Συσχέτιση παθολογοανατομικών ευρημάτων και υπολογιστικής ανάλυσης της ψηφιακής μαστογραφίας με χρήση προηγμένων τεχνικών επεξεργασίας εικόνας

Abstract

BACKGROUND: The aim of this study was to correlate the computed analysis of digital mammography with the pathogists results of the breast biopsy. More specifically, we analysed and studied the texture features in different region of interest of the digital mammograms that could reveal the diffent architecture of each breast lesion and additionally the potentiality of a computer aided diagnosis system to discriminate the real benign microcalcifications among a subset of patients with BIRADS 3 mammograms who underwent biopsy, thus giving radiologists the opportunity to downgrade from BIRADS 3 to BIRADS 2 category in certain cases and thereby eliminate unnecessary biopsies in probably benign lesions. METHODS: We analyzed 109 consecutive BIRADS 3 mammograms of patients that underwent Stereotactic Vaccum Assisted Breast Biopsy aand compared them to the pathologist results. The computer aided diagnosis (CAD) system Hippocrates-MST detected and quantified critical features of microcalcifications and classified them according to their probability of malignancy on a risk percentage scale. In addition we extracted the texture features (Analysis) of non palpable mammographic lesions of 60 women who underwent vaccum assisted breast biopsy (MammotomeR) on the stereotactic table of Fischer’s in every digital image that was acquired during the biopsy. The features that were evaluated were 1st order statistic features ( minimal, maximal, median, and mean gray levels, standard deviation of gray levels, coefficient of variation and gray level skewness, kurtosis, energy and entropy) and fractal dimension as well. According to the pathologist reports, the set was comprised from 13 DCIS, 16 IVC, 10 precancerous (LN, ADH) lesion and 21 benignities. RESULTS: The system Hippocrates MST proposed biopsy for all cancer cases. Unfortunately it missed 4 atypical lesions which should be referred for surgical excision because of their high probability of having or developing malignancy, causing the system’s sensitivity to decrease to 81% with 95% CI (58–94). However, the system downgraded 29 out of88 benign calcification clusters, previously assigned to BIRADS 3, to BIRADS 2 category, and so achieved a reduction of 33% inunnecessary biopsies. On the other hand, the statistical analysis of the results of Analysis system (Mann-Whitney U test) revealed significant statistical difference between the IVC and the DCIS in minimal gray level (p=0.0028), in standard deviation (p=0.009), in entropy (p=0.03) and in energy (p=0.018). There was statistical difference in the energy and the standard deviation between IVC and precancerous lesion and also in the entropy between IVC and benignities. Finally, the the data set was statistically analysed with Kruskal-wallis test the relationship among the median values of the breast lesions and there was significant statistical difference in standard deviation (p=0.0488) and energy (p=0.0476). In addition, we calculated a range of AUC, 0.6949-0.7885 for the characteristic that were statistically important. The higher AUC was the one for standard deviation when comparing the DCIS vs IVC. CONCLUSION: The results justified that the CAD system Hippokrates MST has the potential to improve radiologist’s performance in the detection and evaluation of microcalcifications, as it revealed the malignant clusters among BIRADS 3 mammograms and unveiled 33% of the real benign cases, consequently downgrading them from BIRADS 3 to BIRADS 2category. Therefore, with further development and investigation using larger samples it could be used to detect cancerous lesions and eliminate unnecessary biopsies of benign lesions. In addition, the computed texture analysis of mammograms with Analysis system and their correlation to the pathologist results has important results in differentiation of breast pathology and could become an important ally for the radiologist and the physician in early diagnosis and therapy of breast pathology.

ΣΚΟΠΟΣ: Σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν η συσχέτιση της υπολογιστικής ανάλυσης της ψηφιακής μαστογραφίας με τα παθολογοανατομικά αποτελέσματα της βιοψίας του μαστού. Πιο συγκεκριμένα, αναλύσαμε και μελετήσαμε τα χαρακτηριστικά υφής των διαφορετικών περιοχών ενδιαφέροντος σε μια ψηφιακή μαστογραφία που να μπορούν να αναδείξουν τη διαφορετικότητα της αρχιτεκτονικής της κάθε αλλοίωσης του μαστού καθώς και η διερεύνηση της δυνατότητας ενός συστήματος CAD να διακρίνει τις πραγματικά καλοήθεις μικροαποτιτανώσεις μεταξύ μιας υποομάδας ασθενών με BIRADS 3 μαστογραφίες που υπεβλήθησαν σε βιοψία μαστού δίνοντας έτσι τη δυνατότητα στους ακτινοδιαγνώστες να υποβιβάσουν τις μαστογραφίες τους από BIRADS 3 σε BIRADS 2 και να περιορίσουν τις περιττές και άδικες επεμβάσεις στις πιθανώς καλοήθεις αλλοιώσεις του μαστού. ΜΕΘΟΔΟΣ: Αρχικώς, αναλύσαμε 109 διαδοχικές BIRADS 3 μαστογραφίες ασθενών που υπεβλήθησαν σε υποβοηθούμενη υπό αναρρόφηση βιοψία μαστού και τα συγκρίναμε παθολογοανατομικά αποτελέσματα. Το σύστημα υποβοηθούμενης υπολογιστικής διάγνωσης (CAD) Ιπποκράτης ΜΣΤ ανίχνευσε και προσδιόρισε κρίσιμα ποσοτικά χαρακτηριστικά των μικροαποτιτανώσεων και τις ταξινόμησε σύμφωνα με πιθανότητα τους για κακοήθεια σε μια ποσοστιαία κλίμακα κινδύνου. Επιπλέον ασχοληθήκαμε με την εξαγωγή χαρακτηριστικών υφής (Analysis) από μη ψηλαφητές μαστογραφικές αλλοιώσεις 60 γυναικών που υπεβλήθησαν σε βιοψία μαστού με συσκευή αναρρόφησης (MammotomeR ) στο στερεοτακτικό τραπέζι της Fischer’s και σε κάθε ψηφιακή εικόνα που ελήφθει κατά τη βιοψία. Τα χαρακτηριστικά υφής που εκτιμήθηκαν περιελάμβαναν στατιστικά μεγέθη 1ης τάξης (ελάχιστη, μέγιστη, μεσαία και μέση τιμή της φωτεινότητας, σταθερή απόκλιση, συντελεστή μεταβλητότητας, λοξότητα, κύρτωση, ενέργεια και εντροπία), καθώς και την κλασματική διάσταση. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των ιστολογικών εξετάσεων, το δείγμα αποτελούνταν από 13 μη διηθητικούς πορογενείς καρκίνους, 16 διηθητικούς καρκίνους, 10 προκαρκινικές αλλοιώσεις (λοβιακή νεοπλασία και άτυπη πορογενή υπερπλασία) και 21 καλοήθειες. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ: Το σύστημα Ιπποκράτης ΜΣΤ αναγνώρισε και πρότεινε βιοψία σε όλες τις περιπτώσεις με καρκίνο. Δυστυχώς, έχασε 4 άτυπες βλάβες που θα πρέπει να αναφέρει για βιοψία λόγω της μεγάλης πιθανότητας της ασθενούς να έχει ή να αναπτύξει στο μέλλον κακοήθεια, μειώνοντας επομένως την ευαισθησία του συστήματος στο 81% με 95% CI (58-94). Ωστόσο, το σύστημα υποβάθμισε 29 από τις 88 καλοήθεις ομάδες μικροαποτιτανώσεων στην κατηγορία BIRADS 2, που προηγουμένως είχαν καταταχθεί στην BIRADS 3 κατηγορία, και επιτυγχάνοντας έτσι μια μείωση κατά 33% σε μη αναγκαίες βιοψίες. Από την άλλη η στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων του Analysis (Mann-Whitney U test) ανέδειξε στατιστικά σημαντική διαφορά μεταξύ διηθητικών και μη διηθητικών καρκίνων του μαστού στη μέγιστη τιμή φωτεινότητας (p=0.028), στη σταθερή απόκλιση (p=0.009), στην εντροπία (p=0.03) και στην ενέργεια (p=0.018). Επιπλέον στατιστική διαφορά βρέθηκε στην ενέργεια και τη σταθερή απόκλιση μεταξύ διηθητικών και προκαρκινικών αλλοιώσεων καθώς και στην εντροπία των διηθητικών καρκίνων σε σχέση με τις καλοήθειες. Τέλος αναλύθηκε στατιστικά και με Kruskal-Wallis test η σχέση μεταξύ των διάμεσων τιμών των χαρακτηριστικών υφής των αλλοιώσεων του μαστού και βρέθηκε στατιστικά σημαντική διαφορά στην σταθερή απόκλιση (p=0.0488) και την ενέργεια (p=0.0476). Επιπροσθέτως υπολογίσαμε ένα φάσμα AUC από 0.6949 έως 0.7885 για τα τα χαρακτηριστικά που έδωσαν στατιστικά σημαντικά αποτελέσματα. Απεδείχθη ότι καλύτερη AUC (0.7885) αποδίδει η σταθερή απόκλιση όταν συγκρίνουμε τους διηθητικούς με τους διηθητικούς καρκίνους. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ: Τα αποτελέσματα της μελέτης δικαιολογούν το συμπέρασμα πως το σύστημα CAD (Ιπποκράτης ΜΣΤ) έχει τη δυνατότητα να βελτιώσει τις επιδόσεις των ακτινοδιαγνωστών στην ανίχνευση και την αξιολόγηση των μικροαποτιτανώσεων, εφόσον αποκάλυψε τις κακοήθεις συστάδες των BIRADS 3 μαστογραφιών και αθώωσε 33% των πραγματικά καλοήθων περιπτώσεων και επομένως τις υποβάθμισε από BIRADS 3 σε BIRADS 2 κατηγορία, που αφορά τα καλοήθη ευρήματα μιας μαστογραφίας. Συνεπώς, με την περαιτέρω ανάπτυξη και έρευνα, χρησιμοποιώντας μεγαλύτερα δείγματα, το σύστημα υποβοηθούμενης υπολογιστικής ανάλυσης των μικροαποτιτανώσεων και αξιολόγησης του κινδύνου για καρκίνο του μαστού (Ιπποκράτης ΜΣΤ) θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση καρκινικών αλλοιώσεων καθώς και την εξάλειψη των περιττών βιοψιών σε καλοήθεις βλάβες του μαστού. Επιπροσθέτως, η υπολογιστική ανάλυση της υφής των μαστογραφιών με το σύστημα Analysis και η συσχέτιση τους με τα παθολογοανατομικά ευρήματα, έχει αποδώσει σημαντικά αποτελέσματα στη διαφοροδιάγνωση των παθήσεων του μαστού και θα μπορούσε να αποτελέσει ένα σημαντικό σύμμαχο του ακτινοδιαγνώστη και του κλινικού ιατρού για την έγκαιρη διάγνωση και θεραπεία των παθήσεων του μαστού.