影像组学及其在肿瘤研究与临床中的应用

Aerts et al. Nature Communications, 2014, 5: 4006.
国际研究进展(2/7)
肺癌和头颈癌病人存活率预测
数据集：1019个病人
788个患有非小型细胞肺癌的病人 231个患有头颈癌的病人
特征集：440个
分析（影像特征与诊疗结果的关系）
临床数据与影像特征一起被考虑
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 分子影像 基因病理
物理组织层次
量化
影
癌
微环境
像
代谢层次
症
组
研
学
蛋白质层次
究
定量
异质性
转录学层次
基因层次
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)
缺乏定量评估手段
英国癌症研究中心 伦敦研究所
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
机遇—影像组学为精准医疗提供早期定量手段
各大医院开始关注肺癌的检测。肺癌筛检中假阳性较高，活检代价较 大
—中国癌症调查报告，2013
国际研究进展(1/7)
数据
源自文库分割
特征
分析预测
强 度
病理信息
形 状
小 波
美国莫菲特 癌症中心 Robert J. Gillies
纹 理
影像特征
基因表达
影像组学通过融合基因和病理信息可量化微环境， 早期定量肿瘤的异质性
H&N1 Maastro HNSCC N=136
分析流程
H&N2 VU Amsterdam
HNSCC N=95
Lung3 MUMC NSCLC N=89
按稳定性 排序的特征
按稳定性 排序的特征
Radiomics特征
基于稳定性排序和 性能的特征选择
Aerts et al. Nature Communications, 2014, 5: 4006.
国际研究进展(3/7)
Radiomics 特征定义
RIDER 测试/重测试
N=31
重复分割 N=21
训练
Lung1 Maastro NSCLC N=422
验证
Lung2 Radboud NSCLC N=225
4项定量指标：
重点地区、癌症早诊率 达到50%
肿瘤登记覆盖全国30% 以上人口
癌症防治核心知识知晓 率达60%
成人吸烟率下降3%
癌症诊疗的挑战(1/2)
N=1,950,388. Updated May 12, 2014
2013年4月1日时代杂志封面
我们已经得到大量肿 瘤基因数据,但癌症 仍然无法被治愈
影像组学及其在肿瘤研究与临床 中的应用
田 捷 Ph.D
Fellow of IEEE, SPIE, IAMBE, AIMBE, IAPR
中国科学院分子影像重点实验室
2020年1月2日
国家对癌症的重视
2015年9月，国家卫计委、发改委等16个部门联合印发《中国癌症防治 三年行动计划（2015-2017年）》
Data from National Cancer Institute of NIH (2014)
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
癌症诊疗的挑战(2/2)
肿瘤>5mm才能被诊断缺乏早 期诊断手段
时空异质性影响治疗 缺乏定量评估方法
N. Engl. J. Med. 2010, 363(1):4-6.
影像组学流程
影像数据
结构影像 功能影像
特征提 取
分子影像
基因病理
高维特征
强度 形状 纹理 小波 其它
诊疗决策
预测算 法
肿瘤分型 肿瘤分期
合作优 化
推广应用
提高疾病 早诊率
提高病人 生存期
生存期
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，提高病人生存期
癌症的五年生存率 没有实质性提高
缺乏早期定量方法 影像组学
N. Engl. J. Med. 2012, 366, 883-92.
缺乏早期诊断手段
发生
免疫系统可排 除
发展
肿瘤微环境导致 微小癌分子和癌细胞
5mm
凋亡
1kg左右肿 瘤
正常
基因异 常
开始增 殖
基因诊断
肿瘤异质性 不确定性高
前癌病 变
5~20年
——改自武汉大学周强教授
影像组学定位(2/2)
2011年美国基因组学与生物医学 界的智库发表了《迈向精准医学： 建立生物医学与疾病新分类学的
知识网络》
2015年1月份美国总统奥巴马宣 布了“精准医疗计划”
(Precision Medicine Initiative)， 探索个体精准诊疗方法。
影像组学通过全面评价肿瘤的异质性，可以使医学诊疗 更精准
影像组学定位(1/2)
免疫系统可排 除
正常
基因异 常
基因诊断
肿瘤异质性 不确定性高
肿瘤微环境导致 微小癌分子和癌细胞
5mm
开始增 殖
前癌病 变
发 生癌 症
出现病 转
状
移
1kg左右肿 瘤
死 亡
影像组学
基因+影像+病理 早期诊断,精准医学
常规影像
PET,CT,MRI,超声 无法诊断5mm以下肿瘤
Gerlinger et al. N Engl J Med 366, 883-92 (2012) Richard et al. J Clin Oncol 22, 277-285 (2004 )
Aerts et al. Nature Communications, 2014, 5: 4006.
肺癌影像组学
以肺癌为例，2010年中国共54万发病率，45万死亡率，且在过去30年 以465%的速度增长
肺癌居恶性肿瘤首位，在非小型细胞肺癌患者中，五年存活率依然很 低，不足19%。
中国每年花在肺癌治疗上的费用近400亿
早期诊断
？
发 生癌 症
出现病 转
死
状
移
亡
1~3年
常规影像
PET,CT,MRI,超声 无法诊断5mm以下肿瘤
Gerlinger et al. N Engl J Med 366, 883-92 (2012) Richard et al. J Clin Oncol 22, 277-285 (2004 )
——改自武汉大学周强教授