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影像組學(xué)在甲狀腺癌診療中的應(yīng)用研究

2024-04-30 09:05何海軍楊斌
關(guān)鍵詞:鑒別甲狀腺癌診斷

何海軍 楊斌

[摘要] 隨著影像檢查技術(shù)及儀器、設(shè)備性能的不斷提高,甲狀腺結(jié)節(jié)檢出日益增多,但傳統(tǒng)影像診斷方法缺乏特異度,診斷準(zhǔn)確率較低。機(jī)器學(xué)習(xí)可從大規(guī)模的醫(yī)學(xué)圖像中挖掘出大量高維定量影像特征,為結(jié)節(jié)的診斷、治療及預(yù)后提供更多有價(jià)值的信息。就深度學(xué)習(xí)和影像組學(xué)在甲狀腺癌的鑒別診斷,淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、免疫組化指標(biāo)、侵襲性及預(yù)后評估等方面的應(yīng)用展開綜述。

[關(guān)鍵詞] 甲狀腺癌;深度學(xué)習(xí);影像組學(xué);診斷,鑒別;侵襲性;預(yù)后

甲狀腺結(jié)節(jié)發(fā)病率約5%,是目前臨床上發(fā)病率較高的疾?。?],且呈逐年上升趨勢。約10%的甲狀腺結(jié)節(jié)為甲狀腺癌[2-3],約92%的甲狀腺癌為甲狀腺乳頭狀癌[4],多預(yù)后較好,生存期長,5年生存率約99%[5]。部分甲狀腺癌具有侵襲性,可導(dǎo)致腫瘤局部復(fù)發(fā)、遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移甚至死亡[6-7]。已有研究表明:甲狀腺髓樣癌、未分化癌的預(yù)后顯著低于甲狀腺癌,髓樣癌的5年生存率僅89.6%,而未分化癌的1年生存率僅20%[8-9]。超聲和細(xì)針穿刺活檢是甲狀腺結(jié)節(jié)的常用檢查方法,但超聲的敏感度不高,且與操作者的經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān);而細(xì)針穿刺為侵入性操作,且成本較高。深度學(xué)習(xí)和影像組學(xué)技術(shù)可從大規(guī)模的醫(yī)學(xué)圖像中挖掘出大量高維定量影像特征,為結(jié)節(jié)的診斷、治療及預(yù)后評估提供更多有價(jià)值的信息,也是目前的研究熱點(diǎn)。筆者就影像組學(xué)在甲狀腺癌診療中的應(yīng)用研究綜述如下。

1? 深度學(xué)習(xí)和影像組學(xué)的概念

深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)中較先進(jìn)的一種方法,其以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為架構(gòu),采用對數(shù)據(jù)進(jìn)行表征學(xué)習(xí)的算法,自動(dòng)識(shí)別醫(yī)學(xué)圖像中的復(fù)雜模式,提供定量的影像學(xué)特征評估[10]。深度學(xué)習(xí)已在醫(yī)學(xué)圖像識(shí)別、分類、分割、配準(zhǔn)和重建等方面展示出了巨大潛力[11]。深度學(xué)習(xí)模型種類眾多,以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最廣泛。

影像組學(xué)的概念于2012年由Lambin等[12]提出,影像組學(xué)分析技術(shù)是從醫(yī)學(xué)圖像中提取高通量的定量特征,反映醫(yī)學(xué)圖像與腫瘤異質(zhì)性之間的關(guān)系,從而指導(dǎo)腫瘤的檢測、診斷、治療反應(yīng)和預(yù)后評估等。傳統(tǒng)的影像組學(xué)方法需手動(dòng)提取特征,耗時(shí)、費(fèi)力,流程也較復(fù)雜,限制了其在臨床研究中的推廣應(yīng)用。為了克服傳統(tǒng)影像組學(xué)方法的缺點(diǎn),有研究者將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于影像組學(xué)中,可避免繁雜的特征提取過程,還能自動(dòng)學(xué)習(xí)層次更豐富的影像學(xué)特征及更高級的語義特征,該方法被稱為深度學(xué)習(xí)影像組學(xué)(deep learning radiomics,DLR)[13]。

2? 深度學(xué)習(xí)和影像組學(xué)在甲狀腺癌中的應(yīng)用

2.1? 鑒別甲狀腺結(jié)節(jié)良惡性

Yoon等[14]利用超聲組學(xué)特征聯(lián)合獨(dú)立臨床危險(xiǎn)因素預(yù)測細(xì)胞學(xué)不確定甲狀腺結(jié)節(jié)(即Bethesda分類3和4)的良惡性,其AUC為0.839。石艷萍等[15]回顧性收集208例甲狀腺結(jié)節(jié)患者的超聲圖像,發(fā)現(xiàn)由20個(gè)組學(xué)特征構(gòu)建的影像組學(xué)評分可有效診斷甲狀腺影像報(bào)告與數(shù)據(jù)系統(tǒng)(thyroid imaging reporting and data system,TI-RADS)4~5類的甲狀腺結(jié)節(jié),AUC為0.85。Guo等[16]研究發(fā)現(xiàn),基于超聲和超聲造影聯(lián)合的影像組學(xué)特征在區(qū)分甲狀腺結(jié)節(jié)良惡性中具有較高的分類效能,AUC為0.861。Luo等[17]基于超聲的影像組學(xué)特征聯(lián)合甲狀腺成像、TI-RADS構(gòu)建預(yù)測模型對甲狀腺結(jié)節(jié)的良惡性進(jìn)行鑒別,其AUC達(dá)0.913。

Sun等[18]建立基于深度學(xué)習(xí)的計(jì)算機(jī)輔助診斷系統(tǒng)(computer-aided diagnosis,CAD)對超聲圖像中的甲狀腺結(jié)節(jié)進(jìn)行鑒別診斷,CAD的準(zhǔn)確率、敏感度和特異度分別為92.5%、96.4%和83.1%。Zhou等[19]建立基于超聲的甲狀腺DLR模型預(yù)測1 750個(gè)甲狀腺結(jié)節(jié)的良惡性,該模型采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和遷移學(xué)習(xí)策略,其可在1幅圖像中獲取3個(gè)不同的ROI作為輸入層。DLR模型在訓(xùn)練集、內(nèi)部和外部驗(yàn)證集中的AUC分別為0.96、0.95和0.97。

孔丹等[20]基于179例患者的CT平掃、動(dòng)脈期和靜脈期圖像進(jìn)行組學(xué)分析建模,其效能在驗(yàn)證集中的AUC為0.92。Li等[21]基于CT增強(qiáng)掃描動(dòng)脈期圖像提取關(guān)鍵影像組學(xué)特征,采用多變量logistic回歸分析、隨機(jī)森林、支持向量機(jī)和決策樹分別建立預(yù)測模型區(qū)分結(jié)節(jié)性甲狀腺腫與甲狀腺乳頭狀癌,多變量logistic回歸分類器獲得了最高的預(yù)測效能,其AUC為0.877。Zhao等[22]基于CT圖像分別使用5種卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型鑒別甲狀腺結(jié)節(jié),并對性能最好的3個(gè)模型建立了集成模型,本研究中5個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和集成模型性能良好,集成模型效能最高,AUC為0.901~0.947。

以上研究表明,基于超聲和CT組學(xué)特征等機(jī)器學(xué)習(xí)方法構(gòu)建的預(yù)測模型預(yù)測甲狀腺結(jié)節(jié)的良惡性效果較好,AUC最高達(dá)0.947。在此基礎(chǔ)上結(jié)合更多的相關(guān)參數(shù),如采用臨床風(fēng)險(xiǎn)分層系統(tǒng)、臨床實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)和免疫組化等,會(huì)更準(zhǔn)確地預(yù)測甲狀腺結(jié)節(jié)的性質(zhì),其準(zhǔn)確率有望接近病理結(jié)果,對甲狀腺結(jié)節(jié)的良惡性分類在臨床決策和管理中具有重要意義。

2.2? 預(yù)測甲狀腺乳頭狀癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移

甲狀腺乳頭狀癌雖是一種惰性腫瘤,但部分癌細(xì)胞易轉(zhuǎn)移至周圍的頸部淋巴結(jié),主要包括中央?yún)^(qū)淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移(central lymph node metastasis,CLNM)和雙側(cè)淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移(bilateral lymph node metastasis,BLNM)。淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移是患者手術(shù)范圍和方式的重要參考指標(biāo),也是腫瘤復(fù)發(fā)最重要的危險(xiǎn)因素[22]。Park等[23]于368例原發(fā)甲狀腺腫瘤中提取熵、峰度、紋理等特征,并計(jì)算影像組學(xué)評分預(yù)測淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn),其AUC為0.710。王偉鎮(zhèn)[24]基于腫瘤的超聲橫切面、縱切面及雙切面的紋理特征,建立組學(xué)模型預(yù)測甲狀腺乳頭狀癌的CLNM,AUC分別為0.661、0.681和0.777,發(fā)現(xiàn)結(jié)合雙切面紋理特征的影像組學(xué)模型預(yù)測CLNM準(zhǔn)確率較單切面高,其診斷準(zhǔn)確率遠(yuǎn)高于常規(guī)超聲檢查。Zhou等[25]的研究也證實(shí)了基于原發(fā)腫瘤的超聲影像組學(xué)特征有助于術(shù)前預(yù)測甲狀腺乳頭狀癌的CLNM,聯(lián)合超聲報(bào)告的淋巴結(jié)狀態(tài)和獨(dú)立的臨床危險(xiǎn)因素,預(yù)測效能進(jìn)一步提高。此外,結(jié)合超聲影像組學(xué)標(biāo)簽、超聲報(bào)告的淋巴結(jié)狀態(tài)、年齡、甲狀腺球蛋白和甲狀腺過氧化酶抗體水平所構(gòu)建的列線圖術(shù)前預(yù)測CLNM的AUC為0.858。與Zhou等[25]研究相比,Tong等[26]加入了CT報(bào)告的淋巴結(jié)狀態(tài),并聯(lián)合超聲影像組學(xué)特征、超聲報(bào)告的淋巴結(jié)狀態(tài)組成的列線圖預(yù)測BLNM,獲得了較高的預(yù)測效能,訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的AUC分別達(dá)0.946和0.914。超聲彈性成像則可通過測量不同組織硬度差異來鑒別病變的性質(zhì)。Liu等[27]分別采用基于超聲、應(yīng)變超聲彈性成像和兩者聯(lián)合的組學(xué)特征構(gòu)建支持向量機(jī)模型,結(jié)果顯示預(yù)測淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的AUC從基于超聲圖像的0.81提高至基于多模態(tài)圖像的0.90。Yu等[28]對來自多中心的甲狀腺乳頭狀癌患者超聲數(shù)據(jù)集建立遷移學(xué)習(xí)影像組學(xué)淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移預(yù)測模型,其AUC為0.90,且模型在不同機(jī)型、不同操作者間的穩(wěn)定性也得到了驗(yàn)證。上述研究表明,采用多模態(tài)超聲成像技術(shù)或聯(lián)合更多的臨床因素構(gòu)建預(yù)測模型,將極大提高模型的性能。

Li等[29]回顧性分析了678例甲狀腺乳頭狀癌患者的CT圖像,基于腫瘤的平掃、動(dòng)脈期和靜脈期圖像,對腫瘤VOI進(jìn)行分割,提取到一階統(tǒng)計(jì)量、形狀特征和紋理特征,結(jié)合臨床危險(xiǎn)因素和CT報(bào)告的淋巴結(jié)狀態(tài),采用K-近鄰、線性支持向量機(jī)、決策樹等6種算法建立預(yù)測模型,AUC為0.669~0.747,其中線性支持向量機(jī)預(yù)測效能最高。Lu等[30]在腫瘤的CT增強(qiáng)掃描動(dòng)脈期和靜脈期圖像上提取組學(xué)特征,采用支持向量機(jī)構(gòu)建預(yù)測模型,AUC為0.759;聯(lián)合臨床危險(xiǎn)因素及CT報(bào)告的淋巴結(jié)狀態(tài)使用多變量logistic回歸構(gòu)建列線圖預(yù)測甲狀腺乳頭狀癌頸部淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移,AUC為0.867。此外,有研究表明瘤周組織在預(yù)測甲狀腺腫瘤頸部淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移中具有重要作用,Lai等[31]從CT增強(qiáng)掃描圖像中提取腫瘤和瘤周間質(zhì)的影像組學(xué)特征,并計(jì)算影像組學(xué)評分,聯(lián)合臨床獨(dú)立的危險(xiǎn)因素、CT圖像特征構(gòu)建列線圖術(shù)前預(yù)測早期甲狀腺乳頭狀癌的淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移,其AUC為0.956;與常規(guī)CT相比,雙能量CT可提供額外的碘圖,通過量化碘的分布反映腫瘤血供和血管分布的異質(zhì)性,為淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的預(yù)測提供更多有價(jià)值的信息。Zhou等[32]從可疑淋巴結(jié)的動(dòng)脈期和靜脈期碘圖中提取形狀、一階和小波等特征,聯(lián)合CT圖像特征(結(jié)外擴(kuò)展和大?。┎捎胠ogistic回歸構(gòu)建預(yù)測模型,AUC為0.933。在后續(xù)的研究中,Zhou等[33]則從腫瘤原發(fā)灶的動(dòng)脈和靜脈期碘圖上提取影像組學(xué)特征,分別構(gòu)建了2個(gè)影像組學(xué)模型并計(jì)算影像組學(xué)評分,即BLNM影像組學(xué)評分和CLNM影像組學(xué)評分,結(jié)合臨床預(yù)測因子后,分別構(gòu)建影像組學(xué)列線圖,其AUC分別為0.847和0.837;2個(gè)模型中50%以上的影像組學(xué)特征與碘濃度的分布差異相關(guān),表明具有更多血管異質(zhì)性的腫瘤更易發(fā)生淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移??梢?,影像組學(xué)聯(lián)合臨床危險(xiǎn)因素,并采用多種機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行模型構(gòu)建將明顯提高預(yù)測效能;基于甲狀腺腫瘤原發(fā)灶的特征可為腫瘤淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移提供有價(jià)值的信息,但基于可疑淋巴結(jié)特征的預(yù)測價(jià)值更大。

2.3? 預(yù)測甲狀腺癌的免疫組化指標(biāo)

有研究表明,免疫組化分析對甲狀腺結(jié)節(jié)性質(zhì)的診斷是有效的。Arcolia等[34]研究發(fā)現(xiàn),半乳糖凝集素3是診斷甲狀腺惡性腫瘤的敏感標(biāo)志物。細(xì)胞角蛋白19和半乳糖凝集素3的陽性免疫表達(dá)提高了對甲狀腺乳頭狀癌的診斷準(zhǔn)確率[33],均被用來輔助診斷甲狀腺結(jié)節(jié)的良惡性。Gu等[35]基于103例患者的CT圖像提取一階、紋理特征,分別使用5種類型支持向量機(jī)構(gòu)建模型,用來預(yù)測甲狀腺結(jié)節(jié)的4種免疫組化指標(biāo)(包括細(xì)胞角蛋白19、甲狀腺過氧化物酶、半乳糖凝集素3和高分子量細(xì)胞角蛋白)。不同算法對同一指標(biāo)預(yù)測效能差異較大,前3項(xiàng)指標(biāo)取得的最高預(yù)測效能分別為84.4%、81.4%、82.5%,而高分子量細(xì)胞角蛋白的預(yù)測效能不佳,準(zhǔn)確率僅65.7%。

2.4? 預(yù)測甲狀腺癌的侵襲性

甲狀腺乳頭狀癌的治療效果較好,但部分甲狀腺乳頭狀癌具有侵襲性,治療后可出現(xiàn)局部復(fù)發(fā)、遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移甚至死亡[36-37],而這種惰性癌發(fā)生預(yù)后不良與腫瘤BRAFV600E突變密切相關(guān),BRAFV600E突變已被報(bào)道其與甲狀腺乳頭狀癌的侵襲性密切相關(guān)[38]。Kwon等[39]回顧性收集96例甲狀腺乳頭狀癌患者的術(shù)前超聲圖像,從縱切面和橫切面提取到86個(gè)影像組學(xué)特征,分別采用logistic回歸、支持向量機(jī)和隨機(jī)森林構(gòu)建甲狀腺癌BRAFV600E突變預(yù)測模型,3個(gè)模型的AUC平均為0.651,預(yù)測效能并不理想。Yoon等[40]發(fā)現(xiàn)在BRAFV600E突變陽性的結(jié)節(jié)中,平均腫瘤直徑較小,因此,其研究不僅對所有患者的甲狀腺結(jié)節(jié)(直徑10~85 mm)術(shù)前超聲圖像進(jìn)行了組學(xué)分析,還對最大徑<20 mm的甲狀腺乳頭狀癌進(jìn)行了亞組分析,結(jié)果顯示全組患者和甲狀腺乳頭狀癌最大徑<20 mm亞組的C指數(shù)分別為0.718、0.729。但在目前的研究中,還不能準(zhǔn)確預(yù)測甲狀腺乳頭狀癌(無論腫瘤大?。〣RAFV600E突變狀態(tài);也不能將健康對照組和甲狀腺乳頭狀癌患者BRAFV600E狀態(tài)進(jìn)行對比。在甲狀腺乳頭狀癌的基因突變研究中,獲得的預(yù)測效能不佳,可能是由于樣本均來自單一機(jī)構(gòu),且樣本量較小。

2.5? 預(yù)測甲狀腺癌的無病生存率

甲狀腺乳頭狀癌患者可從風(fēng)險(xiǎn)分層工具中獲益,此方法可幫助不同風(fēng)險(xiǎn)的患者制訂個(gè)性化治療策略。Park等[41]從768例甲狀腺乳頭狀癌患者的常規(guī)超聲圖像中提取了730個(gè)組學(xué)特征,選擇相關(guān)性排名前40的特征建立影像組學(xué)標(biāo)簽,并根據(jù)各自的權(quán)重計(jì)算影像組學(xué)分?jǐn)?shù),通過單變量和多變量Cox風(fēng)險(xiǎn)比例回歸分析,發(fā)現(xiàn)超聲影像組學(xué)特征、臨床病理因素均與患者的無病生存率獨(dú)立相關(guān),且發(fā)現(xiàn)聯(lián)合影像組學(xué)特征和臨床病理因素構(gòu)建模型,對無病生存率的預(yù)測效能較單獨(dú)的臨床病理模型更高,其C指數(shù)為0.777;表明基于超聲的影像組學(xué)特征可能是甲狀腺乳頭狀癌患者風(fēng)險(xiǎn)分層的潛在影像生物標(biāo)志物。

3? 挑戰(zhàn)與展望

深度學(xué)習(xí)和影像組學(xué)在甲狀腺癌診療中的應(yīng)用較多,盡管其在臨床診斷、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和預(yù)后評估等方面已取得了較好的研究成果,但仍存在以下不足:①目前大多數(shù)研究為單中心、小樣本的回顧性研究,需多中心、大樣本的前瞻性研究進(jìn)一步驗(yàn)證。②甲狀腺病灶形態(tài)、大小差異較大,大多數(shù)研究采用手動(dòng)分割病灶,雖效果較好,但自動(dòng)分割穩(wěn)定性更高。③目前納入的惡性腫瘤大多為甲狀腺乳頭狀癌,研究應(yīng)覆蓋更多的類型,如髓樣癌和濾泡狀癌。④因甲狀腺癌邊界不清,不易識(shí)別和分割,目前的研究均排除直徑較小的腫瘤,以后需用更先進(jìn)的掃描技術(shù)和軟件識(shí)別體積較小的腫瘤。

隨著遷移學(xué)習(xí)的應(yīng)用,針對上述訓(xùn)練樣本量偏小的問題,可嘗試使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在樣本量較大的自然圖像或醫(yī)學(xué)影像上預(yù)先訓(xùn)練一個(gè)模型,提取相關(guān)特征,之后使用預(yù)先訓(xùn)練的模型在小樣本的數(shù)據(jù)集上進(jìn)行微調(diào),提取與醫(yī)學(xué)影像相關(guān)的特征,最后進(jìn)行甲狀腺癌任務(wù)的相關(guān)預(yù)測,這種方法可有效提升小樣本數(shù)據(jù)最終的預(yù)測效能。若將深度學(xué)習(xí)和影像組學(xué)有效結(jié)合起來,可克服傳統(tǒng)影像組學(xué)的耗時(shí)、耗力、重復(fù)性差等缺點(diǎn),進(jìn)一步提高腫瘤相關(guān)預(yù)測的準(zhǔn)確率。

綜上所述,深度學(xué)習(xí)和影像組學(xué)均具有很好的臨床應(yīng)用前景,兩者結(jié)合可輔助臨床診斷及治療決策,從而指導(dǎo)甲狀腺癌患者的精準(zhǔn)個(gè)體化診療。

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