Breast cancer diagnosis based on mammary thermography and extreme learning machines

Abstract Introduction Breast cancer is the most common cancer in women and one of the major causes of death from cancer among female around the world. The early detection and treatment are the major way to healing. The use of mammary thermography in Mastology is increasing as a complementary imaging technique to early detect lesions. Its use as a screening exam to identify breast disorders has been investigated. The aim of this study is to investigate the behavior of different classification methods while grouping the thermographic images into specific types of lesions. Methods To evaluate our proposal, we built classifiers based on artificial neural networks, decision trees, Bayesian classifiers, and Haralick and Zernike attributes. The image database is composed by thermographic images acquired at the University Hospital of the Federal University of Pernambuco. These images are clinically classified into the classes cyst, malignant and benign. Moments of Zernike and Haralick were used as attributes. Results Extreme Learning Machines (ELM) and Multilayer Perceptron networks (MLP) proved to be quite efficient classifiers for classification of breast lesions in thermographic images. Using 75% of the database for training, the maximum value obtained for accuracy was 73.38%, with a Kappa index of 0.6007. This result indicated to a sensitivity of 78% and specificity of 88%. The overall efficiency of the system was 83%. Conclusion ELM showed to be a promising classifier to be used in the differentiation of breast lesions in thermographic images, due to its low computational cost and robustness.

Análise computacional do dano térmico no olho humano portador de um melanoma de coroide quando submetido à termoterapia transpupilar a laser / Computational analysis of thermal damage in the human eye carrying a choroidal melanoma when exposed to laser transpupillary thermotherapy treatment

Este trabalho apresenta um modelo bidimensional do olho humano para investigar a evolução da temperatura em estado transitório e o dano térmico associado nas camadas do olho e, principalmente, no melanoma de coroide. A modelagem e simulação computacional foram executadas para um paciente portador de um melanoma de coroide, submetido a um tratamento por irradiação com laser. Para determinar o campo de temperaturas, foi desenvolvido um modelo que utiliza a equação da biotransferência de calor de Pennes (BHTE - Bioheat Transfer Equation) que possui um termo de fonte/sumidouro que responde pelo calor transferido através da perfusão sanguínea. O modelo de Birngruber foi utilizado para determinar a função dano térmico durante a termoterapia transpupilar a laser (TTT). A análise foi efetuada a partir de uma imagem de ultrassom do paciente. Este tipo de exame forneceu as dimensões do olho e do tumor. O software comercial de CFD (Computational Fluid Dynamics) FLUENT, que emprega o Método dos Volumes Finitos (MVF), foi utilizado nas análises do modelo. Foram calculadas as temperaturas em estado estacionário para o olho não irradiado e estes resultados foram utilizados como condição inicial para a simulação de estado transitório para o olho irradiado, durante 60 segundos, com um laser de diodo (810 nm e potências de saída de 178, 222, 400 e 500 mW) cujos feixes apresentavam diâmetros de 2,0 e 3,0 mm e intensidades de 56.588 W/m² e 70.736 W/m² sobre a córnea. Para validar o modelo, os resultados das temperaturas, em estado estacionário para o olho não exposto à radiação do laser, foram comparados com outros mostrando uma boa concordância entre eles. Os resultados das temperaturas e do dano térmico, estado transitório, para o olho irradiado com o laser estão, qualitativamente, em acordo com a literatura disponível.

This paper presents a two-dimensional model of the human eye to investigate the evolution of temperature in transient state and the associated thermal damage in the layers of the eye and, especially in the choroidal melanoma. The computer modeling and simulation were performed for a patient with a choroidal melanoma, undergoing treatment by laser irradiation. To determine the temperature field, we developed a model that uses the Pennes Bioheat Transfer Equation (BHTE) that has a term of source/sink that responds to the heat transferred through the blood perfusion. The Birngruber model was used to determine the function of thermal damage during the laser transpupillary thermotherapy (TTT). The analysis was carried out from an ultrasound image of the patient. This type of examination provided the dimensions of the eye and the tumor. The CFD (Computational Fluid Dynamics) commercial software FLUENT&®, which uses the Finite Volume Method (FVM) was used in the analysis of the model. The temperatures, steady-state, were calculated for the normal eye, i.e, without laser irradiation and these results were used as initial condition for the simulation of transient state to the eye irradiated for 60 seconds with a diode laser (810 nm and output power of 178, 222, 400 and 500 mW) whose beam had a diameter of 2.0 to 3.0 mm and irradiance of 56,588 and 70,736 W/m² on the cornea. To validate the model, the results of temperatures, in steady state to the eye not exposed to laser radiation, were compared with others showing a good agreement between them. The results of thermal damage and transient state, for the eye irradiated by the laser, show that the values of damage depth are in agreement with the literature.

Modelagem computacional da biotransferência de calor no tratamento por hipertermia em tumores de duodeno através do método dos volumes finitos em malhas não estruturadas / Computational modeling of the bioheat transfer during the hypertermic treatment of duodenum tumors using an unstructured mesh finite volume method

Tumores de duodeno não-operáveis podem ser irradiados com fontes de laser por via endoscópica. Sua função é causar uma elevação de temperatura local a fim de destruir as células cancerígenas, sem, no entanto, causar dano térmico à região sadia circunvizinha. A exatidão do cálculo das temperaturas está ligada à utilização de métodos numéricos adequados. O presente trabalho apresenta a análise térmica de um procedimento terapêutico, onde um tumor de duodeno de 2 cm de diâmetro é aquecido por uma sonda de laser Nd:YAG, através da utilização do método dos volumes finitos (MVF) para solucionar a equação da biotransferência de calor em malhas bidimensionais triangulares não-estruturadas. É feita uma descrição detalhada do modelo físico-matemático pertinente e da função dano térmico. São apresentadas as propriedades termofísicas dos tecidos envolvidos, bem como a escolha dafonte de laser mais adequada à utilização no procedimento a ser simulado. Em seguida é descrita brevemente a formulação do método dos volumes finitos com estrutura de dados por arestas e apresentados os resultados obtidos da análise térmica dos tecidos.

Tumors that cannot be surgically removed could be irradiated using laser sources through endoscopic procedures. The idea is to increase the local temperature to kill the cancer cells without a thermal damage on the healthy tissues in the neighborhood. The accuracy of the estimated temperatures is directly related to the proper choice ofthe adopted numerical methods. In this work a computational tool using the finite volume method was developed, in order to obtain the approximate equations of the bioheat transfer equation using bidimensional unstructured triangular meshes. The analyzed problem consists of a duodenum tumor with 2 cm of diameter that is heated using a Nd:YAG laser probe. The following items will be described: the appropriate physical-mathematical model; the damage function; the thermo-physical properties of the tissues involved; as well as the choice of the best laser source to be used in the procedure to be simulated. Next, the edge based finite volume formulation is described and the results obtained from the tissue thermal analysis are presented.