田捷-影像组学及其在肿瘤研究与临床中的应用
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4
背景—癌症生存率无突破原因
医疗设备方面
医疗软件方面
肿瘤>5mm才能被诊 时空异质性影响治疗 断缺乏早期诊断手段 缺乏定量评估方法
癌症的五年生存率 没有实质性提高
N. Engl. J. Med. 2010, 363(1):4-6.
分子影像 早期诊断手段
N. Engl. J. Med. 2012, 366, 883-92.
10
国际研究进展—肺癌头颈癌预后分析(2/4)
➢ 临床问题：临床影像信息挖掘不足
➢肿瘤异质性很难用影像定性评估
➢ 收集数据：一千多个病人完整数据
➢788个患有非小细胞肺癌病人数据 ➢231个患有头颈部鳞癌的病人数据
➢ 提取特征：四百多个关键影像特征
➢强度：最大值、标准方差、能量等 ➢形状：紧密度、最长直径、体积等 ➢纹理：和平均、最大可能、和熵等 ➢小波：边界、自由与粘贴面积比等
Virendra Kumar et al, Magnetic Resonance Imaging, 2012, 30:1234. (被引55次) Philippe Lambin, European Journal of Cancer 2012;48: 441-446.(被引100次) 8
影像组学流程
经过五十年的努力，癌症的五年生存期并没 有得到明显的提高
3
挑战——缺乏定量评估手段
英国伦敦大学 癌症研究中心
Charles Swanton, MD Gerlinger et al. N Engl J Med 366, 883-92 (2012). 被引用2368次
肿瘤基因组的时空异质性限制了靶向治疗的效果 我们缺乏有效的手段去全面定量评估肿瘤异质性
国际研究进展—肺癌头颈癌预后分析(1/4)
数据 分割 特征 分析预测
强 度
病理信息 美国莫菲特癌症中心
形
状
Robert J. Gillies
影像组学最早
小 波
提出者之一
纹 理
影像特征
基因表达
影像组学通过融合影像、基因和病理信息可 量化肿瘤微环境，早期定量肿瘤基因异质性
Aerts et al. Nature Communications, 2014, 5: 4006.
6
影像组学（Radiomics）发展历程
概念提出
概念完善
临床应用
影像组学指高通量 地提取大量描述肿 瘤特性的影像特征 ，最初译为放射组 EJC 2012,学48: 441-446
高通量地从MRI、 PET及CT影像中提 取大量高维的定量影 像特征，并进行分析
影像组学特征成功 用于肺癌和头颈癌 数据的临床预后评 估，得到良好效果
MRI 2012, 30(9): 1234.
Nat. Comm. 2014, 5: 4006
7
影像组学提供定量化研究手段
利用海量影像和基因病理信息全面定量肿瘤异质性
结构影像
解剖结构
功能影像
物理组织层次
量化
影
癌 微环境
像
代谢层次
症
组
研
分子影像 学 蛋白质层次 究 定量
转录学层次
源自文库异质性
基因病理
基因层次
影像数据
高维特征
诊疗决策
推广应用
结构影像 特征 提取
功能影像
分子影像
基因病理
强度 形状 纹理 小波 其它
预测
肿瘤分型
合作
提高疾病 早诊率
算法
优化
肿瘤分期
提高病人 生存期
预后分析
减轻患者 医疗负担
诊疗方案
缓解医院 就诊压力
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，提高患者的生存期
9
影像组学特征有重要预后价值：特征各向异性越 强，病人存活率越低，紧密或球形肿瘤预后更好
12
国际研究进展—肺癌头颈癌预后分析(4/4)
影像组学的标签 与基因重要相关 利用影像特征预 测患者基因信息
Aerts et al. Nature Communications, 2014, 5: 4006. 13
Science Translational Medicine, 2015, DOI:10.1126/scitranslmed.aaa7582 SCI IF(2015): 15.843 14
国际研究进展—影像-基因回路关联分析(2/2)
影像 特征
边缘毛刺 多病灶前期
椭球形 边缘规则
边缘强化 内部低信号
预后 生存
高 组风
险
中 组风
险
低 组风
险
基因 回路
靶向 治疗
C-Kit
酪氨酸激酶抑制 剂 :伊马替尼
C-Kit IL6-singaling Ang/Tie2-signaling
FOXA PDGFR VEGFR
VEGFR 抑制剂： 贝伐单抗
Science Translational Medicine, 2015, DOI:10.1126/scitranslmed.aaa7582 SCI IF(2015): 15.843 15
影像组学 定量分析方法
5
机遇——影像组学
肿 瘤 大
基因 异常
小
正 基因 常 异常
5~20年
细胞表达生 物分子异常
开始 增殖
前癌 病变
1~3年
新陈代谢异常 器官结构异常
5mm
1kg左 右肿瘤
时
形成
出现
死间
癌灶
病状 转移
亡
基因技术 检测早期 基因异常
影像？组学
传统成像技术难以实 现早期微小肿瘤成像
影像组学融合基因信息和影像多模态 信息，为实现精准诊断提供了新机遇
➢ 实验结果：影像与临床显著性相关
➢影像组学特征可用于预测肿瘤预后
Aerts et al. Nature Communications, 2014, 5: 4006. 11
国际研究进展—肺癌头颈癌预后分析(3/4)
Aerts et al. Nature Communications, 2014, 5: 4006.
国际研究进展—影像-基因回路关联分析(1/2)
临床 脑胶质瘤靶向治疗所需的基因数据难以获 问题 取，穿刺活检有创且难以得到整体信息
临床 斯坦福医院MR图像121例训练、TCGA公 数据 开数据集MR和对应的基因数据144例测试
组学 提取388个影像组学特征聚类为三类，与 方法 PARADIGM算法寻找的基因回路进行关联
第五届华美影像论坛
影像组学及其在肿瘤研 究与临床中的应用
田捷
IEEE, SPIE, IAMBE, AIMBE, IAPR Fellow 中国科学院分子影像重点实验室
2020年9月25日
1
背景—癌症生存率无突破
%
N=1,950,388. Updated May 12, 2014
Data from National Cancer Institute of NIH (2014)
背景—癌症生存率无突破原因
医疗设备方面
医疗软件方面
肿瘤>5mm才能被诊 时空异质性影响治疗 断缺乏早期诊断手段 缺乏定量评估方法
癌症的五年生存率 没有实质性提高
N. Engl. J. Med. 2010, 363(1):4-6.
分子影像 早期诊断手段
N. Engl. J. Med. 2012, 366, 883-92.
10
国际研究进展—肺癌头颈癌预后分析(2/4)
➢ 临床问题：临床影像信息挖掘不足
➢肿瘤异质性很难用影像定性评估
➢ 收集数据：一千多个病人完整数据
➢788个患有非小细胞肺癌病人数据 ➢231个患有头颈部鳞癌的病人数据
➢ 提取特征：四百多个关键影像特征
➢强度：最大值、标准方差、能量等 ➢形状：紧密度、最长直径、体积等 ➢纹理：和平均、最大可能、和熵等 ➢小波：边界、自由与粘贴面积比等
Virendra Kumar et al, Magnetic Resonance Imaging, 2012, 30:1234. (被引55次) Philippe Lambin, European Journal of Cancer 2012;48: 441-446.(被引100次) 8
影像组学流程
经过五十年的努力，癌症的五年生存期并没 有得到明显的提高
3
挑战——缺乏定量评估手段
英国伦敦大学 癌症研究中心
Charles Swanton, MD Gerlinger et al. N Engl J Med 366, 883-92 (2012). 被引用2368次
肿瘤基因组的时空异质性限制了靶向治疗的效果 我们缺乏有效的手段去全面定量评估肿瘤异质性
国际研究进展—肺癌头颈癌预后分析(1/4)
数据 分割 特征 分析预测
强 度
病理信息 美国莫菲特癌症中心
形
状
Robert J. Gillies
影像组学最早
小 波
提出者之一
纹 理
影像特征
基因表达
影像组学通过融合影像、基因和病理信息可 量化肿瘤微环境，早期定量肿瘤基因异质性
Aerts et al. Nature Communications, 2014, 5: 4006.
6
影像组学（Radiomics）发展历程
概念提出
概念完善
临床应用
影像组学指高通量 地提取大量描述肿 瘤特性的影像特征 ，最初译为放射组 EJC 2012,学48: 441-446
高通量地从MRI、 PET及CT影像中提 取大量高维的定量影 像特征，并进行分析
影像组学特征成功 用于肺癌和头颈癌 数据的临床预后评 估，得到良好效果
MRI 2012, 30(9): 1234.
Nat. Comm. 2014, 5: 4006
7
影像组学提供定量化研究手段
利用海量影像和基因病理信息全面定量肿瘤异质性
结构影像
解剖结构
功能影像
物理组织层次
量化
影
癌 微环境
像
代谢层次
症
组
研
分子影像 学 蛋白质层次 究 定量
转录学层次
源自文库异质性
基因病理
基因层次
影像数据
高维特征
诊疗决策
推广应用
结构影像 特征 提取
功能影像
分子影像
基因病理
强度 形状 纹理 小波 其它
预测
肿瘤分型
合作
提高疾病 早诊率
算法
优化
肿瘤分期
提高病人 生存期
预后分析
减轻患者 医疗负担
诊疗方案
缓解医院 就诊压力
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，提高患者的生存期
9
影像组学特征有重要预后价值：特征各向异性越 强，病人存活率越低，紧密或球形肿瘤预后更好
12
国际研究进展—肺癌头颈癌预后分析(4/4)
影像组学的标签 与基因重要相关 利用影像特征预 测患者基因信息
Aerts et al. Nature Communications, 2014, 5: 4006. 13
Science Translational Medicine, 2015, DOI:10.1126/scitranslmed.aaa7582 SCI IF(2015): 15.843 14
国际研究进展—影像-基因回路关联分析(2/2)
影像 特征
边缘毛刺 多病灶前期
椭球形 边缘规则
边缘强化 内部低信号
预后 生存
高 组风
险
中 组风
险
低 组风
险
基因 回路
靶向 治疗
C-Kit
酪氨酸激酶抑制 剂 :伊马替尼
C-Kit IL6-singaling Ang/Tie2-signaling
FOXA PDGFR VEGFR
VEGFR 抑制剂： 贝伐单抗
Science Translational Medicine, 2015, DOI:10.1126/scitranslmed.aaa7582 SCI IF(2015): 15.843 15
影像组学 定量分析方法
5
机遇——影像组学
肿 瘤 大
基因 异常
小
正 基因 常 异常
5~20年
细胞表达生 物分子异常
开始 增殖
前癌 病变
1~3年
新陈代谢异常 器官结构异常
5mm
1kg左 右肿瘤
时
形成
出现
死间
癌灶
病状 转移
亡
基因技术 检测早期 基因异常
影像？组学
传统成像技术难以实 现早期微小肿瘤成像
影像组学融合基因信息和影像多模态 信息，为实现精准诊断提供了新机遇
➢ 实验结果：影像与临床显著性相关
➢影像组学特征可用于预测肿瘤预后
Aerts et al. Nature Communications, 2014, 5: 4006. 11
国际研究进展—肺癌头颈癌预后分析(3/4)
Aerts et al. Nature Communications, 2014, 5: 4006.
国际研究进展—影像-基因回路关联分析(1/2)
临床 脑胶质瘤靶向治疗所需的基因数据难以获 问题 取，穿刺活检有创且难以得到整体信息
临床 斯坦福医院MR图像121例训练、TCGA公 数据 开数据集MR和对应的基因数据144例测试
组学 提取388个影像组学特征聚类为三类，与 方法 PARADIGM算法寻找的基因回路进行关联
第五届华美影像论坛
影像组学及其在肿瘤研 究与临床中的应用
田捷
IEEE, SPIE, IAMBE, AIMBE, IAPR Fellow 中国科学院分子影像重点实验室
2020年9月25日
1
背景—癌症生存率无突破
%
N=1,950,388. Updated May 12, 2014
Data from National Cancer Institute of NIH (2014)