影像組學的臨床應用研究2021/3/29星期一1

主要內容概念處理流程影像組學的臨床應用影像組學的優勢2021/3/29星期一2結構成像功能成像分子生物學分子影像學數字化醫學影像學基因組學影像組學radiomics醫學影像學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，實現腫瘤分割、特征提取與模型建立，憑借對海量影像數據信息進行更深層次的挖掘、預測和分析來輔助醫師做出最準確的診斷。直觀地理解為將視覺影像信息轉化為深層次的特征來進行量化研究。2021/3/29星期一6大數據定義：一種規模大到在獲取、存儲、管理和分析等方面都大大超出了傳統數據庫軟件工具能力范圍的數據范圍。主要特征：“4V”Volume：海量的數據規模Velocity：快速的數據流轉Variety：多樣的數據類型Value：價值大，價值密度低

2021/3/29星期一7影像組學利用大數據挖掘技術定量腫瘤異質性，實現精準診療決策，提高患者的生存期2021/3/29星期一8二、處理流程（1）影像數據的獲取；（2）圖像的分割與繪制；（3）特征的提取和量化；（4）影像數據庫的建立；（5）分類和預測。2021/3/29星期一9影像數據的獲取入組數據需要具有相同或相似的采集參數，保證數據不會受到機型、參數的影響。CT：可能是最為直接且最容易進行比對的，信號強度能與組織密度聯系起來PET-CT：主要的挑戰是對示蹤劑計量的校對和代謝容量或VOI的重建問題MRI：磁共振影像信號強度變量，來源于組織各種內在固有屬性復雜的相互作用2021/3/29星期一10NSCLC腫瘤中，影像組學特征的可變性與不同的CT掃描的圖像有關。應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異質性優化框架（HOF）——降低由于采集MR圖像的儀器、方案的不同對腫瘤的異質性分析所造成的影響。質控指南的開發：影像特征(分辨率、重建以及參數獲取)臨床參數(疾病階段、疾病的類型和結果)大數據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，費時費力，重復性低半自動：速度提高，準確性較低，依賴操作者經驗自動：重復性好，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據；狹義：將ROI分割完成后，就可以對其進行特征提取。特征：常見描述病變的術語（形狀、大小、密度、邊緣等）——病變定性的描述通過計算機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性（腫瘤）2021/3/29星期一152021/3/29星期一16數據庫的建立與共享個體化數據分析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不同、呼吸運動位移帶來的干擾，使用合理的方法篩選抗噪聲能力強的Radiomics特征，并通過調整參數，提高影像特征的穩定性。ROI的勾畫應具有較好的可重復性及準確性。模型的建立應通過努力擴大樣本數量、選擇合適的機器學習演算法，提高預測效能、盡量降低過擬合風險。Radiomics的研究結果必須具有可重復性，得到多中心研究的驗證。為了實現較高的可靠性與可重復性，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、影像組學的臨床應用1、良惡性病變的鑒別診斷及腫瘤分期輔助診斷肺結節的良惡性：Radiomics可以提高肺部結節診斷的準確性。與良性結節相比,惡性結節的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。利用肺結節的分形維度可以將肺癌與肺炎、結核區分開。綜合利用形狀、大小、直方圖特征,可以將判斷結節良惡性質的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性，CT紋理分析可能準確的鑒別良惡性淋巴結。QuantitativeCTtextureandshapeanalysis:Canitdifferentiatebenignandmalignantmediastinallymphnodesinpatientswithprimarylungcancer?2021/3/29星期一232、腫瘤的異質性，腫瘤的治療反應及療效評估2021/3/29星期一242021/3/29星期一25由于在CT上，輻射誘發的肺損傷與復發的腫瘤表現相似，因此評估SABR的療效是復雜的，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，形成大數據，可以作為常規，早期、精準的評價。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。在體積之外的參數中，CT密度變異度可獨立預測腫瘤對TKI治療的反應。Cunliffe等觀察到12個與放射性肺損傷的發生密切相關的Radiomics特征。可幫助臨床醫生提早發現放射性肺損傷的發生，并及時進行干預，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合鉑類的化療方案引起腫瘤代謝的改變，腫瘤的異質性會發生變化，也會引起整個腫瘤或局部一定程度的紋理特征改變，這個改變對于預測局部晚期NSCLC患者的治療反應和生存期有一定的價值。EarlyChangeinMetabolicTumorHeterogeneityduringChemoradiotherapyandItsPrognosticValueforPatientswithLocallyAdvancedNon-SmallCellLungCancer2021/3/29星期一283、腫瘤轉移及預后的預測模型Inradiationoncology,thesemodelscombinebothpredictiveandprognosticdatafactorsfromclinical,imaging,molecularandothersourcestoachievethehighestaccuracytopredicttumorresponseandfollow-upeventrates。--Predictingoutcomesinradiationoncology—multifactorialdecisionsupportsystems。2021/3/29星期一29腫瘤轉移及預后的預測模型紋理特征可以作為一種預后指標預測軟組織肉瘤是否發生轉移。同時用影像組學特征構建預測模型，紋理作為一種腫瘤內部異質性的生物標記物，可以幫助醫師對病理進行更深入的分析。2021/3/29星期一30腫瘤基因表型預測Yoon等將CT和PET中提取的Radiomics特征與年齡、腫瘤分期、最大SUV值結合起來建模,可區分ALK、ROS1、RET融合基因陽性和陰性的肺腺癌。Aerts等發現,，GLCM和CLRL中提取的CT紋理特征與基因表達模式強烈相關。Radiomics特征能反映生物組學信息的可能，將為指導靶向和免疫治療個體化以及療效監測和治療方案的調整帶來更多機會。2021/3/29星期一31影像組學基于數據進行分析，提取高維圖像特征作為新的生物標記物來幫助臨床決策。用影像組學特征預測突變型表皮生長因子受體（EGFR）的文獻中提到，用5個影像組學特征集和病理分級、是否抽煙等臨床特征相結合，可以將僅由臨床特征預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影像學檢查無創,可獲得更好的患者依從性,并減輕對患者的創傷。②影像學檢查獲取的是腫瘤在人體內的信息,可以實現對腫瘤生物學特性的在體監測。而活檢等方法是對離體標本進行檢測,其結果可能與在體腫瘤有差異。③Radiomics是對腫瘤整體的特征進行分析,反映整個腫瘤的生物學特性,不受標本大小、位置、質量的限制,且能反映腫瘤內部的異質性。④Radiomics可以采用類似系統生物學反映腫瘤整體生物學特性。⑤在整個治療過程中,可對患者多次進行影像學檢