影像組學(xué)的臨床應(yīng)用研究2021/3/29星期一1

主要內(nèi)容概念處理流程影像組學(xué)的臨床應(yīng)用影像組學(xué)的優(yōu)勢2021/3/29星期一2結(jié)構(gòu)成像功能成像分子生物學(xué)分子影像學(xué)數(shù)字化醫(yī)學(xué)影像學(xué)基因組學(xué)影像組學(xué)radiomics醫(yī)學(xué)影像學(xué)2021/3/29星期一32021/3/29星期一42021/3/29星期一5一、概念最早由荷蘭學(xué)者在2012年提出；指從影像（CT、MRI、PET等）中高通量地提取大量影像信息，實(shí)現(xiàn)腫瘤分割、特征提取與模型建立，憑借對海量影像數(shù)據(jù)信息進(jìn)行更深層次的挖掘、預(yù)測和分析來輔助醫(yī)師做出最準(zhǔn)確的診斷。直觀地理解為將視覺影像信息轉(zhuǎn)化為深層次的特征來進(jìn)行量化研究。2021/3/29星期一6大數(shù)據(jù)定義：一種規(guī)模大到在獲取、存儲、管理和分析等方面都大大超出了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件工具能力范圍的數(shù)據(jù)范圍。主要特征：“4V”Volume：海量的數(shù)據(jù)規(guī)模Velocity：快速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)Variety：多樣的數(shù)據(jù)類型Value：價值大，價值密度低

2021/3/29星期一7影像組學(xué)利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)定量腫瘤異質(zhì)性，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)診療決策，提高患者的生存期2021/3/29星期一8二、處理流程（1）影像數(shù)據(jù)的獲??；（2）圖像的分割與繪制；（3）特征的提取和量化；（4）影像數(shù)據(jù)庫的建立；（5）分類和預(yù)測。2021/3/29星期一9影像數(shù)據(jù)的獲取入組數(shù)據(jù)需要具有相同或相似的采集參數(shù)，保證數(shù)據(jù)不會受到機(jī)型、參數(shù)的影響。CT：可能是最為直接且最容易進(jìn)行比對的，信號強(qiáng)度能與組織密度聯(lián)系起來PET-CT：主要的挑戰(zhàn)是對示蹤劑計量的校對和代謝容量或VOI的重建問題MRI：磁共振影像信號強(qiáng)度變量，來源于組織各種內(nèi)在固有屬性復(fù)雜的相互作用2021/3/29星期一10NSCLC腫瘤中，影像組學(xué)特征的可變性與不同的CT掃描的圖像有關(guān)。應(yīng)考慮這些相互掃描的差異，并在未來的研究中盡量減少它們的影響。MeasuringComputedTomographyScannerVariabilityofRadiomicsFeatures異質(zhì)性優(yōu)化框架（HOF）——降低由于采集MR圖像的儀器、方案的不同對腫瘤的異質(zhì)性分析所造成的影響。質(zhì)控指南的開發(fā)：影像特征(分辨率、重建以及參數(shù)獲取)臨床參數(shù)(疾病階段、疾病的類型和結(jié)果)大數(shù)據(jù)2021/3/29星期一11圖像的分割與繪制將圖像分割為感興趣容量(volumes-of-interest

VOI)人工手動：精度最高，費(fèi)時費(fèi)力，重復(fù)性低半自動：速度提高，準(zhǔn)確性較低，依賴操作者經(jīng)驗(yàn)自動：重復(fù)性好，研究階段2021/3/29星期一122021/3/29星期一13圖像分割算法基于閾值的分割方法：廣泛基于邊緣的分割方法基于區(qū)域的分割方法2021/3/29星期一14特征提取與量化廣義：通過變換的方法用低維空間表示高維度特征數(shù)據(jù)；狹義：將ROI分割完成后，就可以對其進(jìn)行特征提取。特征：常見描述病變的術(shù)語（形狀、大小、密度、邊緣等）——病變定性的描述通過計算機(jī)分析提取的不可視特征（直方圖、紋理、分形維等）——定量描述病變的異質(zhì)性（腫瘤）2021/3/29星期一152021/3/29星期一16數(shù)據(jù)庫的建立與共享個體化數(shù)據(jù)分析2021/3/29星期一17在分析定量Radiomics特征時，需要考慮影像采集參數(shù)不同、呼吸運(yùn)動位移帶來的干擾，使用合理的方法篩選抗噪聲能力強(qiáng)的Radiomics特征，并通過調(diào)整參數(shù)，提高影像特征的穩(wěn)定性。ROI的勾畫應(yīng)具有較好的可重復(fù)性及準(zhǔn)確性。模型的建立應(yīng)通過努力擴(kuò)大樣本數(shù)量、選擇合適的機(jī)器學(xué)習(xí)演算法，提高預(yù)測效能、盡量降低過擬合風(fēng)險。Radiomics的研究結(jié)果必須具有可重復(fù)性，得到多中心研究的驗(yàn)證。為了實(shí)現(xiàn)較高的可靠性與可重復(fù)性，在Radiomics研究流程的各個步驟和臨床上,均有不同的困難需要克服。2021/3/29星期一18三、影像組學(xué)的臨床應(yīng)用1、良惡性病變的鑒別診斷及腫瘤分期輔助診斷肺結(jié)節(jié)的良惡性：Radiomics可以提高肺部結(jié)節(jié)診斷的準(zhǔn)確性。與良性結(jié)節(jié)相比,惡性結(jié)節(jié)的CT密度直方圖具有更高的峰度和更低的偏度,ROC曲線下面積0.71~0.83。利用肺結(jié)節(jié)的分形維度可以將肺癌與肺炎、結(jié)核區(qū)分開。綜合利用形狀、大小、直方圖特征,可以將判斷結(jié)節(jié)良惡性質(zhì)的ROC曲線下面積從0.79提高到0.84RadiomicsofLungNodules:AMulti-InstitutionalStudyofRobustnessandAgreementofQuantitativeImagingFeaturesRadiologicalImagetraitsPredictiveofCancerStatusinPulmonaryNodulesEffectsofcontrast-enhancement,reconstructionslicethicknessandconvolutionkernelonthediagnosticperformanceofradiomicssignatureinsolitarypulmonarynoduleAClinicalModelToEstimatethePretestProbabilityofLungCancerinPatientsWithSolitaryPulmonaryNodules（PET）SCREENINGANDEARLYDETECTIONOFLUNGCANCER2021/3/29星期一192021/3/29星期一202021/3/29星期一2111papersrelatedtocomputedtomography(CT)Radiomics,3toRadiomicsortextureanalysiswithpositronemissiontomography(PET)and8relatingtoPET/CTRadiomics.TherearetwomainapplicationsofRadiomics,theclassificationoflungnodules(diagnostic)orprognosticationofestablishedlungcancer(theragnostic).Radiomicsappliedtolungcancer(2016)2021/3/29星期一22分期CT對縱隔淋巴結(jié)分期的價值有限，紋理分析可以測量肉眼不能見的腫瘤異質(zhì)性，CT紋理分析可能準(zhǔn)確的鑒別良惡性淋巴結(jié)。QuantitativeCTtextureandshapeanalysis:Canitdifferentiatebenignandmalignantmediastinallymphnodesinpatientswithprimarylungcancer?2021/3/29星期一232、腫瘤的異質(zhì)性，腫瘤的治療反應(yīng)及療效評估2021/3/29星期一242021/3/29星期一25由于在CT上，輻射誘發(fā)的肺損傷與復(fù)發(fā)的腫瘤表現(xiàn)相似，因此評估SABR的療效是復(fù)雜的，目前推薦CT，PET-CT評價，但是效果欠佳，使用新方法如紋理分析等影像組學(xué)，形成大數(shù)據(jù)，可以作為常規(guī)，早期、精準(zhǔn)的評價。Newtechniquesforassessingresponseafterhypofractionatedradiotherapyforlungcancer（2014）2021/3/29星期一26利用Radiomics方法,可以提高腫瘤體積測量的精度。在體積之外的參數(shù)中，CT密度變異度可獨(dú)立預(yù)測腫瘤對TKI治療的反應(yīng)。Cunliffe等觀察到12個與放射性肺損傷的發(fā)生密切相關(guān)的Radiomics特征。可幫助臨床醫(yī)生提早發(fā)現(xiàn)放射性肺損傷的發(fā)生，并及時進(jìn)行干預(yù)，可提高NSCLC放療安全性。2021/3/29星期一27Radiomics輔助治療方案的制定和隨訪聯(lián)合鉑類的化療方案引起腫瘤代謝的改變，腫瘤的異質(zhì)性會發(fā)生變化，也會引起整個腫瘤或局部一定程度的紋理特征改變，這個改變對于預(yù)測局部晚期NSCLC患者的治療反應(yīng)和生存期有一定的價值。EarlyChangeinMetabolicTumorHeterogeneityduringChemoradiotherapyandItsPrognosticValueforPatientswithLocallyAdvancedNon-SmallCellLungCancer2021/3/29星期一283、腫瘤轉(zhuǎn)移及預(yù)后的預(yù)測模型Inradiationoncology,thesemodelscombinebothpredictiveandprognosticdatafactorsfromclinical,imaging,molecularandothersourcestoachievethehighestaccuracytopredicttumorresponseandfollow-upeventrates。--Predictingoutcomesinradiationoncology—multifactorialdecisionsupportsystems。2021/3/29星期一29腫瘤轉(zhuǎn)移及預(yù)后的預(yù)測模型紋理特征可以作為一種預(yù)后指標(biāo)預(yù)測軟組織肉瘤是否發(fā)生轉(zhuǎn)移。同時用影像組學(xué)特征構(gòu)建預(yù)測模型，紋理作為一種腫瘤內(nèi)部異質(zhì)性的生物標(biāo)記物，可以幫助醫(yī)師對病理進(jìn)行更深入的分析。2021/3/29星期一30腫瘤基因表型預(yù)測Yoon等將CT和PET中提取的Radiomics特征與年齡、腫瘤分期、最大SUV值結(jié)合起來建模,可區(qū)分ALK、ROS1、RET融合基因陽性和陰性的肺腺癌。Aerts等發(fā)現(xiàn),，GLCM和CLRL中提取的CT紋理特征與基因表達(dá)模式強(qiáng)烈相關(guān)。Radiomics特征能反映生物組學(xué)信息的可能，將為指導(dǎo)靶向和免疫治療個體化以及療效監(jiān)測和治療方案的調(diào)整帶來更多機(jī)會。2021/3/29星期一31影像組學(xué)基于數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取高維圖像特征作為新的生物標(biāo)記物來幫助臨床決策。用影像組學(xué)特征預(yù)測突變型表皮生長因子受體（EGFR）的文獻(xiàn)中提到，用5個影像組學(xué)特征集和病理分級、是否抽煙等臨床特征相結(jié)合，可以將僅由臨床特征預(yù)測突變得到的曲線下面積由0.667提高到0.709。2021/3/29星期一32①影像學(xué)檢查無創(chuàng),可獲得更好的患者依從性,并減輕對患者的創(chuàng)傷。②影像學(xué)檢查獲取的是腫瘤在人體內(nèi)的信息,可以實(shí)現(xiàn)對腫瘤生物學(xué)特性的在體監(jiān)測。而活檢等方法是對離體標(biāo)本進(jìn)行檢測,其結(jié)果可能與在體腫瘤有差異。③Radiomics是對腫瘤整體的特征進(jìn)行分析,反映整個腫瘤的生物學(xué)特性,不受標(biāo)本大小、位置、質(zhì)量的限制,且能反映腫瘤內(nèi)部的異質(zhì)性。④Radiomics可以采用類似系統(tǒng)生物學(xué)反映腫瘤整體生物學(xué)特性。⑤在整個治療過程中,可對患者多次進(jìn)行影像學(xué)檢