Inteligência artificial aplicada na quantificação de nódulos pulmonares em imagens de tomografia computadorizada
| Ano de defesa: | 2025 |
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| Tipo de documento: | Dissertação |
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| Instituição de defesa: |
Universidade Federal de Goiás
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Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e da Computação (EMC)
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| Departamento: |
Escola de Engenharia Elétrica, Mecânica e de Computação - EMC (RMG)
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| Palavras-chave em Inglês: | |
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| Link de acesso: | https://repositorio.bc.ufg.br/tede/handle/tede/14733 |
Resumo: | Accurate quantification of pulmonary nodules in computed tomography remains challenging due to interobserver variability and the lack of scalable methods capable of generalizing across heterogeneous datasets. This study proposes an automated solution that integrates deep learning to generate nodule segmentation masks and compute volumetric measurements using spatial information from the images. The methodology is structured into three main stages: data preparation and pre-processing, model training and validation, and performance evaluation. The use of the nnU-Net architecture, which automates pre-processing, segmentation, and post-processing, provides scalability and dynamic adaptation to the workflow, enhancing the clinical applicability of the solution. The results indicate consistent volume and diameter measurements across successive scans and strong agreement with consensus masks, even for anatomically complex nodules. The 3D U-Net architecture achieved a mean Dice coefficient of DC = 0.7846 with a standard deviation of σ = 0.18, outperforming the interobserver Dice index of DC = 0.5218 and exhibiting a low volumetric deviation between acquisitions. The proposed methodology advances automated quantification of pulmonary nodules, offering a resilient and adaptable solution to support medical diagnosis in real-world clinical scenarios. |
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Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e da Computação) – Escola de Engenharia Elétrica, Mecânica e de Computação, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 2025.https://repositorio.bc.ufg.br/tede/handle/tede/14733ark:/38995/001300000zzw1Accurate quantification of pulmonary nodules in computed tomography remains challenging due to interobserver variability and the lack of scalable methods capable of generalizing across heterogeneous datasets. This study proposes an automated solution that integrates deep learning to generate nodule segmentation masks and compute volumetric measurements using spatial information from the images. The methodology is structured into three main stages: data preparation and pre-processing, model training and validation, and performance evaluation. The use of the nnU-Net architecture, which automates pre-processing, segmentation, and post-processing, provides scalability and dynamic adaptation to the workflow, enhancing the clinical applicability of the solution. The results indicate consistent volume and diameter measurements across successive scans and strong agreement with consensus masks, even for anatomically complex nodules. The 3D U-Net architecture achieved a mean Dice coefficient of DC = 0.7846 with a standard deviation of σ = 0.18, outperforming the interobserver Dice index of DC = 0.5218 and exhibiting a low volumetric deviation between acquisitions. The proposed methodology advances automated quantification of pulmonary nodules, offering a resilient and adaptable solution to support medical diagnosis in real-world clinical scenarios.A quantificação precisa de nódulos pulmonares em tomografias computadorizadas enfrenta desafios relacionados à variabilidade interobservador e à ausência de métodos escaláveis capazes de generalizar entre bases de dados heterogêneas. Este estudo propõe uma solução automatizada que integra aprendizado profundo para gerar máscaras de segmentação de nódulos e calcular volumes de maneira precisa, utilizando informações espaciais das imagens. A metodologia é estruturada em três etapas principais: preparação e processamento dos dados, treinamento e validação do modelo de segmentação, e avaliação da eficiência da solução. A utilização da arquitetura nnU-Net, que automatiza o pré-processamento, a segmentação e o pós-processamento, confere escalabilidade e adaptação dinâmica ao fluxo de trabalho, potencializando a aplicabilidade clínica da proposta. Os resultados indicam estabilidade nas medições de volume e diâmetro em exames sucessivos e alta aproximação às máscaras de consenso, mesmo em nódulos de anatomia complexa. A arquitetura U-Net 3D F destaca-se, alcançando DC = 0,7846$ com desvio padrão σ = 0,18, superando o índice interobservador de DC = 0,5218 e demonstrando baixo desvio volumétrico entre aquisições. A metodologia desenvolvida promove avanços na quantificação automatizada de nódulos pulmonares, oferecendo solução resiliente e adaptável para suporte ao diagnóstico médico em cenários clínicos reais.Universidade Federal de GoiásPrograma de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e da Computação (EMC)UFGBrasilEscola de Engenharia Elétrica, Mecânica e de Computação - EMC (RMG)http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessNódulo pulmonarAprendizado profundoTomografia computadorizadaQuantificaçãoSegmentação semânticaLung noduleDeep learningComputed tomographyQuantificationSemantic segmentation.ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICAInteligência artificial aplicada na quantificação de nódulos pulmonares em imagens de tomografia computadorizadaArtificial intelligence applied to the quantification of pulmonary nodules in computed tomography imagesinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisporreponame:Repositório Institucional da UFGinstname:Universidade Federal de Goiás (UFG)instacron:UFGLICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748https://repositorio.bc.ufg.br/tede/bitstreams/76dd451d-b572-4e0d-b124-a9cec0a9d4db/download8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8805https://repositorio.bc.ufg.br/tede/bitstreams/2be3616e-13a8-4625-9bc6-6a7370d55586/download4460e5956bc1d1639be9ae6146a50347MD52ORIGINALDissertação - Thiago Fellipe Ortiz de Camargo - 2025.pdfDissertação - Thiago Fellipe Ortiz de Camargo - 2025.pdfapplication/pdf5499795https://repositorio.bc.ufg.br/tede/bitstreams/6269fbb4-28e8-4e82-9806-7836fddcea16/download3255a37881c7c181476d0f2e4c307ac3MD53tede/147332025-09-24 15:58:44.348http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/Acesso Abertoopen.accessoai:repositorio.bc.ufg.br:tede/14733https://repositorio.bc.ufg.br/tedeRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.bc.ufg.br/tedeserver/oai/requestgrt.bc@ufg.bropendoar:oai:repositorio.bc.ufg.br:tede/12342025-09-24T18:58:44Repositório Institucional da UFG - Universidade Federal de Goiás (UFG)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 |
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