多参数MRI影像基因组学对乳腺癌早期复发的预测研究.pdf
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1、34 论 著影像研究与医学应用 2024年3月 第8卷第5期 多参数 MRI 影像基因组学对乳腺癌早期复发的预测研究周素菊1,廖锦元2(1 桂林市中医医院放射科 广西 桂林 541002)(2 广西医科大学第一附属医院医学影像科 广西 南宁 530021)Multiparameter MRI imaging genomics in breast cancer predictive studies of early recurrenceZHOU Suju1,LIAO Jinyuan21 Department of Radiology,Guilin Hospital of Traditional
2、Chinese Medicine,Guilin,Guangxi 541002,China;2 Department of Medical Imaging,The First Affiliated Hospital of Guangxi Medical University,Nanning,Guangxi 530021,China【Abstract】Objective To investigate the value of dynamic contrast enhanced magnetic resonance and high b-value diffusion-weighted imagin
3、g(DWI)in imaging genomics in predicting early recurrence of breast cancer.Methods This study retrospectively analyzed 100 patients with breast cancer pathologically confirmed by surgery or puncture biopsy admitted to the First Affiliated Hospital of Guangxi Medical University and Guilin Hospital of
4、Traditional Chinese Medicine from January 2017 to April 2019.Clinical and imaging data of patients,including age of onset,menopausal status,immunohistochemistry(including ER,PR,HER-2,Ki-67,etc.),Oncotype DX 21-gene test results,tumor size,lymph node metastasis,recurrence,tumor enhancement pattern,tu
5、mor margin(no burrs or/lobed),tumor morphology,and tumor enhancement curve.According to the results of Oncotype DX 21-gene test,breast cancer patients were divided into medium-high risk group(RS18)and low-risk group(RS18).Diffuse-weighted imaging(high b-value DWI)and contrast-enhanced T1-weighted(T1
6、+C)images were exported from the PACS system,and areas of interest(ROI)were manually delineated by two experienced radiologists.Huiyi Huiying software was used to extract the image omics features of dynamic contrast enhancement(DCE)and high b-value DWI images from the selected ROI.Different methods
7、were used to reduce the dimension of MRI features.KNN method was used to establish the model of predicting early breast cancer recurrence with image omics tags and Oncotype DX 21-gene test results.They were divided into the training set(70 cases)and the test set(30 cases)to compare the AUC,95%CI,sen
8、sitivity and specificity of the two groups.Then,the extracted imaging group features and general clinical data were used for machine learning.Patients were divided into the training set(80 cases)and the test set(20 cases)according to the ratio of 8:2.The AUC,95%CI,sensitivity and specificity of the
9、combined clinicopathological【摘要】目的:探讨磁共振动态对比增强和高 b 值弥散加权成像的影像基因组学预测乳腺癌早期复发的价值。方法:回顾性分析广西医科大学第一附属医院及桂林市中医医院在 2017 年 1 月2019 年 4 月间收治的共 100 例经手术或穿刺活检病理证实为乳腺癌的患者。患者临床及影像资料,包括发病年龄、绝经状态、免疫组化(包括 ER、PR、HER-2、Ki-67 等)、21 基因检测结果,肿瘤大小,淋巴结转移,复发,肿瘤增强模式,肿瘤边缘(无毛刺或/分叶),肿瘤形态,肿瘤增强曲线。根据21基因检测结果将乳腺癌患者分为中高危组(RS18)和低危组(
10、RS 18)。从 PACS 系统输出 b 值高的患者弥散加权成像(高 b 值 DWI)和对比增强 T1加权(T1+C)图像,由两位经验丰富的放射科医生手工勾画出感兴趣区(ROI)。采用汇医慧影软件从选定的 ROI 中提取动态对比增强(DCE)和高 b 值 DWI 图像中影像组学特征,运用不同方法对 MRI 的特征降维,运用 KNN 法建立影像组学标签与 21 基因检测结果的预测乳腺癌早期复发的模型,将患者按 7:3 比例划分为训练集(70 例)和测试集(30 例),比较两组患者的曲线下面积(AUC)、95%CI、灵敏度及特异度;随后将提取的影像组特征学与一般临床资料进行机器学习,将患者按 8:
11、2 的比例划分训练集(80 例)和测试集(20 例),比较两组患者临床病理资料+影像基因组学组合模型的 AUC、95%CI、灵敏度及特异度,最后比较两者的预测效能。结果:在 100 例女性乳腺癌患者中,包括 32 例浸润性导管癌伴导管原位癌,55 例浸润性导管癌,导管原位癌 3 例,浸润性导管癌伴小叶癌 2 例,黏液腺癌 3 例,浸润性小叶癌 3 例,髓样癌 1 例,浸润性导管癌伴乳头状 Patcher 病 1 例,复发 5 例。采用最小绝对收缩算子(LASSO)特征选择方法降维,采用 KNN 算法建立影像基因组学模型和临床+影像基因组学特征组合模型;两种模型预测乳腺癌早期复发的 AUC、灵敏
12、度和特异度比较,中高危险组:训练集 0.78、67%、73%vs 0.91、80%、86%,测试集:0.78、73%、67%vs 0.91、86%、80%;低危险组:训练集 0.59、69%、53%vs 0.68、62%、75%,测试集:0.59、53%、69%vs 0.68、75%、62%。结论:基于磁共振 DWI 及 DCE 图像中提取的影像特征、21 基因检测及临床特征建立的临床+影像基因组学组合模型对乳腺癌早期复发具较好的预测价值。【关键词】乳腺癌;早期复发;磁共振成像;影像组学;21 基因检测【中图分类号】R445.2 【文献标识码】A 【文章编号】2096-3807(2024)05
13、-0034-05 35论 著影像研究与医学应用 2024年3月 第8卷第5期 data+imaging genomics model between the two groups were compared,and finally the predictive efficacy of the two models was compared.Results A total of 100 female breast cancer patients were collected in this study.They included 32 cases of invasive ductal carci
14、noma with ductal carcinoma in situ,55 cases of invasive ductal carcinoma in situ,3 cases of ductal carcinoma in situ,2 cases of invasive ductal carcinoma with lobular carcinoma,3 cases of mucinous adenocarcinoma,3 cases of invasive lobular carcinoma,1 case of medullary carcinoma,1 case of invasive d
15、uctal carcinoma with papillary Patchers disease,and 5 cases of recurrence.The minimum absolute contraction operator(LASSO)feature selection method was used to reduce dimension,and KNN algorithm was used to establish imaging genomics model and clinical+imaging genomics feature combination model.Compa
16、rison of the AUC,sensitivity and specificity of the two models for predicting the early recurrence of breast cancer:in the medium-high risk group,the training set was 0.78,67%,73%vs 0.91,80%,86%;in the test set,0.78,73%,67%vs 0.91,86%,80%;Low risk group:training set 0.59,69%,53%vs 0.68,62%,75%;test
17、set:0.59,53%,69%vs 0.68,75%,62%.Conclusion The combined clinical and imaging genomics model based on the image features,Oncotype DX 21-gene test and clinical features extracted from magnetic resonance DWI and DCE images has good predictive value for the early recurrence of breast cancer.【Key words】B
18、reast cancer;Early recurrence;Magnetic resonance imaging;Image omics;Oncotype DX 21-gene test据 2019 年中国癌症数据结果显示乳腺癌发病率占女性全部恶性肿瘤发病构成的首位,是严重威胁女性健康的第一大恶性肿瘤1。2020 年近 350 万美国妇女患有乳腺癌2。在中国,女性发病概率约为 42.55/10 万人3。乳腺癌是一种异质性非常高的恶性肿瘤,将影像组学与临床特征、基因和影像大数据融合有助于预测早期复发的高危因素。近几年来,随着医疗技术的发展,乳腺癌患者的生存率虽然提高了不少,但是仍有约 40%的患
19、者在接受手术治疗后出现复发4。因此有效预测乳腺癌的早期复发,对患者术后的生存率及生活质量非常重要,并可为临床实践提供重要参考价值。本研究从乳腺 MRI图像中提取出有用的纹理特征,选择有价值的纹理特征建模,研究其对乳腺癌早期复发的预测价值。报道如下。1 材料与方法1.1 一般资料回顾性分析 2017 年 1 月2019 年 4 月在广西医科大学第一附属医院及桂林市中医医院收治的行乳腺 MRI检查的患者,各 50 例,且术前病理均证实为乳腺癌。全部为女性,年龄在3285岁之间,平均年龄(499.6)岁。包括浸润性导管癌 55 例,浸润性导管癌伴导管原位癌32 例,浸润性导管癌伴小叶癌 2 例,浸润
20、性导管癌伴乳头佩吉特病 1 例,黏液腺癌 3 例,浸润性小叶癌 3 例,导管原位癌3例,髓样癌1例。每位患者均进行乳腺MRI(包括 DWI 和 DCE-MRI 两个序列)检查,乳腺病灶经手术病理证实为乳腺癌,无远处转移;并对 21 基因进行检测及免疫组化检测。所有患者行 MR 检查前均未接受过组织活检及新辅助化疗患者。乳腺癌在 2 年内复发的概率最大,按复发时间分为早期复发(术后 2 年)和晚期复发(术后 2 年)。1.2 方法1.2.1 MRI 检查 广西医科大学第一附属医院患者采用德国西门子 3.0T 超导 MRI 扫描仪及 16 通道乳腺专用相控阵表面线圈扫描。所有检查患者均取俯卧位,双
21、侧乳房自然悬垂于线圈内,常规横轴位、冠状位及矢状位定位扫描后,先采集轴位 T1WI 脂肪抑制序列,然后采集轴位 T2WI 脂肪抑制序列,最后再采集多期动态扫描序列 DCE-MRI,先采集多翻转角图像,包括 3、15,以获得 T1原始图。采集动态序列,先采集 1 期平扫图像,然后注入 0.1 mmol/kg 钆双胺注射液,速率 3 mL/s,随后以同样速率注入 20 mL 0.9%氯化钠溶液。动态增强共5 期图像,每期约 28 s,扫描时间为 140 s。桂林市中医医院患者采用 GE 公司生产的 Hd-xt1.5T 超导磁共振及 8通道乳腺专用线圈扫描。常规横轴位、冠状位及矢状位定位扫描后,先采
22、集 Ax T1FSE,Ax STIR,AX DWI,然后 SagVibrant+C。1.2.2 基因检测方法 采用高通量实时逆转录聚合酶链反应对 21 个基因进行分析,采用复发风险评分法依次评估旋转过程中乳腺癌组织中 21 个基因的表达水平;根据评分将肿瘤患者的复发风险分为中高危组和低危组。1.3 影像组学影像组学的概念最早由美国学者 Gillies 等5于2010 年提出,荷兰学者 Lambin 等6对其进行了进一步改进,即“从高通量放射图像中提取图像特征并建立高维数据”,然后揭示某些成像特征与疾病之间的关系。Piak 等7于 2004 年首次提出,21 基因(Oncotype DX 21-
23、gene)检测的复发风险评分是一种检测 21 个癌症相关基因的基因组检测。它已经被证明有能力预测 ER+和腋窝淋巴结阴性乳腺癌患者的长期复发 10 年。1.4 图像处理及分析1.4.1 一般资料分析 由两位 5 8 年以上具有乳腺影像学诊断经验的医师在不知晓病理结果的情况下阅片,意见不一致时经讨论决定。两名医师在轴位或矢状位评估肿瘤大小,达成一致后选择同一成像方位进行测量,计算两位医师在病灶强化最显著时期 DCE 图像上测36 论 著影像研究与医学应用 2024年3月 第8卷第5期 量的肿瘤长径的平均值、边缘、形状、强化程度、强化曲线及有无腋窝淋巴结、复发等情况。1.4.2 图像分割 将扫描第
24、 2 期 DCE 图像及 DWI 图像以 DCOM 格式匿名存储并导入由影像组学平台,导入汇医慧影平台;在对患者的临床信息不知情的情况下,由一名放射科医师在 DWI 及所选取 DCE 图像上手动勾画病灶,然后由高年资放射科医师检查所有病灶轮廓勾画情况。如果面积差异 5%,由副高及以上的放射科医师决定肿瘤边界,勾画时尽可能靠近肿瘤边缘但不超过肿瘤边缘。1.4.3 组学特征提取 应用汇医慧影软件进行特征提取。共提取了 2 818 个特征,DWI 及 DCE 图像各1 049 个特征。1.4.4 特征选择及模型建立 采用最小绝对收缩算子(LASSO)特征选择法降维及 KNN 算法建模。共建立两个模型
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