Comparative Evaluation of Ensemble Models for Brain Tumor Image Classification Using Wavelet Transform-Based Features

Main Article Content

Chatchawarn Srimontree
Saowaluk Thaiklang
Chaivichit Kaewklom

Abstract

This study aims to develop and evaluate the performance of machine learning models for classifying magnetic resonance (MRI) brain images with tumor conditions. The process began with the extraction of multi-level texture and frequency features using the Discrete Wavelet Transform (DWT) with Daubechies 4 as the mother wavelet. The decomposition produced a total of ten subbands, including one approximation subband (LL), three horizontal detail subbands (LH), three vertical detail subbands (HL), and three diagonal detail subbands (HH). Each subband was characterized by six statistical parameters: mean, standard deviation, energy, entropy, skewness, and kurtosis, which effectively represented the structural characteristics of brain tissues. In total, 60 features were obtained. Feature selection was then performed using the Random Forest algorithm based on feature importance scores, where only features with importance values greater than 0.01 were retained to enhance accuracy and reduce data dimensionality. This process resulted in 39 selected wavelet features from the all original ones, corresponding to a 35% reduction in unnecessary attributes. For model construction, four ensemble learning techniques were implemented, Adaptive Boosting (AdaBoost), Extreme Gradient Boosting (XGBoost), Random Forest, and Bootstrap Aggregating (Bagging), to compare classification performance. Experimental results revealed that the AdaBoost model achieved the best performance, with an accuracy of 93.67%, sensitivity of 94.78%, specificity of 93.00%, and overall performance of 93.81%. These findings reflect that the integration of wavelet transform-based feature extraction and feature selection with ensemble learning methods, particularly AdaBoost, can effectively and accurately support medical diagnosis from brain MRI images, providing an additional approach for brain tumor detection.

Downloads

Download data is not yet available.

Article Details

How to Cite
Srimontree, C., Thaiklang, S. ., & Kaewklom, C. . (2025). Comparative Evaluation of Ensemble Models for Brain Tumor Image Classification Using Wavelet Transform-Based Features. Kalasin University Journal of Science Technology and Innovation, 4(2), 122–138. retrieved from https://li01.tci-thaijo.org/index.php/sci_01/article/view/269319
Section
Research Articles

References

พิมพญาภรณ์ ทรัพย์มีชัย, สุนทรา เลี้ยงเชวงวงศ์ และ ภัทรวิทย์ รักษ์กุล. ปัจจัยทำนายสภาวะส่วนบุคคลความทุกข์ทรมานจากอาการและพฤติกรรมการจัดการอาการต่อคุณภาพชีวิตของผู้ป่วยเนื้องอกสมอง. วารสารพยาบาลศาสตร์จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย. 2561; 33(2): 1-12. สืบค้น จาก https://he01.tci-thaijo.org/index.php/CUNS/

article/view/254383

Mukdaprawat P, Danaidutsadeekul S, Chanruangvanich W, Itthimathin P. Relationships between brain tumor grading, severity of neurological deficit, nutritional status and functional status in brain tumor patients during hospital stay. Nurs Sci J Thail [Internet]. 2012 Sep 28 [cited 2025 Sep.27] ; 30(3): 46-54. Available from: https://he02.tci-thaijo.org/index.php/ns/article/view/10468

Neugut AI, Sackstein P, Hillyer GC, Jacobson JS, Bruce J, Lassman AB, et al. Magnetic resonance imaging-based screening for asymptomatic brain tumors: a review. Oncologist. 2019; 24(3): 375-84.

Gopi Krishna T, Sunitha KVN, Mishra S. Detection and classification of brain tumor from MRI medical image using wavelet transform and PSO based LLRBFNN algorithm. Int J Comput Sci Eng. 2018; 6(1): 18-23. doi: 10.26438/ijcse/v6i1.1823. Available from: https://www.ijcseonline.org/full_paper_view.php?paper_id=1627

Nayak DR, Dash R, Majhi B. Brain MR image classification using two-dimensional discrete wavelet transform and AdaBoost with random forests. Neurocomputing. 2016;177:188-97.

Nayak DR, Dash R, Majhi B. Stationary wavelet transform and AdaBoost with SVM based pathological brain detection in MRI scanning. CNS Neurol Disord Drug Targets. 2017; 16(2): 137-49.

Yadav AK, Yadav V. Brain tumor recognition from multimodal magnetic resonance images using wavelet texture features and optimized artificial neural network. Multimed Tools Appl. 2024; 83: 72975-96.

Patil S, Kirange D. Ensemble of deep learning models for brain tumor detection. Procedia Comput Sci. 2023; 218: 2468-79.

อนุพงศ์ สุขประเสริฐ. คู่มือการทำเหมืองข้อมูลด้วยโปรแกรม RapidMiner Studio. พิมพ์ครั้งที่ 3. มหาสารคาม: ภาควิชาคอมพิวเตอร์ธุรกิจ คณะการบัญชีและการจัดการ มหาวิทยาลัยมหาสารคาม; 2563. น. 16-41.

Hamada A. Br35H: brain tumor detection 2020 [Internet]. Kaggle; 2020 [cited 2025 Apr 9]. Available from: https://www.kaggle.com/datasets/ahmedhamada0/brain-tumor-detection

นราทิพย์ ณ ระนอง. การจำแนกภาพขวดแบบเซ็ตเปิดด้วยโครงข่ายประสาทเทียมแบบคอนโวลูชัน [วิทยานิพนธ์วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาเทคโนโลยีสารสนเทศ]. กรุงเทพมหานคร: มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ; 2562.

Naknaem K, Kaewlek T. A comparative study of pre-processing methods to improve glioma segmentation performance in brain MRI using deep learning. J Assoc Med Sci. 2024; 57(2): 132-40.

OpenCV. opencv-python [Internet]. PyPI; [cited 2025 Feb 19]. Available from: https://pypi.org/

project/opencv-python/

Scikit-Image. Scikit-image: image processing in python [Internet]. PyPI; [cited 2025 Feb 6]. Available from: https://pypi.org/project/scikit-image

SciPy. SciPy: scientific computing tools for python [Internet]. PyPI; [cited 2025 Feb 14]. Available from: https://pypi.org/project/scipy

Pandas development team. Pandas: python data analysis library [Internet]. [cited 2025 Jul 9]. Available from: https://pandas.pydata.org

Mathew AR, Anto PB. Tumor detection and classification of MRI brain image using wavelet transform and SVM. In: 2017 International Conference on Signal Processing and Communication (ICSPC); 2017 Jul 28-29; Coimbatore, India. Piscataway (NJ): IEEE; 2017. p. 75-8.

Altair. Altair AI Studio [Internet]. [cited 2025 Mar 7]. Available from: https://altair.com/altair-ai-studio

เดช ธรรมศิริ และ พยุง มีสัจ. การเรียนรู้แบบรวมกลุ่มด้วยโครงข่ายประสาทเทียมเอดาบูทสำหรับการจำแนกข้อมูล. วารสารเทคโนโลยีสารสนเทศมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ. 2554; 7(2) :7-12. สืบค้น จาก https://ph01.tci-thaijo.org/index.php/IT_Journal/article/view/54513

พชร ดอกชะเอม. แบบจำลองทำนายโรคหลอดเลือดสมองด้วยเทคนิคการเรียนรู้ของเครื่อง [วิทยานิพนธ์

วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาวิทยาการข้อมูล]. กรุงเทพมหานคร: มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ; 2566.

กฤตกนก ศรีพิมพ์สอ และ กิตติพล วิแสงวิแสง. การพยากรณ์โรคเบาหวานด้วยเทคนิคเหมืองข้อมูล. วารสารการจัดการเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏมหาสารคาม. 2023; 10(1): 51-63. สืบค้น จาก https://ph02.tci-thaijo.org/index.php/itm-journal/article/view/248575

ปพิชญา กลางนอก และ จารี ทองคำ. การประยุกต์ใช้เทคนิคแบบรวมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของแบบจำลองตามกฎ ในเหมืองข้อมูล. วารสารเทคโนโลยีอุตสาหกรรม มหาวิทยาลัยราชภัฏอุบลราชธานี. 2562; 9(1): 97-108. สืบค้น จาก https://ph01.tci-thaijo.org/index.php/jitubru/article/view/183422

Allgaier J, Pryss R. Cross-validation visualized: a narrative guide to advanced methods. Mach Learn Knowl Extr. 2024; 6(2): 1378-88. doi: 10.3390/make6020065. Available from: https://www.mdpi.com/2504-4990/6/2/65

Kohavi R. A study of cross-validation and bootstrap for accuracy estimation and model selection. In: Proceedings of the 14th International Joint Conference on Artificial Intelligence; 1995. p.1137-45.

Rodriguez JD, Perez A, Lozano JA. Sensitivity analysis of k-fold cross validation in prediction error estimation. IEEE Trans Pattern Anal Mach Intell. 2010; 32(3): 569-75. doi: 10.1109/

tpami.2009.187. Available from: https://www.researchgate.net/publication/224085226

_Sensitivity_Analysis_of_k-Fold_Cross_Validation_in_Prediction_Error_Estimation

Varoquaux G, Raamana PR, Engemann DA, Hoyos-Idrobo A, Schwartz Y, Thirion B. Assessing and tuning brain decoders: cross-validation, caveats, and guidelines. NeuroImage. 2017; 145: 166-79.