田捷_影像组学及其在肿瘤研究与临床中的应用
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DOI:10.1200/JCO.2015.65.9128
Radiology
accepted, May, 2016
Clinical Cancer Research
DOI: 10.1158/1078-0432.CCR-15-2997
广东省人民医院 中科院自动化所
广东省人民医院 中科院自动化所
浙大医学院邵逸夫医院
Journal of Clinical Oncology, 2016, DOI:10.1200/JCO.2015.65.9128 SCI IF(2015): 20.98 18
非小细胞肺癌生存期预测(1/2)
临床 传统临床分期和病理对NSCLC患者无病 问题 生存期预测效果有限，需要新的预测方法 临床 数据 有完整无病生存期随访信息的282 例早期（IA–IIB期）NSCLC病例
预后 生存 基因 回路 靶向 治疗
高 风 险 组 C-Kit IL6-singaling
中 风 险 组
低 风 险 组
FOXA
PDGFR VEGFR VEGFR 抑制剂： 贝伐单抗
C-Kit
Ang/Tie2-signaling 酪氨酸激酶抑制 剂 :伊马替尼
Science Translational Medicine, 2015, DOI:10.1126/scitranslmed.aaa7582 SCI IF(2015): 15.843 15
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
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
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 ， 最初译为放射组学
EJC 2012, 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
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8000例临床 数据资源 影像数据和基因数据，并整理成资源数据库
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 23
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
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
基因病理
基因层次
8
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)
国内最新研究—五月发表三篇影像组学论文
结直肠癌 J Clin Oncol
非小细胞肺癌 Radiology
结直肠癌 Clin Cancer Res
预 测 结 直 肠 癌 预测非小细胞肺 预 测 结 直 肠 癌 淋巴结转移 术前 癌无进展生存率 辅助放化疗效果
Journal of Clinical Oncology
分子影像 早期诊断手段
影像组学 定量分析方法
5
机遇——影像组学
肿 瘤 大 小 5~20年 基因 异常 细胞表达生 物分子异常
5mm
1~3年 新陈代谢异常 器官结构异常
1kg左 右肿瘤
正 常
基因 异常
开始 增殖
前癌 病变
形成 癌灶
出现 病状
转移
死 亡
时 间
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
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
组学 利用LASSO Cox回归模型提取5个肺癌生 方法 存期相关的影像组学特征，构建预测模型
广东省人民医院与中科院自动化所合作非小细胞肺癌生存预测
Radiology, accepted, May, 2016
19
非小细胞肺癌生存期预测(2/2)
K-M生存曲线 列线图
对于早期非小细胞肺癌患者，影像组学特征比 临床分期和临床病理有更好的生存期预示能力
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
广东省人民医院与中科院自动化所合作非小细胞肺癌生存预测
Radiology, accepted, May, 2016
20
结直肠癌新辅助放疗效果评价(1/2)
临床 结直肠癌新辅助放疗效果很难在治疗前进 问题 行预测，需要更准确方法指导治疗决策 临床 48例接受新辅助放疗的结直肠癌病例，包 数据 括T1/T2/DWI/DCE等MRI扫描数据
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
组学 利用影像组学方法提取103个多参数影像 方法 组学特征，对于新辅助放疗效果进行预测
浙大医学院邵逸夫医院进行结直肠癌新辅助放疗效果预测
Clin Cancer Res，2016，DOI: 10.1158/1078-0432.CCR-15-2997
21
结直肠癌新辅助放疗效果评价(2/2)
病理 缓解 没有 缓解
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 预后分析
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，提高患者的生存期 9
MRI 2012, 30(9): 1234.
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
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 功能影像
解剖结构
物理组织层次
量化 癌 症 研 究 微环境
16
结直肠癌淋巴结转移预测(1/2)
结直肠癌是否合并淋巴结转移很难在术前 临床 问题 准确确定，是否转移决定患者手术过程中 是否进行淋巴结清扫，显著影响临床决策
临床 病理证实是否淋巴结转移的影像病理数据 数据 广东省人民医院326训练、200测试数据
组学 利用影像组学方法提取转移高度相关24个 方法 影像组学特征和临床指标，绘制诺模图
24
影像组学数据资源
建立了涵盖中国三大高发癌种的多中心、多肿 瘤、多模态的数据资源平台，癌症数据近万例
脑脊索瘤 1家合作医院 200余例 肺癌 8家合作医院 5000余例 肝癌 2家合作医院 500余例 脑胶质瘤 4家合作医院 1100余例 乳腺癌 1家合作医院 600余例 胃癌 结直肠癌 1家合作医院 2家合作医院 600余例 800余例
广东省人民医院与中科院自动化所合作结直肠癌淋巴结转移预测
Journal of Clinical Oncology, 2016, DOI:10.1200/JCO.2015.65.9128 SCI IF(2015): 20.98
17
结直肠癌淋巴结转移预测(2/2)
预测模型 诺模图
融合影像特征和临床指标的影像组学标签可对结直 肠癌淋巴结转移进行个性化预测，指导治疗决策
数据格式
病理信息 治疗信息 预后信息 基因信息
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 27
影像组学特征提取
低维特征 视觉特征
一定个数 三维特征
肿瘤强度
肿瘤形状 肿瘤纹理 小波特征
25
影像组学数据规范
=
大量数据 大数据
影像组学大数据是临床问题明确、格 式规范、信息完整的病人数据
26
影像组学数据规范
标准DICOM格式的CT、MR、PET等数据，支持 多序列数据，同一批患者数据采集序列一致 单幅图像>512*512像素，数据层厚：0.6252.5mm 病理分类、TNM分期、复发转移等信息 年龄、性别、是否吸烟等 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年以上病人随访，明确肿瘤进展和死亡时间 致病基因突变、相关基因回路
国内合作医院——北上广+中西部
已经超过30余家合作医院
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 华西医院 贵州省人民医院 汕大附属肿瘤医院 广东省人民医院 广医一附院 珠海市人民医院 301、协和医院 天坛、佑安医院 中日友好医院 医科院肿瘤医院 北京肿瘤医院
哈医大四附院 哈医大二附院
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.
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 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.
国际研究进展—肺癌头颈癌预后分析(1/4)
数据 分割 特征
强 度百度文库
分析预测
病理信息
形 状
小 波
美国莫菲特癌症中心 Robert J. Gillies 影像组学最早 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.
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
2017年7月1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)
常规 方法
病理 缓解
没有 缓解
影像 组学
针对结直肠癌新辅助放疗效果评估，多参数影 像组学特征比常规影像分析有更准确预测性能
Clin Cancer Res，2016，DOI: 10.1158/1078-0432.CCR-15-2997
22
影像组学研究进展——紧跟国际研究热点
30余家国内医院长期合作 一大批 已经与北京、长三角、珠三角、河南等地区的 合作医院 30余家三甲为主的医院建立长期合作关系
Radiology
accepted, May, 2016
Clinical Cancer Research
DOI: 10.1158/1078-0432.CCR-15-2997
广东省人民医院 中科院自动化所
广东省人民医院 中科院自动化所
浙大医学院邵逸夫医院
Journal of Clinical Oncology, 2016, DOI:10.1200/JCO.2015.65.9128 SCI IF(2015): 20.98 18
非小细胞肺癌生存期预测(1/2)
临床 传统临床分期和病理对NSCLC患者无病 问题 生存期预测效果有限，需要新的预测方法 临床 数据 有完整无病生存期随访信息的282 例早期（IA–IIB期）NSCLC病例
预后 生存 基因 回路 靶向 治疗
高 风 险 组 C-Kit IL6-singaling
中 风 险 组
低 风 险 组
FOXA
PDGFR VEGFR VEGFR 抑制剂： 贝伐单抗
C-Kit
Ang/Tie2-signaling 酪氨酸激酶抑制 剂 :伊马替尼
Science Translational Medicine, 2015, DOI:10.1126/scitranslmed.aaa7582 SCI IF(2015): 15.843 15
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
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
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 ， 最初译为放射组学
EJC 2012, 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
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8000例临床 数据资源 影像数据和基因数据，并整理成资源数据库
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 23
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
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
基因病理
基因层次
8
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)
国内最新研究—五月发表三篇影像组学论文
结直肠癌 J Clin Oncol
非小细胞肺癌 Radiology
结直肠癌 Clin Cancer Res
预 测 结 直 肠 癌 预测非小细胞肺 预 测 结 直 肠 癌 淋巴结转移 术前 癌无进展生存率 辅助放化疗效果
Journal of Clinical Oncology
分子影像 早期诊断手段
影像组学 定量分析方法
5
机遇——影像组学
肿 瘤 大 小 5~20年 基因 异常 细胞表达生 物分子异常
5mm
1~3年 新陈代谢异常 器官结构异常
1kg左 右肿瘤
正 常
基因 异常
开始 增殖
前癌 病变
形成 癌灶
出现 病状
转移
死 亡
时 间
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
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
组学 利用LASSO Cox回归模型提取5个肺癌生 方法 存期相关的影像组学特征，构建预测模型
广东省人民医院与中科院自动化所合作非小细胞肺癌生存预测
Radiology, accepted, May, 2016
19
非小细胞肺癌生存期预测(2/2)
K-M生存曲线 列线图
对于早期非小细胞肺癌患者，影像组学特征比 临床分期和临床病理有更好的生存期预示能力
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
广东省人民医院与中科院自动化所合作非小细胞肺癌生存预测
Radiology, accepted, May, 2016
20
结直肠癌新辅助放疗效果评价(1/2)
临床 结直肠癌新辅助放疗效果很难在治疗前进 问题 行预测，需要更准确方法指导治疗决策 临床 48例接受新辅助放疗的结直肠癌病例，包 数据 括T1/T2/DWI/DCE等MRI扫描数据
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
组学 利用影像组学方法提取103个多参数影像 方法 组学特征，对于新辅助放疗效果进行预测
浙大医学院邵逸夫医院进行结直肠癌新辅助放疗效果预测
Clin Cancer Res，2016，DOI: 10.1158/1078-0432.CCR-15-2997
21
结直肠癌新辅助放疗效果评价(2/2)
病理 缓解 没有 缓解
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 预后分析
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，提高患者的生存期 9
MRI 2012, 30(9): 1234.
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
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 功能影像
解剖结构
物理组织层次
量化 癌 症 研 究 微环境
16
结直肠癌淋巴结转移预测(1/2)
结直肠癌是否合并淋巴结转移很难在术前 临床 问题 准确确定，是否转移决定患者手术过程中 是否进行淋巴结清扫，显著影响临床决策
临床 病理证实是否淋巴结转移的影像病理数据 数据 广东省人民医院326训练、200测试数据
组学 利用影像组学方法提取转移高度相关24个 方法 影像组学特征和临床指标，绘制诺模图
24
影像组学数据资源
建立了涵盖中国三大高发癌种的多中心、多肿 瘤、多模态的数据资源平台，癌症数据近万例
脑脊索瘤 1家合作医院 200余例 肺癌 8家合作医院 5000余例 肝癌 2家合作医院 500余例 脑胶质瘤 4家合作医院 1100余例 乳腺癌 1家合作医院 600余例 胃癌 结直肠癌 1家合作医院 2家合作医院 600余例 800余例
广东省人民医院与中科院自动化所合作结直肠癌淋巴结转移预测
Journal of Clinical Oncology, 2016, DOI:10.1200/JCO.2015.65.9128 SCI IF(2015): 20.98
17
结直肠癌淋巴结转移预测(2/2)
预测模型 诺模图
融合影像特征和临床指标的影像组学标签可对结直 肠癌淋巴结转移进行个性化预测，指导治疗决策
数据格式
病理信息 治疗信息 预后信息 基因信息
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 27
影像组学特征提取
低维特征 视觉特征
一定个数 三维特征
肿瘤强度
肿瘤形状 肿瘤纹理 小波特征
25
影像组学数据规范
=
大量数据 大数据
影像组学大数据是临床问题明确、格 式规范、信息完整的病人数据
26
影像组学数据规范
标准DICOM格式的CT、MR、PET等数据，支持 多序列数据，同一批患者数据采集序列一致 单幅图像>512*512像素，数据层厚：0.6252.5mm 病理分类、TNM分期、复发转移等信息 年龄、性别、是否吸烟等 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年以上病人随访，明确肿瘤进展和死亡时间 致病基因突变、相关基因回路
国内合作医院——北上广+中西部
已经超过30余家合作医院
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 华西医院 贵州省人民医院 汕大附属肿瘤医院 广东省人民医院 广医一附院 珠海市人民医院 301、协和医院 天坛、佑安医院 中日友好医院 医科院肿瘤医院 北京肿瘤医院
哈医大四附院 哈医大二附院
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.
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 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.
国际研究进展—肺癌头颈癌预后分析(1/4)
数据 分割 特征
强 度百度文库
分析预测
病理信息
形 状
小 波
美国莫菲特癌症中心 Robert J. Gillies 影像组学最早 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.
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
2017年7月1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)
常规 方法
病理 缓解
没有 缓解
影像 组学
针对结直肠癌新辅助放疗效果评估，多参数影 像组学特征比常规影像分析有更准确预测性能
Clin Cancer Res，2016，DOI: 10.1158/1078-0432.CCR-15-2997
22
影像组学研究进展——紧跟国际研究热点
30余家国内医院长期合作 一大批 已经与北京、长三角、珠三角、河南等地区的 合作医院 30余家三甲为主的医院建立长期合作关系