Classification of the presence of malignant lesions on mammogram using deep learning

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

BACKGROUND: Breast cancer is one of the leading causes of cancer-related mortality in women [1]. Regular mass screening with mammography plays a critical role in the early detection of changes in breast tissue. However, the early stages of pathology often go undetected and are difficult to diagnose [2].

Despite the effectiveness of mammography in reducing breast cancer mortality, manual image analysis can be time consuming and labor intensive. Therefore, attempts to automate this process, for example using computer-aided diagnosis systems, are relevant [3]. In recent years, however, solutions based on neural networks have gained increasing interest, especially in biology and medicine [4-6]. Technological advances using artificial intelligence have already demonstrated their effectiveness in pathology detection [7, 8].

AIM: The study aimed to develop an automated solution to detect breast cancer on mammograms.

MATERIALS AND METHODS: The solution is implemented as follows: a deep neural network-based tool has been developed to obtain the probability of malignancy from the input image. A combined dataset from public datasets such as MIAS, CBIS-DDSM, INbreast, CMMD, KAU-BCMD, and VinDr-Mammo [9–14] was used to train the model.

RESULTS: The classification model, based on the EfficientNet-B3 architecture, achieved an area under the ROC curve of 0.95, a sensitivity of 0.88, and a specificity of 0.9 when tested on a sample from the combined dataset. The model’s high generalization ability, which is another advantage, was demonstrated by its ability to perform well on images from different datasets with varying data quality and acquisition regions. Furthermore, techniques such as image pre-cropping and augmentations during training were used to enhance the model's performance.

CONCLUSIONS: The experimental results demonstrated that the model is capable of accurately detecting malignancies with a high degree of confidence. The obtained high-quality metrics offer a significant potential for implementing this method in automated diagnostics, for instance, as an additional opinion for medical specialists.

About the authors

Alisher A. Ibragimov

Institute for System Programming

Author for correspondence.
Email: ibragimov@ispras.ru
ORCID iD: 0000-0002-4406-4562
SPIN-code: 3540-3992
Russian Federation, Moscow

Sofya A. Senotrusova

Institute for System Programming

Email: senotrusova@ispras.ru
ORCID iD: 0000-0003-0960-8920
SPIN-code: 4872-3388
Russian Federation, Moscow

Arsenii A. Litvinov

Institute for System Programming

Email: filashkov@ispras.ru
ORCID iD: 0009-0000-3561-3817
Russian Federation, Moscow

Aleksandra A. Beliaeva

Institute for System Programming

Email: belyaeva.a@ispras.ru
Russian Federation, Moscow

Egor N. Ushakov

Institute for System Programming

Email: ushakov@ispras.ru
ORCID iD: 0000-0001-8370-6911
Russian Federation, Moscow

Yury V. Markin

Institute for System Programming

Email: ustas@ispras.ru
ORCID iD: 0000-0003-1145-5118
SPIN-code: 8440-9532
Russian Federation, Moscow

References

  1. Milroy MJ. Cancer statistics: Global and national. In: Quality Cancer Care: Survivorship Before, During and After Treatment. Hopewood P, Milroy MJ, editors. Springer; 2018.
  2. Mainiero MB, Moy L, Baron P, et al. ACR appropriateness criteria breast cancer screening. Journal of the American College of Radiology. 2017;14(11S):S383–S390. doi: 10.1016/j.jacr.2017.08.044
  3. Elter M, Horsch A. CADx of mammographic masses and clustered microcalcifications: a review. Medical physics. 2009;36(6):2052–2068. doi: 10.1118/1.3121511
  4. Kegeles E, Naumov A, Karpulevich EA, Volchkov P, Baranov P. Convolutional neural networks can predict retinal differentiation in retinal organoids. Front. Cell. Neurosci. 2020;14:171. doi: 10.3389/fncel.2020.00171
  5. Ibragimov A, Senotrusova S, Markova K, et al. Deep semantic segmentation of angiogenesis images. Int. J. Mol. Sci. 2023;24(2). doi: 10.3390/ijms24021102
  6. Naumov A, Ushakov E, Ivanov A, et al. EndoNuke: Nuclei detection dataset for estrogen and progesterone stained IHC endometrium scans. Data (Basel). 2022;7(6). doi: 10.3390/data7060075
  7. Dembrower K, Wåhlin E, Liu Y, et al. Effect of artificial intelligence-based triaging of breast cancer screening mammograms on cancer detection and radiologist workload: a retrospective simulation study. The Lancet Digital Health. 2020;2(9):e468–e474. doi: 10.1016/S2589-7500(20)30185-0
  8. Jiang Y, Edwards AV, Newstead GM. Artificial intelligence applied to breast MRI for improved diagnosis. Radiology. 2021;298(1):38–46. doi: 10.1148/radiol.2020200292
  9. Suckling J. The mammographic image analysis society digital mammogram database. Exerpta Medica International Congress. 1994;1069:375–378.
  10. Lee RS, Gimenez F, Hoogi A, et al. A curated mammography data set for use in computer-aided detection and diagnosis research. Sci. Data. 2017;4:170177. doi: 10.1038/sdata.2017.177
  11. Moreira IC, Amaral I, Domingues I, et al. INbreast: toward a full-field digital mammographic database. Acad. Radiol. 2012;19(2):236–248. doi: 10.1016/j.acra.2011.09.014
  12. Cui C, Li L, Cai H, et al. The Chinese mammography database (CMMD): An online mammography database with biopsy confirmed types for machine diagnosis of breast. Data Cancer Imaging Arch. 2021. doi: 10.7937/tcia.eqde-4b16
  13. Alsolami AS, Shalash W, Alsaggaf W, et al. King abdulaziz university breast cancer mammogram dataset (KAU-BCMD). Data Basel. 2021;6(11):111. doi: 10.3390/data6110111
  14. Nguyen HT, Nguyen HQ, Pham HH, et al. VinDr-Mammo: A large-scale benchmark dataset for computer-aided diagnosis in full-field digital mammography. Sci. Data. 2023;10(1):277. doi: 10.1038/s41597-023-02100-7

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2024 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».