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

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    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

    Computer-aided detection and diagnosis of breast cancer in 2D and 3D medical imaging through multifractal analysis

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    This Thesis describes the research work performed in the scope of a doctoral research program and presents its conclusions and contributions. The research activities were carried on in the industry with Siemens S.A. Healthcare Sector, in integration with a research team. Siemens S.A. Healthcare Sector is one of the world biggest suppliers of products, services and complete solutions in the medical sector. The company offers a wide selection of diagnostic and therapeutic equipment and information systems. Siemens products for medical imaging and in vivo diagnostics include: ultrasound, computer tomography, mammography, digital breast tomosynthesis, magnetic resonance, equipment to angiography and coronary angiography, nuclear imaging, and many others. Siemens has a vast experience in Healthcare and at the beginning of this project it was strategically interested in solutions to improve the detection of Breast Cancer, to increase its competitiveness in the sector. The company owns several patents related with self-similarity analysis, which formed the background of this Thesis. Furthermore, Siemens intended to explore commercially the computer- aided automatic detection and diagnosis eld for portfolio integration. Therefore, with the high knowledge acquired by University of Beira Interior in this area together with this Thesis, will allow Siemens to apply the most recent scienti c progress in the detection of the breast cancer, and it is foreseeable that together we can develop a new technology with high potential. The project resulted in the submission of two invention disclosures for evaluation in Siemens A.G., two articles published in peer-reviewed journals indexed in ISI Science Citation Index, two other articles submitted in peer-reviewed journals, and several international conference papers. This work on computer-aided-diagnosis in breast led to innovative software and novel processes of research and development, for which the project received the Siemens Innovation Award in 2012. It was very rewarding to carry on such technological and innovative project in a socially sensitive area as Breast Cancer.No cancro da mama a deteção precoce e o diagnóstico correto são de extrema importância na prescrição terapêutica e caz e e ciente, que potencie o aumento da taxa de sobrevivência à doença. A teoria multifractal foi inicialmente introduzida no contexto da análise de sinal e a sua utilidade foi demonstrada na descrição de comportamentos siológicos de bio-sinais e até na deteção e predição de patologias. Nesta Tese, três métodos multifractais foram estendidos para imagens bi-dimensionais (2D) e comparados na deteção de microcalci cações em mamogramas. Um destes métodos foi também adaptado para a classi cação de massas da mama, em cortes transversais 2D obtidos por ressonância magnética (RM) de mama, em grupos de massas provavelmente benignas e com suspeição de malignidade. Um novo método de análise multifractal usando a lacunaridade tri-dimensional (3D) foi proposto para classi cação de massas da mama em imagens volumétricas 3D de RM de mama. A análise multifractal revelou diferenças na complexidade subjacente às localizações das microcalci cações em relação aos tecidos normais, permitindo uma boa exatidão da sua deteção em mamogramas. Adicionalmente, foram extraídas por análise multifractal características dos tecidos que permitiram identi car os casos tipicamente recomendados para biópsia em imagens 2D de RM de mama. A análise multifractal 3D foi e caz na classi cação de lesões mamárias benignas e malignas em imagens 3D de RM de mama. Este método foi mais exato para esta classi cação do que o método 2D ou o método padrão de análise de contraste cinético tumoral. Em conclusão, a análise multifractal fornece informação útil para deteção auxiliada por computador em mamogra a e diagnóstico auxiliado por computador em imagens 2D e 3D de RM de mama, tendo o potencial de complementar a interpretação dos radiologistas

    Deep Learning in Medical Image Analysis

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    The accelerating power of deep learning in diagnosing diseases will empower physicians and speed up decision making in clinical environments. Applications of modern medical instruments and digitalization of medical care have generated enormous amounts of medical images in recent years. In this big data arena, new deep learning methods and computational models for efficient data processing, analysis, and modeling of the generated data are crucially important for clinical applications and understanding the underlying biological process. This book presents and highlights novel algorithms, architectures, techniques, and applications of deep learning for medical image analysis

    Infective/inflammatory disorders

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    The radiological investigation of musculoskeletal tumours : chairperson's introduction

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    Integrated Graph Theoretic, Radiomics, and Deep Learning Framework for Personalized Clinical Diagnosis, Prognosis, and Treatment Response Assessment of Body Tumors

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    Purpose: A new paradigm is beginning to emerge in radiology with the advent of increased computational capabilities and algorithms. The future of radiological reading rooms is heading towards a unique collaboration between computer scientists and radiologists. The goal of computational radiology is to probe the underlying tissue using advanced algorithms and imaging parameters and produce a personalized diagnosis that can be correlated to pathology. This thesis presents a complete computational radiology framework (I GRAD) for personalized clinical diagnosis, prognosis and treatment planning using an integration of graph theory, radiomics, and deep learning. Methods: There are three major components of the I GRAD framework–image segmentation, feature extraction, and clinical decision support. Image Segmentation: I developed the multiparametric deep learning (MPDL) tissue signature model for segmentation of normal and abnormal tissue from multiparametric (mp) radiological images. The segmentation MPDL network was constructed from stacked sparse autoencoders (SSAE) with five hidden layers. The MPDL network parameters were optimized using k-fold cross-validation. In addition, the MPDL segmentation network was tested on an independent dataset. Feature Extraction: I developed the radiomic feature mapping (RFM) and contribution scattergram (CSg) methods for characterization of spatial and inter-parametric relationships in multiparametric imaging datasets. The radiomic feature maps were created by filtering radiological images with first and second order statistical texture filters followed by the development of standardized features for radiological correlation to biology and clinical decision support. The contribution scattergram was constructed to visualize and understand the inter-parametric relationships of the breast MRI as a complex network. This multiparametric imaging complex network was modeled using manifold learning and evaluated using graph theoretic analysis. Feature Integration: The different clinical and radiological features extracted from multiparametric radiological images and clinical records were integrated using a hybrid multiview manifold learning technique termed the Informatics Radiomics Integration System (IRIS). IRIS uses hierarchical clustering in combination with manifold learning to visualize the high-dimensional patient space on a two-dimensional heatmap. The heatmap highlights the similarity and dissimilarity between different patients and variables. Results: All the algorithms and techniques presented in this dissertation were developed and validated using breast cancer as a model for diagnosis and prognosis using multiparametric breast magnetic resonance imaging (MRI). The deep learning MPDL method demonstrated excellent dice similarity of 0.87±0.05 and 0.84±0.07 for segmentation of lesions on malignant and benign breast patients, respectively. Furthermore, each of the methods, MPDL, RFM, and CSg demonstrated excellent results for breast cancer diagnosis with area under the receiver (AUC) operating characteristic (ROC) curve of 0.85, 0.91, and 0.87, respectively. Furthermore, IRIS classified patients with low risk of breast cancer recurrence from patients with medium and high risk with an AUC of 0.93 compared to OncotypeDX, a 21 gene assay for breast cancer recurrence. Conclusion: By integrating advanced computer science methods into the radiological setting, the I-GRAD framework presented in this thesis can be used to model radiological imaging data in combination with clinical and histopathological data and produce new tools for personalized diagnosis, prognosis or treatment planning by physicians

    CT Scanning

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    Since its introduction in 1972, X-ray computed tomography (CT) has evolved into an essential diagnostic imaging tool for a continually increasing variety of clinical applications. The goal of this book was not simply to summarize currently available CT imaging techniques but also to provide clinical perspectives, advances in hybrid technologies, new applications other than medicine and an outlook on future developments. Major experts in this growing field contributed to this book, which is geared to radiologists, orthopedic surgeons, engineers, and clinical and basic researchers. We believe that CT scanning is an effective and essential tools in treatment planning, basic understanding of physiology, and and tackling the ever-increasing challenge of diagnosis in our society
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