影像組學(xué)在核醫(yī)學(xué)影像中的應(yīng)用

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1影像組學(xué)與核醫(yī)學(xué)中影像

1.1影像組學(xué)的處理流程

影像組學(xué)的處理流程可分為5部分：①圖像獲?。虎诖_定感興趣區(qū)；③圖像分割，采用人工方法或者計(jì)算機(jī)輔助；④特征的提取和量化；⑤數(shù)據(jù)分析，根據(jù)數(shù)據(jù)建立分類(lèi)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1.2核醫(yī)學(xué)中的影像組學(xué)發(fā)展

影像組學(xué)在本世紀(jì)初開(kāi)始逐漸運(yùn)用于核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，主要對(duì)正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描儀(positronemissioncomputedtomography，PET)圖像中腫瘤內(nèi)異質(zhì)性進(jìn)行研究[5-6]。其動(dòng)機(jī)是在臨床實(shí)踐或一些研究中，最大標(biāo)準(zhǔn)化攝取值(standardizeduptakevalue，SUVmax)、平均標(biāo)準(zhǔn)攝取值(SUVmean)或代謝活躍的腫瘤體積(metabolicallyactivetumorvolume，MATV)等指標(biāo)不能完全描述腫瘤的性質(zhì)[7]。其中一些特征，如形狀和攝取異質(zhì)性，可能反映不同腫瘤類(lèi)型與其侵襲性、轉(zhuǎn)移潛能、對(duì)特定治療的反應(yīng)程度以及預(yù)后有關(guān)[8-9]。與常規(guī)指標(biāo)相比，量化這些特征可提供更高的臨床價(jià)值，尤其是在分層及識(shí)別治療反應(yīng)較差的患者中。既往分析認(rèn)為，CT或MRI圖像比PET圖像更具有優(yōu)越性，這是因?yàn)镻ET圖像的信噪比和空間分辨率較低，空間采樣也較差。此外，為利于臨床醫(yī)生視覺(jué)評(píng)估，重建的PET圖像常被平滑，圖像中可用信息被進(jìn)一步減少。隨著PET-CT系統(tǒng)、飛行時(shí)間(timeofflight，TOF)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)目前臨床金標(biāo)準(zhǔn)迭代算法的一些修正，過(guò)去的10年中PET圖像的保真度及定量精確度均有大幅改善[10]。

2影像組學(xué)在核醫(yī)學(xué)中的臨床應(yīng)用

2.118F-FDGPET-CT影像特征分析

目前，影像組學(xué)在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究中大多數(shù)研究對(duì)象是18F-FDGPET-CT中的PET影像部分。要發(fā)揮影像組學(xué)的臨床價(jià)值需要大量的患者隊(duì)列和嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)分析方法，而部分研究只納入了20～70例患者。Soussan等[11]對(duì)54例局部晚期乳腺癌患者的初始18F-FDGPET-CT圖像進(jìn)行回顧性研究，認(rèn)為對(duì)于三陰性乳腺癌，結(jié)合高灰度游程(high-gray-levelrunemphasis，HGRE)與SUVmax可以獲得更高的受試者操作特征(receiveroperatingcharacteristic，ROC)曲線下面積(areaundercurve，AUC)，AUC=0.83，而單獨(dú)運(yùn)用SUVmax的AUC=0.77。Yip等[12]對(duì)54例食管癌患者放化療前后的PET-CT圖像進(jìn)行研究，認(rèn)為隨時(shí)間變化的熵和游程長(zhǎng)度矩陣(run-lengthmatrix，RLM)，可以比標(biāo)準(zhǔn)化攝取值(standardizeduptakevalue，SUV)更好的評(píng)估病理反應(yīng)和患者生存的聯(lián)系。Bundschuh等[13]對(duì)27例直腸癌患者行新輔助化療前、開(kāi)始后2周及化療完成后4周分別行18F-FDGPET-CT檢查，并對(duì)圖像進(jìn)行分析，認(rèn)為變異系數(shù)(coefficientofvariation，COV)對(duì)于治療早期的靈敏度68%、特異度88%以及治療后靈敏度79%、特異度88%的組織病理學(xué)反應(yīng)評(píng)估有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。Mu等[14]對(duì)42例不同分期宮頸癌患者的18F-FDGPET-CT圖像進(jìn)行研究，通過(guò)自動(dòng)分類(lèi)的支持向量機(jī)(supportvectormachine，SVM)分類(lèi)器，得出運(yùn)行率(runpercentage，RP)是最有判別力的指標(biāo)，精確度達(dá)到88.1%，AUC=0.88，認(rèn)為腫瘤異質(zhì)性與腫瘤分期有很好的相關(guān)性。近年來(lái)，有研究納入較多患者(80～200例，甚至200例以上)18F-FDGPET-CT圖像進(jìn)行研究。Cheng等[15]對(duì)88例T3和(或)T4分期的口咽鱗狀細(xì)胞癌患者腫瘤區(qū)域異質(zhì)性進(jìn)行研究，認(rèn)為區(qū)域大小不均勻性(zone-sizenonuniformity，ZSNU)是進(jìn)展的T分期口腔鱗狀細(xì)胞癌患者預(yù)后的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子，并且可以改善預(yù)后分層。Xu等[16]應(yīng)用紋理分析和模式分類(lèi)對(duì)103例骨與軟組織病變患者的18F-FDGPET-CT圖像進(jìn)行研究，認(rèn)為該方法可提高對(duì)病變良惡性的鑒別能力，尤其是采用PET(熵和粗度)和CT(熵和相關(guān)性)紋理參數(shù)結(jié)合的時(shí)候效能最高，靈敏度為86.44%，特異度為77.27%，準(zhǔn)確率為82.52%。Wu等[17]對(duì)101例早期非小細(xì)胞肺癌患者進(jìn)行研究，得出最佳的預(yù)測(cè)模型包括兩個(gè)圖像特征，即瘤內(nèi)異質(zhì)性SUVmax，在獨(dú)立驗(yàn)證隊(duì)列中，該模型的一致性指數(shù)為0.71，高于SUVmax(0.67)和腫瘤體積指數(shù)(0.64)，當(dāng)結(jié)合病變組織學(xué)類(lèi)型后預(yù)后能力進(jìn)一步提高，有助于醫(yī)生為早期非小細(xì)胞肺癌(non-smallcelllungcancer，NSCLC)患者量身定制合適的治療方案。Gao等[18]研究了132例肺癌患者，認(rèn)為基于SVM的算法對(duì)于淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移診斷具有潛力，由CT、PET和PET-CT構(gòu)建的模型曲線下面積分別為0.689、0.579和0.685；而淋巴結(jié)最大的短徑，SUVmax的曲線下面積分別為0.684和0.652。另有學(xué)者對(duì)于116例Ⅰ～Ⅲ期NSCLC患者、195例Ⅲ期NSCLC患者及201例局部晚期NSCLC癌患者的PET圖像進(jìn)行了研究，認(rèn)為PET熵和CT區(qū)域百分比與臨床分期和功能容積值的互補(bǔ)性最高，共生矩陣中的疾病堅(jiān)固度、原發(fā)腫瘤的能量與患者預(yù)后有關(guān)，SUVmean與總生存率的預(yù)測(cè)有關(guān)[19-21]。Hyun等[22]對(duì)137例胰腺導(dǎo)管腺癌患者進(jìn)行了研究，得出結(jié)論：PET紋理分析得出的瘤內(nèi)異質(zhì)性信息是患者生存的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子(相對(duì)于腫瘤分期及血清CA19-9水平)。此外，一階熵作為衡量腫瘤代謝異質(zhì)性的指標(biāo)，是一種比傳統(tǒng)PET參數(shù)更好的定量顯像生物標(biāo)志物。Lartizien等[23]對(duì)188例淋巴瘤患者的PET圖像進(jìn)行了分析，提出了一種基于不同濾波方法相結(jié)合的原始特征提取方法，對(duì)高代謝區(qū)域淋巴瘤組織及炎性或生理性攝取的鑒別有著很好的性能。這些研究中部分研究使用了更可靠的統(tǒng)計(jì)分析方法，其中有一些使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[24]，支持向量機(jī)[16,18,23]或最小絕對(duì)收縮和選擇算子(leastabsoluteshrinkageandselectionoperator，LASSO)[17,21]。有學(xué)者對(duì)于PET和PET-CT組件中低劑量CT圖像衍生特征進(jìn)行了研究，Win等[25]發(fā)現(xiàn)腫瘤分期和PET-CT組件中CT衍生的紋理異質(zhì)性歸一化熵、中和(或)粗尺度是NSCLC患者生存的最佳預(yù)測(cè)因子。要注意PET-CT組件的低劑量CT獲得的圖像與高分辨率CT或診斷CT圖像是有差異的，在分析時(shí)要加以區(qū)別。部分研究認(rèn)為，結(jié)合PET-CT圖像中PET及CT的圖像特征，可以得出敏感性、特異性及準(zhǔn)確性更高的結(jié)果[16,18-19,23]。

2.2非18F-FDGPET-CT、PET-MR及免疫組化指標(biāo)研究

Pyka等[26]對(duì)113例高級(jí)別膠質(zhì)瘤患者治療前的18F-FETPET-CT圖像進(jìn)行研究，認(rèn)為治療前18F-FETPET-CT圖像中的吸收異質(zhì)性對(duì)腫瘤進(jìn)展和患者生存率的預(yù)測(cè)是有價(jià)值的，強(qiáng)調(diào)腫瘤內(nèi)異質(zhì)性在高級(jí)別膠質(zhì)細(xì)胞瘤生物學(xué)中的重要性，可能有助于將來(lái)個(gè)體化治療計(jì)劃的制定。Vallieres等[27]的研究提取18F-FDG-PET和MRI的影像信息聯(lián)合預(yù)測(cè)了四肢軟組織肉瘤的肺轉(zhuǎn)移，認(rèn)為融合的18F-FDGPET-MRI圖像可以提供更好的預(yù)測(cè)信息。Antunes等[28]對(duì)兩例腎細(xì)胞癌患者進(jìn)行了18F-氟胸苷(fluorothymidine，F(xiàn)LT)PET-MRI檢查(分別在治療前及治療中期)，認(rèn)為18F-FLTPET-MRI的影像組學(xué)特征，即SUV值、表觀彌散系數(shù)(apparentdiffusioncoefficient，ADC)值和T2加權(quán)差平均值，可以評(píng)估患者對(duì)細(xì)胞抑制劑治療的早期結(jié)構(gòu)和功能反應(yīng)，但這一結(jié)論的可靠性是有限的，因?yàn)檠芯恐患{入了兩名患者。同時(shí)，對(duì)PET派生特征和其他相關(guān)信息的組合加以考慮，如最近一項(xiàng)研究中，Wang等[29]對(duì)113例晚期口咽鱗狀細(xì)胞癌患者治療前18F-FDGPET-CT圖像和關(guān)鍵的免疫組化指標(biāo)表皮生長(zhǎng)因子受體(epidermalgrowthfactorreceptor，EGFR)和p16中提取的區(qū)域大小不均勻性信息進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)相關(guān)信息可以提高患者的預(yù)后分層。

3展望

影像組學(xué)作為一種新興的研究方法，通過(guò)從不同模態(tài)中提取高通量的影像特征并對(duì)其進(jìn)行分析，對(duì)不同腫瘤類(lèi)型的患者管理，如預(yù)后、評(píng)估治療反應(yīng)、預(yù)測(cè)遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移、個(gè)體化治療等提供有效的量化指標(biāo)。這種非侵入性檢查工具，可提高臨床工作效率，為臨床醫(yī)生和患者帶來(lái)更多收益。影像組學(xué)的應(yīng)用不局限于腫瘤領(lǐng)域，其他疾病領(lǐng)域也可運(yùn)用。目前影像組學(xué)在核醫(yī)學(xué)影像方面應(yīng)用起步較晚，相關(guān)研究較少，研究納入患者數(shù)量也較有限，但已有的研究證明影像組學(xué)在核醫(yī)學(xué)影像中的應(yīng)用是未來(lái)的發(fā)展方向之一，且方法不止限于18F-FDGPET-CT，還可融合PET-MR圖像，或運(yùn)用一些新型藥物進(jìn)行檢查及分析，并可結(jié)合臨床分期及一些免疫組化指標(biāo)，為臨床提供更多更可靠的信息。

作者：霍力 李方