影像组学临床应用研究课件.pptx

1、影像组学的临床应用研究郭小芳郭小芳 主要内容 概念 处理流程 影像组学的临床应用 影像组学的优势结构成像结构成像功能成像功能成像 分子生物学分子生物学分子影像学分子影像学数字化医学影像学数字化医学影像学基因组学基因组学影像组学影像组学医学影像学医学影像学一、概 念最早由荷兰学者在年提出；最早由荷兰学者在年提出；指从影像（、等）中高通量地提取大量影像信息，实现肿瘤分割、指从影像（、等）中高通量地提取大量影像信息，实现肿瘤分割、特征提取与模型建立，凭借对海量影像数据信息进行更深层次的挖掘、特征提取与模型建立，凭借对海量影像数据信息进行更深层次的挖掘、预测和分析来辅助医师做出最准确的诊断。预测和分析

2、来辅助医师做出最准确的诊断。直观地理解为将视觉影像信息转化为深层次的特征来进行量化研究。直观地理解为将视觉影像信息转化为深层次的特征来进行量化研究。大数据定义：一种规模大到在获取、存储、管理和分析等方面都定义：一种规模大到在获取、存储、管理和分析等方面都大大超出了传统数据库软件工具能力范围的数据范围。大大超出了传统数据库软件工具能力范围的数据范围。主要特征：主要特征：“”“”：海量的数据规模：海量的数据规模：快速的数据流转：快速的数据流转：多样的数据类型：多样的数据类型：价值大，价值密度低：价值大，价值密度低 影像组学利用大数据挖掘技术定量肿瘤异质影像组学利用大数据挖掘技术定量肿瘤异质性，实现

3、精准诊疗决策，提高患者的生存期性，实现精准诊疗决策，提高患者的生存期二、处理流程（）影像数据的获取；（）影像数据的获取；（）图像的分割与绘制；（）图像的分割与绘制；（）特征的提取和量化；（）特征的提取和量化；（）影像数据库的建立；（）影像数据库的建立；（）分类和预测。（）分类和预测。影像数据的获取影像数据的获取 入组数据需要具有相同或相似的采集参数，入组数据需要具有相同或相似的采集参数，保证数据不会受到机型、参数的影响。保证数据不会受到机型、参数的影响。：可能是最为直接且最容易进行比对的，信：可能是最为直接且最容易进行比对的，信号强度能与组织密度联系起来号强度能与组织密度联系起来：主要的挑战是

4、对示踪剂计量的校对和代谢：主要的挑战是对示踪剂计量的校对和代谢容量或的重建问题容量或的重建问题：磁共振影像信号强度变量，来源于组织各：磁共振影像信号强度变量，来源于组织各种内在固有属性复杂的相互作用种内在固有属性复杂的相互作用肿瘤中，影像组学特征的可变性与不同的扫描的图像有关。应考虑这些相互肿瘤中，影像组学特征的可变性与不同的扫描的图像有关。应考虑这些相互扫描的差异，并在未来的研究中尽量减少它们的影响。扫描的差异，并在未来的研究中尽量减少它们的影响。异质性优化框架（）异质性优化框架（）降低由于采集图像的仪器、方案的不同对肿瘤的异降低由于采集图像的仪器、方案的不同对肿瘤的异质性分析所造成的影响。

5、质性分析所造成的影响。质控指南的开发：影像特征质控指南的开发：影像特征(分辨率、重建以及参数获取分辨率、重建以及参数获取)临床参数临床参数(疾病阶段、疾病的类型和结果疾病阶段、疾病的类型和结果)大数据大数据 图像的分割与绘制图像的分割与绘制 将图像分割为感兴趣容量将图像分割为感兴趣容量()人工手动人工手动：精度最高，费时费力，重复性低：精度最高，费时费力，重复性低 半自动：速度提高，准确性较低，依赖操作半自动：速度提高，准确性较低，依赖操作者经验者经验 自动：重复性好，研究阶段自动：重复性好，研究阶段 图像分割算法图像分割算法 基于阈值的分割方法：广泛基于阈值的分割方法：广泛 基于边缘的分割方

6、法基于边缘的分割方法 基于区域的分割方法基于区域的分割方法 特征提取与量化特征提取与量化 广义：通过变换的方法用低维空间表示高维度特广义：通过变换的方法用低维空间表示高维度特征数据；征数据；狭义：将分割完成后，就可以对其进行特征提取。狭义：将分割完成后，就可以对其进行特征提取。特征：特征：常见描述病变的术语（形状、大小、密度、边缘常见描述病变的术语（形状、大小、密度、边缘等）等）病变定性的描述病变定性的描述 通过计算机分析提取的不可视特征（直方图、纹通过计算机分析提取的不可视特征（直方图、纹理、分形维等）理、分形维等）定量描述病变的异质性（肿定量描述病变的异质性（肿瘤）瘤）数据库的建立与共享数

7、据库的建立与共享 个体化数据分析个体化数据分析 在分析定量特征时，需要考虑影像采集参数不同、呼吸在分析定量特征时，需要考虑影像采集参数不同、呼吸运动位移带来的干扰，使用合理的方法筛选抗噪声能力运动位移带来的干扰，使用合理的方法筛选抗噪声能力强的特征，并通过调整参数，提高影像特征的稳定性。强的特征，并通过调整参数，提高影像特征的稳定性。的勾画应具有较好的可重复性及准确性。的勾画应具有较好的可重复性及准确性。模型的建立应通过努力扩大样本数量、选择合适的机器模型的建立应通过努力扩大样本数量、选择合适的机器学习演算法，提高预测效能、尽量降低过拟合风险。学习演算法，提高预测效能、尽量降低过拟合风险。的研

8、究结果必须具有可重复性，得到多中心研究的验证。的研究结果必须具有可重复性，得到多中心研究的验证。为了实现较高的可靠性与可重复性，在研究流程的各个为了实现较高的可靠性与可重复性，在研究流程的各个步骤和临床上步骤和临床上,均有不同的困难需要克服。均有不同的困难需要克服。三、影像组学的临床应用、良恶性病变的鉴别诊断及肿瘤分期、良恶性病变的鉴别诊断及肿瘤分期 辅助诊断肺结节的良恶性：可以提高肺部结节诊辅助诊断肺结节的良恶性：可以提高肺部结节诊断的准确性。断的准确性。与良性结节相比与良性结节相比,恶性结节的密度直方图具有更高恶性结节的密度直方图具有更高的峰度和更低的偏度的峰度和更低的偏度,曲线下面积。利

9、用肺结节的曲线下面积。利用肺结节的分形维度可以将肺癌与肺炎、结核区分开。综合分形维度可以将肺癌与肺炎、结核区分开。综合利用形状、大小、直方图特征利用形状、大小、直方图特征,可以将判断结节良可以将判断结节良恶性质的曲线下面积从提高到恶性质的曲线下面积从提高到 :,（）（）(),().,()().()分期分期 对纵隔淋巴结分期的价值有限，纹理分析可以测量肉眼对纵隔淋巴结分期的价值有限，纹理分析可以测量肉眼不能见的肿瘤异质性，不能见的肿瘤异质性，纹理分析可能准确的鉴别良恶性纹理分析可能准确的鉴别良恶性淋巴结。淋巴结。:?、肿瘤的异质性，肿瘤的治疗反应及疗效评估、肿瘤的异质性，肿瘤的治疗反应及疗效评估

10、 由于在上，辐射诱发的肺损伤与复发的肿瘤表现相似，由于在上，辐射诱发的肺损伤与复发的肿瘤表现相似，因此评估的疗效是复杂的，目前推荐，评价，但是效因此评估的疗效是复杂的，目前推荐，评价，但是效果欠佳，使用新方法如纹理分析等影像组学，形成大果欠佳，使用新方法如纹理分析等影像组学，形成大数据，可以作为常规，早期、精准的评价。数据，可以作为常规，早期、精准的评价。（）（）利用方法利用方法,可以提高肿瘤体积测量的精度。可以提高肿瘤体积测量的精度。在体积之外的参数中，密度变异度可独立预测肿瘤对治疗在体积之外的参数中，密度变异度可独立预测肿瘤对治疗的反应。的反应。等观察到个与放射性肺损伤的发生密切相关的特征

11、。可帮等观察到个与放射性肺损伤的发生密切相关的特征。可帮助临床医生提早发现放射性肺损伤的发生，并及时进行干助临床医生提早发现放射性肺损伤的发生，并及时进行干预，可提高放疗安全性。预，可提高放疗安全性。辅助治疗方案的制定和随访辅助治疗方案的制定和随访 联合铂类的化疗方案引起肿瘤代谢的改变，联合铂类的化疗方案引起肿瘤代谢的改变，肿瘤的异质性会发生变化，也会引起整个肿瘤的异质性会发生变化，也会引起整个肿瘤或局部一定程度的纹理特征改变，这肿瘤或局部一定程度的纹理特征改变，这个改变对于预测局部晚期患者的治疗反应个改变对于预测局部晚期患者的治疗反应和生存期有一定的价值。和生存期有一定的价值。、肿瘤转移及预

12、后的预测模型、肿瘤转移及预后的预测模型 ,。肿瘤转移及预后的预测模型肿瘤转移及预后的预测模型 纹理特征可以作为一种预后指标预测纹理特征可以作为一种预后指标预测软组织肉瘤是否发生转移。同时用影软组织肉瘤是否发生转移。同时用影像组学特征构建预测模型，纹理作为像组学特征构建预测模型，纹理作为一种肿瘤内部异质性的生物标记物，一种肿瘤内部异质性的生物标记物，可以帮助医师对病理进行更深入的分可以帮助医师对病理进行更深入的分析。析。肿瘤基因表型预测肿瘤基因表型预测 等将和中提取的特征与年龄、肿瘤分期、等将和中提取的特征与年龄、肿瘤分期、最大值结合起来建模最大值结合起来建模,可区分、融合基因可区分、融合基因阳

13、性和阴性的肺腺癌。阳性和阴性的肺腺癌。等发现等发现,，和中提取的纹理特征与基因表达，和中提取的纹理特征与基因表达模式强烈相关。模式强烈相关。特征能反映生物组学信息的可能，将为指特征能反映生物组学信息的可能，将为指导靶向和免疫治疗个体化以及疗效监测和导靶向和免疫治疗个体化以及疗效监测和治疗方案的调整带来更多机会。治疗方案的调整带来更多机会。影像组学基于数据进行分析，提取高维图像特征作为新的影像组学基于数据进行分析，提取高维图像特征作为新的生物标记物来帮助临床决策。用影像组学特征预测突变型生物标记物来帮助临床决策。用影像组学特征预测突变型表皮生长因子受体（）的文献中提到，用个影像组学特征表皮生长因

14、子受体（）的文献中提到，用个影像组学特征集和病理分级、是否抽烟等临床特征相结合，可以将仅由集和病理分级、是否抽烟等临床特征相结合，可以将仅由临床特征预测突变得到的曲线下面积由提高到。临床特征预测突变得到的曲线下面积由提高到。影像学检查无创影像学检查无创,可获得更好的患者依从性可获得更好的患者依从性,并减轻对患并减轻对患者的创伤。者的创伤。影像学检查获取的是肿瘤在人体内的信息影像学检查获取的是肿瘤在人体内的信息,可以实现对可以实现对肿瘤生物学特性的在体监测。而活检等方法是对离体标本肿瘤生物学特性的在体监测。而活检等方法是对离体标本进行检测进行检测,其结果可能与在体肿瘤有差异。其结果可能与在体肿瘤

15、有差异。是对肿瘤整体的特征进行分析是对肿瘤整体的特征进行分析,反映整个肿瘤的生物学反映整个肿瘤的生物学特性特性,不受标本大小、位置、质量的限制不受标本大小、位置、质量的限制,且能反映肿瘤内且能反映肿瘤内部的异质性。部的异质性。可以采用类似系统生物学反映肿瘤整体生物学特性。可以采用类似系统生物学反映肿瘤整体生物学特性。在整个治疗过程中在整个治疗过程中,可对患者多次进行影像学检查，追可对患者多次进行影像学检查，追踪影像特征的变化，动态监测疗效踪影像特征的变化，动态监测疗效,，早期发现复发和转，早期发现复发和转移迹象。移迹象。四、影像组学的优势 分析使用定量的影像特征分析使用定量的影像特征,从医学影

16、像中挖掘更多的信从医学影像中挖掘更多的信息并将其量化息并将其量化,为制定和调整治疗方案提供更准确的参考。为制定和调整治疗方案提供更准确的参考。的分析可通过计算机完成的分析可通过计算机完成,，不增加费用。，不增加费用。医学影像图像作为数字信息，可通过互联网进行远距离医学影像图像作为数字信息，可通过互联网进行远距离的、大数据量的传播与共享，从而有能力进行多中心、大的、大数据量的传播与共享，从而有能力进行多中心、大数据的研究，提高结论的可靠性和可重复性。数据的研究，提高结论的可靠性和可重复性。目前目前,Radiomics研究多数停留在用组学信息描述研究多数停留在用组学信息描述肿瘤生物学特性方面肿瘤生物学特性方面,绝大多数是基于回顾性资绝大多数是基于回顾性资料所做的工作料所做的工作。临床应用研究。临床应用研究。前瞻性研究，预测模型的建立。前瞻性研究，预测模型的建立。