Relazione conclusiva del Progetto GNCS-2019 - Logic Programming for early detection of pancreatic cancer

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Relazione conclusiva del Progetto GNCS-2019
 Logic Programming for early detection of pancreatic cancer

                   Responsabile: Alessandro Dal Palù
       Dipartimento di Scienze Matematiche, Fisiche e Informatiche
                           Università di Parma
                    alessandro.dalpalu@unipr.it

1     Attività svolta e risultati ottenuti
In questa sezione illustreremo i risultati ottenuti dai membri del progetto, anche in
collaborazione con altri ricercatori italiani e stranieri, nel periodo di durata del progetto
stesso (feb 2019 – feb 2020).
    Le attività del progetto svolto sono state guidate dall’obiettivo di studiare una nuova
metodologia per il riconoscimento automatico degli organi all’interno di una diagnostica
per immagini (TAC) e di una successiva caratterizzazione dei tessuti cancerosi.
    L’analisi ha richiesto una iniziale definizione di un flusso di elaborazione dell’infor-
mazione che ha coinvolto numerose interazioni con un gruppo di radiologi dell’Università
di Verona (gruppo del Prof. Mirko D’Onofrio). Grazie a tale analisi di requisiti è stato
possibile definire una metodologia basata sulla analisi di immagini e programmazione
logica per le varie fasi del problema.
    A differenza della quasi totalità di approcci presenti in letteratura, lo studio intrapre-
so non si è basato sull’addestramento di reti neurali. Il principale limite per cui ad oggi
non si è trovata una soluzione robusta, risiede nella grande variabilità delle scansioni
in termini di forme di organi, età del paziente, condizioni di salute etc. In tale scena-
rio un addestramento adeguato, che superi l’esperienza di un singolo radiologo esperto,
richiederebbe un numero elevato di scansioni con le classificazioni dei medici. Inoltre,
anche nell’ipotesi di uno strumento basato su tali reti, l’altro aspetto critico è rappre-
sentato dalla mancanza di giustificazione della valutazione, in termini di considerazioni
anatomiche e radiologiche che supportano l’output del programma. Normalmente una
rete neurale è addestrata per restituire solamente una risposta ed eventuale confidenza,
senza la possibilità di ricostruire un ragionamento logico a supporto della conoscenza
appresa.
    Si è ritenuto di investigare le potenzialità della programmazione logica, che permette
di incorporare la base di conoscenza medica all’interno dei modelli utilizzati. Tale cono-
scenza estrapolata può essere usata a supporto delle deduzioni automatiche calcolate. In
questo modo, ogni risposta ottenuta può essere validata ripercorrendo il ragionamento
prodotto a corredo della risposta. Inoltre il ragionamento può essere migliorato in mo-
do incrementale, intervenendo solo con modifiche alle regole di ragionamento e/o sulla

                                              1

base di conoscenza. Questo scenario rende molto robusto il processo di sviluppo del
prototipo con la possibilità di rapida interazione con i medici e semplicità di modifica
del programma.
In particolare si è inizialmente definita un filtraggio delle immagini radiologiche
(espresse sottoforma di matrici a tre dimensioni di scalari) per evidenziare le strut-
ture di interesse. In una seconda fase ci si è concentrati sulla identificazione dei vasi
sanguigni principali, come guida al riconoscimento degli organi.
Già in questa fase è stato possibile apprezzare le potenzialità del modello basato
sulla logica computazionale. Sono state individuate le arterie principali nella scansio-
ne e i vari percorsi, includendo falsi positivi e negativi, sono stati modellati tramite
grafi. Successivamente è stato valutato un modello di sotto isomorfismo tra grafi per
ricercare una corrispondenza tra quanto osservato nel paziente e nel modello anatomico
standard. Questo tipo di associazione permette di proporre i nomi anatomici dei vasi
sanguigni e di seguire la loro diramazione all’interno del corpo anche in caso di pazienti
con caratteristiche anatomiche diverse.
Tale modello permette di preparare la fase successiva, che è stata solo modellata in
quanto sopraggiunta la fine del progetto. Ogni arteria raggiunge esattamente un organo
e ogni organo può essere raggiunto da più arterie. Dalla nomenclatura ricostruita è
possibile identificare dei volumi sicuri che compongono ciascun organo. Da qui è possibile
preparare una ricerca di classificazione dei vari volumi, secondo le regole anatomiche e
topologiche.
Il progetto ha permesso una analisi del problema generale e ha favorito le discussioni
in presenza con i membri del progetto e di esperti internazionali. Inoltre ha permesso di
avviare un filone di ricerca che tutt’ora risulta nuovo e molto promettente. E’ in prepa-
razione un articolo contenente i primi risultati, che sarà sottoposto ad una conferenza
internazionale.
Ci sono state anche ricadute didattiche: sono state attivate 5 attività di tirocinio e
tesi che hanno coinvolto studenti di laurea triennale.

2 Rendiconto spese
I partecipanti al progetto sono stati 9, in particolare: Alessandro Dal Palù dell’Università
di Parma, Andrea Formisano e Raffaella Gentilini dell’Università di Perugia, Agostino
Dovier, Alberto Policriti, Carla Piazza e Francesco Fabiano dell’Università di Udine e
Eugenio Omodeo e Alberto Casagrande dell’Università di Trieste.
Il progetto ha impegnato un finanziamento concesso dal GNCS-INdAM pari a 2.800
Euro, a fronte degli 9.500 Euro inizialmente richiesti nella proposta di progetto, inoltre
sono stati finanziati 1.000 Euro per le spese di professori visitatori. A causa di incarichi
sopraggiunti per vari membri del progetto, si sono svolti numerosi incontri telematici
tra le varie sedi, che hanno permesso di sviluppare il progetto a costo ridotto. Le spese
per missioni sono state relative alla partecipazione a convegni (tra cui il CILC 2019 a
Trieste, in cui si è svolto un incontro tra i vari partecipanti al progetto) e l’incontro a
Parma in cui si è ospitato un mini-workshop a cui è stato invitato anche il visiting Prof.
Ferdinando Fioretto (USA).

Le spese per le missioni sono state cosı̀ ripartite:
          Partecipante   Oggetto della missione   Periodo              Spese
          Dovier         Parma workshop           2–4 Giu 2019        239,94
          Fabiano        Parma workshop           2–4 Giu 2019         38,50
          Formisano      Parma workshop           2–4 Giu 2019        287,25
          Dal Palù      CILC Trieste             19–21 Giu 2019      474,95
          Omodeo         CILC Trieste             19–21 Giu 2019      150,00
          Casagrande     CILC Trieste             19–21 Giu 2019      150,00
          Formisano      Las cruces NM USA        19–27 Set 2019    1.056,43
          Policriti      Catania                  19–21 Feb 2020      214,96
          Totale                                                   2.612,03

  Parma, 22 Luglio 2020
                                                          Il responsabile del progetto
                                                              Alessandro Dal Palù

Prodotti della ricerca con ringraziamenti espliciti
[1] Marco De Bortoli, Federico Igne, Fabio Tardivo, Pietro Totis, Agostino Dovier, and
    Enrico Pontelli. Towards distributed computation of answer sets. In Alberto Casa-
    grande and Eugenio G. Omodeo, editors, Proceedings of the 34th Italian Conference
    on Computational Logic, Trieste, Italy, June 19-21, 2019, volume 2396 of CEUR
    Workshop Proceedings, pages 316–326. CEUR-WS.org, 2019.

[2] Domenico Cantone, Alberto Casagrande, Francesco Fabris, and Eugenio G. Omo-
    deo. Does every recursively enumerable set admit a finite-fold diophantine
    representation? In Casagrande and Omodeo [4], pages 104–122.

[3] Domenico Cantone, Andrea De Domenico, Pietro Maugeri, and Eugenio G. Omo-
    deo. Polynomial-time satisfiability tests for boolean fragments of set theory. In
    Casagrande and Omodeo [4], pages 123–137.

[4] Alberto Casagrande and Eugenio G. Omodeo, editors. Proceedings of the 34th Ita-
    lian Conference on Computational Logic, Trieste, Italy, June 19-21, 2019, volume
    2396 of CEUR Workshop Proceedings. CEUR-WS.org, 2019.

[5] Alberto Casagrande, Francesco Quintavalle, Rafael Fernandez, Llus Blanch, Mas-
    simo Ferluga, Enrico Lena, Francesco Fabris, and Umberto Lucangelo. An effective

                                            3

pressureflow characterization of respiratory asynchronies in mechanical ventilation.
    Journal of Clinical Monitoring and Computing, 01 2020.

 [6] Stefania Costantini and Andrea Formisano. Augmenting datalog+- with custo-
     mizable metalogic features for powerful ontological reasoning. In Mario Alviano,
     Gianluigi Greco, and Francesco Scarcello, editors, AI*IA 2019 - Advances in Arti-
     ficial Intelligence - XVIIIth International Conference of the Italian Association for
     Artificial Intelligence, Rende, Italy, November 19-22, 2019, Proceedings, volume
     11946 of Lecture Notes in Computer Science, pages 30–45. Springer, 2019.

 [7] Stefania Costantini and Andrea Formisano. Augmenting knowledge representation
     and reasoning languages with customizable metalogic features. In Alberto Casa-
     grande and Eugenio G. Omodeo, editors, Proceedings of the 34th Italian Conference
     on Computational Logic, Trieste, Italy, June 19-21, 2019, volume 2396 of CEUR
     Workshop Proceedings, pages 14–29. CEUR-WS.org, 2019.

 [8] Agostino Dovier, Andrea Formisano, and Flavio Vella. Gpu-based parallelism for
     asp-solving. In Petra Hofstedt, Salvador Abreu, Ulrich John, Herbert Kuchen, and
     Dietmar Seipel, editors, Declarative Programming and Knowledge Management -
     Conference on Declarative Programming, DECLARE 2019, Unifying INAP, WLP,
     and WFLP, Cottbus, Germany, September 9-12, 2019, Revised Selected Papers,
     volume 12057 of Lecture Notes in Computer Science, pages 3–23. Springer, 2019.

 [9] Francesco Fabiano. Design of a solver for multi-agent epistemic planning.
     In Proceedings 35th International Conference on Logic Programming (Technical
     Communications), pages 403–412, Las Cruces, NM, USA, September 20-25 2019.

[10] Francesco Fabiano, Alessandro Burigana, Agostino Dovier, and Enrico Pontelli.
     Efp 2.0: A multi-agent epistemic solver with multiple e-state representations. To
     appear in Proc of the 34th AAAI conference on Arificial Intelligence (AAAI-20).

[11] Francesco Fabiano, Alessandro Burigana, Agostino Dovier, and Enrico Pontelli.
     EFP 2.0: A multi-agent epistemic solver with multiple e-state representations.
     In Proceedings of the 30th International Conference on Automated Planning and
     Scheduling, Nancy, France, 2020in press.

[12] Francesco Fabiano, Idriss Riouak, Agostino Dovier, and Enrico Pontelli. Non-well-
     founded set based multi-agent epistemic action language. In Alberto Casagran-
     de and Eugenio G. Omodeo, editors, Proceedings of the 34th Italian Conference
     on Computational Logic, Trieste, Italy, June 19-21, 2019, volume 2396 of CEUR
     Workshop Proceedings, pages 242–259. CEUR-WS.org, 2019.

[13] Francesco Fabiano, Idriss Riouak, Agostino Dovier, and Enrico Pontelli. Non-well-
     founded set based multi-agent epistemic action language. In Proceedings of the
     34th Italian Conference on Computational Logic, volume 2396 of CEUR Workshop
     Proceedings, pages 242–259, Trieste, Italy, June 19-21 2019.

                                            4

[14] Alice Tarzariol, Eugenia Zanazzo, Agostino Dovier, and Alberto Policriti. Towards
     a logic programming tool for cancer data analysis. Fundamenta Informaticae. To
     appear.

                                          5

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