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Aprendizado profundo para assistência histopatológica: um modelo computacional para detectar micrometástases em câncer de mama

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Autor Kuhn, Gabriela;
Lattes do autor http://lattes.cnpq.br/0750373116512476;
Orientador Ramos, Gabriel de Oliveira;
Lattes do orientador http://lattes.cnpq.br/9281736089055094;
Co-orientador Costa, Cristiano André da;
Lattes do co-orientador http://lattes.cnpq.br/9637121030877187;
Instituição Universidade do Vale do Rio dos Sinos;
Sigla da instituição Unisinos;
País da instituição Brasil;
Instituto/Departamento Escola Politécnica;
Idioma pt_BR;
Título Aprendizado profundo para assistência histopatológica: um modelo computacional para detectar micrometástases em câncer de mama;
Resumo CONTEXTO: O câncer é hoje um dos principais problemas de saúde pública em todo o mundo e o câncer de mama é um dos mais comuns e mortais em mulheres. O prognóstico da doença e a taxa de sobrevida dos pacientes decresce significativamente quando o câncer de mama apresenta metástase. A avaliação da presença de células tumorais nos linfonodos axilares é atualmente o padrão ouro para o diagnóstico de metástases. No entanto, a tarefa de análise de uma lâmina histopatológica é exaustiva ao patologista e suscetível a falhas, principalmente em relação a detecção de micrometástase. Avanços na área da digitalização de imagens histopatológicas e nas tarefas de aprendizado de máquina abriram novos caminhos para o estudo de modelos que possam auxiliar em tarefas relacionadas ao diagnóstico de micrometástases em câncer de mama. OBJETIVO: Assim, esta pesquisa tem como objetivo auxiliar nesta investigação, através da investigação de um modelo de aprendizado profundo capaz de detectar as micrometástases de câncer de mama em uma eficiência comparável à do patologista. METODOLOGIA: Para isso, nossa arquitetura é dividida em duas tarefas principais. A primeira, consiste em um rede neural convolucional para realizar uma classificação a nível de fragmentos da imagem com a resolução original - que neste trabalho nos referiremos como patches - realizando uma classificação em cada patch. Em seguida, realizamos a segunda tarefa cuja qual é responsável por realizar a segmentação a nível de pixel, para extrair as áreas metastáticas das imagens e mensurá-las, de modo a identificar as micrometástases. Para treinar nosso modelo, utilizamos o conjunto de dados do desafio Camelyon16. Desde modo, as métricas de avaliação do nosso modelo são baseadas nas baselines avaliadas por este desafio. RESULTADOS: Para os resultados parciais, nossa tarefa de classificação obteve um AUC = 0.998 nos testes isolados realizados ao nível de fragmentos da lâmina, sendo F1Score = 1.00 para a classe negativa e F1Score = 0.99 para a positiva, não gerando falsos negativos nas etapas parciais. Nossa tarefa de segmentação atingiu o resultado de IoU − Score : 0.5434 F I − Score : 0.64818. Os resultados finais foram encontrados através da reconstrução das imagens segmentadas. Embora tenhamos obtido bons resultados nos testes parciais e isolados de cada tarefa para os fragmentos da imagem, os mesmos não corroboraram com o resultado final da lâmina produzido ao final do framework, de modo que esses não refletiram as métricas encontradas nos testes parciais, não sendo possível localizar as regiões de metástase com precisão. No entanto, ainda há espaço para melhorias no modelo e os resultados experimentais indicam que o método tem potencial para contribuir com o estudo proposto. Por optarmos por trabalhar com as imagens na maior resolução, dividindo-as em patches e tendo um modelo de rede neural de duas camadas - classificação e segmentação, o tempo de processamento de uma única lâmina pelo framework proposto se encontra em 2 horas para ser completado. CONCLUSÃO: Nossos resultados indicam que, com o aprimoramento da implementação do método, este modelo possui potencial para atender as contribuições propostas por esta dissertação e a mesma indica novas possibilidade de análises e testes para implementar melhorias no mesmo.;
Abstract CONTEXT: Cancer is nowadays one of the leading public health problems worldwide and breast cancer is one of the most common in women. The prognosis and overall patient survival significantly decrease when breast cancer metastasizes. The evaluation of the presence of metastatic cells in the sentinel lymph node is currently the gold standard for the diagnosis of metastases, but the examination process is time-consuming for the pathologist and susceptible to failures, especially for the detection of micrometastasis. Advances in the histopathological image digitalization and deep learning added a highlight for the study of models that can assist in tasks related to micrometastases diagnosis in breast cancer. OBJECTIVE: Thus, this research aims to assist in this investigation, through the investigation of a deep learning model capable of detecting breast cancer micrometastases at an efficiency comparable to pathologists. METHODOLOGY: To achieve this objective, our architecture is divided into two main tasks. The first consists of a convolutional neural network to perform a patch-level classification at the level of fragments of the original image with full resolution - which in this work we will refer as a patch -. Afterwards, we will perform the second task which is responsible for the segmentation task at the pixel level to extract the metastatic areas of the images and measure it, in order to identify the micrometastases. For such training, we are using the Camelyon16 challenge dataset. Therefore, the evaluation metrics of our model are based on the baselines evaluated by this challenge. RESULTS: For the partial results, our classification task achieved AUC = 0.998, in the isolated tests carried out at the fragmented level of the slide, resulting in a F1Score = 1.00 for the negative class and F1Score = 0.99 for positive class, not generating false negatives in the partial steps. Our segmentation task has reached the result of IoU − Score : 0.5434 F I − Score : 0.64818. The final results were found through the reconstruction of the segmented images. Although we obtained good results in the partial and isolated tests for each task for the slides fragments, they did not corroborate with the final results of the slide produced at the end of the framework, thus those results did not demonstrate the metrics found in the partial tests, not being possible to locate the regions of metastasis precisely. However, there is still room for improvements in the model, and the experimental results indicate that the method can contribute to the proposed study. As we chose to work with the images in the highest resolution, dividing them into patches and having a two-layer neural network model - classification and segmentation, the processing time of a single slide by the proposed framework is up to 2 hours. CONCLUSION: Our results indicate that, with the improvement of implementation, this model has the potential to meet the proposed contributions and this master thesis indicates new directions regarding new analyzes and tests to implement improvements on it.;
Palavras-chave Câncer de mama; Micrometástase; Linfonodo sentinela; Imagens histopatológicas; Aprendizado profundo; Rede neural convolucional; Whole-slide image; Classificação de imagens; Segmentação de imagens; Breast cancer; Micrometastasis; Sentinel lymph node; Histopathological images; Deep learning; Convolutional neural network; Image classification; Image segmentation;
Área(s) do conhecimento ACCNPQ::Ciências Exatas e da Terra::Ciência da Computação;
Tipo Dissertação;
Data de defesa 2023-04-18;
Agência de fomento CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior;
Direitos de acesso openAccess;
URI http://www.repositorio.jesuita.org.br/handle/UNISINOS/12439;
Programa Programa de Pós-Graduação em Computação Aplicada;


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