Breath Insights: Advancing Lung Cancer Early-Stage Detection Through AI Algorithms in Non-Invasive VOC Profiling Trials.

Journal: Cancers
Published Date:

Abstract

Lung cancer (LC) is the leading cause of cancer-related deaths worldwide. Effective screening strategies for early diagnosis that could improve disease prognosis are lacking. Non-invasive breath analysis of volatile organic compounds (VOC) is a potential method for earlier LC detection. This study explores the association of VOC profiles with artificial intelligence (AI) to achieve a sensitive, specific, and fast method for LC detection. Exhaled breath air samples were collected from 123 healthy individuals and 73 LC patients at two clinical sites. The enrolled patients had LC diagnosed with different stages. Breath samples were collected before undergoing any treatment, including surgery, and analyzed using gas chromatography coupled to ion-mobility spectrometry (GC-IMS). AI methods classified the overall chromatographic profiles. GC-IMS is highly sensitive, yielding detailed chromatographic profiles. AI methods ranked the sets of exhaled breath profiles across both groups through training and validation steps, while qualitative information was deliberately not taking part nor influencing the results. The K-nearest neighbor (KNN) algorithm classified the groups with an accuracy of 90% (sensitivity = 87%, specificity = 92%). Narrowing the LC group to those only in early-stage IA, the accuracy was 90% (sensitivity = 90%, specificity = 93%). Evaluation of the global exhaled breath profiles using AI algorithms enabled LC detection and demonstrated that qualitative information may not be required, thus easing the frustration that many studies have experienced so far. The results show that this approach coupled with screening protocols may improve earlier detection of LC and hence its prognosis.

Authors

  • Bernardo S Raimundo
    Unidade de Pulmão, Centro Clínico Champalimaud, Fundação Champalimaud, 1400-038 Lisboa, Portugal.
  • Pedro M Leitão
    Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa, Quinta da Torre, 2829-516 Caparica, Portugal.
  • Manuel Vinhas
    Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa, Quinta da Torre, 2829-516 Caparica, Portugal.
  • Maria V Pires
    Unidade de Pulmão, Centro Clínico Champalimaud, Fundação Champalimaud, 1400-038 Lisboa, Portugal.
  • Laura B Quintas
    Unidade de Pulmão, Centro Clínico Champalimaud, Fundação Champalimaud, 1400-038 Lisboa, Portugal.
  • Catarina Carvalheiro
    Unidade de Pulmão, Centro Clínico Champalimaud, Fundação Champalimaud, 1400-038 Lisboa, Portugal.
  • Rita Barata
    Unidade de Pulmão, Centro Clínico Champalimaud, Fundação Champalimaud, 1400-038 Lisboa, Portugal.
  • Joana Ip
    Radiology Department, Champalimaud Clinical Center, Champalimaud Foundation, Lisbon, Portugal.
  • Ricardo Coelho
    Unidade de Pulmão, Centro Clínico Champalimaud, Fundação Champalimaud, 1400-038 Lisboa, Portugal.
  • Sofia Granadeiro
    Unidade de Pulmão, Centro Clínico Champalimaud, Fundação Champalimaud, 1400-038 Lisboa, Portugal.
  • Tânia S Simões
    Unidade de Pulmão, Centro Clínico Champalimaud, Fundação Champalimaud, 1400-038 Lisboa, Portugal.
  • Joao Goncalves
  • Renato Baião
    Unidade de Pulmão, Centro Clínico Champalimaud, Fundação Champalimaud, 1400-038 Lisboa, Portugal.
  • Carla Rocha
    Unidade de Pulmão, Centro Clínico Champalimaud, Fundação Champalimaud, 1400-038 Lisboa, Portugal.
  • Sandra Alves
    Unidade de Ensaios Clínicos, Centro Clínico Champalimaud, Fundação Champalimaud, 1400-038 Lisboa, Portugal.
  • Paulo Fidalgo
    Unidade de Risco e Diagnóstico Precoce, Centro Clínico Champalimaud, Fundação Champalimaud, 1400-038 Lisboa, Portugal.
  • Alípio Araújo
    Unidade de Risco e Diagnóstico Precoce, Centro Clínico Champalimaud, Fundação Champalimaud, 1400-038 Lisboa, Portugal.
  • Cláudia Matos
    Unidade de Pulmão, Centro Clínico Champalimaud, Fundação Champalimaud, 1400-038 Lisboa, Portugal.
  • Susana Simões
    Unidade de Pulmão, Centro Clínico Champalimaud, Fundação Champalimaud, 1400-038 Lisboa, Portugal.
  • Paula Alves
    Elevance Health Palo Alto, California, US.
  • Patrícia Garrido
    Unidade de Pulmão, Centro Clínico Champalimaud, Fundação Champalimaud, 1400-038 Lisboa, Portugal.
  • Marcos Pantarotto
    Unidade de Pulmão, Centro Clínico Champalimaud, Fundação Champalimaud, 1400-038 Lisboa, Portugal.
  • Luís Carreiro
    Unidade de Pulmão, Centro Clínico Champalimaud, Fundação Champalimaud, 1400-038 Lisboa, Portugal.
  • Rogério Matos
    Unidade de Pulmão, Centro Clínico Champalimaud, Fundação Champalimaud, 1400-038 Lisboa, Portugal.
  • Cristina Bárbara
    Serviço de Pneumologia, Centro Hospitalar e Universitário Lisboa Norte, 1649-035 Lisboa, Portugal.
  • Jorge Cruz
    Unidade de Pulmão, Centro Clínico Champalimaud, Fundação Champalimaud, 1400-038 Lisboa, Portugal.
  • Nuno Gil
    Unidade de Pulmão, Centro Clínico Champalimaud, Fundação Champalimaud, 1400-038 Lisboa, Portugal.
  • Fernando Luis-Ferreira
    Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa, Quinta da Torre, 2829-516 Caparica, Portugal.
  • Pedro D Vaz
    Unidade de Pulmão, Centro Clínico Champalimaud, Fundação Champalimaud, 1400-038 Lisboa, Portugal.

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