Thermography based breast cancer detection using texture features and minimum variance quantization

In this paper, we present a system based on feature extraction techniques and image segmentation techniques for detecting and diagnosing abnormal patterns in breast thermograms. The proposed system consists of three major steps: feature extraction, classification into normal and abnormal pattern and segmentation of abnormal pattern. Computed features based on Gray Level Co-occurrence Matrices (GLCM) are used to evaluate the effectiveness of textural information possessed by mass regions. A total of 20 GLCM features are extracted from thermograms. The ability of feature set in differentiating abnormal from normal tissue is investigated using a Support Vector Machine classifier, Naive Bayes classifier and K-Nearest Neighbor classifier. To evaluate the classification performance, five-fold cross validation method and Receiver operating characteristic analysis was performed. The verification results show that the proposed algorithm gives the best classification results using K-Nearest Neighbor classifier and a accuracy of 92.5 %. Image segmentation techniques can play an important role to segment and extract suspected hot regions of interests in the breast infrared images. Three image segmentation techniques: minimum variance quantization, dilation of image and erosion of image are discussed. The hottest regions of thermal breast images are extracted and compared to the original images. According to the results, the proposed method has potential to extract almost exact shape of tumors

Breast Cancer : automatic detection and risk analysis through machine learning algorithms, using mammograms

Tese de Mestrado Integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica), 2021, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasCom 2.3 milhões de casos diagnosticados em todo o Mundo, durante o ano de 2020, o cancro da mama tornou-se aquele com maior incidência, nesse mesmo ano, considerando ambos os sexos. Anualmente, em Portugal, são diagnosticados aproximadamente sete mil (7000) novos casos de cancro da mama, com mil oitocentas (1800) mulheres a morrerem, todos os anos, devido a esta doença - indicando uma taxa de mortalidade de aproximadamente 5 mulheres por dia. A maior parte dos diagnósticos de cancro da mama ocorrem ao nível de programas de rastreio, que utilizam mamografia. Esta técnica de imagem apresenta alguns problemas: o facto de ser uma imagem a duas dimensões leva a que haja sobreposição de tecidos, o que pode mascarar a presença de tumores; e a fraca sensibilidade a mamas mais densas, sendo estas caraterísticas de mulheres com risco de cancro da mama mais elevado. Como estes dois problemas dificultam a leitura das mamografias, grande parte deste trabalhou focou-se na verificação do desempenho de métodos computacionais na tarefa de classificar mamografias em duas classes: cancro e não-cancro. No que diz respeito à classe “não cancro” (N = 159), esta foi constituída por mamografias saudáveis (N=84), e por mamografias que continham lesões benignas (N=75). Já a classe “cancro” continha apenas mamografias com lesões malignas (N = 73). A discriminação entre estas duas classes foi feita com recurso a algoritmos de aprendizagem automática. Múltiplos classificadores foram otimizados e treinados (Ntreino=162, Nteste = 70), recorrendo a um conjunto de características previamente selecionado, que descreve a textura de toda a mamografia, em vez de apenas uma única Região de Interesse. Estas características de textura baseiam-se na procura de padrões: sequências de pixéis com a mesma intensidade, ou pares específicos de pixéis. O classificador que apresentou uma performance mais elevada foi um dos Support Vector Machine (SVM) treinados – AUC= 0.875, o que indica um desempenho entre o bom e o excelente. A Percent Mammographic Density (%PD) é um importante fator de risco no que diz respeito ao desenvolvimento da doença, pelo que foi estudado se a sua adição ao set de features selecionado resultaria numa melhor performance dos classificadores. O classificador, treinado e otimizado utilizando as features de textura e os cálculos de %PD, com maior capacidade discriminativa foi um Linear Discriminant Analysis (LDA) – AUC = 0.875. Uma vez que a performance é igual à obtida com o classificador que utiliza apenas features de textura, conclui-se que a %PD parece não contribuir com informação relevante. Tal pode ocorrer porque as próprias características de textura já têm informação sobre a densidade da mama. De forma a estudar-se de que modo o desempenho destes métodos computacionais pode ser afetado por piores condições de aquisição de imagem, foi simulado ruído gaussiano, e adicionado ao set de imagens utilizado para testagem. Este ruído, adicionado a cada imagem com quatro magnitudes diferentes, resultou numa AUC de 0.765 para o valor mais baixo de ruído, e numa AUC de 0.5 para o valor de ruído mais elevado. Tais resultados indicam que, para níveis de ruído mais baixo, o classificador consegue, ainda assim, manter uma performance satisfatória – o que deixa de se verificar para valores mais elevados de ruído. Estudou-se, também, se a aplicação de técnicas de filtragem – com um filtro mediana – poderia ajudar a recuperar informação perdida aquando da adição de ruído. A aplicação do filtro a todas as imagens ruidosas resultou numa AUC de 0.754 para o valor mais elevado de ruído, atingindo assim um desempenho similar ao set de imagens menos ruidosas, antes do processo de filtragem (AUC=0.765). Este resultados parecem indicar que, na presença de más condições de aquisição, a aplicação de um filtro mediana pode ajudar a recuperar informação, conduzindo assim a um melhor desempenho dos métodos computacionais. No entanto, esta mesma conclusão parece não se verificar para valores de ruído mais baixo onde a AUC após filtragem acaba por ser mais reduzida. Tal resultado poderá indicar que, em situações onde o nível de ruído é mais baixo, a técnica de filtragem não só remove o ruído, como acaba também por, ela própria, remover informação ao nível da textura da imagem. De modo a verificar se mamas com diferentes densidades afetavam a performance do classificador, foram criados três sets de teste diferentes, cada um deles contendo imagens de mamas com a mesma densidade (1, 2, e 3). Os resultados obtidos indicam-nos que um aumento na densidade das mamas analisadas não resulta, necessariamente, numa diminuição da capacidade em discriminar as classes definidas (AUC = 0.864, AUC = 0.927, AUC= 0.905; para as classes 1, 2, e 3 respetivamente). A utilização da imagem integral para analisar de textura, e a utilização de imagens de datasets diferentes (com dimensões de imagem diferentes), poderiam introduzir um viés na classificação, especialmente no que diz respeito às diferentes áreas da mama. Para verificar isso mesmo, utilizando o coeficiente de correlação de Pearson, ρ = 0.3, verificou-se que a área da mama (e a percentagem de ocupação) tem uma fraca correlação com a classificação dada a cada imagem. A construção do classificador, para além de servir de base a todos os testes apresentados, serviu também o propósito de criar uma interface interativa, passível de ser utilizada como ficheiro executável, sem necessidade de instalação de nenhum software. Esta aplicação permite que o utilizador carregue imagens de mamografia, exclua background desnecessário para a análise da imagem, extraia features, teste o classificador construído e dê como output, no ecrã, a classe correspondente à imagem carregada. A análise de risco de desenvolvimento da doença foi conseguida através da análise visual da variação dos valores das features de textura ao longo dos anos para um pequeno set (N=11) de mulheres. Esta mesma análise permitiu descortinar aquilo que parece ser uma tendência apresentada apenas por mulheres doentes, na mamografia imediatamente anterior ao diagnóstico da doença. Todos os resultados obtidos são descritos profundamente ao longo deste documento, onde se faz, também, uma referência pormenorizada a todos os métodos utilizados para os obter. O resultado da classificação feita apenas com as features de textura encontra-se dentro dos valores referenciados no estado-da-arte, indicando que o uso de features de textura, por si só, demonstrou ser profícuo. Para além disso, tal resultado serve também de indicação que o recurso a toda a imagem de mamografia, sem o trabalho árduo de definição de uma Região de Interesse, poderá ser utilizado com relativa segurança. Os resultados provenientes da análise do efeito da densidade e da área da mama, dão também confiança no uso do classificador. A interface interativa que resultou desta primeira fase de trabalho tem, potencialmente, um diferenciado conjunto de aplicações: no campo médico, poderá servir de auxiliar de diagnóstico ao médico; já no campo da análise computacional, poderá servir para a definição da ground truth de potenciais datasets que não tenham legendas definidas. No que diz respeito à análise de risco, a utilização de um dataset de dimensões reduzidas permitiu, ainda assim, compreender que existem tendências nas variações das features ao longo dos anos, que são especificas de mulheres que desenvolveram a doença. Os resultados obtidos servem, então, de indicação que a continuação desta linha de trabalho, procurando avaliar/predizer o risco, deverá ser seguida, com recurso não só a datasets mais completos, como também a métodos computacionais de aprendizagem automática.Two million and three hundred thousand Breast Cancer (BC) cases were diagnosed in 2020, making it the type of cancer with the highest incidence that year, considering both sexes. Breast Cancer diagnosis usually occurs during screening programs using mammography, which has some downsides: the masking effect due to its 2-D nature, and its poor sensitivity concerning dense breasts. Since these issues result in difficulties reading mammograms, the main part of this work aimed to verify how a computer vision method would perform in classifying mammograms into two classes: cancer and non-cancer. The ‘non-cancer group’ (N=159) was composed by images with healthy tissue (N=84) and images with benign lesions (N=75), while the cancer group (N=73) contained malignant lesions. To achieve this, multiple classifiers were optimized and trained (Ntrain = 162, Ntest = 70) with a previously selected ideal sub-set of features that describe the texture of the entire image, instead of just one small Region of Interest (ROI). The classifier with the best performance was Support Vector Machine (SVM), (AUC = 0.875), which indicates a good-to-excellent capability discriminating the two defined groups. To assess if Percent Mammographic Density (%PD), an important risk factor, added important information, a new classifier was optimized and trained using the selected sub-set of texture features plus the %PD calculation. The classifier with the best performance was a Linear Discriminant Analysis (LDA), (AUC=0.875), which seems to indicate, once it achieves the same performance as the classifier using only texture features, that there is no relevant information added from %PD calculations. This happens because texture already includes information on breast density. To understand how the classifier would perform in worst image acquisition conditions, gaussian noise was added to the test images (N=70), with four different magnitudes (AUC= 0.765 for the lowest noise value vs. AUC ≈ 0.5 for the highest). A median filter was applied to the noised images towards evaluating if information could be recovered. For the highest noise value, after filtering, the AUC was very close to the one obtained for the lowest noise value before filtering (0.754 vs 0.765), which indicates information recovery. The effect of density in classifier performance was evaluated by constructing three different test sets, each containing images from a density class (1,2,3). It was seen that an increase in density did not necessarily resulted in a decrease in performance, which indicates that the classifier is robust to density variation (AUC = 0.864, AUC= 0.927, AUC= 0.905 ; for class 1, 2, and 3 respectively). Since the entire image is being analyzed, and images come from different datasets, it was verified if breast area was adding bias to classification. Pearson correlation coefficient provided an output of ρ = 0.22, showing that there is a weak correlation between these two variables. Finally, breast cancer risk was assessed by visual texture feature analysis through the years, for a small set of women (N=11). This visual analysis allowed to unveil what seems to be a pattern amongst women who developed the disease, in the mammogram immediately before diagnosis. The details of each phase, as well as the associated final results are deeply described throughout this document. The work done in the first classification task resulted in a state-of-the-art performance, which may serve as foundation for new research in the area, without the laborious work of ROI definition. Besides that, the use of texture features alone proved to be fruitful. Results concerning risk may serve as basis for future work in the area, with larger datasets and the incorporation of Computer Vision methods

Detection of Malignant Tumour in Mammography Images Using Artificial Neural Networks with Fuzzy Rules

Breast cancer is a collection of cancer cells that starts in the breast cells and it expands from tissue of breast. Now a day Mammogram is one technique to detect the breast cancer earlyusing x-ray image of breast and it is used to reduce the deaths of breast cancer. This breast cancer disease is curable if discovered starting stage. This paper studies different methods utilized for the detection of breast cancer using mammogram classification. In this paper, the feature extraction and classification of mammogram image can be done by the artificial neural networks. Different kinds of feature extraction from mammogram image to detecting the bread cancer contains shape, position and surface features etc., this image feature extraction is significant in classification of image. By utilizing the image processing these image features are extracted. Image segmentation is performed for feature extraction of mammogram image, in this process image is partitioned into multiple segments, therefore when change the image representation into something that is more significant and simple to examine. Here the fuzzy rules are introduced to process the related data from cases of breast cancer in mammogram image in order to give the risk diagnosis of breast cancer. The preprocessing method is used to sustain an effectiveness of image by correct and adjusting the mammogram image and also it is used to improve the image quality and create it ready for additional working by reducing the unrelated noise to provide new brightness value in output image it is called as filtration and unwanted parts of background of mammogram image is eliminated. Some techniques are discussed for mammogram image classification to earlier detection of breast cancer

An investigation of the breast cancer classification using various machine learning techniques

It is an extremely cumbersome process to predict a disease based on the visual diagnosis of cell type with precision or accuracy, especially when multiple features are associated. Cancer is one such example where the phenomenon is very complex and also multiple features of cell types are involved. Breast cancer is a disease mostly affects female population and the number of affected people is highest among all cancer types in India. In the present investigation, various pattern recognition techniques were used for the classification of breast cancer using cell image processing. Under these pattern recognition techniques, cell image segmentation, texture based image feature extraction and subsequent classification of breast cancer cells was successfully performed. When four different machine learning techniques: Kth nearest neighbor (KNN), Artificial Neural Network ( ANN), Support Vector Machine (SVM) and Least Square Support Vector Machine (LS-SVM) was used to classify 81 cell images, it was observed from the results that the LS-SVM with both Radial Basis Function (RBF) and linear kernel classifiers demonstrated the highest classification rate of 95.3488% among four other classifiers while SVM with linear kernel resulted a classification rate of 93.02% which was close to LSSVM classifier. Thus, it was demonstrated that the LS-SVM classifier showed accuracy higher than other classifiers reported so far. Moreover, our classifier can classify the disease in a short period of time using only cell images unlike other approaches reported so far

Matching of Mammographic Lesions in Different Breast Projections

De todos os cancros, cancro da mama é o que causa mais mortes entre mulheres. Programas de rastreio do cancro da mama podem ajudar a decrescer esta mortalidade, visto que deteção e tratamento do tumor em fases iniciais aumentam a taxa de sobrevivência. Normalmente, um par de radiologistas fazem a interpretação das mamografias, no entanto o processo é longo e cansativo. Isto incentivou o desenvolvimento de sistemas de diagnósitco auxiliado por computador (CADx), para substituir o segundo radiologista, fazendo melhor uso do tempo de especialistas. No entanto, sistemas CADx são associados a taxas elevadas de falsos positivos, dado que a maior parte detes apenas usam uma vista (craniocaudal ou mediolateral oblique) da mamografia. O radiologista, por sua vez, usa ambas as projeções, baseando o seu diagnóstico em diferenças visíveis entre as duas vistas. Quando se consideram as duas projeções da mamografia, a correspondência de lesões é um passo necessário para se fazer o diagnóstico. No entanto, isto é uma tarefa complexa, dado que podem existir vários candidatos a lesão, em cada uma das vistas, para se fazer correspondência. Neste trabalho, um sistema que faz correspondências entre lesões é proposto. Este é composto por três blocos: detetor de candidatos, extração de caraterísticas e correspondência de lesões. O primeiro é uma replicação do trabalho de Ribli et al., e o seu propósito é detetar possíveis candidatos a lesão. O segundo é a extração de vetores de caraterísticas de cada candidato, quer usando a backbone do detetor de candidatos, quer extraindo caraterísticas mais tradicionais, ou usando uma rede neuronal treinada com a triplet loss para distinguir lesões. O terceiro é o cálculo da distância entre os vetores de caraterísticas, usando também heurísticas para restringir possíveis pares de candidatos incorretos, e a ordenação de distâncias para atribuir a correspondência de cada lesão. Este trabalho oferece várias opções de possíveis extractores de caraterísticas e heurísticas a serem incroporados num sistema CADx que seja baseado em detetores de objetos. O facto do modelo treinado com a triplet loss ser competitivo com os restantos modelos, torna o sistema bastante mais viável, sendo que este oferece a possibilidade de a correspondência ser independente da deteção de candidatos. Heurísticas "hard" e "soft" são introduzidas como métodos para limitar correspondências. O sistema é capaz de fazer correspondências de forma satisfatória, dado que a sua exatidão ( 70%85%) é significativamente maior que a probabilidade aleatória (30%40%) dos dados usados. Heurísticas "hard" têm resultados encorajantes na precision@k, dado que estas rejeitam um número significativo de falsos positivos gerados pelo detetor de lesões.Of all cancer diseases, breast cancer is the most lethal among women. It has been shown that breast cancer screening programs can decrease mortality, since early detection increases the chances of survival. Usually, a pair of radiologists interpret the screening mammograms, however the process is long and exhausting. This has encouraged the development of computer aided diagnosis (CADx) systems to replace the second radiologist, making a better use of human-experts' time. But CADx systems are associated with high false positive rates, since most of them only use one view (craniocaudal or mediolateral oblique) of the screening mammogram. Radiologist, on the other hand, use both views; frequently reasoning about the diagnosis by noticeable differences between the two views. When considering both projections of a mammogram, lesion matching is a necessary step to perform diagnosis. However this is a complex task, since there might be various lesion candidates on both projections to match. In this work, a matching system is proposed. The system is a cascade of three blocks: candidates detector, feature extraction and lesion matching. The first is a replication of Ribli et al.'s Faster R-CNN and its purpose is to find possible lesion candidates. The second is the feature vector extraction of each candidate, either by using the candidates detector's backbone, handcrafted features or a siamese network model trained for distinguish lesions. The third is the calculus of the distance between feature vector, also using some heuristics to restrain possible non-lesion pairs, and the ranking of the distances to match the lesions. This work provides several options of possible feature extractors and heuristics to be incorporated into a CADx system based on object detectors. The fact that the triplet loss trained models obtained competitive results with the other features extractors is valuable, since it offers some independence between the detection and matching tasks. "Hard" heuristics and "soft" heurisitcs are introduced as methods to restrain matching. The system is able to detect matches satisfactorily, since its accuracy (70%85%) is significantly higher than chance level (30%40%). "Hard" heuristics proposals achieved encouraging results on precision@k, due to its match and candidates exclusion methods, which rejects a significant number of false positives generated by the object detector

AN AUTOMATED COMPUTER-AIDED DETECTION (CADe) AND DIAGNOSIS (CADx) SYSTEM FOR BREAST MICROCALCIFICATIONS IN MAMMOGRAMS

ABSTRACTAn automated computer aided diagnosis system has been proposed for detection of microcalcification (MC) clusters in mammograms. The proposed system is a whole system including suspicious regions identification, MCs detection, false positive reduction and benign/malign classification. For classification of suspicious microcalcification regions, a multilayer perceptron (MLP) neural network was used with grey level co-occurrence matrix (GLCM) and statistical features.  Then to decrease the false positive classification ratio, we used cascade correlation neural network (CCNN) with grey level run length matrix (GLRLM) features. In the last step, hybrid form of discriminant analysis and support vector machine (SVM) methods were used with GLRLM features for benign/malign classification of detected MC clusters. The open access Mammographic Image Analysis Society (MIAS) database was used for the study. Experimental results show that the proposed algorithm obtained 86% sensitivity, 98.3% specificity and 1.163 FPpI rates for detection an for diagnosis of breast cancer, the obtained sensitivity and specificity values are 100% and 100% respectively. Despite the vision difficulty of MC clusters, the novel system provides very satisfactory results. Furthermore, the developed system is fully automatic whole system which gives outputs as percentages and transformed assessment categories. Keywords: Mammograms, Breast cancer, Computer aided diagnosis, Cascade correlation neural network (CCNN), Grey level co-occurrence matrix (GLCM), Grey level run length matrix (GLRLM).