DoctorEye: A clinically driven multifunctional platform, for accurate processing of tumors in medical images

Copyright @ Skounakis et al.This paper presents a novel, open access interactive platform for 3D medical image analysis, simulation and visualization, focusing in oncology images. The platform was developed through constant interaction and feedback from expert clinicians integrating a thorough analysis of their requirements while having an ultimate goal of assisting in accurately delineating tumors. It allows clinicians not only to work with a large number of 3D tomographic datasets but also to efficiently annotate multiple regions of interest in the same session. Manual and semi-automatic segmentation techniques combined with integrated correction tools assist in the quick and refined delineation of tumors while different users can add different components related to oncology such as tumor growth and simulation algorithms for improving therapy planning. The platform has been tested by different users and over large number of heterogeneous tomographic datasets to ensure stability, usability, extensibility and robustness with promising results. AVAILABILITY: THE PLATFORM, A MANUAL AND TUTORIAL VIDEOS ARE AVAILABLE AT: http://biomodeling.ics.forth.gr. It is free to use under the GNU General Public License

Nephroblastoma analysis in MRI images

The annotation of the tumour from medical scans is a crucial step in nephroblastoma treatment. Therefore, an accurate and reliable segmentation method is needed to facilitate the evaluation and the treatments of the tumour. The proposed method serves this purpose by performing the segmentation of nephroblastoma in MRI scans. The segmentation is performed by adapting and a 2D free hand drawing tool to select a region of interest in the scan slices. Results from 24 patients show a mean root-mean-square error of 0.0481±0.0309, an average Dice coefficient of 0.9060±0.0549 and an average accuracy of 99.59% ±0.0039. Thus the proposed method demonstrated an effective agreement with manual annotations

Nephroblastoma in MRI Data

The main objective of this work is the mathematical analysis of nephroblastoma in MRI sequences. At the beginning we provide two different datasets for segmentation and classification. Based on the first dataset, we analyze the current clinical practice regarding therapy planning on the basis of annotations of a single radiologist. We can show with our benchmark that this approach is not optimal and that there may be significant differences between human annotators and even radiologists. In addition, we demonstrate that the approximation of the tumor shape currently used is too coarse granular and thus prone to errors. We address this problem and develop a method for interactive segmentation that allows an intuitive and accurate annotation of the tumor. While the first part of this thesis is mainly concerned with the segmentation of Wilms’ tumors, the second part deals with the reliability of diagnosis and the planning of the course of therapy. The second data set we compiled allows us to develop a method that dramatically improves the differential diagnosis between nephroblastoma and its precursor lesion nephroblastomatosis. Finally, we can show that even the standard MRI modality for Wilms’ tumors is sufficient to estimate the developmental tendencies of nephroblastoma under chemotherapy

Stellenwert einer referenzradiologischen Befundungsinstanz im Rahmen der Diagnostik und Therapieplanung von Nephroblastomen

Der Wilmstumor ist zwar der häufigste Nierentumor des Kindes, im Verhältnis zu anderen Tumorerkrankungen im Kindesalter jedoch eine seltene Entität und schwer von anderen benignen und malignen Nierentumoren zu differenzieren. Um die Gefahr von Tumorruptur und Streuung zu verringern, wird zur Reduktion des Tumorvolumens eine präoperative Chemotherapie eingesetzt. Da die angewandten Chemotherapeutika jedoch zum Teil schwere Nebenwirkungen haben können, ist eine initial korrekte Diagnose und damit die Rolle der Diagnostik vor Therapiebeginn um so bedeutsamer, um falsche Therapien zu vermeiden. Diese Arbeit befasst sich mit der Rolle der referenzradiologischen Befundung in der Diagnostik des Wilmstumors, insbesondere vor Therapiebeginn, in den Jahren 2001 – 2017. Ausgewertet wurden 1832 Patienten aus ganz Deutschland, die im Rahmen der SIOP 2001 GPOH Therapieoptimierungsstudie behandelt wurden. Eine solch große prospektive Sammlung referenzradiologischer Befunde über 17 Jahre in einer einzigen kinderradiologischen Abteilung in Deutschland, macht die hier dargestellten Untersuchungsergebnisse einzigartig. Die Ergebnisse zeigen, dass im obigen Zeitraum 80 % der deutschen Kliniken, die Kinder mit Wilmstumor behandeln, das Angebot einer referenzradiologischen Befundung nutzten. Dabei lag die diagnostische Sensitivität der Referenzradiologie (einen Wilmstumor korrekt als solchen zu diagnostizieren), signifikant zwischen 6 – 18 % über der Sensitivität der behandelnden Kliniken. Insgesamt hatten 952 Patienten (52 % der Patienten der Studie) keine referenzradiologische Befundung erhalten oder ihre referenzradiologische Befundung lag erst nach Beginn der Therapie. Aus der bis zu 18 % höheren Sensitivität der Referenzradiologie kann rückgeschlossen werden, dass 84 – 95 dieser Kinder von einer Zweitbefundung hätten profitieren können, wenn ihre Bildgebungen vor Therapiebeginn durch die Referenzradiologie mitbeurteilt worden wären. Bei diesen Patienten hätte die Therapie im Zweifel optimiert werden können. Wurde durch die Referenzradiologie eine eindeutige Alternativdiagnose zu der Wilmstumordiagnose der lokalen Klink gestellt, stimmte diese in 57 % der Fälle mit der Histologie überein. Bei insgesamt 70 Patienten wurde so durch die Referenzradiologie 1 korrekt ein Wilmstumor ausgeschlossen und somit eine inkorrekte Chemotherapie noch vor Therapiebeginn verhindert. Der referenzradiologisch bedingte Zeitverzug von 4 – 5 Tagen bis Therapiebeginn hatte keinen Einfluss auf den Outcome der Patienten. Da ein Wilmstumor bereits eine sehr gute Überlebensrate zeigt, ließ sich ebenfalls kein signifikanter Einfluss der Referenzradiologie auf das 5-Jahres-Überleben nachweisen. Referenzradiologisch gesehene Metastasen, wie Lungenmetastasen, konnten nur in wenigen Fällen histologisch verifiziert werden, was auf das gute Ansprechen auf die präoperative Chemotherapie zurückzuführen ist. Die Vollständigkeit der zugesandten Bildgebungen ist für eine adäquate Diagnostik unabdingbar. Nur 26 % der Patienten mit erster referenzradiologischer Beurteilung vor Therapiebeginn erhielten unmittelbar die im Studienprotokoll geforderte Bildgebungskombination aus Sonografie, MRT und Röntgen Thorax. Den daraus resultierenden Nachforderungen durch die Referenzradiologie kamen jedoch maximal 25,5 % der Kliniken nach. Kliniken mit geringer Patienteneinschlusszahl (1 – 10 Patienten) wiesen die höchsten Abweichungen gegenüber der referenzradiologischen Befundung auf (Ablehnung der lokalen Wilmstumor Diagnose in 10 % d. F.). Sie konnten daher von der Referenzradiologie am meisten profitieren und fragten diese auch am häufigsten an. Kliniken mit großer Einschlusszahl (51 - 100 Patienten) hatten mit 2% die geringste Ablehnungsquote ihrer Diagnose durch die Referenzradiologie, nutzten das Angebot jedoch vor Therapiebeginn nur selten. In dieser Arbeit konnte zusammenfassend gezeigt werden, dass die Referenzradiologie und die Expertise eines Referenzradiologen eine essenzielle Komponente in der Diagnostik und Therapieplanung von Wilmstumoren darstellen. Behandelnde Kliniken sollten vor Beginn der Therapie immer eine referenzradiologische Zweitmeinung einholen, um das Risiko einer fehlerhaften Behandlung so gering wie möglich zu halten.Wilms’ tumor is the most common kidney tumor in children, but in comparison to other cancer types, it is a rare entity and difficult to distinguish from benign or other malignant tumors of the kidney. Based on imaging alone, radiological tumor diagnosis needs to be as precise as possible if no histology is available. Otherwise there is a risk of incorrect treatment that starts with preoperative chemotherapy to downstage the tumor (tumor volume reduction with consecutive favorable local stage distribution and tumor rupture decrease during tumor nephrectomy). This thesis deals with the role of reference radiology in diagnosis of Wilms’ tumor in Germany during 2001 and 2017. Altogether 1832 patients from all over Germany who were treated in the SIOP 2001 GPOH Study were evaluated. Such a large collection of prospectively analysed kidney tumors by a single radiological reference center in Germany over a period of 17 years is unique. The following results could be obtained: 80 % of German pediatric hospitals treating children with Wilms’ tumor, send their images of kidney tumors to reference radiology. The accuracy of reference radiology was significantly higher (6 - 18 %) compared to the local hospital. In 952 patients (52% of all study patients) no reference radiology was done prospectively before start of treatment. From the up to 18% higher accuracy of the reference radiology, it can be concluded that 84-95 of these children could have benefited from a second opinion, if their imaging had been assessed by reference radiology before the start of treatment. For these patients therapy could have been optimized in case of doubt in diagnosis. If reference radiology provided a clear alternative diagnosis to the Wilms' tumor diagnosis of the local clinic, it was consistent with the histology in 57 % of cases. In a total of 70 patients, Wilms’ tumor was correctly excluded by reference radiology, thus preventing incorrect chemotherapy before the start of therapy. A time delay caused by reference radiology before start of treatment, was in medium 4 – 5 days and did not influence the outcome of the patients. As Wilms’ tumor has an excellent survival rate the 5-year survival was not influenced by reference radiology. 3 A correct diagnosis of metastases, such as lung lesions, could not be verified by histology in most cases as a majority of the lung lesions did disappear under pre- operative chemotherapy or were rarely resected to gain histology. An exact diagnosis of reference radiology depends on the completeness of high quality images received by local hospitals. In only 26% of the patients a complete set of requested imaging (sonography, MRI and chest X-ray) were available. Demands of providing missing imaging, was only fulfilled by 25,5 % of the local hospitals. Clinics with a low number of patients (1 - 10 patients) showed the highest deviations from reference radiological findings (rejection of the local Wilms’ tumor diagnosis in 10 % of cases). They were therefore able to benefit most from the experience of reference radiology and requested it most frequently. Clinics with a large inclusion number (51 - 100 patients) had the lowest rejection rate of their diagnosis by reference radiology (2 %), but rarely used the offer before the start of treatment. Overall this study confirms, that reference radiology and the expertise of reference radiologists are essential for a correct diagnosis and treatment planning of Wilms tumors. It is recommended that treating hospitals should always obtain a second opinion from reference radiology before starting chemotherapy in order to keep the risk of an incorrect treatment as low as possible