影像组学及其在肿瘤研究与临床中的应用

上海肺科医院 上海长征医院
河南省 人民医院 郑大一附院 西京医院
广东省人民医院 广州医学院一附院 汕头大学附属肿瘤医院
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影像组学数据规范
=
大量数据 大数据 影像组学大数据是格式规范、信息 完整的病人数据
21
影像组学数据规范
标准DICOM格式的CT断层数据，平扫和增强， 支持MR、PET、超声等数据，复查数据 单幅图像>512*512像素，数据层厚：0.6252.5mm 病理分类、TNM分期、致病基因突变、肿瘤中心 定位等 年龄、性别、是否吸烟等
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
2017年8月13日
1
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）》
数据格式
病理信息
治疗信息 预后信息
药物治疗、手术治疗、放化疗、基因靶向治疗等 药物用量、治疗次数、靶向药物类型等
2年以上的病人随访记录，明确死亡时间 控制删失数据在10%
详细参考《中国科学院分子影像重点实验室合作医院影像组学数据规范细则》 www.3dmed.net 22
影像组学数据资源
已建立多中心、多肿瘤、多模态数据资源平台，含 五类癌症数据逾5000例；预计年底扩充至8000例。
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
9
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》
——改自武汉大学周强教授
？
Gerlinger et al. N Engl J Med 366, 883-92 (2012) Richard et al. J Clin Oncol 22, 277-285 (2004 )
5
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
缺乏早期定量方法 影像组学
4
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
5ห้องสมุดไป่ตู้m
凋亡
1kg左 右肿瘤
正 常
基因 异常
开始 增殖
前癌 病变
发 生 癌 症
出现 病状
转 移
死 亡
5~20年
1~3年
基因诊断
肿瘤异质性 不确定性高
早期诊断
常规影像
PET,CT,MRI,超声 无法诊断5mm以下肿瘤
基于临床数据的分期和预测算法研究 一连串 利用工科优势，开展临床数据的分期和预测算 关键技术 法研究，发表高影响因子学术论文
预测诊断软件开发 一整套 研发一套专门读取临床影像数据并自动进行分 影像软件 期、生存率预测和治疗方案建议的软件系统 19
合作医院
国内超过30余家合作医院
哈医大 附属第四医院 301医院 协和医院 天坛医院 佑安医院 中日友好医院 医科院肿瘤医院
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
Aerts et al. Nature Communications, 2014, 5: 4006.
脑胶质瘤 肺癌 3家合作医院 4000余例 3家合作医院 400余例 乳腺癌 1家合作医院
100余例
肝癌
1家合作医院 50余例
胰腺癌 1家合作医院
60余例
23
影像组学关键技术进展
特征提取 及量化
特征 空间 自动 提取
影像数据
CT MRI …
肿瘤分割
预测分析 治疗决策
PACS
采集
金标准 全自动
信息 分析
个数
14
1
强度
2
形状
8
3 4
纹理 小波
a. 最大可能性 b. 和平均 c. 和熵 a. 肺的边界 b. 自由与粘贴面积比 c. 解剖位置
33
共计440个特征
Aerts et al. Nature Communications, 2014, 5: 4006.
15
国际研究进展(5/7)
Radiomics热图
影像组学定位(1/2)
免疫系统 可排除
肿瘤微环境导致 微小癌分子和癌细胞
5mm
1kg左 右肿瘤
正 常
基因 异常
开始 增殖
前癌 病变
发 生 癌 症
出现 病状
转 移
死 亡
基因诊断
肿瘤异质性 不确定性高
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
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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
Aerts et al. Nature Communications, 2014, 5: 4006.
数据 库的
整合
系统
存储 及共 享
重建
数据
可重
存储
复性
验证
多信息
低冗
余度
Radiomics算法处理流程
24
肿瘤分割(1/3)
分割算法流程 肺支气管分割结果
Wei Shen, A Novel Principal Component Analysis based Airway Segmentation method. IPMI 2015.
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
6
机遇—影像组学为精准医疗提供早期定量手段
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 功能影像
解剖结构
物理组织层次
量化 癌 症 研 究 微环境
分子影像
影 像 组 学
代谢层次
蛋白质层次 转录学层次
定量
异质性
Aerts et al. Nature Communications, 2014, 5: 4006.
18
影像组学研究进展
20余家三甲医院长期合作 一大批 已经与北京、长三角、珠三角、河南等地区的 合作医院 一批三甲医院建立长期合作关系
Radiomics资源数据库建设 一系列 收集一系列格式规范、信息完整的临床影像数 数据资源 据和基因数据，并整理成资源数据库
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肿瘤分割(3/3)
分割方法对实性结节和GGO都有效
a
92 93 94 95 96 97
158
159
160
161
162
163
92
93
94
95
96
97
158
159
160
161
162
163
b
227
228
229
230
231
232
41
42
43
44
45
46
227
228
229
230
231
232
41
42
43
44
45
46
c
161
162
163
164
165
166
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
155
156
157
158
159
160
实质性肺结节自动分割结果
GGO肺结节自动分割结果
27
Jiangdian Song, A New Automated Lung Nodule Segmentation Algorithm Based on Toboggan and region growing. IEEE TMI, 2015, accepted.
10
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
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
验证
分析流程
N=21
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
Radiomics标签 (包括四个特征)
Radiomics特征 Radiomics特征 Radiomics特征 Radiomics特征 &基因表达式
预示验证 lung cancer cohort
25
肿瘤分割(2/3)
与上海长征医院合作肿瘤自动分割，精度提高10%
2D
3D
LIDC公开数据集819例数据的精度为81.57%. 较之于水平集方法和图割方法，精度提高 14.95%(p<0.0005)和10.18%(p=0.004).
Jiangdian Song, A New Automated Lung Nodule Segmentation Algorithm Based on Toboggan and region growing. IEEE TMI, 2015, accepted.
影像组学流程
影像数据
结构影像 功能影像 分子影像 特征 提取
高维特征
强度 形状 纹理
诊疗决策
预测 肿瘤分型 合作 算法 优化
肿瘤分期 生存期
推广应用
提高疾病 早诊率 提高病人 生存期 减轻患者 医疗负担
小波
基因病理 其它 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 8
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
3
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
癌症的五年生存率 没有实质性提高
N. Engl. J. Med. 2010, 363(1):4-6. N. Engl. J. Med. 2012, 366, 883-92.
(a) 有相似的radiomic 表达模式的病人分类 (b) Radiomic特征集与 被分类的表达模式的 病人间的关系
(c) 病人的radiomic表 达模式与主要的肿瘤 阶段、总的阶段以及 组织学间有重要关系
Aerts et al. Nature Communications, 2014, 5: 4006.
预示验证 H&N cancer cohort
预示验证 H&N cancer cohort
与基因表达式 的关系
Aerts et al. Nature Communications, 2014, 5: 4006.
14
国际研究进展(4/7)
影像特征种类 代表性特征
a. b. c. d. a. b. c. d. 最大值 标准方差 能量 范围 紧密度 最长的三维直径 表面面积 体积
16
国际研究进展(6/7)
Aerts et al. Nature Communications, 2014, 5: 4006.
Radiomics数据的预示价值:特征的各向 异性越强，病人存活率越低; 有更紧密或 者球形肿瘤的病人有更好的存活可能性
17
国际研究进展(7/7)
Radiomics标签 与基因表达模式 间的重要关联性
基因病理
基因层次
7
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)
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%
2
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
13
国际研究进展(3/7)
训练
Radiomics 特征定义
RIDER 测试/重测 试 N=31 重复分割 Lung1 Maastro NSCLC N=422 Lung2 Radboud NSCLC N=225 H&N1 Maastro HNSCC N=136 H&N2 VU Amsterdam HNSCC N=95 Lung3 MUMC NSCLC N=89
—中国癌症调查报告，2013
11
国际研究进展(1/7)
数据 分割 特征
强 度
分析预测
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
Aerts et al. Nature Communications, 2014, 5: 4006.