Modelo computacional para classificação de nódulos pulmonares utilizando redes neurais convolucionais

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Lima, Lucas Lins de
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da Universidade Federal de Alagoas (UFAL)
Texto Completo: http://www.repositorio.ufal.br/handle/riufal/5402
Resumo: Cancer is a disease that occurs when the organism’s cells suddenly begin to grow disorderly and over time invading tissues and organs, spreading (metastasizing) to other regions of the body. Among the more than 100 cancers, lung cancer is just the one that causes more deaths in the world, wherein every 5 deaths, 1 is caused by this cancer. However, if the diagnosis is made at the beginning of the disease, the 1-year survival rates are approximately of 15-19%. The main manifestation of lung cancer is the initiation of the pulmonary nodule, which hás larger diameters between 3mm and 30mm. The diagnosis of the pulmonary nodule is performed mainly through Computed Tomography (CT) images, however, performing this diagnosis still represents a complex and challenging task for the specialists, since the nodules can be located in complex structures of the lung and the number of exams or images that come to be examined is increasing. Thus, it is essential to integrate a tool of Computer Diagnostic Assistance (CADx) in the interpretation of medical images, which aims to act as a second opinion to specialists through a suggestion provided by a computational model. There are a number of papers proposed in the literature to better assist specialists in pulmonary nodule diagnosis, whether using radiomics attributes associated with a machine learning technique or using deep learning techniques, which have called the attention both in the scientific community as well as in industry. More specifically, Convolutional Neural Networks (CNNs) has become a trend for images. However, there is still a search for a computational model that improves the performance of CADx systems. In this context, the objective of this work was to research and develop a computational model to classify lung nodules in benign or malignant using a CNN together with a hyperparametric optimization technique. The model obtained the following results: sensitivity of 95%, specificity of 100%, an accuracy of 85% and under the ROC curve (AUC) of 0.93 in a set of medical images composed of solid pulmonary nodules of CT with a diameter between 3mm and 30mm. The results showed the importance of analyzing the parenchyma region in a very close proportion of the nodules to achieve a higher performance in the classification of the pulmonary nodules, and also that the analysis of the isolated parenchyma leads to better results than analyzing only the nodule or the nodule with the parenchyma.
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The main manifestation of lung cancer is the initiation of the pulmonary nodule, which hás larger diameters between 3mm and 30mm. The diagnosis of the pulmonary nodule is performed mainly through Computed Tomography (CT) images, however, performing this diagnosis still represents a complex and challenging task for the specialists, since the nodules can be located in complex structures of the lung and the number of exams or images that come to be examined is increasing. Thus, it is essential to integrate a tool of Computer Diagnostic Assistance (CADx) in the interpretation of medical images, which aims to act as a second opinion to specialists through a suggestion provided by a computational model. There are a number of papers proposed in the literature to better assist specialists in pulmonary nodule diagnosis, whether using radiomics attributes associated with a machine learning technique or using deep learning techniques, which have called the attention both in the scientific community as well as in industry. More specifically, Convolutional Neural Networks (CNNs) has become a trend for images. However, there is still a search for a computational model that improves the performance of CADx systems. In this context, the objective of this work was to research and develop a computational model to classify lung nodules in benign or malignant using a CNN together with a hyperparametric optimization technique. The model obtained the following results: sensitivity of 95%, specificity of 100%, an accuracy of 85% and under the ROC curve (AUC) of 0.93 in a set of medical images composed of solid pulmonary nodules of CT with a diameter between 3mm and 30mm. The results showed the importance of analyzing the parenchyma region in a very close proportion of the nodules to achieve a higher performance in the classification of the pulmonary nodules, and also that the analysis of the isolated parenchyma leads to better results than analyzing only the nodule or the nodule with the parenchyma.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorO câncer é uma doença em que as células do organismo de repente começam a ter um crescimento desordenado e que com o tempo passam a invadir os tecidos e órgãos, espalhando-se (metástase) para outras regiões do organismo. Dentre os mais de 100 tipos de câncer, o câncer de pulmão já é o que mais mata em todo o mundo, onde em cada 5 mortes, 1 é causada por este câncer. Contudo, se o diagnóstico for realizado no início da doença as taxas de sobrevivência de 1 ano são de aproximadamente de 15-19%. A principal manifestação do câncer de pulmão se inicia através do nódulo pulmonar, que apresentam diâmetros maiores entre 3mm e 30mm. O diagnóstico do nódulo pulmonar é realizado principalmente através de imagens de Tomografia Computadorizada (TC), porém, realizar este diagnóstico ainda representa uma tarefa complexa e desafiadora para os especialistas, pois os nódulos podem estar localizados em estruturas complexas do pulmão e a quantidade de exames ou imagens que chegam para serem examinados é cada vez maior. Assim, é essencial a integração de uma ferramenta de Auxílio ao Diagnóstico por Computador (CADx) à interpretação de imagens médicas, que tem como objetivo agir como uma segunda opinião aos especialistas através de uma sugestão fornecida por um modelo computacional. Há vários trabalhos propostos na literatura para auxiliar melhor os especialistas no diagnóstico do nódulo pulmonar, seja utilizando atributos radiomics aliado a uma técnica de aprendizagem de máquina, seja utilizando técnicas de aprendizagem profunda, que têm chamado a atenção tanto na comunidade científica como também na indústria. Mais especificamente, Redes Neurais Convolucionais (RNCs) têm se tornado uma tendência para classificar imagens. Porém, ainda existe uma busca por um modelo computacional que melhore o desempenho de sistemas CADx. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho foi pesquisar e desenvolver um modelo computacional para classificar nódulos pulmonares em benignos ou malignos utilizando uma RNC junto com uma técnica de otimização hiperparamétrica. O modelo conseguiu os seguintes resultados: sensibilidade de 95%, especificidade de 100%, acurácia de 85% e área sob a curva ROC (AUC) de 0,93, em um conjunto de imagens médicas composta de nódulos pulmonares sólidos de TC com diâmetro entre 3mm e 30mm. Os resultados mostraram a importância de se analisar a região do parênquima em uma proporção bem próxima dos nódulos para alcançar uma performance maior na classificação dos nódulos pulmonares, e também, que a análise do parênquima isolado leva a resultados melhores do que analisar apenas o nódulo ou o nódulo com o parênquima.Universidade Federal de AlagoasBrasilPrograma de Pós-Graduação em InformáticaUFALOliveira, Marcelo Costahttp://lattes.cnpq.br/9562890319093965Vieira, Thales Mirandahttp://lattes.cnpq.br/8181104476035846Marques, Paulo Mazzoncini de Azevedohttp://lattes.cnpq.br/7119886675051877Lima, Lucas Lins de2019-07-11T18:23:42Z2019-05-242019-07-11T18:23:42Z2019-01-31info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfLIMA, Lucas Lins de. Modelo computacional para classificação de nódulos pulmonares utilizando redes neurais convolucionais. 2019. 71 f. Dissertação (Mestrado em Informática) - Instituto de Computação, Programa de Pós-Graduação em Informática, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2019.http://www.repositorio.ufal.br/handle/riufal/5402porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal de Alagoas (UFAL)instname:Universidade Federal de Alagoas (UFAL)instacron:UFAL2019-07-11T18:23:42Zoai:www.repositorio.ufal.br:riufal/5402Repositório InstitucionalPUBhttp://www.repositorio.ufal.br/oai/requestri@sibi.ufal.bropendoar:2019-07-11T18:23:42Repositório Institucional da Universidade Federal de Alagoas (UFAL) - Universidade Federal de Alagoas (UFAL)false
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