关键词:
生存分析
影像组学
影像基因组学
机器学习
深度学习
摘要:
目的:肿瘤是危害人类的健康的重大疾病。生存预测对于肿瘤患者的个性化诊疗具有重要意义。人工智能技术的兴起为生存预测建模提供了新契机。基于影像-基因多组学的智能预后模型是目前的前沿研究课题。本课题结合影像-基因组学和机器学习/深度学习方法,针对肌层浸润性膀胱癌、髓母细胞瘤和脑胶质瘤建立生存预测模型,并验证其相较于现有临床预后模型的增量价值。材料和方法:1.纳入210例肌层浸润性膀胱癌患者,其中训练集105例,验证集105例。采用机器学习方法,建立基于扩散加权成像(Diffusion-Weighted Imaging,DWI)和的影像组学标签,并生成影像-临床预后诺模图,在模型校准、鉴别、重分类和临床有用性等方面评估影像组学标签的增量价值。2.纳入166例髓母细胞瘤患者,包括训练集83例,验证集83例。其中17例患者收集RNAseq测序数据。采用机器学习方法,建立基于多参数磁共振成像(Nuclear Magnetic Resonance Imaging,MRI)序列构建影像组学标签。采用影像基因组学分析方法,识别与影像组学特征相关的关键分子通路,并在公开数据集中验证通路基因的预后价值。3.纳入多中心的1556例脑胶质瘤患者,划分为训练集935例,验证集156例,外部测试集一194例,外部测试集二150例和TCIA公开数据测试集121例。构建基于注意力机制的DeepRisk深度卷积神经网络,该网络以未分割的原始图像作为输入,输出病人的生存风险。基于DeepRisk风险评分,建立影像-临床预后诺模图,评估DeepRisk风险评分的增量预后价值,并开展DeepRisk模型与传统深度学习模型的性能对比研究。结果:1.针对肌层浸润性膀胱癌,影像组学标签与无进展生存期显著相关(Hazard Ratio[HR]=1.85,95%Confidence Interval[CI]:0.96,3.56,P=0.01),是独立于传统临床特征的预后因素(P<0.001)。相较于临床预后诺模图和影像组学标签,影像-临床预后诺模图在模型校准、鉴别、重分类和临床有用性等方面都具有更好的表现。2.针对髓母细胞瘤,影像组学标签与总生存期显著相关(HR=4.36,CI=1.66,11.43,P=0.01),且与无进展生存期显著相关(HR=2.46,CI=1.06,5.72,P=0.02),是独立于传统临床特征的预后因素(P<0.001)。相较于传统临床预后诺模图和影像组学标签,影像组学-临床预后诺模图能够更好地预测总生存期(C-Index=0.762)和无进展生存期(C-Index=0.697),且具有更好的校准和分类精度(NRI:OS:0.298,P=0.022;PFS:0.252,P=0.026)。影像基因组学分析得到9个与影像组学特征相关的通路,包括WNT信号通路、P53信号通路、PI3K/AKT信号通路等,这些通路与肿瘤预后有关。TCGA分析结果显示,通路基因的平均表达量具有显著的预后价值(HR=0.63,CI=0.38,1.06,P=0.02)。***模型与总生存期具有显著性的关联(HR=13.48,CI=9.52,37.91,P<0.001),是独立于传统临床特征的预后因素(P<0.001)。DeepRisk模型取得了与传统Res Net模型可比拟的预测精度,说明DeepRisk可以利用未分割的原始MRI实现准确的生存预测。将DeepRisk模型纳入临床诺模图后,得到的深度学习诺模图在模型校准、鉴别、重分类和临床有用性等方面都获得了更好的预后性能。结论:1.基于DWI的影像组学标签是肌层浸润性膀胱癌患者无进展生存期的独立预后因素。结合影像组学标签、临床分期以及其他临床分子病理因素,可以更好地预测个体无进展生存期,证实了影像组学标签的增量预后价值。2.基于多参数MRI序列的影像组学标签是髓母细胞瘤患者总生存期和无进展生存期的独立预后因素,且与关键通路显著相关。结合影像组学标签和其他临床分子病理因素,可以更好地预测个总生存期和无进展生存期,证实了影像组学标签的增量预后价值。***能够从脑胶质瘤患者的多参数MRI序列中学习并聚焦到病灶区域,DeepRisk风险评分在脑胶质瘤的生存预测中是独立的预后因素,且相对于传统的临床和分子病理风险因素具有增量预后价值。