Close-up Engeneering

CAD system: un software per i noduli polmonari

CAD system polmonare: un software per l'interpretazione delle immagini mediche.

Close-up Engineering

AUTORE: Mario Liuzzo

Close-up Engineering

PUBBLICATO IL: 29 Agosto 2023

(Bio)Informatica / Bioimmagini

Un sistema CAD (Computer Aided Detection) polmonare è un software con lo scopo di aiutare i radiologi nell’interpretazione delle immagini mediche, e quindi per trovare i noduli polmonari nelle immagini tac.

Perchè si ricorre all’uso dei software CAD

Diagnosi tumorale

Il cancro al polmone è generalmente asintomatico nelle prime fasi quando la cura può essere efficace. Il tasso di sopravvivenza a 5 anni dalla diagnosi è solo del 10-15%. Negli ultimi 20 anni non si è verificato (al contrario di altri tumori). Inoltre la maggior parte dei tumori polmonari viene diagnosticata troppo tardi perché i trattamenti siano efficaci. Infatti i dati mostrano che i tumori diagnosticati precocemente hanno un tasso di sopravvivenza che può raggiungere il 70%.

Il tumore polmonare

tumore al polmone

Il cancro al polmone si manifesta tipicamente come uomo piccolo nodulo non calcifico. I noduli non sono specifici di questa patologia, ad esempio si trovano anche nei pazienti sani. È stato dimostrato che la migliore modalità di imaging per il rilevamento dei noduli è la TC del torace.

Le strategie di screening

La diagnosi precoce potrebbe essere il modo migliore per ridurre la mortalità e potrebbe essere implementata mediante lo screening. Tuttavia, l’efficacia dello screening è ancora in discussione perché ulteriori indagini dopo le TC di follow-up al basale sono generalmente invasive:

  • La biopsia è una procedura rischiosa;
  • Anche la resezione chirurgica del polmone è una procedura molto rischiosa e invasiva;
  • Lo screening in genere porta a molti falsi positivi (FP) e questo potenzialmente porta a trattamenti invasivi non necessari.

Come funziona un sistema CAD

Un sistema CAD polmonare si basa su algoritmi adattativi che riconoscono le caratteristiche proprie dei noduli. È necessario avere disponibilità di un insieme di immagini CT correttamente diagnosticate, utili come standard. Questo, grazie agli algoritmi adattivi e sistemi statistici, sarà in grado di effettuare il riconoscimento in nuove CT di regioni di interesse (ROI) con caratteristiche simili agli standard. Lo schema generale di funzionamento di un sistema CAD prevede la ricostruzione del parenchima polmonare all’interno dell’immagine in 3D della CT, seguito dalla ricerca all’interno del parenchima polmonare delle ROI e infine la classificazione delle ROI attraverso uno score.

Noduli polmonari, tac ai polmoni
Esempio di TAC polmonari con presenza di noduli
Credits: Appunti del Corso di fisica medica I dell’università di Pisa

Le ROI correttamente classificate come patologiche sono dette veri positivi (TP), quelle classificate come patologiche pur non essendolo sono i falsi positivi (FP). Invece le ROI correttamente classificate come non patologiche sono dette veri negativi (TN), altrimenti si hanno i falsi negativi (FN). La classificazione dipende dal valore di score assegnato dal sistema ad una ROI.

Segmentazione polmonare

Prima di operare un’analisi CAD si ricerca la soglia ottimale mediante decomposizione di due materiali, ovvero aria e tessuti polmonari. Inoltre si effettua la segmentazione di tutti i voxel aerei nel polmone, si identifica il collegamento componente che rappresenta la trachea utilizzando Hough Transform per i cerchi ed infine si rimuove la trachea.

CAD CAM (Channeler Ant Model)

Il CAD CAM nasce nell’ambito del progetto MAGIC5 dall’INFN e offre nuove le modalità con cui viene segmentato il polmone e per la classificazione dei noduli. La segmentazione delle strutture interne al polmone e dei noduli avviene generando in ogni voxel che abbia determinate caratteristiche una colonia di formiche. La colonia di formiche segue delle regole precise e al termine della procedura si ottiene una mappa di ferormone che consente di ricavare le ROI.

Le regole principali prevedono:

  • Alla nascita, l’energia della formica è impostata su un valore predefinito
  • Ad ogni passaggio, l’energia cambia in base alle proprietà dell’ambiente
  • Al di sotto dell’energia minima, le formiche muoiono
  • Al di sopra dell’energia massima, le formiche si riproducono e la loro energia viene ripristinata

FONTI VERIFICATE:

AUTORE

Mario Liuzzo

Laureato in Fisica presso l'Università di Pisa, e studente magistrale in Fisica Medica presso lo stesso ateneo. Mi interesso di scienza e in particolare delle applicazioni della fisica in ambito medico e non solo.

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