Detecting new lung cancer cases using artificial intelligence: clinical and economic evaluation of a retrospective analysis of computed tomography scans 2 years after the COVID-19 pandemic

Cover Image

Cite item

Abstract

BACKGROUND: Chest computed tomography (CT) is the main modality used to diagnose lung lesions caused by COVID-19 infection. Since 2020, the use of this modality in the Krasnoyarsk krai has increased. However, the incidence of lung cancer decreased by 5.2%. The current situation has raised concerns about missing radiographic signs typical of lung cancer and has stimulated the search for new diagnostic modalities using artificial intelligence (AI) for data analysis.

AIM: The aim of the study was to evaluate the feasibility of using an AI algorithm to search for lung nodules based on chest CT data obtained during the COVID-19 pandemic to identify lung cancer.

MATERIALS AND METHODS: The retrospective study included chest CT scans of patients from Krasnoyarsk krai diagnosed with COVID-19 reported in the PACS base between 1 November 2020 and 28 February 2021. The interval between chest CT and AI analysis ranged from two years and one month to two years and five months. Chest-IRA algorithm was used. AI detected lung nodules with a volume greater than 100 mm3. The radiologists divided the results into three groups based on the potential for lung cancer. The assessment of the economic benefits of using the AI algorithm considered the cost of wages and savings in the treatment of early stage lung cancer, which affects gross regional product.

RESULTS: The AI algorithm identified nodules in 484 out of 10,500 CT scans. A total of 192 patients with a high potential for lung cancer, 103 with no signs and 60 with inconclusive signs were identified, and 112 patients with a high and moderate potential for lung cancer did not seek medical care. AI confirmed 100 (28.2%) histologically proven cases of lung cancer, with stages I–II detected in 35%.

Using AI instead of radiologists would save 25 months and 4 days of work, which is equal to 2 million 430 thousand rubles. Expected budget savings due to early detection of lung cancer vary from 10 million 600 thousand to 12 million 500 thousand rubles for each 10,500 CTs. The total economic effect for a five year period would be from 259 million 400 thousand rubles to 305 million 100 thousand rubles.

CONCLUSIONS: The use of AI to evaluate chest CT scans demonstrates high performance in identifying lung nodules, including those in patients with COVID-19, confirming its potential use for early detection of incidental lung nodules that might otherwise be missed.

About the authors

Ruslan A. Zukov

Professor V.F. Voino-Yasenetsky Krasnoyarsk State Medical University; Krasnoyarsk Regional Clinical Oncological Dispensary named after A.I. Kryzhanovskogo

Author for correspondence.
Email: zukov_rus@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7210-3020
SPIN-code: 3632-8415

MD, Dr. Sci. (Medicine), Professor

Russian Federation, Krasnoyarsk; Krasnoyarsk

Ivan P. Safontsev

Professor V.F. Voino-Yasenetsky Krasnoyarsk State Medical University; Krasnoyarsk Regional Clinical Oncological Dispensary named after A.I. Kryzhanovskogo

Email: sip@onkolog24.ru
ORCID iD: 0000-0002-8177-6788
SPIN-code: 1548-5565

MD, Cand. Sci. (Medicine), Assoc. Prof., Depart. of Oncology and Radiation Therapy with a Postgraduate Course, Deputy Head Physician

Russian Federation, Krasnoyarsk; Krasnoyarsk

Marina P. Klimenok

Krasnoyarsk Regional Clinical Oncological Dispensary named after A.I. Kryzhanovskogo

Email: klimenokmp@onkolog24.ru
ORCID iD: 0009-0001-7849-0770
SPIN-code: 7179-8793

MD

Russian Federation, Krasnoyarsk

Tatyana E. Zabrodskaya

Krasnoyarsk Regional Clinical Oncological Dispensary named after A.I. Kryzhanovskogo

Email: ZabrodskayaTE@onkolog24.ru
ORCID iD: 0000-0003-4987-5222
SPIN-code: 8365-3582

MD

Russian Federation, Krasnoyarsk

Natalya A. Merkulova

Krasnoyarsk Regional Clinical Oncological Dispensary named after A.I. Kryzhanovskogo

Email: MerkulovaNA@onkolog24.ru
ORCID iD: 0009-0006-9254-1331

MD

Russian Federation, Krasnoyarsk

Valeria Yu. Chernina

IRA Labs

Email: v.chernina@ira-labs.com
ORCID iD: 0000-0002-0302-293X
SPIN-code: 8896-8051

MD

Russian Federation, Moscow

Mikhail G. Belyaev

IRA Labs

Email: belyaevmichel@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-9906-6453
SPIN-code: 2406-1772

Cand. Sci. (Physics and Mathematics)

Russian Federation, Moscow

Mikhail Yu. Goncharov

IRA Labs; Artificial Intelligence Research Institute AIRI; Skolkovo Institute of Science and Technology

Email: mig0nch@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0009-8417-0878
Russian Federation, Moscow; Moscow; Moscow

Vitaly V. Omelyanovskiy

Center for Expertise and Quality Control of Medical Care; Russian Medical Academy of Continuous Professional Education; Financial Research Institute

Email: vvo@rosmedex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1581-0703
SPIN-code: 1776-4270

MD, Dr. Sci. (Medicine), Professor

Russian Federation, Moscow; Moscow; Moscow

Ksenia A. Ulianova

Ministry of Health of the Russian Federation

Email: UlyanovaKA@minzdrav.gov.ru
ORCID iD: 0000-0002-3462-0123
SPIN-code: 6491-6072
Russian Federation, Moscow

Evgenia A. Soboleva

IRA Labs; Skolkovo Institute of Science and Technology

Email: e.soboleva@ira-labs.com
ORCID iD: 0009-0009-4037-6911
Russian Federation, Moscow; Moscow

Maria E. Blokhina

AstraZeneca Pharmaceuticals LLC

Email: mariya.blokhina@astrazeneca.com
ORCID iD: 0009-0002-9008-9485

MD

Russian Federation, Moscow

Elena A. Nalivkina

AstraZeneca Pharmaceuticals LLC

Email: elena.nalivkina@astrazeneca.com
ORCID iD: 0009-0003-5412-9643
Russian Federation, Moscow

Victor A. Gombolevskiy

IRA Labs; Artificial Intelligence Research Institute AIRI; World-Class Research Center «Digital biodesign and personalized healthcare»; Sechenov First Moscow State Medical University

Email: gombolevskii@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-1816-1315
SPIN-code: 6810-3279

MD, Cand. Sci. (Medicine)

Russian Federation, Moscow; Moscow; Moscow; Moscow

References

  1. Siegel RL, Miller KD, Jemal A. Cancer statistics, 2020. CA Cancer J Clin. 2020;70(1):7–30. doi: 10.3322/caac.21590
  2. Kaprin AD, Starinsky VV, Shakhzadova AO, editors. Malignant neoplasms in Russia in 2021 (morbidity and mortality). Moscow: P. Herzen MORI – the branch of the FSBI NMRRC of the Ministry of Health of the Russian Federation, 2022. (In Russ).
  3. Сhest-IRA [Internet]; 2020. [cited 2024 May 16]. Available from: https://mosmed.ai/service_catalog/chestira/
  4. Morozov SP, Vladzimirsky AV, Klyashtorny VG, et al. Clinical trials of software based on intelligent technologies (Radiology). Series «Best Practices of Radiology and Instrumental Diagnostics». N 56. Moscow: SBHI «SPCC for DTT of MHD», 2019. (In Russ).
  5. Armato SG 3rd, McLennan G, Bidaut L, et al. The lung image database consortium (LIDC) and image database resource initiative (IDRI): a completed reference database of lung nodules on CT scans. Med Phys. 2011;38(2):915–931. doi: 10.1118/1.3528204
  6. Goncharov M, Pisov M, Shevtsov A, et al. CT-Based COVID-19 triage: dep multitask learning improves joint identification and severity quantification. Med Image Anal. 2021;71:102054. doi: 10.1016/j.media.2021.102054
  7. MacMahon H, Naidich DP, Goo JM, et al. Guidelines for management of incidental pulmonary nodules detected on CT images: from the Fleischner Society 2017. Radiology. 2017;284(1):228–243. doi: 10.1148/radiol.2017161659
  8. Rate agreement of the compulsory medical system of Krasnoyarsk Territory. In: territorial fund of compulsory medical insurance; 2012– [cited 2024 May 16]. Available from: https://www.krasmed.ru/content/18137/page.html
  9. Kaprin AD, Starinsky VV, Shakhzadova AO. State of oncological care for the Russian population in 2021. Moscow: P. Herzen MORI — the branch of the FSBI NMRRC of the Ministry of Health of the Russian Federation, 2022. (In Russ).
  10. National Lung Screening Trial Research Team. Reduced lung cancer mortality with low dose computed tomographic screening. N Engl J Med. 2011;365(5):395–409. doi: 10.1056/NEJMoa1102873
  11. Gusamova NV, Komleva MI, Saphontsev IP, et al. Lung cancer screening by LDCT. Results for 2015–2017 years RSBHCI «Krasnoyarsk Regional Clinical Oncological Dispensary named after A.I. Kryzhanovsky». In: Modern achievements of oncology in clinical practice. Proceedings of the All Russian scientific and practical conference. Krasnoyarsk, 2018. P. 54–57. (In Russ).
  12. Ardila D, Kiraly AP, Bharadwaj S, et al. End to end lung cancer screening with three dimensional deep learning on low dose chest computed tomography. Nat Med. 2019;25(6):954–961. doi: 10.1038/s41591-019-0447-x
  13. Goncalves S, Fong PC, Blokhina M. Artificial intelligence for early diagnosis of lung cancer through incidental nodule detection in low and middle income countries acceleration during the COVID-19 pandemic but here to stay. Am J Cancer Res. 2022;12(1):1–16.
  14. Graf M, Makowski M, Gawlitza J, Gassert F. Cost–effectiveness of artificial intelligence support in computed tomography–based lung cancer screening. Cancers (Basel). 2022;14(7):1729. doi: 10.3390/cancers14071729

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. 5. The results of computed tomography of the chest organs of patients with verified lung cancer (indicated by blue arrows). a — solid cystic formation of the left lung (stage Ia); b — solid formation of the right lung (stage Ib).

Download (133KB)
3. Fig. 1. Study design. CT, computed tomography; AI, artificial intelligence; MN, malignant neoplasm; С34, malignant neoplasm of the bronchus and lung according to the International Classification of Diseases, 10th revision.

Download (245KB)
4. Fig. 2. Analysis of chest computed tomography findings employing artificial intelligence CT, computed tomography; AI, artificial intelligence; KRCOD, Krasnoyarsk Regional Clinical Oncological Dispensary (named after A.I. Kryzhanovsky); MN, malignant neoplasm. The red dashed line indicates that 134 people did not seek medical attention for malignant neoplasms.

Download (313KB)
5. Fig. 3. Left lung nodule detected by artificial intelligence. The detected nodule is marked by the red square. Image with a high probability of lung cancer.

Download (117KB)
6. Fig. 4. Nodules in the right (a) and left (b) lungs detected by artificial intelligence. The detected nodules are marked by the red square. Images with inconclusive signs of lung cancer.

Download (224KB)
7. Fig. 6. Examples of the most common cases of false-positive artificial intelligence algorithm activation. a, fibrotic changes classified as a lung nodule; b, lung tissue infiltration area classified as a lung nodule.

Download (204KB)
8. Fig. 7. Evolution of lung cancer screening in the Krasnoyarsk Krai.

Download (229KB)

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».