Automatic detection of the parasite Trypanosoma cruzi in blood smears using a machine learning approach applied to mobile phone images
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Detecção automática do parasita Trypanosoma cruzi em esfregaços sanguíneos utilizando uma abordagem de aprendizado de máquina aplicada a imagens de telefones celulares
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Resumo
A doença de Chagas é uma enfermidade potencialmente fatal causada pelo parasita Trypanosoma cruzi . O diagnóstico da forma aguda da doença é realizado por microscopistas treinados que detectam os parasitas em amostras de esfregaço sanguíneo. Como esse método requer um sistema de câmera de alta resolução acoplado ao microscópio, o diagnóstico torna-se mais caro e, muitas vezes, inacessível para países de baixa renda. Neste trabalho, apresentamos uma abordagem de aprendizado de máquina baseada em um algoritmo de floresta aleatória (RF) para a detecção e contagem de tripomastigotas de T. cruzi em imagens de telefones celulares. Analisamos micrografias de amostras de esfregaço sanguíneo obtidas com a câmera de um dispositivo móvel, capaz de capturar imagens com resolução de 12 megapixels. Extraímos um conjunto de características que descrevem parâmetros morfométricos (geometria e curvatura), bem como medidas de cor e textura de 1.314 parasitas. As características foram divididas em conjuntos de treinamento e teste (4:1) e classificadas utilizando o algoritmo RF. Os valores de precisão, sensibilidade e área sob a curva ROC (característica de operação do receptor) do método proposto foram de 87,6%, 90,5% e 0,942, respectivamente. A automatização da análise de imagens adquiridas com um dispositivo móvel é uma alternativa viável para reduzir custos e aumentar a eficiência no uso do microscópio óptico.
Abstract
Chagas disease is a life-threatening illness caused by the parasite Trypanosoma cruzi. The diagnosis of the acute form of the disease is performed by trained microscopists who detect parasites in blood smear samples. Since this method requires a dedicated high-resolution camera system attached to the microscope, the diagnostic method is more expensive and often prohibitive for low-income settings. Here, we present a machine learning approach based on a random forest (RF) algorithm for the detection and counting of T. cruzi trypomastigotes in mobile phone images. We analyzed micrographs of blood smear samples that were acquired using a mobile device camera capable of capturing images in a resolution of 12 megapixels. We extracted a set of features that describe morphometric parameters (geometry and curvature), as well as color, and texture measurements of 1,314 parasites. The features were divided into train and test sets (4:1) and classified using the RF algorithm. The values of precision, sensitivity, and area under the receiver operating characteristic (ROC) curve of the proposed method were 87.6%, 90.5%, and 0.942, respectively. Automating image analysis acquired with a mobile device is a viable alternative for reducing costs and gaining efficiency in the use of the optical microscope.
Assunto
Trypanosoma cruzi, Biologia computacional, Aprendizado de máquina, Doença de chagas, Diagnóstico por computador, Algoritmo florestas aleatórias
Palavras-chave
Trypanosoma cruzi, Blood trypomastigote, Parasitemia, Machine learning, SVM
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