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对比增强与非增强CT图像中NSCLC患者延迟期放射组学特征的比较

期刊:Physica MedicaDOI:10.1016/j.ejmp.2019.12.019

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作者与机构
本研究的主要作者包括Ryo Kakino、Mitsuhiro Nakamura、Takamasa Mitsuyoshi、Takashi Shintani、Hideaki Hirashima、Yukinori Matsuo和Takashi Mizowaki。他们分别来自日本京都大学医学研究科信息工程与医学工程系的医学物理部门、放射肿瘤学与图像应用治疗部门,以及日本学术振兴会(JSPS)的研究员。该研究发表于《Physica Medica》期刊,并于2020年1月6日在线发布。

学术背景
本研究属于医学影像与放射治疗领域,具体聚焦于非小细胞肺癌(NSCLC)患者的放射组学(Radiomics)特征分析。放射组学是一种从医学影像中提取大量定量特征的技术,近年来被广泛应用于癌症患者的临床预后预测。本研究的主要背景是,立体定向体部放射治疗(SBRT)是早期NSCLC患者的一种重要治疗手段,但其疗效预测仍存在挑战。特别是,诊断性CT(计算机断层扫描)图像中是否使用对比增强(contrast enhancement)可能影响放射组学特征的提取,进而影响预后预测的准确性。因此,本研究旨在比较延迟期(delayed phase)使用对比增强与未使用对比增强的诊断CT图像中提取的放射组学特征,以评估对比增强对放射组学特征的影响。

研究流程
本研究包括以下主要步骤:
1. 患者选择与数据收集
研究纳入了2006年1月至2016年3月期间在京都大学医院接受SBRT治疗的410名NSCLC患者(437个肿瘤)。最终纳入269个肿瘤(256名患者),其中188个肿瘤来自未使用对比增强的CT图像(数据集NE),81个肿瘤来自使用对比增强的CT图像(数据集CE)。患者特征包括年龄、性别、体能状态(PS)、体重、肿瘤位置(中央或外周)、吸烟状态和肿瘤体积(GTV)。
2. CT图像采集与分割
诊断CT图像在SBRT治疗前采集,包括未使用对比增强和使用对比增强的图像。对比增强图像在注射对比剂后约120秒(延迟期)采集。图像分割由两名经过认证的放射肿瘤学家手动完成,分割区域为肿瘤体积(GTV),作为放射组学特征提取的感兴趣区域(ROI)。
3. 放射组学特征提取
使用开源软件PyRadiomics(版本2.1.2)从ROI中提取放射组学特征。共提取了93个特征,包括18个一阶特征和75个纹理特征。为了减少不同体素大小对特征值的影响,图像被重采样为1×1×1 mm³的体素大小。此外,为了评估不同灰度级宽度(bin width)对特征的影响,设置了5个灰度级宽度(6、13、25、50和100 Hounsfield单位,HU)。
4. 特征可重复性评估
使用组内相关系数(ICC)评估特征的可重复性。ICC值≥0.8的特征被认为高度可重复,0.5≤ICC<0.8的特征被认为中度可重复,ICC<0.5的特征被排除。最终,80个特征被认为可重复(60个高度可重复,20个中度可重复)。
5. 特征比较与统计分析
比较数据集NE和CE之间的放射组学特征差异。使用学生t检验、Welch检验或Wilcoxon秩和检验进行统计分析。此外,通过双因素方差分析(ANOVA)评估灰度级宽度对纹理特征的影响。
6. 亚组分析
根据CT采集时间、曝光值(mAs)和患者特征进行亚组分析,以评估这些因素对放射组学特征差异的影响。

主要结果
1. 一阶特征比较
在16个一阶特征中,12个特征在数据集NE和CE之间显示出显著差异(p<0.05),且这些差异与灰度级宽度无关。此外,两个依赖于灰度级宽度的特征(“熵”和“均匀性”)在所有灰度级宽度下均显示出显著差异(p<0.05),但“均匀性”在灰度级宽度为100 HU时除外。
2. 纹理特征比较
在62个纹理特征中,16个特征在数据集NE和CE之间显示出显著差异(p<0.05),且这些差异与灰度级宽度无关。此外,ANOVA结果显示,11个纹理特征在数据集NE和CE之间显示出显著差异,45个纹理特征在不同灰度级宽度下显示出显著差异。
3. 亚组分析结果
根据CT采集时间和曝光值的亚组分析未显示出显著差异。然而,根据患者特征的亚组分析显示,年龄较大、体重较轻、体能状态较好、吸烟者、肿瘤体积较大以及肿瘤位于中央区域的患者,其数据集NE和CE之间的放射组学特征差异更为显著。

结论
本研究表明,在NSCLC患者的延迟期诊断CT图像中,对比增强会影响部分放射组学特征,且这种影响的变异性主要取决于患者特征。因此,在放射组学分析中,未使用对比增强和使用对比增强的CT图像不应混合使用,即使是在延迟期采集的图像。

研究亮点
1. 本研究首次系统地比较了延迟期使用对比增强与未使用对比增强的诊断CT图像中提取的放射组学特征,填补了这一领域的研究空白。
2. 通过引入多灰度级宽度分析,本研究揭示了灰度级宽度对放射组学特征提取的重要影响,为未来放射组学研究提供了重要参考。
3. 亚组分析结果表明,患者特征对放射组学特征的变异性具有显著影响,这为个性化放射组学分析提供了新的思路。
4. 本研究采用严格的ICC标准评估特征可重复性,确保了研究结果的可靠性。

其他有价值的内容
本研究还讨论了对比增强对放射组学特征影响的可能机制。例如,对比剂在延迟期仍可能残留在肿瘤区域,导致CT值直方图的变化。此外,本研究还指出了未来研究的方向,包括进一步验证对比增强对放射组学特征的影响,以及开发更精确的放射组学模型以优化NSCLC患者的预后预测。


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