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    파노라마방사선영상에서 다중작업 딥러닝을 이용한 성별 및 연령 추정에 관한 연구 = Automatic estimation of sex and chronological age from panoramic radiographs using a multi-task deep learning network

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    https://www.riss.kr/link?id=T17110702

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    국문 초록 (Abstract) kakao i 다국어 번역

    1. 목 적
    성별 및 연령 예측은 법의학 수사와 개인의 식별 시 중요한 역할을 한다. 예전부터 성별 및 연령 예측을 위한 수동적인 방법들이 제안되었지만, 이러한 수동적 방법은 노동 집약적이고, 시간이 오래 소요되며, 오류의 발생 가능성이 높다. 본 연구의 목적은 ForensicNet이라는 다중작업 딥러닝 네트워크를 활용하여 파노라마방사선영상에서 성별과 연령을 동시에 자동으로 예측하는 것이다.

    2. 연구대상 및 방법
    ForensicNet은 백본(Backbone)과 성별 및 연령 어텐션 브랜치(Attention Branch)로 구성되어 있어, 파노라마방사선영상에서 성별 및 연령 관련 해부학적 특징을 스스로 학습하여 성별과 연령의 다중작업 예측을 가능하게 한다. 데이터 분포의 편향적 영향을 최소화하기 위해 15~80세 연령대의 각 성별에 대해 100장의 파노라마방사선영상 총 13,200장의 이미지로 구성된 데이터세트를 구축하였다. 제안된 네트워크인 ForensicNet의 구조는 백본과 성별 및 연령 어텐션 브랜치로 구성되었다. ForensicNet의 백본으로는 VGG16, MobileNet v2, ResNet101, DenseNet121, Vision Transformer, Swin Transformer, TransUNet, 그리고 EfficientNet-B3의 특징 추출 네트워크가 사용되었다. 성별 및 연령에 대한 예측 성능을 평가하기 위해 평균절대오차, 결정계수, 최대편차, 예측성공률, 민감도, 특이도, 정확도를 평가하였다.

    3. 결 과
    EfficientNet-B3를 적용한 ForensicNet의 예측 성능 결과 연령 예측에 대한 평균절대오차는 2.93±2.61세로 나타났으며, 결정계수가 0.957인 높은 연령 예측 성능을 보여주었다. 또한 성별 예측에 대해서는 정확도, 특이도 및 민감도가 각각 0.992, 0.993 및 0.990으로 나타났다. 이 네트워크에서 제안된 성별 및 연령 어텐션 브랜치와 컨볼루션 블록 어텐션 모듈(Convolutional Block Attention Module)은 특히 50세 이상 고령의 파노라마방사선영상에서 성별과 연령의 예측 성능을 크게 향상시키는 것으로 나타났다.

    4. 결 론
    본 연구에서 제안한 ForensicNet은 파노라마방사선영상에서 성별 및 나이를 자동으로 예측하고, 개인 식별을 위한 법의학 수사 및 연구에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

    주요어 : 성별 추정, 연령 추정, 파노라마영상, 딥러닝, 다중작업 러닝
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    1. 목 적 성별 및 연령 예측은 법의학 수사와 개인의 식별 시 중요한 역할을 한다. 예전부터 성별 및 연령 예측을 위한 수동적인 방법들이 제안되었지만, 이러한 수동적 방법은 노동 집약적...

    1. 목 적
    성별 및 연령 예측은 법의학 수사와 개인의 식별 시 중요한 역할을 한다. 예전부터 성별 및 연령 예측을 위한 수동적인 방법들이 제안되었지만, 이러한 수동적 방법은 노동 집약적이고, 시간이 오래 소요되며, 오류의 발생 가능성이 높다. 본 연구의 목적은 ForensicNet이라는 다중작업 딥러닝 네트워크를 활용하여 파노라마방사선영상에서 성별과 연령을 동시에 자동으로 예측하는 것이다.

    2. 연구대상 및 방법
    ForensicNet은 백본(Backbone)과 성별 및 연령 어텐션 브랜치(Attention Branch)로 구성되어 있어, 파노라마방사선영상에서 성별 및 연령 관련 해부학적 특징을 스스로 학습하여 성별과 연령의 다중작업 예측을 가능하게 한다. 데이터 분포의 편향적 영향을 최소화하기 위해 15~80세 연령대의 각 성별에 대해 100장의 파노라마방사선영상 총 13,200장의 이미지로 구성된 데이터세트를 구축하였다. 제안된 네트워크인 ForensicNet의 구조는 백본과 성별 및 연령 어텐션 브랜치로 구성되었다. ForensicNet의 백본으로는 VGG16, MobileNet v2, ResNet101, DenseNet121, Vision Transformer, Swin Transformer, TransUNet, 그리고 EfficientNet-B3의 특징 추출 네트워크가 사용되었다. 성별 및 연령에 대한 예측 성능을 평가하기 위해 평균절대오차, 결정계수, 최대편차, 예측성공률, 민감도, 특이도, 정확도를 평가하였다.

    3. 결 과
    EfficientNet-B3를 적용한 ForensicNet의 예측 성능 결과 연령 예측에 대한 평균절대오차는 2.93±2.61세로 나타났으며, 결정계수가 0.957인 높은 연령 예측 성능을 보여주었다. 또한 성별 예측에 대해서는 정확도, 특이도 및 민감도가 각각 0.992, 0.993 및 0.990으로 나타났다. 이 네트워크에서 제안된 성별 및 연령 어텐션 브랜치와 컨볼루션 블록 어텐션 모듈(Convolutional Block Attention Module)은 특히 50세 이상 고령의 파노라마방사선영상에서 성별과 연령의 예측 성능을 크게 향상시키는 것으로 나타났다.

    4. 결 론
    본 연구에서 제안한 ForensicNet은 파노라마방사선영상에서 성별 및 나이를 자동으로 예측하고, 개인 식별을 위한 법의학 수사 및 연구에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

    주요어 : 성별 추정, 연령 추정, 파노라마영상, 딥러닝, 다중작업 러닝

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    다국어 초록 (Multilingual Abstract) kakao i 다국어 번역

    1. Objective
    Estimating sex and age is critical in forensic investigations and personal identification. While traditional methods for sex and age estimation have been proposed in the past, these manual approaches are labor-intensive, time-consuming, and prone to errors. The objective of this study is to automatically estimate sex and chronological age simultaneously from panoramic images using a multi-task deep learning network called ForensicNet.

    2. Material & Methods
    ForensicNet consists of a backbone and sex and age attention branches, enabling it to autonomously learn anatomical characteristics related to sex and chronological age from panoramic
    radiographs and estimate multiple tasks related to sex and age. To mitigate the biased impact of data distribution, a dataset was created with 13,200 images, using 100 panoramic images per sex across the age range of 15 to 80 years.
    The proposed ForensicNet architecture comprises a backbone incorporating feature extraction networks such as VGG16, MobileNet v2, ResNet101, DenseNet121, Vision Transformer, Swin
    Transformer, TransUNet, and EfficientNet-B3, along with sex and age attention branches.
    The performance of ForensicNet in sex and age estimation was evaluated using metrics including Mean Absolute Error (MAE), Coefficient of Determination (R2), Maximum Deviation (MD), Success Prediction Rate (SER), Sensitivity (SEN), Specificity (SPE), and Accuracy (ACC).

    3. Results
    ForensicNet using EfficientNet-B3 demonstrated a mean absolute error of 2.93 ± 2.61 years for age estimation, with an excellent coefficient of determination of 0.957, indicating outstanding age prediction performance. For sex estimation, the network achieved accuracy, specificity, and sensitivity values of 0.992, 0.993, and 0.990, respectively. The proposed sex and age
    attention branches along with the convolutional block attention module notably improved the estimation performance of sex and age in panoramic images, particularly for elderly patients.

    4. Conclusion
    ForensicNet, proposed in this study, automatically estimates sex and chronological age from panoramic radiographs, which is expected to contribute to forensic investigations and research for personal identification.

    Keywords: Sex Estimation, Age Estimation, Panoramic Radiographs, Deep Learning, Multi-Task Learning
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    1. Objective Estimating sex and age is critical in forensic investigations and personal identification. While traditional methods for sex and age estimation have been proposed in the past, these manual approaches are labor-intensive, time-consuming, ...

    1. Objective
    Estimating sex and age is critical in forensic investigations and personal identification. While traditional methods for sex and age estimation have been proposed in the past, these manual approaches are labor-intensive, time-consuming, and prone to errors. The objective of this study is to automatically estimate sex and chronological age simultaneously from panoramic images using a multi-task deep learning network called ForensicNet.

    2. Material & Methods
    ForensicNet consists of a backbone and sex and age attention branches, enabling it to autonomously learn anatomical characteristics related to sex and chronological age from panoramic
    radiographs and estimate multiple tasks related to sex and age. To mitigate the biased impact of data distribution, a dataset was created with 13,200 images, using 100 panoramic images per sex across the age range of 15 to 80 years.
    The proposed ForensicNet architecture comprises a backbone incorporating feature extraction networks such as VGG16, MobileNet v2, ResNet101, DenseNet121, Vision Transformer, Swin
    Transformer, TransUNet, and EfficientNet-B3, along with sex and age attention branches.
    The performance of ForensicNet in sex and age estimation was evaluated using metrics including Mean Absolute Error (MAE), Coefficient of Determination (R2), Maximum Deviation (MD), Success Prediction Rate (SER), Sensitivity (SEN), Specificity (SPE), and Accuracy (ACC).

    3. Results
    ForensicNet using EfficientNet-B3 demonstrated a mean absolute error of 2.93 ± 2.61 years for age estimation, with an excellent coefficient of determination of 0.957, indicating outstanding age prediction performance. For sex estimation, the network achieved accuracy, specificity, and sensitivity values of 0.992, 0.993, and 0.990, respectively. The proposed sex and age
    attention branches along with the convolutional block attention module notably improved the estimation performance of sex and age in panoramic images, particularly for elderly patients.

    4. Conclusion
    ForensicNet, proposed in this study, automatically estimates sex and chronological age from panoramic radiographs, which is expected to contribute to forensic investigations and research for personal identification.

    Keywords: Sex Estimation, Age Estimation, Panoramic Radiographs, Deep Learning, Multi-Task Learning

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    목차 (Table of Contents)

    • 제 1 장 서 론 1
    • 제 2 장 연구대상 및 방법 6
    • A. 연구대상 선택과 데이터 준비 6
    • B. 제안된 다중작업 딥러닝 네트워크 9
    • 제 1 장 서 론 1
    • 제 2 장 연구대상 및 방법 6
    • A. 연구대상 선택과 데이터 준비 6
    • B. 제안된 다중작업 딥러닝 네트워크 9
    • C. 가중 다중작업 손실함수 14
    • D. 학습 훈련 환경 15
    • E. 평가 메트릭스 16
    • 제 3 장 결 과 18
    • 제 4 장 고 찰 37
    • 제 5 장 결 론 50
    • 참고문헌 52
    • Abstract (in English) 59
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    참고문헌 (Reference)

    1. Age determinations on teeth, Gustafson G., 41:45-54, , 1950

    2. Learning from imbalanced data, He H, Garcia EA, 21:1263-84, , 2009

    3. Postmortem dental radiography, Chaudhry J, Turner EW, Blankenship JA, Mincer HH, 53:405-7, , 2008

    4. A survey on vision transformer, Liu Z et al, Chen H, Chen X, Han K, Guo J, Wang Y, 45:87-110, , 2022

    5. The development of permanent teeth, Nolla CM, University of Michigan Ann Arbor, , 1952

    6. Densely connected convolutional networks, Liu, Z., Huang, G., Van Der Maaten, L., Weinberger, K. Q., Proc IEEE Int Conf Comput Vis4700–8, , 2017

    7. Cbam: Convolutional block attention module, Park, J., Kweon, I. S., Woo, S., Lee, J. Y., Proc European Conf Comput Vis3–19, , 2018

    8. Deep residual learning for image recognition, Ren, S., Zhang, X., He, K., Sun, J., Proc IEEE Int Conf Comput Vis770–8, , 2016

    9. Ageing dental caries and periodontal diseases, Schwendicke F., Göstemeyer G, López R, Smith PC, 44:S145-S152, , 2017

    10. Age estimation of adults from dental radiographs, Kvaal SI, Kolltveit KM, Thomsen IO, Solheim T., 74:175-85, , 1995

    1. Age determinations on teeth, Gustafson G., 41:45-54, , 1950

    2. Learning from imbalanced data, He H, Garcia EA, 21:1263-84, , 2009

    3. Postmortem dental radiography, Chaudhry J, Turner EW, Blankenship JA, Mincer HH, 53:405-7, , 2008

    4. A survey on vision transformer, Liu Z et al, Chen H, Chen X, Han K, Guo J, Wang Y, 45:87-110, , 2022

    5. The development of permanent teeth, Nolla CM, University of Michigan Ann Arbor, , 1952

    6. Densely connected convolutional networks, Liu, Z., Huang, G., Van Der Maaten, L., Weinberger, K. Q., Proc IEEE Int Conf Comput Vis4700–8, , 2017

    7. Cbam: Convolutional block attention module, Park, J., Kweon, I. S., Woo, S., Lee, J. Y., Proc European Conf Comput Vis3–19, , 2018

    8. Deep residual learning for image recognition, Ren, S., Zhang, X., He, K., Sun, J., Proc IEEE Int Conf Comput Vis770–8, , 2016

    9. Ageing dental caries and periodontal diseases, Schwendicke F., Göstemeyer G, López R, Smith PC, 44:S145-S152, , 2017

    10. Age estimation of adults from dental radiographs, Kvaal SI, Kolltveit KM, Thomsen IO, Solheim T., 74:175-85, , 1995

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    15. Age And Sex Determination Using CT scan Nasal Bone Imaging, Barai J, Dudhbade S, Luharia A, Tivaskar S, 13:1085-9, , 2022

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    27. 37 An image is worth 16x16 wordsTransformers for image recognition at scale, Unterthiner T et al, Weissenborn D, Kolesnikov A, Dosovitskiy A, Zhai X, Beyer L, arXiv preprint arXiv:2010.11929, , 2020

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