6   h as m o r e  lay er s   to   in cr ea s e  th e  d ep th   an d   ab ilit y   to   ex tr ac t   f ea tu r es.   B atch   n o r m aliza tio n   an d   d r o p o u t   ar e   well - estab lis h ed   r eg u lar izatio n   tech n i q u es  f o r   s tab ilizin g   tr ain in g   an d   r ed u cin g   o v er f itti n g   in   d ee p   n etwo r k s   [ 3 3 ] ,   [ 3 4 ] .   T h e  o u tp u t  c o m p u te d   b y   t h e   d en s e  lay er   with in   th is   ar ch itectu r e  is   ex p r ess ed   i n   ( 1 2 ) .          =  (  + )     ( 1 2 )     T h e  p r e - tr ain ed   lay er s   ar e  f r o ze n   d u r in g   tr ain in g ,   s o   th at  th e  m o d el  ca n   f o c u s   o n   th e  n ew   task s   an d   it  ap p lies   g lo b al  av er a g e  p o o lin g ,   d en s e  lay er s ,   Gau s s ian   n o is e ,   an d   d r o p o u t t o   a  f in al  s o f tm a x   class if icatio n   lay er .     2 . 6 .    M o bil eNe t   m o de l   T h is   s tu d y   u s e  Mo b ileNet  [ 3 5 ]   with   p r e - tr ai n ed   weig h ts   an d   n o n - t r ain ab le  f ea tu r es  to   b u ild   th e  m o d el.   T h en ,   th e  o u tp u t  is   p a s s ed   to   a  m u lti - h ea d   atten tio n   lay er ,   f o llo wed   b y   g l o b al  a v er ag e  p o o lin g ,   d en s e  lay er ,   b atch   n o r m aliza tio n ,   Gau s s ian   n o is e,   d r o p o u t ,   an d   s o f tm ax   lay er   to   o u tp u t  th e  p r o b ab ilit ies.   T h e  lo s s   f u n ctio n   u s ed   to   tr ain   th e  Mo b ileNet - b ased   m o d el  is   ex p r ess ed   in   ( 1 3 ) .      = − ∑ .  ( ̂ ) = 1   ( 1 3 )     T h is   s tu d y   u s es   th e  Ad am   o p tim izer   f o r   s tab le  lea r n in g   an d   atten tio n   m ec h an is m s   to   f o cu s   o n     tu m o r - r ele v an t  r eg i o n s   o f   th e   im ag e.   B atch   n o r m aliza tio n   r ed u ce s   in ter n al  co v ar iate  s h i f t,  wh ich   s tab ilizes   th e  lear n in g   p r o ce s s .   T h e  Gau s s ian   n o is e  lay er s   ad d   r an d o m   n o is e  to   th e  d ata  wh ich   h elp s   th e  n etwo r k   to   g en er alize .  R eg u la r izatio n   is   a  tech n iq u e  o f   r a n d o m ly   p ick in g   n eu r o n s   d u r in g   th e   tr ai n in g   f o r   o v e r f itti n g   r ed u ctio n .   T h e  c o m b in atio n   o f   b atch   n o r m aliza tio n ,   Gau s s ian   n o is e,   an d   d r o p o u t  im p r o v es  g en er aliza tio n   a n d   p r ev en ts   o v e r f itti n g .   T h is   en s u r es  r o b u s tn ess   an d   p r e v en ts   o v er f itti n g   b y   ig n o r in g   n eu r o n s   d u r in g   tr ain in g   T h e  m o d el  p e r f o r m an ce   f o r   d i f f er en t  t u m o r   class es  is   ev alu ated   u s in g   im p o r ta n t  class if icatio n   m etr ics  s u ch   as  p r ec is io n ,   r ec all,   F1 - s co r e,   an d   ac cu r a cy .   T h ese  m etr ics  a r e  ca lcu lated   b ased   o n   th e   an aly s is   o f   tr u e  p o s itiv es,  f alse  p o s itiv es,  tr u e  n eg ativ es ,   an d   f alse  n eg ativ es  f o r   ea c h   class .   Pre cis io n   is   th e  p r o p o r tio n   o f   c o r r ec tly   p r ed icted   p o s itiv e  ca s es,  r ec all  is   th e  ef f ec tiv en ess   o f   th e  m o d el  in   i d en tify in g   p o s itiv e  ca s es,  F1 - s co r e  is   a   b alan ce d   ass ess m en t,  an d   ac cu r ac y   is   th e  o v e r all  co r r ec t n ess   o f   th e  m o d el.       3.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N    Fig u r e  1   was  cr ea ted   t o   v is u a lize   th e  class   d is tr ib u tio n ,   s h o win g   th e  im b alan ce   i n   th e   d at aset.  T h is   v is u aliza tio n   r ev ea led   th e  n e ed   o f   b ala n cin g   tech n iq u es  as  th e  class es  wer e  im b alan ce d .   As  s h o wn   in     Fig u r e  1 ,   th e  n o - tu m o r   class   i s   th e  lar g est  g r o u p   ( 6 , 3 8 0   im a g es),   f o llo wed   b y   p itu itar y   ( 5 , 8 2 8 ) ,   m e n in g io m a   ( 5 , 3 5 6 ) ,   an d   g lio m a  ( 5 , 2 8 4 ) ,   a   d if f er e n ce   o f   ab o u t  1 , 1 0 0   im a g es  b etwe en   th e   lar g est  an d   s m allest  class e s   th at  m o tiv ated   th e  o v er s am p lin g   s tr ateg y   d escr ib e d   in   s u b s ec tio n   2 . 2 . 5 .           Fig u r e  1 .   Dis tr ib u tio n   o f   class   lab els   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       C o mp a r a tive  ev a lu a tio n   o f tra n s fer lea r n in g   mo d els a n d   Gr a d - C A M in terp r eta b ilit y  …   ( Md .   F ir o z   Ha s a n )   3651   T h e  d ataset  in   Fig u r e  2   was  s t r u ctu r ed   in t o   a  Data Fra m e   wit h   ea ch   r o w  as  an   im ag e  p ath   an d   lab el.   L ab els  wer e  en co d ed   n u m er ic ally   to   b e  co m p atib le  with   m o d el  tr ain in g .   R an d o m   o v er s a m p lin g   was  u s ed   to   tack le  th e  class   im b ala n ce   p r o b lem .   Af ter   o v er s am p lin g ,   ea ch   class   h ad   th e  a m o u n t  o f   6 , 3 8 0   im ag es.     T h e  s tu d y   h as   ex am in e d   C NN  f o r   class if y in g   b r ain   MRI  im ag es  in to   4   ca teg o r ies:   g l io m a,   m e n in g io m a ,     n o   tu m o r ,   a n d   p itu itar y .   T r an s f er   lear n in g   was  ap p lied   b y   u s in g   th e  p r e - tr ain e d   C NN  m o d els,  wh ich   h av e   alr ea d y   lear n e d   th e  p atter n s   f r o m   th e  la r g e - s ca le  d atasets .   T h e  m o d els  VGG1 6 ,   V GG1 9 ,   Mo b ileNet,   Xce p tio n ,   an d   I n ce p tio n V 3   wer e  test ed .   T h e  m o d els  wer e  o p tim ized   with   Ad am   o p ti m izer   an d   a  s p ar s e   ca teg o r ical  cr o s s - en tr o p y   lo s s   f u n ctio n   f o r   m u lti - class   class if icatio n .           Fig u r e  2 .   Vis u al  r ep r esen tatio n   o f   im a g es  o f   d i f f er en t sizes       T h e  o b jectiv e  is   to   ev al u ate  th e  p er f o r m an ce   o f   v ar io u s   C NN  ar ch itectu r es  in   th e  class if icatio n   o f   b r ain   tu m o r s .   T r a n s f er   lear n in g   was  u s ed   to   tak e  ad v an tag e  o f   p r e - tr ain ed   C NN  m o d els  to   ac h iev e  th e  b est  p er f o r m an ce   with   a  s m all  d ataset.   E ac h   m o d el  was  r esized   to   th e  in p u t  lay er s   an d   f in e - tu n ed   with   th e  in p u t   s ize  ( 2 2 4 ,   2 2 4 ,   3 )   p i x els.  T o   en h an ce   th e  g en er aliza tio n   o f   th e   m o d el,   d ata  a u g m e n tatio n   o p e r atio n s   lik e   h o r izo n tal   f lip p in g ,   z o o m in g ,   an d   wid th /h eig h t  s h if tin g   w er e  p er f o r m e d .   All  t h e  m o d e ls   wer e  tr ain ed   f o r     5 - 1 0   e p o ch s   with   ea r l y   s to p p i n g   to   p r ev en t  o v er f itti n g .   T ab le  1   s h o ws  th e   b r ai n   tu m o r   class if icatio n   with   m u ltip le  m etr ics.  Acc u r ac y ,   p r ec is io n ,   r ec all,   an d   F1 - s co r e  ar e   th e   m etr ics  o f   t h is   s tu d y .   T h e   b est  m o d el,   Mo b ileNet,   attain ed   9 7 %  ac c u r ac y   an d   F1 - s co r e   wh ich   is   ac ce p tab le  f o r   r ea l - t im e  ap p licatio n s .   Fo llo win g   clo s ely ,   VGG1 9   ac h iev ed   an   ac cu r ac y   o f   9 2 %,   s h o win g   its   ab ilit y   to   ca p tu r e  co m p lex   MRI  p atter n s .   A  s im p ler   v er s io n   VGG1 6   h a d   a  s lig h tly   lo wer   p er f o r m an ce   with   ac cu r ac y   9 1 %.  Xce p tio n   was  as  ac c u r ate  as  VGG1 6 ,   b u t  s lig h t ly   less   p r ec is e   in   d if f er en tiatin g   s o m e  tu m o r   ty p es.  T h e  lo west  p er f o r m an ce   was  ac h iev ed   b y   I n ce p tio n V3   with   8 5 %  ac cu r ac y ,   p o s s ib ly   d u e   to   th e  c o m p le x ity   an d   th e   r e q u ir em en t   o f   lar g e r   d atasets .   I n ce p tio n V3   s h o wed   v is ib le   m is class if icatio n   am o n g   s im ilar   tu m o r   ty p es  lik e  g lio m a   an d   m en in g io m a,   p r o b a b ly   d u e  to   th e  v is u al   s im ilar ity   in   Fig u r e   3   o f   th ese  tu m o r s   in   MRI  im ag es.  M o b il eNe t   h ad   t h e  h i g h est  ac cu r ac y   o f   9 7 %  th at   m ea n s   th at  alm o s t a ll o f   th e  tu m o r   im ag es we r e  class if ied   co r r ec tly .   VGG1 9   was a ls o   q u ite  g o o d   with   an   ac cu r ac y   o f   9 2 %.  I n ce p tio n V3   was  a  b it  b eh in d   with   an   ac cu r ac y   o f   8 5 %  wh ich   in d icate s   th at  it  m ig h t  n o t  h av e   g en er alize d   well  f r o m   th e  d ata s et.       T ab le  1 .   C lass if icatio n   r esu lt f o r   ap p lied   m o d el   M o d e l   P r e c i s i o n   ( %)   R e c a l l   ( %)   F1 - sc o r e   ( %)   A c c u r a c y   ( %)   V G G 1 6   0 . 9 1   0 . 9 1   0 . 9 1   91   V G G 1 9   0 . 9 2   0 . 9 2   0 . 9 2   92   M o b i l e N e t   0 . 9 7   0 . 9 7   0 . 9 7   97   X c e p t i o n   0 . 9 1   0 . 9 1   0 . 9 0   91   I n c e p t i o n V 3   0 . 8 7   0 . 8 5   0 . 8 4   85   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,  Vo l.  1 5 ,   No .   4 ,   Au g u s t 2 0 2 6 :   3 6 4 6 - 3 6 5 9   3652       Fig u r e  3 .  Vis u aliza tio n   o n   p r e cisi o n ,   r ec all ,   F1 - s co r e ,   a n d   ac cu r ac y       T h e  Mo b ileNet  an d   VGG1 9   m o d els  ac h iev ed   h ig h   p r ec is io n   an d   r ec all  in   p r ed ictin g   t h e  ty p es  o f   tu m o r s ,   th er eb y   r e d u cin g   th e  r is k   o f   m is clas s if icatio n   an d   en s u r in g   r eliab le  id en tific atio n   o f   tu m o r s .   T h e   Mo b ileNet   an d   VGG1 9   m o d el s   h ad   h ig h   r ec all  v alu es,  s h o win g   th at  th ey   wer e  ab le  to   co r r ec tly   id en tify   m o s t   ca s es  o f   ea ch   ty p e  o f   tu m o r .   B u t  I n ce p tio n V3   h ad   r ec all  is s u es,  p ar ticu lar ly   in   d is cr im in atin g   m en in g io m a   b ec au s e  it  is   s en s itiv e  to   co m p lex   p atter n s   an d   s m all  d atasets .   F1 - s co r e:  a  co m b in atio n   o f   p r ec is io n   an d   r ec all  to   k n o w  h o w  well  a  m o d el  ca n   av o id   f alse  p o s itiv es  an d   f al s e  n eg ativ es.  Mo b ileNet   h as  th e  h ig h est  F1 - s co r e   o f   0 . 9 7   wh ich   is   a  g o o d   b ala n ce   f o r   ca p tu r in g   r elev a n t  ca s es  wh ile  also   av o id in g   m is cla s s if icatio n .   VGG1 9   ca m e  n ex t  with   a  h ig h   F1 - s co r e  o f   0 . 9 2 ,   co n f i r m in g   its   r eliab ilit y   f o r   p r ac tical  ap p licatio n s .   I n ce p tio n V3   d i d   n o t  p er f o r m   co n s is ten tly   well  in   ter m s   o f   p r ec is io n   an d   r e ca ll,  esp ec ially   in   d is tin g u is h i n g   v is u ally   s im ilar   tu m o r   class es  lik e  g lio m a  an d   m en in g io m a,   with   a  r elativ el y   lo wer   F1 - s co r e.   T h e  co n f u s i o n   m atr ices  o f f e r ed   m o r e  in s ig h t in t o   th e  m is class i f icatio n   p atter n s   o f   th e  m o d els.   Fig u r e  4   s h o ws  th e  m o d el  p er f o r m an ce   e v alu atio n   f o r   VGG1 6 ,   VGG1 9 ,   Mo b ileNet,   Xce p tio n ,   an d   I n ce p tio n V3 ;  wh e r e  Fig u r e  4 ( a)   s h o ws  th e  r ec eiv er   o p er at in g   ch ar ac ter is tic  ( R OC )   cu r v e  co m p ar is o n   a n d   Fig u r e  4 ( b )   s h o ws  th e  s co r es  ac r o s s   ep o ch s   f o r   d if f e r en t  m o d els .   T h e   R OC   cu r v es  ar e   u s ed   to   ev al u ate  th e   p er f o r m an ce   o f   th e   m o d els  in   d is cr im in atin g   b etwe en   class es.  T h e  R OC   cu r v es  o f   VGG1 6   an d   VGG1 9   a r e   m o d er ate  in c r ea s in g ,   in d icatin g   a  g o o d   s en s itiv ity   an d   s p ec if icity   with   a  s o lid   m o d el  p er f o r m an ce .   Mo b ileNet   h as  a  s teep   cu r v e  n ea r   th e  o r i g in ,   ac h ie v in g   a   h ig h   tr u e   p o s itiv e  r ate   with   s m all  in cr em e n ts   o f   f alse  p o s itiv e  r ate   an d   h as  th e  h ig h est  ar ea   u n d er   th e   cu r v e  ( AUC )   o f   all  t h e  m o d els.  T h is   s h o ws  th at  Mo b ileNet  is   g o o d   at   d is cr im in atin g   b etwe en   class es  an d   also   h as  h ig h   r ec all  an d   p r ec is io n   with   m in im al  tr ad e - o f f   o n   f alse   p o s itiv es.  Xce p tio n ’ s   R OC   c u r v e  is   m o d er ately   s teep   wit h   a  s tead y   in cr ea s e  b u t  a  litt le  lo wer   AUC  th an   Mo b ileNet.   I n ce p tio n V3 ’ s   c u r v e  also   in cr ea s es  s tead ily   b u t  less   s teep ly   at  th e  b e g i n n in g ,   in d icatin g   a   m o d er ate  r esu lt,  wh er e   it  g ets   a  lo t  o f   t r u e  p o s itiv es  b u t  p o s s ib ly   with   a  h ig h er   f alse  p o s itiv e  r ate  ea r ly   o n .   T h e  R OC   cu r v e  an d   AUC  o f   Mo b ileNet  s h o w  th at  it  i s   th e   m o s t  ca p ab le  m o d el  f o r   th is   class if icatio n   task .   VGG1 6 ,   VGG1 9 ,   Xce p tio n ,   an d   I n ce p tio n V3   also   p e r f o r m   well  with   s lig h t  d if f er en ce s   in   th e  b alan ce   o f   s en s itiv ity   an d   s p ec if icity .   A UC   is   a  g o o d   m ea s u r e  t o   co m p ar e  th e   p er f o r m a n ce   o f   m o d els  in   class if icatio n   p r o b lem s .   T h is   g iv es  a  b alan ce d   v iew  o f   th e  m o d el' s   ab ilit y   to   d is cr im in ate,   wh ich   is   u s e f u l  if   y o u   wan t  to   ch o o s e  a  m o d el  th at  d o es  well  at  all  th r esh o ld s ,   an d   t h u s   b e  r o b u s t  an d   r eliab le   in   th e  r ea l  wo r ld .   I f   class   s ep ar atio n   is   n ee d ed ,   a  m o d el   with   a  b etter   AU C   ca n   be   o f ten   th e  b est  o p tio n ,   s u ch   as  Mo b ileNet.   R OC   an d   AUC r em ain   s tan d ar d   to o ls   f o r   ev alu atin g   a n d   c o m p ar i n g   cl ass if ier   p er f o r m an ce   ac r o s s   th r esh o ld s   [ 3 5 ].   Fig u r e  5   is   a  lin e  ch a r t  th at  s h o ws  th e  tr ain in g   an d   v alid atio n   lo s s   in   ea ch   m o d el  ( VGG1 6 ,   VGG1 9 ,   Mo b ileNet,   Xce p tio n ,   an d   I n c ep tio n V3 )   o v er   ep o ch s .   Mo b i leNe t  is   a  s u itab le  m o d el  f o r   task s   n ee d in g   h ig h   class if icatio n   ac cu r ac y   an d   a   b alan ce   b etwe en   p r ec is io n   an d   r ec all.   I t  also   h as  th e  least  tr ain in g   tim e   in d icatin g   e f f icien cy   in   co m p u tatio n al  r eso u r ce s .   VGG1 6   an d   VGG1 9   ar e   co n s is ten tly   im p r o v in g   th e   p r ec is io n ,   r ec all  an d   F1 - s co r e,   with   m o d er ate  AUC v alu es a n d   lo w  ten d en cy   o f   o v er f itti n g .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       C o mp a r a tive  ev a lu a tio n   o f tra n s fer lea r n in g   mo d els a n d   Gr a d - C A M in terp r eta b ilit y  …   ( Md .   F ir o z   Ha s a n )   3653     ( a)       ( b )     Fig u r e  4 .   Mo d el  p er f o r m a n ce   ev alu atio n   o f   ( a)   R OC   cu r v e  c o m p ar is o n   a n d   ( b )   s co r es a cr o s s   ep o ch s   f o r   d if f er en t m o d els           Fig u r e  5 .   T r ain in g   a n d   v alid atio n   lo s s   o v er   e p o ch s   f o r   d i f f er e n t m o d els   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,  Vo l.  1 5 ,   No .   4 ,   Au g u s t 2 0 2 6 :   3 6 4 6 - 3 6 5 9   3654   Xce p tio n   d o es  well  b u t  s ee m s   a  b it  o v er f itted .   I n ce p tio n V3   o b tain s   r ea s o n ab le  s co r es  f o r   all  m etr ics   in   Fig u r e  6   b u t  it  h as  t h e  lo we s t  p r ec is io n   an d   r ec all  am o n g   m o d els ,   in d icatin g   th at  it  c an   b e  f u r th er   im p r o v ed   b y   tu n i n g .   M o b ileNet  is   ch o s en   b ec au s e  o f   its   ef f icien c y   a n d   h ig h   p e r f o r m an ce .   Misclass if icatio n   h ap p en s   wh en   th e  m o d el  p r e d icts   th e  tu m o r   ca teg o r y   o f   a n   im ag e  wr o n g ly   as  g lio m a  an d   m en in g io m a .             Fig u r e  6 .   C o n f u s io n   m atr i x   f o r   d if f er e n t m o d els       I n   T a b le  2 ,   ca s es  wh er e   th e   m o d els  f ailed   to   co r r ec tly   cla s s if y   ar e  lis ted .   Fo r   ea ch   en t r y ,   th e   im ag e  I D,   th e  tr u e  tu m o r   ty p e,   th e  i n co r r ec t  p r e d ictio n ,   th e  m o d e l  u s ed ,   an d   th e  p o s s ib le  r ea s o n   f o r   th e  er r o r   ar e   p r o v id e d .   All  th ese  r ea s o n s   ar e  v is u al  ju d g em e n ts .   T y p ical   p r o b lem s   ar e  th at  th e  t u m o r   s h ap es  o r   s izes  ar e  s im ilar   an d   th at  th e  im ag e   h as  ar tef ac ts   th at  m ay   m i s lead   th e  m o d el.   T o   b etter   u n d er s tan d   th ese  m is class if icatio n s ,   let’ s   tak e  a  lo o k   at  s o m e  o f   th ese  i m ag es.  Her e  is   an   ex am p le  o f   a  f ew  s elec ted   m is class if ied   im ag es  with   tr u e  an d   p r ed icted   lab els  s h o wn   u n d er   ea ch   im ag e   to   h elp   v i s u alize   th e  ar ea s   o f   co n f u s io n   f o r   ea ch   m o d el.       T ab le  2.   Misclass ified   im ag e  s u m m ar y   ta b le   I mag e   I D   Tr u e   l a b e l   P r e d i c t e d   l a b e l   M o d e l   3 0 0 0 . j p g   G l i o ma   M e n i n g i o ma   I n c e p t i o n V 3   1 9 7 9 . j p g   M e n i n g i o ma   G l i o ma   V G G 1 6   4 4 2 1 . j p g   N o   t u m o r   P i t u i t a r y   M o b i l e N e t   5 2 5 4 . j p g   P i t u i t a r y   G l i o ma   V G G 1 9   2 5 9 9 . j p g   G l i o ma   M e n i n g i o ma   M o b i l e N e t     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       C o mp a r a tive  ev a lu a tio n   o f tra n s fer lea r n in g   mo d els a n d   Gr a d - C A M in terp r eta b ilit y  …   ( Md .   F ir o z   Ha s a n )   3655   Fig u r e  7   p r esen ts   th ese  m is class if ied   MRI  im ag es  with o u t  Gr ad - C AM   o v er lay s ,   g iv in g   a  b aselin e   v iew  o f   th e  r aw  in p u ts   b ef o r e  th e  m o d el' s   atten tio n   r eg io n s   ar e  v is u alize d   in   Fig u r e  8 .   T h e  tr u e  an d   p r ed icted   lab els  f o r   ea ch   m is class i fied   i m ag e  ar e  s h o wn ,   with   th e  s p ec ific  r eg io n s   wh er e  th e  m o d el ’ s   f o cu s   m ig h t  h av e   led   to   an   in c o r r ec t  p r ed ictio n .   T h e  m ain   s o u r ce   o f   m is class if icatio n   in   th is   s tu d y   is   th e  v is u al  s im ilar ity   o f   tu m o r   ty p es  an d   am b ig u o u s   i m ag e  f ea tu r es.  Ov er lap p i n g   t ex tu r es  an d   ir r eg u lar   b o u n d ar ies  o f   g lio m a  a n d   m en in g io m a   o f ten   c o n f u s ed   t h em .   Fre q u en t   f alse  p r ed ictio n s   as  g lio m a   wer e   m ad e   f o r   m en in g io m a   im ag es   th at  h ad   b l u r   o r   in d is tin ctn es s .   I n   s o m e  ca s es,  n o n - tu m o r o u s   im ag es  with   f ain t  ar te f ac ts   wer e  in co r r ec tly   id en tifie d   as  p itu itar y   tu m o r s ,   s u g g esti n g   th e   n ee d   f o r   b et ter   f ea tu r e   d is cr im in atio n .   S m all  an d   lo ca lized   p itu itar y   tu m o r s   wer e  also   m i s class if ied   as  g lio m a,   illu s tr atin g   lim itatio n s   in   s p atial  r ec o g n itio n .   T h e  r esu lts   in d icate   th at  f u r th er   p r ep r o c ess in g ,   f ea tu r e  lo ca lizatio n ,   an d   m o d el  tu n in g   ar e  r e q u ir ed   to   en h an ce   th e   class if icatio n   ac cu r ac y .                 Fig u r e  7 .   I m ag e  with o u t G r ad - C AM               Fig u r e  8 .   I m ag e  af te r   ap p l y in g   Gr ad - C AM       Misclas s if ied   im ag es  d ep ict  lim itatio n s   o f   a  m o d el.   Fo r   ex am p le,   MRI  im ag es  o f   g l io m a  an d   m en in g io m a  ca n   h a v e  s im ilar   v is u al  tr aits ,   wh ich   ca u s ed   I n ce p tio n V3   an d   VGG1 6   to   m i s class if y   g lio m a  as   m en in g io m a .   T h ese  er r o r s   m ay   b e  d u e  t o   co n v o lu tio n al  lay er s   tr ea tin g   s h ar ed   tex tu r es  a n d   ed g es  as  s im ilar   f ea tu r es.  T h e  Mo b ileNet  ar ch itectu r e  was  n o t  ab le  to   p er f o r m   well  in   th e  p r esen ce   o f   s lig h t  ar tef ac ts   an d   s h o u ld   b e   ad ju s ted   f o r   th e  s en s itiv ity   to   tex tu r e  a n d   s h ap e,   p er h ap s   b y   ad ju s tin g   th e  t r ain in g   p r o ce d u r e  o r   th e   atten tio n   m ec h an is m s .   Gr ad - C AM   i s   a  m eth o d   f o r   p r o v id i n g   v is u al  ex p lan atio n s   o f   d ec i s io n s   m ad e  b y   d ee p   lear n in g   m o d els  b y   u tili zin g   t h e  r eg i o n s   o f   an   im ag e   th at  a r e  m o s t  r elev a n t  to   th e  m o d el’ s   class if icatio n .   An   ex p er im en t  o n   b r ain   tu m o r   cla s s if icatio n   with   Gr ad - C AM   v i s u aliza tio n s   p r o v id es  a  h ea tm ap   o v er la y   o n   ea c h   im ag e,   in d icatin g   r e g io n s   r el ev an t  to   class if y in g   th e  tu m o r   ty p es.  T h is   in ter p r eta b ilit y   is   im p o r tan t  f o r   m ed ical  ap p licatio n s ,   as  it  g u ar an tees  th at  th e  m o d el  atten d s   to   th e  r elev an t  a n ato m ical  s tr u ctu r es  an d   d o es  n o t  m a k e  m is class if icatio n s .   Gr ad - C AM   h ea tm ap s   ca n   also   u n c o v er   p atter n s   i n   th e   m o d e l’ s   d ec is io n   p r o ce s s   th at  co u ld   s u g g est  ch an g es  in   th e  m o d el’ s   s en s itiv ity   o r   p r ep r o ce s s in g   to   b etter   d etec t  tr u e  tu m o r   f ea tu r es.   T h is   in ter p r etativ e  to o l  allo ws  d ev elo p er s   to   id e n tify   an d   f i x   s p ec if ic  atten tio n   er r o r s ,   th e r eb y   in cr ea s in g   t h e  r eliab ilit y   o f   th e  m o d el.   W ith   th e  aid   o f   XAI   m eth o d s   s u ch   as  Gr ad - C AM   in   Fig u r e  8 ,   th e  tr an s p ar en cy   a n d   tr u s two r th in ess   o f   d ee p   lear n in g   m o d els  ca n   b e  im p r o v e d ,   esp ec ially   in   h ea lth ca r e.   Gr ad - C AM   p r o v id es  in s ig h t  in to   th e  d ec is io n - m ak in g   p r o ce s s   o f   th e  m o d el  an d   h elp s   in   v alid atin g   t h e  clin ic al  ac cu r ac y   o f   th e   m o d el  an d   id e n tify in g   er r o r s   th at  m ay   a r is e  d u e   to   in h er e n t  lim itatio n s   o r   c h allen g es  o f   th e  d ataset.   Su ch   in ter p r etab ilit y   r e d u ce s   r is k s   in   m e d ical  d iag n o s is ,   wh er e  m is class if icatio n   o f   tu m o r s   m ay   lead   t o   in ap p r o p r iate  tr ea tm en ts .   T h is   v is u al  o v er lap   b etwe en   g li o m a  an d   m en in g io m a  ca s es  h as  b ee n   s im ilar ly   r ep o r ted   i n   o th er   m u lti - class   b r ain   tu m o r   class if icatio n   s tu d ies  [ 3 6 ] ,   wh ile  s y s tem atic  r ev iews  o f   XAI   in   m ed ical  im ag in g   co n f i r m   t h at  Gr ad - C AM - b ased   in ter p r etab ilit y   is   am o n g   t h e  m o s t  wid ely   ad o p ted   ap p r o ac h es f o r   b u ild in g   clin ician   tr u s t in   d ee p   lear n in g   d iag n o s tic  to o ls   [ 3 7 ] .   Gr ad - C AM   v is u aliza tio n s   h ig h lig h t  th e   d if f e r en ce s   in   atte n tio n ,   g iv in g   ac tio n a b le  s u g g esti o n s   to   en h an ce   th e  m o d el' s   ac cu r ac y   an d   r eliab ilit y .   No w,   with   th e  Gr ad - C AM   v is u aliza tio n s   in teg r ated   in to   th e   m o d el  ev al u atio n   p r o ce s s ,   d ev elo p er s   ca n   s ee   th e   m o d el ’ s   s p atial  atten tio n   d ir ec tly   an d   a n   iter ativ e  f ee d b ac k   lo o p   ar is es.  I n   co n clu s io n ,   Gr ad - C AM   an d   XAI   tech n iq u es  ar e  im p o r tan t  to   en h a n ce   d e ep   lear n in g   m o d els   f o r   m e d ical  ap p licatio n s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.