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        影像組學(xué)在肺癌中的應(yīng)用進(jìn)展

        2022-11-27 02:10:21王瑩張繼
        醫(yī)學(xué)綜述 2022年7期
        關(guān)鍵詞:組學(xué)肺癌預(yù)測(cè)

        王瑩,張繼

        (1.揚(yáng)州大學(xué)醫(yī)學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225000; 2.泰州市中醫(yī)院影像科,江蘇 泰州 225300;3.揚(yáng)州大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬泰州市人民醫(yī)院影像科,江蘇 泰州 225300)

        每年全球約有1 900萬人被診斷為肺癌,且患者的5年生存率僅為19%[1]。手術(shù)治療、化療等均是肺癌常見的治療方式,但大多數(shù)患者確診時(shí)已處于中晚期,缺少較好的手術(shù)治療時(shí)機(jī)[2]。因此,肺癌的早期診斷是降低其發(fā)病率和病死率的關(guān)鍵。美國(guó)國(guó)家肺部篩查試驗(yàn)推薦利用低劑量CT篩查肺癌的高風(fēng)險(xiǎn)人群,以提高肺癌的早期診斷率、降低病死率[3-4]。但利用低劑量CT篩查時(shí)易出現(xiàn)肺癌的假陽性結(jié)果,會(huì)將非癌性肺結(jié)節(jié)過度識(shí)別為肺癌,給臨床診斷工作帶來較大干擾。影像組學(xué)概念首先由Baumann等[5]于2003年提出,最初的影像組學(xué)只關(guān)注基因表達(dá)與腫瘤放射敏感性之間的具體關(guān)系,因此被命名為“radio-genomics”;2012年Lambin等[6]首次引入了“radiomics”這個(gè)科學(xué)術(shù)語,并將其定義為以高通量的方式提取大量圖像特征;2014年更新后的影像組學(xué)強(qiáng)調(diào)自動(dòng)(或半自動(dòng))提取影像中的大量可量化信息,并提出影像組學(xué)的目的是將放射影像與內(nèi)在異質(zhì)性、遺傳特征或其他表型相關(guān)聯(lián),以改善疾病預(yù)后[7-8]。隨著影像組學(xué)的發(fā)展,圖像已成為信息數(shù)據(jù),而不是簡(jiǎn)單的可見圖片,影像組學(xué)與肺癌診療結(jié)合應(yīng)用表明這一領(lǐng)域既往模式的轉(zhuǎn)變?,F(xiàn)就影像組學(xué)在肺癌中的應(yīng)用進(jìn)展予以綜述。

        1 影像組學(xué)概述

        數(shù)字成像的模式包括CT、磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)和正電子發(fā)射斷層顯像(positron emission tomography,PET)等,均可應(yīng)用于影像組學(xué)分析,且不同類型的影像組學(xué)工作流程基本相同[9],但在呼吸系統(tǒng)疾病領(lǐng)域,CT是最常用的模式。

        1.1圖像采集 影像組學(xué)的第一步是獲得高質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化成像,但目前尚未建立影像組學(xué)圖像采集標(biāo)準(zhǔn);此外,識(shí)別和整理具有類似臨床特征(如疾病階段)的大量圖像數(shù)據(jù)實(shí)例也具有較大困難。Kim等[10]發(fā)現(xiàn),掃描參數(shù)的變化可影響CT的定量特征,使用不同的CT掃描參數(shù)獲得的計(jì)算機(jī)特征組合可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)值上的差異。因此,在解釋統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果時(shí),必須考慮受掃描參數(shù)影響的計(jì)算機(jī)特征的差異。目前很難分析基于不同CT參數(shù)的混合隊(duì)列的研究結(jié)果,因此報(bào)告影像組學(xué)特征時(shí)應(yīng)根據(jù)圖像采集和參數(shù)。

        1.2圖像分割 圖像分割是指從背景或相鄰結(jié)構(gòu)中提取感興趣區(qū)域的過程,通常由人工檢查或軟件的半自動(dòng)/自動(dòng)檢查實(shí)現(xiàn)。手動(dòng)分割的最大挑戰(zhàn)是檢查人員的主觀可變性和耗時(shí)較長(zhǎng);完全或部分由軟件引導(dǎo)的分割因可提高效率、準(zhǔn)確性、再現(xiàn)性和一致性,因此具有較大的應(yīng)用潛力。在某些情況下,半自動(dòng)/自動(dòng)分割后的結(jié)果與腫瘤體積測(cè)量中的手動(dòng)方法較相似[11],但當(dāng)腫瘤輪廓不清晰時(shí),手動(dòng)分割則成為必要的分割手段。由于實(shí)體肺結(jié)節(jié)與結(jié)節(jié)周圍正常肺組織之間的對(duì)比較明確,因此手動(dòng)或半自動(dòng)/自動(dòng)分割均較簡(jiǎn)單;但對(duì)于亞實(shí)性肺結(jié)節(jié)(如純磨玻璃結(jié)節(jié)和混合磨玻璃結(jié)節(jié)),由于其邊緣較模糊,使用半自動(dòng)/自動(dòng)軟件分割較為困難;此外,在繪制靠近胸壁或縱隔周圍的腫瘤輪廓時(shí)也較困難[12]。然而,隨著深度學(xué)習(xí)的出現(xiàn)和發(fā)展,圖像分割可能完全被省略,未來可創(chuàng)建一種自動(dòng)從未分割的圖像中提取特征的算法。

        1.3特征提取 使用高通量方法可提取感興趣區(qū)域的定量成像特征,并可導(dǎo)出二維(two-dimensional,2D)和三維(three-dimensional,3D)特征,來自2D的數(shù)據(jù)主要是關(guān)于單張圖像的信息,3D則可從多張圖像中獲取腫瘤的整個(gè)體積。3D影像組學(xué)特征可提供更多信息,在研究腫瘤內(nèi)異質(zhì)性時(shí)應(yīng)用較多,2D影像組學(xué)的使用方式則更簡(jiǎn)單快捷[13]。提取的影像組學(xué)特征通常分為語義特征和不可知特征,語義特征是指可通過放射科醫(yī)師的詞典表達(dá)的特征,包括大小、形狀、強(qiáng)度模式等;由計(jì)算機(jī)導(dǎo)出的特征(如空間復(fù)雜度和其他紋理信息)則是不可知的特征。據(jù)報(bào)道,語義特征在預(yù)測(cè)肝細(xì)胞癌的基因表達(dá)方面非常強(qiáng)大,目前研究人員正努力借助計(jì)算機(jī)捕獲此類語義特征,以實(shí)現(xiàn)更高的預(yù)測(cè)值[14]。但隨著影像組學(xué)的發(fā)展,越來越多的不可知特征(如紋理分析)被應(yīng)用于臨床評(píng)估。通過影像組學(xué)對(duì)表皮生長(zhǎng)因子受體(epithelial growth factor receptor,EGFR)基因預(yù)測(cè)的探索發(fā)現(xiàn),所有有意義的參數(shù)均是不可知的[15]。因此,語義特征和不可知特征在影像組學(xué)中均不可或缺。理論上,可以提取的影像學(xué)特征的數(shù)量幾乎是無限的,且取決于所使用的過濾器、特征類別和其他參數(shù),因此提取特征時(shí)需要設(shè)定穩(wěn)定及公認(rèn)的提取條件[16]。

        1.4數(shù)據(jù)分析 通過分析選定的特征建立模型,可以為臨床問題的風(fēng)險(xiǎn)提供分層。數(shù)據(jù)分析方法眾多,包括支持向量機(jī)、邏輯回歸、隨機(jī)森林、梯度提升決策樹等算法,每種算法均有明顯的固有局限性,如邏輯回歸的缺點(diǎn)是獨(dú)立假設(shè),特征在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中幾乎是離散的[16-17]。此外,建模方法也可影響預(yù)測(cè)值,因此應(yīng)在特定研究中比較多種建模方法的性能,以選擇最佳方法,而選擇建模方法的另一原則是工作和結(jié)果應(yīng)盡可能具有可重復(fù)性。

        2 影像組學(xué)在肺癌中的應(yīng)用

        雖然目前大部分臨床醫(yī)師可根據(jù)較少的影像學(xué)資料區(qū)分腫瘤的良、惡性,但影像組學(xué)特征可定量捕捉腫瘤或正常組織區(qū)域的形狀、大小或體積以及紋理,且可與人工智能應(yīng)用相結(jié)合形成預(yù)測(cè)和預(yù)后模型,因此影像組學(xué)在臨床中的應(yīng)用越來越廣泛。

        2.1肺癌的組織病理學(xué)和遺傳學(xué)診斷 肺部影像對(duì)放射科醫(yī)師和影像組學(xué)系統(tǒng)均提出了較大挑戰(zhàn),主要是由于肺結(jié)節(jié)可能較小,且與肺中的其他結(jié)構(gòu)(如血管)或良性病變等較為相似,因此基于CT的肺癌篩查具有較高的假陽性率[18]。組織病理學(xué)亞型[如非小細(xì)胞肺癌(鱗狀細(xì)胞癌、腺癌)和小細(xì)胞肺癌]對(duì)于肺癌治療也至關(guān)重要。一項(xiàng)研究從350例肺癌患者中提取440個(gè)影像組學(xué)特征,單變量分析發(fā)現(xiàn),53個(gè)特征與肺癌組織學(xué)相關(guān),多變量分析顯示,樸素貝葉斯分類器的最高性能具有5個(gè)影像組學(xué)特征,表明非侵入性且具有成本效益的影像組學(xué)在肺癌組織病理學(xué)分類中具有巨大潛力[19]。由于肺腺癌具有顯著異質(zhì)性,因此需要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分類,根據(jù)組織學(xué)特征,浸潤(rùn)性肺腺癌主要分為5種亞型,即貼壁型、腺泡型、實(shí)性、乳頭狀和微乳頭狀,其中微乳頭狀肺腺癌患者預(yù)后較差[20]。將患者的圖形特征與病理結(jié)果相結(jié)合的主要挑戰(zhàn)在于活檢取樣的差異性,其從本質(zhì)上限制了整個(gè)病變的表征;另一方面,大部分病理切片的組織學(xué)特征較完整,可以將切除的病灶映射到影像學(xué)形狀并創(chuàng)建預(yù)測(cè)模型,但病理組織的大小及病理學(xué)評(píng)估存在較大差異。

        除了記錄組織病理學(xué)亞型外,遺傳變異對(duì)于臨床治療方式也至關(guān)重要。腫瘤基因型的鑒定,尤其是基因突變,在為肺癌患者選擇合適治療策略方面起關(guān)鍵作用,如過表達(dá)癌基因EGFR的腫瘤對(duì)分子靶向治療藥物(如酪氨酸激酶抑制劑)的反應(yīng)率更高[21]。由于某些CT影像組學(xué)特征與EGFR基因突變相關(guān),因此影像組學(xué)的應(yīng)用有望降低識(shí)別EGFR基因突變狀態(tài)的成本以及對(duì)腫瘤進(jìn)行完整的3D評(píng)估,尤其對(duì)于評(píng)估僅部分病變中存在基因突變至關(guān)重要[22]。一項(xiàng)回顧性研究從298例經(jīng)手術(shù)切除的外周肺腺癌患者中提取219個(gè)3D CT影像學(xué)特征,其中59個(gè)影像學(xué)特征被認(rèn)為是獨(dú)立的,進(jìn)一步分析還發(fā)現(xiàn),11個(gè)影像組學(xué)特征與EGFR基因突變相關(guān),經(jīng)多元邏輯回歸模型證實(shí),5個(gè)影像組學(xué)特征預(yù)測(cè)EGFR基因突變的受試者工作特征曲線下面積(area under curve,AUC)為0.709[23]。還有研究從80例Ⅱ期和Ⅲ期非小細(xì)胞肺癌患者術(shù)前的PET/CT中提取35個(gè)定性特征,結(jié)果發(fā)現(xiàn),提取的定性特征與EGFR基因突變狀態(tài)顯著相關(guān);進(jìn)一步建立基于PET/CT數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)模型發(fā)現(xiàn),定性特征預(yù)測(cè)EGFR基因突變的AUC為0.953,表明影像組學(xué)特征有助于區(qū)分EGFR陽性肺腺癌與野生型肺腺癌[24]。因此,當(dāng)活檢組織的方法不適于應(yīng)用時(shí),影像組學(xué)分析可能是一種可行的替代方法。

        2.2肺癌的臨床分期 由腫瘤、淋巴結(jié)浸潤(rùn)和遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移組成的腫瘤臨床分期(TNM分期)是選擇治療方案的決定性因素。肺癌影像組學(xué)與TNM分期密切相關(guān)。雖然病理活檢一直是診斷非小細(xì)胞肺癌的金標(biāo)準(zhǔn),但影像組學(xué)可通過無創(chuàng)、經(jīng)濟(jì)、便捷的方法檢測(cè)肉眼看不見的特征,豐富并改善肺部腫瘤的鑒別診斷。目前影像組學(xué)預(yù)測(cè)良性與惡性肺結(jié)節(jié)的準(zhǔn)確率較高,如一項(xiàng)基于CT影像組學(xué)特征預(yù)測(cè)肺癌遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的可能性的研究,從348例受試者治療前CT圖像中提取485個(gè)影像組學(xué)特征,并使用凹面最小化和支持向量機(jī)選擇并評(píng)估特征,結(jié)果發(fā)現(xiàn),由4個(gè)影像組學(xué)特征和3個(gè)臨床因素構(gòu)建的預(yù)測(cè)EGFR基因突變模型的AUC顯著大于臨床變量模型(89.09%比71.02%)[25]。除CT特征外,從PET/CT中提取的影像組學(xué)特征(包括統(tǒng)計(jì)、直方圖相關(guān)、形態(tài)學(xué)和紋理特征)也可量化肺癌的腫瘤內(nèi)異質(zhì)性。一項(xiàng)針對(duì)545例肺癌患者的回顧性研究表明,PET紋理特征可區(qū)分原發(fā)性肺癌與轉(zhuǎn)移性肺病變[26]。雖然PET/CT是最好的成像方式,但假陰性率和假陽性率較高的問題仍存在,因此亟須開發(fā)新的成像方法。一項(xiàng)研究招募649例術(shù)前基于CT的ⅠA期非小細(xì)胞肺癌患者,其中21%(136/649)的患者術(shù)后確診淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移,同時(shí)收集396個(gè)CT 影像學(xué)特征和臨床信息建立預(yù)測(cè)模型,結(jié)果顯示,該模型預(yù)測(cè)淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的AUC為0.851,而結(jié)合臨床數(shù)據(jù)后該模型AUC升至0.860[27]。因此,基于胸部CT的影像組學(xué)分析可能是肺癌臨床分期的一種有前景的方法。

        2.3肺癌的療效和預(yù)后 目前大多數(shù)關(guān)于肺癌的影像組學(xué)研究集中于提供預(yù)后特征方面,即能夠預(yù)測(cè)患者生存率或根據(jù)預(yù)期生存率對(duì)患者進(jìn)行分層的影像組學(xué)特征的組合。雖然肺癌患者的生存率主要取決于臨床分期,但同一分期的患者在療效和預(yù)后方面仍存在較大差異,預(yù)后分層對(duì)于個(gè)體化管理非常重要。有研究者綜合分析1 194例非小細(xì)胞肺癌患者的7個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)集發(fā)現(xiàn),3D卷積CT定量模型可有效預(yù)測(cè)接受放療或手術(shù)治療患者的2年總生存期[28]。雖然目前的相關(guān)研究仍較少,但基于PET的影像組學(xué)特征也已被證明對(duì)肺癌患者具有預(yù)后價(jià)值,在使用Lasso算法回歸識(shí)別的PET特征中,采用灰度共生矩陣計(jì)算出的一種紋理特征是總生存率的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子,當(dāng)結(jié)合影像組學(xué)、遺傳和臨床信息時(shí),預(yù)后特征的整體性能提高[29-30]。

        還有研究將92例接受依托泊苷和順鉑治療方案的小細(xì)胞肺癌患者的臨床數(shù)據(jù)集分為反應(yīng)組和無反應(yīng)組,并使用21個(gè)特征建立預(yù)測(cè)模型,結(jié)果顯示其預(yù)測(cè)化療藥物敏感性反應(yīng)的AUC大于通過臨床病理參數(shù)獲得的AUC(0.797比0.670),因此,基于CT的影像組學(xué)在化療藥物敏感性預(yù)測(cè)中的應(yīng)用有望作為小細(xì)胞肺癌適當(dāng)治療計(jì)劃的指南[31]。然而,研究中也存在相反的結(jié)果。一項(xiàng)縱向研究納入141例非小細(xì)胞肺癌患者的3個(gè)特征數(shù)據(jù)集,以驗(yàn)證預(yù)后性能對(duì)總生存期和局部復(fù)發(fā)的影響,結(jié)果無法證明提取的影像組學(xué)特征有助于改善患者預(yù)后[32]。此外,通過免疫檢查點(diǎn)阻斷腫瘤的免疫療法也是一種有前途的治療方式,其中選擇對(duì)免疫療法有反應(yīng)的患者至關(guān)重要。一項(xiàng)回顧性多隊(duì)列研究應(yīng)用Lasso回歸方法從對(duì)比增強(qiáng)CT圖像中開發(fā)了一個(gè)具有8個(gè)特征的影像組學(xué)模型,該模型可預(yù)測(cè)與腫瘤免疫表型相關(guān)的CD8+T細(xì)胞的存在,同時(shí)區(qū)分免疫表型并預(yù)測(cè)存活率以及對(duì)抗程序性細(xì)胞死亡受體1或程序性細(xì)胞死亡配體1免疫療法的反應(yīng)[33]。目前,基于CT或PET/CT影像組學(xué)特征的臨床決策和風(fēng)險(xiǎn)分層對(duì)于肺癌的治療及預(yù)后的預(yù)測(cè)仍存在問題,而數(shù)據(jù)集異質(zhì)性和隊(duì)列規(guī)模小可能是預(yù)測(cè)性能不佳的原因,未來仍需進(jìn)一步研究探索。

        3 小 結(jié)

        雖然影像組學(xué)可以為臨床治療提供重要信息,但仍存在一定局限性:①圖像采集時(shí)缺乏成像標(biāo)準(zhǔn),掃描參數(shù)的差異會(huì)產(chǎn)生特征的可變性;②研究的模型特征不同導(dǎo)致生物標(biāo)志物的重現(xiàn)性較差;③影像組學(xué)研究本質(zhì)上是回顧性的,雖已證明其相關(guān)性,但無法明確因果關(guān)系。雖然目前影像組學(xué)存在局限,但其豐富了探索腫瘤生物學(xué)行為的研究方法。影像組學(xué)指標(biāo)最不容易受到采集或重建方法缺陷的影響,且人工智能的飛速發(fā)展也可為影像組學(xué)分析提供更多工具,提高其準(zhǔn)確性。相信未來隨著影像組學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用,基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)的診斷水平會(huì)顯著提高,從而減輕醫(yī)師的工作壓力,提高肺癌患者的療效。

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