影像组学的临床应用研究培训ppt课件

影像组学的临床应用研究影像组学的临床应用研究1结构成像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基因组学学影像影像组学学radiomics医学影像学医学影像学2影像组学的临床应用研究结构成像功能成像 分子生物学分子影像学数字化医学影像学基因组23影像组学的临床应用研究3影像组学的临床应用研究34影像组学的临床应用研究4影像组学的临床应用研究4一、概念最早由荷最早由荷兰学者在学者在2012年提出；年提出；指从影像（指从影像（CT、MRI、PET等）中高通量地提取大量影像信息，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，凭借瘤分割、特征提取与模型建立，凭借对海量影像数据信息海量影像数据信息进行更深行更深层次次的挖掘、的挖掘、预测和分析来和分析来辅助医助医师做出最准确的做出最准确的诊断。断。直直观地理解地理解为将将视觉影像信息影像信息转化化为深深层次的特征来次的特征来进行行量化量化研究。研究。5影像组学的临床应用研究一、概 念最早由荷兰学者在2012年提出；5影像组学的临床5大数据定定义：一种：一种规模大到在模大到在获取、存取、存储、管理和分析等方面都大、管理和分析等方面都大大超出了大超出了传统数据数据库软件工具能力范件工具能力范围的数据范的数据范围。主要特征：主要特征：“4V”Volume：海量的数据：海量的数据规模模Velocity：快速的数据流：快速的数据流转Variety：多：多样的数据的数据类型型Value：价：价值大，价大，价值密度低密度低 6影像组学的临床应用研究大数据定义：一种规模大到在获取、存储、管理和分析等方面都大大6影像影像组学利用大数据挖掘技学利用大数据挖掘技术定量定量肿瘤异瘤异质性，性，实现精准精准诊疗决策，提高患者的生存期决策，提高患者的生存期7影像组学的临床应用研究影像组学利用大数据挖掘技术定量肿瘤异质性，实现精准诊疗决策，7二、处理流程（1）影像数据的）影像数据的获取；取；（2）图像的分割与像的分割与绘制；制；（3）特征的提取和量化；）特征的提取和量化；（4）影像数据）影像数据库的建立；的建立；（5）分）分类和和预测。8影像组学的临床应用研究二、处理流程（1）影像数据的获取；8影像组学的临床应用研究8影像数据的影像数据的获取取入入组数据需要具有相同或相似的采集参数，数据需要具有相同或相似的采集参数，保保证数据不会受到机型、参数的影响。数据不会受到机型、参数的影响。CT：可能是最可能是最为直接且最容易直接且最容易进行比行比对的，信号的，信号强度能与度能与组织密密度度联系起来系起来PET-CT：主要的挑主要的挑战是是对示踪示踪剂计量的校量的校对和代和代谢容量或容量或VOI的的重建重建问题MRI：磁共振影像信号磁共振影像信号强度度变量，来源于量，来源于组织各种内在固有属性各种内在固有属性复复杂的相互作用的相互作用9影像组学的临床应用研究影像数据的获取9影像组学的临床应用研究9NSCLC肿瘤中，影像瘤中，影像组学特征的可学特征的可变性与不同的性与不同的CT扫描的描的图像有关。像有关。应考考虑这些相互些相互扫描的差异，并在未来的研究中尽量减少它描的差异，并在未来的研究中尽量减少它们的影响。的影响。Measuring Computed Tomography Scanner Variability of Radiomics Features异异质性性优化框架（化框架（HOF）降低由于采集降低由于采集MR图像的像的仪器、方案的不同器、方案的不同对肿瘤的异瘤的异质性分析所造成的影响。性分析所造成的影响。质控指南的开控指南的开发：影像特征影像特征(分辨率、重建以及参数分辨率、重建以及参数获取取)临床参数床参数(疾病疾病阶段、疾病的段、疾病的类型和型和结果果)大数据大数据10影像组学的临床应用研究大数据10影像组学的临床应用研究10图像的分割与像的分割与绘制制将将图像分割像分割为感感兴趣容量趣容量(volumes-of-interest VOI)人工手人工手动：精度最高精度最高，费时费力，重复性低力，重复性低半自半自动：速度提高速度提高，准确性，准确性较低，依低，依赖操作者操作者经验自自动：重复性好重复性好，研究研究阶段段11影像组学的临床应用研究图像的分割与绘制11影像组学的临床应用研究1112影像组学的临床应用研究12影像组学的临床应用研究12图像分割算法像分割算法基于基于阈值的分割方法：广泛的分割方法：广泛基于基于边缘的分割方法的分割方法基于区域的分割方法基于区域的分割方法13影像组学的临床应用研究图像分割算法13影像组学的临床应用研究13特征提取与量化特征提取与量化广广义：通：通过变换的方法用低的方法用低维空空间表示高表示高维度特征数据；度特征数据；狭狭义：将：将ROI分割完成后，就可以分割完成后，就可以对其其进行特征提取。行特征提取。特征：特征：常常见描述病描述病变的的术语（形状、大小、密度、（形状、大小、密度、边缘等）等）病病变定性的描述定性的描述通通过计算机分析提取的不可算机分析提取的不可视特征（直方特征（直方图、纹理、分形理、分形维等）等）定量描述病定量描述病变的异的异质性（性（肿瘤）瘤）14影像组学的临床应用研究特征提取与量化14影像组学的临床应用研究1415影像组学的临床应用研究15影像组学的临床应用研究15数据数据库的建立与共享的建立与共享个体化数据分析个体化数据分析16影像组学的临床应用研究数据库的建立与共享16影像组学的临床应用研究16在分析定量在分析定量Radiomics特征特征时，需要考需要考虑影像采集参数不影像采集参数不同、呼吸运同、呼吸运动位移位移带来的干来的干扰，使用合理的方法使用合理的方法筛选抗抗噪声能力噪声能力强的的Radiomics特征特征，并通并通过调整参数整参数，提高影提高影像特征的像特征的稳定性。定性。ROI的勾画的勾画应具有具有较好的好的可重复性及准确性可重复性及准确性。模型的建立模型的建立应通通过努力努力扩大大样本数量、本数量、选择合适的机器合适的机器学学习演算法演算法，提高提高预测效能、效能、尽量降低尽量降低过拟合合风险。Radiomics的研究的研究结果必果必须具有可重复性具有可重复性，得到多中心研得到多中心研究的究的验证。为了了实现较高的可靠性与可重复性高的可靠性与可重复性，在在Radiomics研究流程的各个步研究流程的各个步骤和和临床上床上,均有不同的困均有不同的困难需要克服需要克服。17影像组学的临床应用研究在分析定量Radiomics特征时，需要考虑影像采集参数不同17三、影像组学的临床应用1、良、良恶性病性病变的的鉴别诊断及断及肿瘤分期瘤分期辅助助诊断肺断肺结节的良的良恶性性：Radiomics可以提高肺部可以提高肺部结节诊断的准确性。断的准确性。与良性与良性结节相比相比,恶性性结节的的CT密度直方密度直方图具有更高的峰具有更高的峰度和更低的偏度度和更低的偏度,ROC曲曲线下面下面积0.710.83。利用肺。利用肺结节的分形的分形维度可以将肺癌与肺炎、度可以将肺癌与肺炎、结核区分开。核区分开。综合利用形合利用形状、大小、直方状、大小、直方图特征特征,可以将判断可以将判断结节良良恶性性质的的ROC曲曲线下面下面积从从0.79提高到提高到0.84Radiomics of Lung Nodules:A Multi-Institutional Study of Robustness and Agreement of Quantitative Imaging FeaturesRadiological Image traits Predictive of Cancer Status in Pulmonary NodulesEffects of contrast-enhancement,reconstruction slice thickness and convolution kernel on the diagnostic performance of radiomics signature in solitary pulmonary noduleA Clinical Model To Estimate the Pretest Probability of Lung Cancer in Patients With Solitary Pulmonary Nodules（PET）SCREENING AND EARLY DETECTION OF LUNG CANCER18影像组学的临床应用研究三、影像组学的临床应用1、良恶性病变的鉴别诊断及肿瘤分期181819影像组学的临床应用研究19影像组学的临床应用研究19影像组学的临床应用研究培训ppt课件2011 papers related to computed tomography(CT)Radiomics,3 to Radiomics or texture analysis with positron emission tomography(PET)and 8 relating to PET/CT Radiomics.There are two main applications of Radiomics,the classification of lung nodules(diagnostic)or prognostication of established lung cancer(theragnostic).Radiomics applied to lung cancer(2016)21影像组学的临床应用研究11 papers related to computed 21分期分期CT对纵隔淋巴隔淋巴结分期的价分期的价值有限，有限，纹理分析可以理分析可以测量肉量肉眼不能眼不能见的的肿瘤异瘤异质性，性，CT 纹理分析可能准确的理分析可能准确的鉴别良良恶性淋巴性淋巴结。Quantitative CT texture and shape analysis:Can it differentiate benign and malignant mediastinal lymph nodes in patients with primary lung cancer?22影像组学的临床应用研究分期CT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222、肿瘤的异瘤的异质性，性，肿瘤的治瘤的治疗反反应及及疗效效评估估23影像组学的临床应用研究2、肿瘤的异质性，肿瘤的治疗反应及疗效评估23影像组学的临床2324影像组学的临床应用研究24影像组学的临床应用研究24由于在由于在CT上，上，辐射射诱发的肺的肺损伤与复与复发的的肿瘤表瘤表现相相似，因此似，因此评估估SABR的的疗效是复效是复杂的，目前推荐的，目前推荐CT，PET-CT评价，但是效果欠佳，使用新方法如价，但是效果欠佳，使用新方法如纹理分析理分析等影像等影像组学，形成大数据，可以作学，形成大数据，可以作为常常规，早期、精，早期、精准的准的评价。价。New techniques for assessing response after hypofractionated radiotherapy for lung cancer（2014）25影像组学的临床应用研究由于在CT上，辐射诱发的肺损伤与复发的肿瘤表现相似，因此评估25利用利用Radiomics方法方法,可以提高可以提高肿瘤体瘤体积测量的精度。量的精度。在体在体积之外的参数中之外的参数中，CT密度密度变异度可独立异度可独立预测肿瘤瘤对TKI治治疗的反的反应。Cunliffe等等观察到察到12个与放射性肺个与放射性肺损伤的的发生密切相关的生密切相关的Radiomics特征。可帮助特征。可帮助临床医生提早床医生提早发现放射性肺放射性肺损伤的的发生生，并，并及及时进行干行干预，可，可提高提高NSCLC放放疗安全性。安全性。26影像组学的临床应用研究利用Radiomics方法,可以提高肿瘤体积测量的精度。226Radiomics辅助治助治疗方案的制定和随方案的制定和随访联合合铂类的化的化疗方案引起方案引起肿瘤代瘤代谢的改的改变，肿瘤的异瘤的异质性会性会发生生变化，也会引起整个化，也会引起整个肿瘤或局部一定程度的瘤或局部一定程度的纹理特征改理特征改变，这个改个改变对于于预测局部晚期局部晚期NSCLC患者的患者的治治疗反反应和生存期有一定的价和生存期有一定的价值。Early Change in Metabolic Tumor Heterogeneity during Chemoradiotherapy and Its Prognostic Value for Patients with Locally Advanced Non-Small Cell Lung Cancer27影像组学的临床应用研究Radiomics辅助治疗方案的制定和随访27影像组学的临床273、肿瘤瘤转移及移及预后的后的预测模型模型 In radiation oncology,these models combine both predictive and prognostic data factors from clinical,imaging,molecular and other sources to achieve the highest accuracy to predict tumor response and follow-up event rates。-Predicting outcomes in radiation oncology multifactorial decision support systems。28影像组学的临床应用研究3、肿瘤转移及预后的预测模型28影像组学的临床应用研究28肿瘤瘤转移及移及预后的后的预测模型模型纹理特征可以作理特征可以作为一种一种预后指后指标预测软组织肉瘤是肉瘤是否否发生生转移。同移。同时用影像用影像组学特征构建学特征构建预测模型，模型，纹理作理作为一种一种肿瘤内部异瘤内部异质性的生物性的生物标记物，可以物，可以帮助医帮助医师对病理病理进行更深入的分析。行更深入的分析。29影像组学的临床应用研究肿瘤转移及预后的预测模型29影像组学的临床应用研究29肿瘤基因表型瘤基因表型预测Yoon等将等将CT和和PET中提取的中提取的Radiomics特征与年特征与年龄、肿瘤分瘤分期、最大期、最大SUV值结合起来建模合起来建模,可区分可区分ALK、ROS1、RET融融合基因阳性和阴性的肺腺癌。合基因阳性和阴性的肺腺癌。Aerts等等发现,，GLCM和和CLRL中提取的中提取的CT纹理特征与基因表理特征与基因表达模式达模式强烈相关。烈相关。Radiomics特征能反映生物特征能反映生物组学信息的可能学信息的可能，将将为指指导靶向靶向和免疫治和免疫治疗个体化以及个体化以及疗效效监测和治和治疗方案的方案的调整整带来更来更多机会。多机会。30影像组学的临床应用研究肿瘤基因表型预测30影像组学的临床应用研究30影像影像组学基于数据学基于数据进行分析，提取高行分析，提取高维图像特征作像特征作为新的新的生物生物标记物来帮助物来帮助临床决策。用影像床决策。用影像组学特征学特征预测突突变型型表皮生表皮生长因子受体（因子受体（EGFR）的文献中提到，用）的文献中提到，用5个影像个影像组学特征集和病理分学特征集和病理分级、是否抽烟等、是否抽烟等临床特征相床特征相结合，可以合，可以将将仅由由临床特征床特征预测突突变得到的曲得到的曲线下面下面积由由0.667提高提高到到0.709。31影像组学的临床应用研究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31影像学影像学检查无无创,可可获得更好的患者依从性得更好的患者依从性,并减并减轻对患患者的者的创伤。影像学影像学检查获取的是取的是肿瘤在人体内的信息瘤在人体内的信息,可以可以实现对肿瘤生物学特性的瘤生物学特性的在体在体监测。而活。而活检等方法是等方法是对离体离体标本本进行行检测,其其结果可能与在体果可能与在体肿瘤有差异。瘤有差异。Radiomics是是对肿瘤瘤整体的特征整体的特征进行分析行分析,反映整个反映整个肿瘤瘤的生物学特性的生物学特性,不受不受标本大小、位置、本大小、位置、质量的限制量的限制,且能反且能反映映肿瘤内部的异瘤内部的异质性。性。Radiomics可以采用可以采用类似系似系统生物学生物学反映反映肿瘤整体生物瘤整体生物学特性。学特性。在整个治在整个治疗过程中程中,可可对患者患者多次多次进行影像学行影像学检查，追追踪影像特征的踪影像特征的变化化，动态监测疗效效,，早期，早期发现复复发和和转移移迹象。迹象。四、影像组学的优势32影像组学的临床应用研究影像学检查无创,可获得更好的患者依从性,并减轻对患者的32Radiomics分析使用分析使用定量定量的影像特征的影像特征,从医学影像中挖掘从医学影像中挖掘更多的信息并将其量化更多的信息并将其量化,为制定和制定和调整治整治疗方案提供更准方案提供更准确的参考。确的参考。Radiomics的分析可的分析可通通过计算机完成算机完成,，不增加不增加费用。用。医学影像医学影像图像作像作为数字信息数字信息，可通可通过互互联网网进行行远距距离的、大数据量的离的、大数据量的传播与共享播与共享，从而有能力从而有能力进行多中心、行多中心、大数据的研究大数据的研究，提高提高结论的可靠性和可重复性的可靠性和可重复性。33影像组学的临床应用研究Radiomics分析使用定量的影像特征,从医学影像中挖33目前目前,Radiomics研究多数停留在用研究多数停留在用组学信息描述学信息描述肿瘤生物学特性方面瘤生物学特性方面,绝大多数是基于回大多数是基于回顾性性资料所做的工作料所做的工作。临床床应用研究。用研究。前瞻性研究，前瞻性研究，预测模型的建立。模型的建立。34影像组学的临床应用研究目前,Radiomics研究多数停留在用组学信息描述肿瘤生34