基于影像组学不同插值预测脑转移瘤EGFR和HER2表达状态:一项双中心研究.pdf
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1、CHINESE JOURNAL OF CLINICALANATOMY VOL.41 NO.5 2023基于影像组学不同插值预测脑转移瘤EGFR和HER2表达状态:一项双中心研究李嫣然1,王俭1,徐彩霞2,靳勇3*1.新疆医科大学第一附属医院影像中心,乌鲁木齐830011;2.长治医学院药学系,山西长治046000;3.长治市人民医院影像科,山西 长治046000【摘要】目的基于影像组学的不同插值预测脑转移瘤表皮生长因子受体(epidermal growth factorreceptor,EGFR)和表皮生长因子受体2(human epidermal growth factor receptor
2、 2,HER2)表达状态,并探索预测效果最佳的插值方法。方法回顾来自两个机构共100例腺癌脑转移患者资料(56例患者基因表达为突变型EGFR或HER2阳性,44例患者基因表达为野生型EGFR或HER2阴性),在T1WI增强序列选择sitkNearestNeighbor,sitkLinear和sitkBSplines 3种插值分别提取1409个特征,将患者按7:3随机分为训练集和测试集,使用最小绝对收缩选择算子(LASSO)选择信息性特征,支持向量机(support vectormachine,SVM)构建诊断模型,训练集用于模型训练,独立测试集评估模型的预测性能,ROC曲线计算模型的准确率、敏
3、感度和特异度,ROC曲线下面积(area under curve,AUC)评估模型的预测性能。结果基于sitkBSplines插值选定的19个影像组学特征建立的模型显示良好的预测能力,在训练集中,模型的AUC为 0.99,分类准确率为 0.95,敏感度为 0.92,特异度为 0.97;在独立测试集中,AUC为 0.86,灵敏度0.82,特异度0.78,准确率0.8。sitkBSplines在中心1及中心2的建模中均表现出高于其他插值的鉴别性能。而基于sitkLinear选定的9个影像组学特征建立的模型在训练集和独立测试集的AUC分别为0.74和0.53。结论MRI影像组学模型对预测腺癌脑转移瘤
4、中EGFR突变/HER2状态具有一定应用价值,其中基于sitkBSplines插值提取的影像组学特征预测效能最优。【关键词】脑转移瘤;影像组学;EGFR;HER2【中图分类号】R739.41;R445【文献标识码】A【DOI】10.13418/j.issn.1001-165x.2023.5.19Prediction of EGFR and HER2 expression in brain metastases based on different radiomicsinterpolator:a two-center studyLi Yanran1,Wang Jian1,Xu Caixia2,J
5、in Yong3*1.Department of Radiology,The First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University,Urumqi 830011,Xinjiang Province,China;2.Department of Pharmacy,Changzhi Medical College,Changzhi 046000,ShanxiProvince,China;3.Department of Radiology,Changzhi Peoples Hospital,Changzhi 046000,ShanxiProvi
6、nce,China【Abstract】ObjectiveTo predict epidermal growth factor receptor(EGFR)mutation status andhuman epidermal growth factor receptor 2(HER2)expression status of brain metastasis based on differentradiomics interpolator and to explore the optimal interpolator for prediction.MethodsData from 100pati
7、ents with brain metastasis from adenocarcinoma(56 with mutant EGFR/HER2+,44 with wild-type EGFR/HER2-)from 2 institutions were retrospectively reviewed and analyzed.Contrast-enhanced T1-weightedimaging(T1-CE)sequence was selected for radiomics features extraction by using 3 different interpolators(s
8、itkNearestNeighbor,sitkLinear and sitkBSplines).A total of 1409 radiomics features were extracted fromeach MR interpolator.The patients were randomly divided into training coherent and independent testingcoherent according to 7:3.The least absolute shrinkage selection operator(LASSO)was used to sele
9、ctinformative features,a radiomics signature was built with the support vector machine(SVM)model of thetraining cohort,and the radiomics signature performance was evaluated by using an independent testing dataset.The accuracy,sensitivity and specificity of the model was calculated by the ROC curve.T
10、he predictiveperformance of the model was assessed by the ROC area under curve(AUC).ResultsNineteen selectedradiomics features based on sitkBSplines interpolator showed good discrimination in both the training andindependent test cohorts.The radiomics signature yielded an AUC of 0.99,a classificatio
11、n accuracy of 0.95,sensitivity of 0.92,and specificity of 0.97 in the training cohort,and an AUC of 0.86,a classification accuracyof 0.8,sensitivity of 0.82,and specificity of 0.78 in the independent testing data set.SitkBSplines showedbetter discrimination performance than other interpolations in b
12、oth Center 1 and Center 2 modeling.Nine【收稿日期】2022-06-10【基金项目】山西省 2020年度“四个一批”科技兴医创新计划重点专项(2020XM38)【作者简介】李嫣然(1996-),女,博士,研究方向:神经影像学,E-mail:【通讯作者】靳勇,副主任医师,E-mail: 临床研究 608中国临床解剖学杂志 2023 年第 41 卷第 5 期selected radiomics signature features based on sitkLinear interpolator yielded an AUC of 0.74 in traini
13、ngcohort and an AUC of 0.53 in the independent testing cohort.ConclusionsRadiomics signature model hascertain application value in predicting EGFR mutation/HER2 status in adenocarcinoma brain metastases,among which radiomics features based on sitkBSplines interpolation is the most effective in discr
14、iminationperformance.【Key words】Brain metastasis;Radiomics;EGFR;HER2Corresponding author:Jin Yong,E-mail:脑转移瘤表皮生长因子受体(epidermal growthfactor receptor,EGFR)和它的 3 个同源蛋白 HER2(表皮 生 长 因 子 受 体 2,human epidermal growth factorreceptor 2)、HER3 及 HER4 同属酪氨酸激酶受体家族1,是调控细胞生长、机体发育和组织动态平衡的重要受体,其异常表达会引起持续的生长信号,导致相应
15、细胞发生转化,甚而发生癌变2。人们在多种癌症中发现由EGFR或HER2受体持续性激活导致信号失调与异常,这些信号的异常与癌症的发生、快速恶化及患者的低存活率直接相关3。及时识别 EGFR突变和 HER2 过度表达对于预测治疗效果和确定个体治疗策略至关重要。脑作为常见的远端转移器官,有20%40%的肿瘤患者会发生脑转移4。不同病理类型的脑转移瘤,其生物学特性及影像学表现也不尽相同;脑转移瘤一般采用靶向或免疫治疗5,因此明确脑转移瘤患者的病理类型对于其临床诊治具有重要意义。本研究基于 T1WI 增强的影像组学特征,采用不同插值提取特征进行影像组学建模,探讨其对腺癌来源脑转移瘤EGFR及HER2表达
16、状态的预测效能。1材料与方法1.1研究对象回顾 2016 年 1 月至 2022 年 2 月新疆医科大学附属第一医院和长治市人民医院符合以下标准的患者病例:患者最初诊断为腺癌;病理确诊为腺癌来源的脑转移;患者接受 MRI 平扫及 T1WI 增强检查;病灶直径5 mm。排除标准:无 EGFR 及 HER2检测结果;临床资料缺失;图像质量不佳;图像序列缺损。本研究经新疆医科大学附属第一医院伦理委员会和长治人民医院伦理委员会批准。1.2研究方法1.2.1MRI 扫描采用 SIEMENS skyra 3.0T MRI 扫描 仪,Ge Singna HDxt 3.0T MR 和 SIEMENS Veri
17、o3.0T MRI 扫描仪。轴位 T1WI 扫描,对比剂为钆喷替酸葡甲胺(Gd-DPTA),用量 0.1 mmol/kg。SIEMENSskyra 3.0T MRI 扫描参数:TR2457 ms,TE13 ms,层厚5.0 mm,层数:24,FOV=240 mm240 mm;Ge SingnaHDxT 3.0T MRI 扫描参数:TR 2600 s,TE 13.2 s,FOV 260 mm,层厚 6 mm,层数:18;SIEMENS Verio3.0T MRI 扫描参数:TR 2500 ms,TE 13.5 ms,FOV250 mm,层厚 1 mm,层数:120。T1WI 平扫参数与增强参数相
18、同。1.2.2病灶分割使用 ITK-SNAP 软件(版本 3.8.0,https:/itksnap.org/)对 未 进 行 预 处 理 T1WI 增 强DICOM 原始图像进行三维分割。在 T1WI 增强图像上,由 2 名具有 3 年工作经验的影像科医生分别勾画肿瘤感兴趣区域(region of interest,ROI),ROI包含每层病灶的图像。如果两位影像科医生勾画的 ROI 差异低于 5%,将两个 ROI融合;如果两个 ROI差异高于5%,由 1 名具有 10 年工作经验的影像科医生确定最终勾画。1.2.3MRI 特征提取为高通量地从 MRI 图像中提取 肿 瘤 部 分 的 影 像
19、组 学 特 征,采 用 开 源 软 件PyRadiomic(https:/pyradiomics.readthedocs.io/en/latest/index.html)从 T1WI增强序列的肿瘤核心区分别使用sitkNearestNeighbor,sitkLinear 和 sitkBSplines 插 值 进行采样,设置二进制带宽(binWidth)为 25。最后,使用 3 次插值将 ROI 同位素重采样至平面内分辨率(3mm3 mm3 mm),确保获得的 3D 特征的比例和方向保持不变。从每个确定的 ROI 中提取 1409 个基于特征类和过滤器类的高通量数据特征,特征分为 4组,第 1
20、组(一阶统计量)由 18 个特征描述符组成,通过常用和基本指标定量描绘 MR 图像内的体素强度分布,如峰值、均值、方差等;第2组(基于形状和尺寸的特征)包含 14个三维形状特征,反映肿瘤区域的形状和大小;第 3 组(二阶纹理特征),包含可以量化区域异质性差异的 75 个纹理特征,如灰度共生矩阵(gray-level co-occurrence matrix,GLCM)、灰度游程长度矩阵(gray-level run-length matrix,GLRLM)和灰度级区域矩阵(gray-level size zone matrix,GLSZM)等;第 4 组(高阶滤波器特征),包含 1302 滤波
21、器类特征,采用拉普拉斯,对数,指数和小波滤波器等对图像进行滤波,基于滤波后的图像提取一阶统计量和纹理特征。特征的提取符合影像生物标志物标准化协议(IBSI),特征缺失值以“0”填充。1.2.4数据归一化不同特征计算出的数值差别较大,需将不同特征直接的数值缩放至同一数量级,利用Normalize to unit对特征矩阵进行归一化处理。1.2.5特征选择对每个受试者的所有 ROI 进行手动分割和特征提取后,将数据分为训练集(70%)和独立测试集(30%),分别用于模型训练和独立验证。在训练组中,首先双样本 T 检验选出重要的组学特征,保留 P0.05 的特征进行下一步分析。最后通过最小 609C
22、HINESE JOURNAL OF CLINICALANATOMY VOL.41 NO.5 2023绝对收缩与选择算子算法(LASSO)对组学特征进行降维,筛选出最佳影像组学特征构建模型。1.2.6模型建立及评估采用支持向量机(supportvectormachine,SVM)对sitkNearestNeighbor,sitkLinear 和 sitkBSplines 3 种插值采样数据分别构建诊断模型,绘制 ROC曲线评估不同模型的预测性能,计 算 模 型 的 ROC 曲 线 下 面 积(area under curve,AUC)、准确率、特异度、敏感度,根据模型在测试集的 AUC 筛选最优
23、模型,实验建模流程图如图 1 所示。首先将中心1与中心2的数据合并进行特征提取及建模,之后分别对中心 1 与中心 2 的数据进行特征提取及建模,分析比较不同组别的建模结果。1.3统计分析应用 SPSS软件(22.0版本)对临床资料进行统计分析,组间性别差异采用 Pearson Chi-squared 检验进行评估,年龄分布的差异采用双样本 t 检验进行评估。P0.05认为差异具有统计学意义。2结果2.1临床资料共有 EGFR,HER2 大脑转移瘤患者 114 例,排除图像质量不佳或缺损的 14 例,纳入本研究 100 例,包括转移瘤 EGFR 及 HER2 阳性 55 例,年龄(5911)岁,
24、男/女=21/34;阴性 45 例,年龄(5611)岁,男/女=24/21。从 100 例病人中分割出 178 个 ROI,包括突变型EGFR 及 HER2 阳性的 104 个 ROI(中心 1 有 66 个,中心 2 有 38 个)和野生型 EGFR 及 HER2 阴性的 74 个ROI(中心 1有 40个,中心 2有 34个)。两中心病灶合并后分为训练集(124 个 ROI)和测试集(54 个 ROI)。两组在性别和年龄上差异无统计学意义。脑转移病灶的原发病灶如表1所示。图 1影像组学建模分析流程图及转移瘤分割示例Fig.1Flow chart of radiomicsmodelling
25、analysis and exampleof metastasis segmentation表1原发灶病理结果Tab.1Pathological diagnosis of primary tumors原发灶病理结果Pathological diagnosis ofprimary tumors肺腺癌 Lung adenocarcinoma乳腺癌 Breast adenocarcinoma胃腺癌 Gastiic adenocarcinoma结肠腺癌 Adenocarcinoma ofcolon未知来源腺癌 Undeifined adenocarcinoma总计 Total基因表达情况 Geme e
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