Annual Trends in Ultrasonography-Guided 14-Gauge Core Needle Biopsy for Breast Lesions

OBJECTIVE: To examine time trends in ultrasonography (US)-guided 14-gauge core needle biopsy (CNB) for breast lesions based on the lesion size, Breast Imaging-Reporting and Data System (BI-RADS) category, and pathologic findings. MATERIALS AND METHODS: We retrospectively reviewed consecutive US-guided 14-gauge CNBs performed from January 2005 to December 2016 at our institution. A total of 22,297 breast lesions were included. The total number of biopsies, tumor size (≤ 10 mm to > 40 mm), BI-RADS category (1 to 5), and pathologic findings (benign, high risk, ductal carcinoma in situ [DCIS], invasive cancer) were examined annually, and the malignancy rate was analyzed based on the BI-RADS category. RESULTS: Both the total number of US scans and US-guided CNBs increased while the proportion of US-guided CNBs to the total number of US scans decreased significantly. The number of biopsies classified based on the tumor size, BI-RADS category, and pathologic findings all increased over time, except for BI-RADS categories 1 or 2 and category 3 (odds ratio [OR] = 0.951 per year, 95% confidence interval [CI]: 0.902, 1.002 and odds ratio = 0.979, 95% CI: 0.970, 0.988, respectively). Both the unadjusted and adjusted total malignancy rates and the DCIS rate increased significantly over time. BI-RADS categories 4a, 4b, and 4c showed a significant increasing trend in the total malignancy rate and DCIS rate. CONCLUSION: The malignancy rate in the results of US-guided 14-gauge CNB for breast lesions increased as the total number of biopsies increased from 2005 to 2016. This trend persisted after adjusting for the BI-RADS category.ope

Application of computer-aided diagnosis in breast ultrasound interpretation: improvements in diagnostic performance according to reader experience

Purpose The purpose of this study was to evaluate the usefulness of applying computer-aided diagnosis (CAD) to breast ultrasound (US), depending on the reader's experience with breast imaging. Methods Between October 2015 and January 2016, two experienced readers obtained and analyzed the grayscale US images of 200 cases according to the Breast Imaging Reporting and Data System (BI-RADS) lexicon and categories. They additionally applied CAD (S-Detect) to analyze the lesions and made a diagnostic decision subjectively, based on grayscale US with CAD. For the same cases, two inexperienced readers analyzed the grayscale US images using the BI-RADS lexicon and categories, added CAD, and came to a subjective diagnostic conclusion. We then compared the diagnostic performance depending on the reader's experience with breast imaging. Results The sensitivity values for the experienced readers, inexperienced readers, and CAD (for experienced and inexperienced readers) were 91.7%, 75.0%, 75.0%, and 66.7%, respectively. The specificity values for the experienced readers, inexperienced readers, and CAD (for experienced and inexperienced readers) were 76.6%, 71.8%, 78.2%, and 76.1%, respectively. When diagnoses were made subjectively in combination with CAD, the specificity significantly improved (76.6% to 80.3%) without a change in the sensitivity (91.7%) in the experienced readers. After subjective combination with CAD, both of the sensitivity and specificity improved in the inexperienced readers (75.0% to 83.3% and 71.8% to 77.1%). In addition, the area under the curve improved for both the experienced and inexperienced readers (0.84 to 0.86 and 0.73 to 0.80) after the addition of CAD. Conclusion CAD is more useful for less experienced readers. Combining CAD with breast US led to improved specificity for both experienced and inexperienced readers

Caracterización de Patrones Anormales en Mamografías

Abstract. Computer-guided image interpretation is an extensive research area whose main purpose is to provide tools to support decision-making, for which a large number of automatic techniques have been proposed, such as, feature extraction, pattern recognition, image processing, machine learning, among others. In breast cancer, the results obtained at this area, they have led to the development of diagnostic support systems, which have even been approved by the FDA (Federal Drug Administration). However, the use of those systems is not widely extended in clinic scenarios, mainly because their performance is unstable and poorly reproducible. This is due to the high variability of the abnormal patterns associated with this neoplasia. This thesis addresses the main problem associated with the characterization and interpretation of breast masses and architectural distortion, mammographic findings directly related to the presence of breast cancer with higher variability in their form, size and location. This document introduces the design, implementation and evaluation of strategies to characterize abnormal patterns and to improve the mammographic interpretation during the diagnosis process. The herein proposed strategies allow to characterize visual patterns of these lesions and the relationship between them to infer their clinical significance according to BI-RADS (Breast Imaging Reporting and Data System), a radiologic tool used for mammographic evaluation and reporting. The obtained results outperform some obtained by methods reported in the literature both tasks classification and interpretation of masses and architectural distortion, respectively, demonstrating the effectiveness and versatility of the proposed strategies.Resumen. La interpretación de imágenes guiada por computador es una área extensa de investigación cuyo objetivo principal es proporcionar herramientas para el soporte a la toma de decisiones, para lo cual se han usado un gran número de técnicas de extracción de características, reconocimiento de patrones, procesamiento de imágenes, aprendizaje de máquina, entre otras. En el cáncer de mama, los resultados obtenidos en esta área han dado lugar al desarrollo de sistemas de apoyo al diagnóstico que han sido incluso aprobados por la FDA (Federal Drug Administration). Sin embargo, el uso de estos sistemas no es ampliamente extendido, debido principalmente, a que su desempeño resulta inestable y poco reproducible frente a la alta variabilidad de los patrones anormales asociados a esta neoplasia. Esta tesis trata el principal problema asociado a la caracterización y análisis de masas y distorsión de la arquitectura debido a que son hallazgos directamente relacionados con la presencia de cáncer y que usualmente presentan mayor variabilidad en su forma, tamaño y localización, lo que altera los resultados diagnósticos. Este documento introduce el diseño, implementación y evaluación de un conjunto de estrategias para caracterizar patrones anormales relacionados con este tipo de hallazgos para mejorar la interpretación y soportar el diagnóstico mediante la imagen mamaria. Los modelos aquí propuestos permiten caracterizar patrones visuales y la relación entre estos para inferir su significado clínico según el estándar BI-RADS (Breast Imaging Reporting and Data System) usado para la evaluación y reporte mamográfico. Los resultados obtenidos han demostrado mejorar a los resultados obtenidos por los métodos reportados en la literatura en tareas como clasificación e interpretación de masas y distorsión arquitectural, demostrando la efectividad y versatilidad de las estrategia propuestas.Doctorad

Breast cancer detected and missed by screen-film and digital screening mammography: Studies on trends in classification and surgical treatment in the south of the Netherlands since 1997

__Abstract__ o The specific aims of this thesis are to describe the trends in the diagnosis of advanced breast cancer, the trends in the use of biopsies and surgical management and to explore the effects of the introduction of digital mammography in breast cancer screening. The majority of the advanced breast cancers detected at biennial screening cannot be prevented. In order to obtain a modest reduction of the risk of detecting breast cancer in an advanced stage, efforts are needed to minimize the number of women with an extended screening interval. Quality control in hospitals treating breast cancer patients is important in order to ensure optimal care for women diagnosed with breast cancer. Surgeons performing breast conserving surgery should try to pre-operatively identify patients with a high risk of positive resection margins, especially focusing on the role of microcalcifications since these are more commonly encountered in a screened population. Furthermore, continuous efforts should be made to improve the quality of the excision of non-palpable tumours. In the South of the Netherlands, digital mammography significantly increased the referral rate and cancer detection rate, at the expense of a lower positive predictive value of referral and biopsy. Digital mammography results in a significantly higher cancer detection rate, but programme sensitivity was similar for both screen-film and digital mammography screening

Challenges and Opportunities of End-to-End Learning in Medical Image Classification

Das Paradigma des End-to-End Lernens hat in den letzten Jahren die Bilderkennung revolutioniert, aber die klinische Anwendung hinkt hinterher. Bildbasierte computergestützte Diagnosesysteme basieren immer noch weitgehend auf hochtechnischen und domänen-spezifischen Pipelines, die aus unabhängigen regelbasierten Modellen bestehen, welche die Teilaufgaben der Bildklassifikation wiederspiegeln: Lokalisation von auffälligen Regionen, Merkmalsextraktion und Entscheidungsfindung. Das Versprechen einer überlegenen Entscheidungsfindung beim End-to-End Lernen ergibt sich daraus, dass domänenspezifische Zwangsbedingungen von begrenzter Komplexität entfernt werden und stattdessen alle Systemkomponenten gleichzeitig, direkt anhand der Rohdaten, und im Hinblick auf die letztendliche Aufgabe optimiert werden. Die Gründe dafür, dass diese Vorteile noch nicht den Weg in die Klinik gefunden haben, d.h. die Herausforderungen, die sich bei der Entwicklung Deep Learning-basierter Diagnosesysteme stellen, sind vielfältig: Die Tatsache, dass die Generalisierungsfähigkeit von Lernalgorithmen davon abhängt, wie gut die verfügbaren Trainingsdaten die tatsächliche zugrundeliegende Datenverteilung abbilden, erweist sich in medizinische Anwendungen als tiefgreifendes Problem. Annotierte Datensätze in diesem Bereich sind notorisch klein, da für die Annotation eine kostspielige Beurteilung durch Experten erforderlich ist und die Zusammenlegung kleinerer Datensätze oft durch Datenschutzauflagen und Patientenrechte erschwert wird. Darüber hinaus weisen medizinische Datensätze drastisch unterschiedliche Eigenschaften im Bezug auf Bildmodalitäten, Bildgebungsprotokolle oder Anisotropien auf, und die oft mehrdeutige Evidenz in medizinischen Bildern kann sich auf inkonsistente oder fehlerhafte Trainingsannotationen übertragen. Während die Verschiebung von Datenverteilungen zwischen Forschungsumgebung und Realität zu einer verminderten Modellrobustheit führt und deshalb gegenwärtig als das Haupthindernis für die klinische Anwendung von Lernalgorithmen angesehen wird, wird dieser Graben oft noch durch Störfaktoren wie Hardwarelimitationen oder Granularität von gegebenen Annotation erweitert, die zu Diskrepanzen zwischen der modellierten Aufgabe und der zugrunde liegenden klinischen Fragestellung führen. Diese Arbeit untersucht das Potenzial des End-to-End-Lernens in klinischen Diagnosesystemen und präsentiert Beiträge zu einigen der wichtigsten Herausforderungen, die derzeit eine breite klinische Anwendung verhindern. Zunächst wird der letzten Teil der Klassifikations-Pipeline untersucht, die Kategorisierung in klinische Pathologien. Wir demonstrieren, wie das Ersetzen des gegenwärtigen klinischen Standards regelbasierter Entscheidungen durch eine groß angelegte Merkmalsextraktion gefolgt von lernbasierten Klassifikatoren die Brustkrebsklassifikation im MRT signifikant verbessert und eine Leistung auf menschlichem Level erzielt. Dieser Ansatz wird weiter anhand von kardiologischer Diagnose gezeigt. Zweitens ersetzen wir, dem Paradigma des End-to-End Lernens folgend, das biophysikalische Modell, das für die Bildnormalisierung in der MRT angewandt wird, sowie die Extraktion handgefertigter Merkmale, durch eine designierte CNN-Architektur und liefern eine eingehende Analyse, die das verborgene Potenzial der gelernten Bildnormalisierung und einen Komplementärwert der gelernten Merkmale gegenüber den handgefertigten Merkmalen aufdeckt. Während dieser Ansatz auf markierten Regionen arbeitet und daher auf manuelle Annotation angewiesen ist, beziehen wir im dritten Teil die Aufgabe der Lokalisierung dieser Regionen in den Lernprozess ein, um eine echte End-to-End-Diagnose baserend auf den Rohbildern zu ermöglichen. Dabei identifizieren wir eine weitgehend vernachlässigte Zwangslage zwischen dem Streben nach der Auswertung von Modellen auf klinisch relevanten Skalen auf der einen Seite, und der Optimierung für effizientes Training unter Datenknappheit auf der anderen Seite. Wir präsentieren ein Deep Learning Modell, das zur Auflösung dieses Kompromisses beiträgt, liefern umfangreiche Experimente auf drei medizinischen Datensätzen sowie eine Serie von Toy-Experimenten, die das Verhalten bei begrenzten Trainingsdaten im Detail untersuchen, und publiziren ein umfassendes Framework, das unter anderem die ersten 3D-Implementierungen gängiger Objekterkennungsmodelle umfasst. Wir identifizieren weitere Hebelpunkte in bestehenden End-to-End-Lernsystemen, bei denen Domänenwissen als Zwangsbedingung dienen kann, um die Robustheit von Modellen in der medizinischen Bildanalyse zu erhöhen, die letztendlich dazu beitragen sollen, den Weg für die Anwendung in der klinischen Praxis zu ebnen. Zu diesem Zweck gehen wir die Herausforderung fehlerhafter Trainingsannotationen an, indem wir die Klassifizierungskompnente in der End-to-End-Objekterkennung durch Regression ersetzen, was es ermöglicht, Modelle direkt auf der kontinuierlichen Skala der zugrunde liegenden pathologischen Prozesse zu trainieren und so die Robustheit der Modelle gegenüber fehlerhaften Trainingsannotationen zu erhöhen. Weiter adressieren wir die Herausforderung der Input-Heterogenitäten, mit denen trainierte Modelle konfrontiert sind, wenn sie an verschiedenen klinischen Orten eingesetzt werden, indem wir eine modellbasierte Domänenanpassung vorschlagen, die es ermöglicht, die ursprüngliche Trainingsdomäne aus veränderten Inputs wiederherzustellen und damit eine robuste Generalisierung zu gewährleisten. Schließlich befassen wir uns mit dem höchst unsystematischen, aufwendigen und subjektiven Trial-and-Error-Prozess zum Finden von robusten Hyperparametern für einen gegebene Aufgabe, indem wir Domänenwissen in ein Set systematischer Regeln überführen, die eine automatisierte und robuste Konfiguration von Deep Learning Modellen auf einer Vielzahl von medizinischen Datensetzen ermöglichen. Zusammenfassend zeigt die hier vorgestellte Arbeit das enorme Potenzial von End-to-End Lernalgorithmen im Vergleich zum klinischen Standard mehrteiliger und hochtechnisierter Diagnose-Pipelines auf, und präsentiert Lösungsansätze zu einigen der wichtigsten Herausforderungen für eine breite Anwendung unter realen Bedienungen wie Datenknappheit, Diskrepanz zwischen der vom Modell behandelten Aufgabe und der zugrunde liegenden klinischen Fragestellung, Mehrdeutigkeiten in Trainingsannotationen, oder Verschiebung von Datendomänen zwischen klinischen Standorten. Diese Beiträge können als Teil des übergreifende Zieles der Automatisierung von medizinischer Bildklassifikation gesehen werden - ein integraler Bestandteil des Wandels, der erforderlich ist, um die Zukunft des Gesundheitswesens zu gestalten

High Resolution Optical Imaging Techniques for Rapid Assessment of Breast Cancer

Breast cancer is the most prevalent and deadly cancer among women worldwide. The current standard for breast lesion diagnosis is histologic assessment with hematoxylin and eosin (H&E) staining. Histology has high diagnostic accuracy, but requires extensive time and resources to perform. The objective of this work was to improve diagnosis of early breast cancers by developing approaches to rapidly image and characterize neoplastic tissue and the tumor microenvironment in high resolution optical images. Confocal fluorescence microscopy can image optical sections of tissue without the need for extensive tissue processing. Three studies were performed to evaluate if confocal microscopy images contain sufficient information to identify neoplasia in breast tissue. In a 31 patient study, five pathologists identified neoplasia with high accuracy in confocal and histologic images. In another study, an expert pathologist estimated tumor cellularity in core biopsies with moderate agreement between confocal and histologic images. In a third study, an expert pathologist assigned diagnoses and grades to neoplastic tissue in confocal and histologic images. Limitations of these studies include recruitment of patients at a single center and data assessment by a single reader in two of three studies. Visual assessment for cancer diagnosis is limited by the potential for inter- and intra-observer error. Using a computerized algorithm to segment and quantify architectural features of breast ducts and nuclei, a decision-tree model was developed that classified confocal images of breast tissue sites as neoplastic or non-neoplastic with an overall accuracy of 90%. Another computerized algorithm was developed to segment adipocytes in confocal images and results showed significant differences in phenotypic properties of adipocytes adjacent to neoplastic and non-neoplastic tissue. High resolution microendoscopy (HRME) can be used to rapidly acquire images at a lower cost than confocal microscopy. In a study evaluating HRME and two approaches to improve image contrast, results demonstrated that HRME with structured illumination yields images with high contrast relative to HRME with standard illumination. The unique contribution of these results is the characterization of qualitative and quantitative criteria to evaluate breast tissue and classify neoplasia in optical images, although recognition of invasive lobular carcinoma was limited. The criteria developed in this research may be applied to further development of techniques for objective classification and diagnosis of breast cancer in optical images.

Exploring Novel Contrast Agents with Anthropomorphic Mesh Models in MCNP

Breast cancer is the leading cancer in women with an estimated 13% of women in the United States developing a form of invasive breast cancer in her lifetime. The survival rate is estimated to be 85%, but the American Cancer Society estimates that early detection of breast cancer in the localized stage increases the breast cancer survival rate to 99%. However, early detection is dependent on the sensitivity of breast imaging techniques and currently, the sensitivity is suboptimal for women with dense breasts and obscure cancers. Recently, studies have indicated that exploring new contrast agents can provide access to improved sensitivity because of their potential to increase the effective Z of the target tissue. Furthermore, contrast-enhanced tomosynthesis is a viable imaging method that can provide a 3D view of the breast while providing tumor enhancement for improved visibility. This project aims to facilitate the search for practical contrast agents that can improve sensitivity during breast imaging. More specifically, the objective of this project is to find novel ways to improve the differentiation between tumor and glandular tissue by creating a realistic anthropomorphic model that not only considers the geometry of the breast but its physiological components as well. This project aims to combine tomosynthesis breast imaging methods with novel contrast agents to explore their efficacy and limitations. To achieve the goals of this project, several techniques are employed. A realistic tomosynthesis environment is created by constructing a detailed Hologic tomosynthesis breast imaging machine, including the source, flat-panel detector, and support equipment, using MCNP. Realistic breast phantoms that consider geometric and biophysical accuracy are created by incorporating a time dependency into the model. Once the contrast agents are incorporated, their efficacy is calculated by quantifying tumor visibility as a function of breast size, density, tumor location, tumor stage, and tumor type. After running simulations, this project will generate clear and accurate radiographs demonstrating the structural components of the breast and the effects of contrast enhancement on any embedded tumors. The results will provide an indication of the contrast agents that provide promise. The data acquired in this project will provide insight on the process of creating an anthropomorphic breast phantom for tomosynthesis studies, as well as insight on setbacks that are identified with the methods used. Contrast-enhanced tomosynthesis is clinically possible and is a promising technique for improving sensitivity. This project explores this technique and provides insight on possible ways to improve breast imaging sensitivity