Радиомика продемонстрировала поразительный потенциал в точной диагностике рака, но все еще нуждается в усилении достоверности и стандартизации для достижения воспроизводимых и обобщающих результатов. Несмотря на преимущества радиомики, межсканерные и внутрисканерные вариации параметров сканирования компьютерной томографии (КТ) могут влиять на воспроизводимость ее результатов. Соответственно, эта статья направлена ​​на рассмотрение влияния параметров компьютерной томографии на воспроизводимость результатов радиомикроскопии.

Основная часть 

В целом результаты радиомики чувствительны к изменениям уровня шума; поэтому любой параметр, влияющий на шум изображения, например, напряжение в киловольтах (кВп), ток трубки (мАс), толщина среза, пространственное разрешение, алгоритм реконструкции изображения и т. д., может повлиять на результаты радиомикроскопии. Кроме того, сегментация области интереса (ROI) является еще одной фундаментальной проблемой в снижении воспроизводимости радиомикрометрии. Исследования показали, что практически все параметры сканирования влияют на воспроизводимость радиомики. Тем не менее, некоторые надежные функции воспроизводимы.

Краткое заключение

Одним из решений проблемы воспроизводимости радиомики является стандартизация протоколов визуализации в соответствии с уровнем шума (а не протоколов сканирования). Второе решение состоит в том, чтобы составить список воспроизводимых признаков в соответствии с типом осложнения и анатомической областью. Повторная выборка также может преодолеть нестабильность функций.

Радиомика в целом определила процесс извлечения и анализа количественной информации из медицинских изображений, которые не могут быть распознаны невооруженным глазом [ 1 ]. Это стало привлекательной областью медицинских исследований [ 2 , 3 ]. Это может быть подходящим вспомогательным подходом для персонализированной медицины и правильного и адекватного принятия решений в диагностике и лечении. Благодаря количественному анализу изображений, основанному на неоднородности поражения, радиомика может решить проблемы визуальной и субъективной интерпретации медицинских изображений [ 4 , 5] .]. Исследования показали, что особенности радиомики в значительной степени связаны с показателями гетерогенности на клеточном уровне, поэтому ее можно считать неинвазивным методом цифровой биопсии [ 3 , 6 ]. Общая схема рабочего процесса радиомики разделена на четыре основных этапа (рис.  1 ).

рисунок 1
Рисунок 1

Рабочий процесс типичной радиомики

На первом этапе различные системы визуализации, такие как компьютерная томография (КТ), магнитно-резонансная томография (МРТ), ультразвук (УЗИ) или позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), позволяют получать стандартные медицинские изображения [2, 7 ] .]. Второй шаг — предварительная обработка, при которой изображения гомогенизируются перед выделением признаков. Гомогенизация выполняется в отношении расстояния между пикселями, интенсивности уровней серого, ячеек гистограммы и т. д. Третий шаг — сегментация, при которой определяется объем области интереса (ROI). ROI очерчены на медицинских изображениях в зависимости от клинических требований; они могут быть всей опухолевой тканью или ее подмножествами. Эти подмножества могут также включать участки некроза и отека (скопление жидкости). Сегментация может выполняться вручную, полуавтоматически и полностью автоматически. Специальные наборы инструментов извлекают особенности радиомики из объемов ROI на четвертом этапе. Эти признаки можно разделить на две категории: семантические и агностические. Семантические особенности или особенности формы обычно распознаются радиологами визуально для описания поражений, такие как форма, размер, расположение (место поражения); эти особенности также могут быть извлечены количественно и более точно с помощью наборов инструментов радиомики [5 , 6]. Независимые признаки (первого и второго порядка) нельзя визуально определить на медицинском изображении. Тем не менее, они должны быть извлечены из вокселей изображения ROI в виде количественных данных на основе сложных математических и статистических методов. Признаки первого порядка описывают распределение значений отдельных пикселей по отдельности без анализа пространственного отношения пикселей; на самом деле функции основаны на данных гистограммы, таких как среднее, медиана, максимальное и минимальное значения интенсивности пикселей на изображении, а также асимметрия, эксцесс, однородность и энтропия. Признаки второго порядка, также называемые текстурными признаками, получаются путем расчета статистических взаимосвязей между соседними пикселями и показывают меру пространственного расположения интенсивности пикселей и, как следствие, неоднородности внутри поражения.4 , 8 , 9 ]. Некоторые другие функции также могут быть получены после применения к извлеченным изображениям вейвлетных, лапласианских и гауссовых передаточных функций. Извлеченные радиомикологические признаки можно затем проанализировать с помощью статистических методов и методов машинного обучения [ 6 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 ].

Параметры, влияющие на результаты радиомики при компьютерной томографии, показаны на рис.  2 [ 5 ]. Любое изменение параметров сканирования может повлиять на качество изображения и воспроизводимость радиомикрометров [ 17 ]. Воспроизводимость — это процесс сведения к минимуму ошибок при одновременном изменении методологии или данных. В частности, в радиомике это означает нахождение устойчивых функций к изменениям в оборудовании, программном обеспечении, настройках получения изображений, операторах и даже субъектах [ 18 , 19 ].]. Параметры, ответственные за снижение воспроизводимости характеристик радиомики, известны как «деструктивные параметры». Знание деструктивных параметров и закономерностей их влияния на характеристики радиомики может быть ценным и полезным для стандартизации изображений для целей радиомики. Предыдущие исследования роли параметров КТ-сканирования в воспроизводимости радиомикрометров дали разные, а в некоторых случаях и противоречивые результаты. Согласно различным сообщениям о результатах радиомикроскопии при компьютерной томографии, основной целью данной обзорной статьи является изучение отчетов, связанных с влиянием параметров компьютерной томографии на воспроизводимость характеристик радиомикроскопии.

Рис. 2
фигура 2

Классификация различных параметров компьютерной томографии, влияющих на радиомику

Параметры КТ-сканирования и радиомика воспроизводимость

В таблице 1 обобщены некоторые основные характеристики исследований воспроизводимости радиомикрометрии КТ, а также их основные результаты и выводы. В целом, большинство параметров КТ можно считать деструктивными. Предыдущие исследования показали, что выводы в области радиомики следует делать с осторожностью, поскольку характеристики радиомики могут претерпевать значительные изменения по сравнению с незначительными изменениями в медицинском образе [ 5 ]. Несмотря на все преимущества радиомики, наиболее острой проблемой является зависимость результатов радиомики от параметров сканирования, сегментации, алгоритма реконструкции изображения, предварительной и постобработки [1, 2 , 20 , 45 ] .]. В общем, параметры сканирования, такие как напряжение в киловольтах, высота тона и мАс, влияют на воспроизводимость результатов радиомикрометрии. Однако существуют противоречивые отчеты относительно количества эффектов и важности каждого из этих параметров для функций радиомики. Также в связи с различием протоколов визуализации у разных производителей КТ аппаратов необходимо проводить дополнительные исследования воспроизводимости признаков под влиянием параметров сканирования на разных марках КТ [19, 20 , 21 , 22 , 23 , 24 ] . , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30 , 3132 , 33 , 34 , 35 , 36 , 37 , 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44 , 45 , 46 , 47 ] .

Таблица 1. Сводка характеристик и результатов исследований воспроизводимости радиомиксов КТ.

Общий вывод из предыдущих исследований о влиянии параметров сканирования на вариации характеристик радиомикродинамики состоит в том, что характеристики радиомикродинамики чувствительны к изменениям уровня шума изображений, поэтому любой параметр сканирования, влияющий на шум изображения, может повлиять на воспроизводимость радиомикродинамики [20, 21 ] . , 33 , 41 ]. Кроме того, операции предварительной и постобработки в сканерах, детали протоколов визуализации, такие как алгоритмы реконструкции и связанные с ними методы подавления шума, размер пикселя, разрешение, уровень контрастности, могут существенно повлиять на расчетные характеристики радиомикродинамики [20 ] .

Предложение: Чтобы максимизировать ценную информацию, полученную из изображений компьютерной томографии в радиомике, и избежать неправильной интерпретации ее результатов, исследователи должны понимать все источники шума. Это понимание может помочь в разработке таких решений, как предварительная обработка изображений для уменьшения шумовых эффектов. В ретроспективных исследованиях знание и осведомленность об уровне шума могут использоваться в качестве руководства для выбора подходящего изображения для радиомикрометрического анализа (например, для радиомикрометрического анализа были выбраны только изображения с размером пикселя в определенном диапазоне). В проспективных исследованиях анализ шума можно использовать для оптимизации протоколов визуализации. Поэтому представляется целесообразным исследовать влияние уровня шума на воспроизводимость радиомики в большом когортном исследовании с участием разных клиник.

Получение данных

Характеристики радиомики могут сильно зависеть от толщины среза, размера пикселя, разрешения и изменений размера вокселя [ 19 , 23 , 26 , 27 , 34 , 38 , 39 , 44 ] (таблица 1 ). Следовательно, такие параметры сканирования должны быть скорректированы в зависимости от особенностей радиомики, параметров визуализации, типа поражения и клинических результатов. Необходимо оценивать силу признаков с точки зрения присущей им зависимости от толщины среза, размера пикселя и FOV.

Предложение: Было бы лучше получить модель надежных изменений характеристик вместо того, чтобы исследовать влияние каждого параметра сканирования на результаты радиомикродинамики. Повторная выборка КТ-изображений может скорректировать изменчивость характеристик радиомики из-за непостоянных параметров сканирования, таких как размер пикселя, поле зрения, толщина среза.

Реконструкция и обработка изображений

В недавних работах также сообщалось о влиянии предварительной обработки на воспроизводимость [ 19 , 27 , 34 , 35 , 44 ] (таблица 1 ). Предварительная обработка изображения в программном обеспечении для радиомаяка может изменить результаты расчетов в радиомиксе. Обычными операциями предварительной обработки являются изменение масштаба, передискретизация, нормализация, диапазон уровней серого и квантование значений серого. Соответственно, эти параметры разрешения изображения и предварительная обработка могут окончательно показать свое влияние на уровень шума и качество изображения. В целом сообщалось о противоречивых результатах относительно влияния изменений в алгоритме реконструкции и ядра на воспроизводимость радиомикологических характеристик по сравнению с другими параметрами сканирования [ 21] .22 , 26 , 36 , 37 , 38 , 39 , 40 , 44 ] (табл. 1 ). Поэтому рекомендуется, чтобы влияние этого параметра на результаты радиомикрометрических характеристик оценивалось более комплексно в будущих исследованиях.

Предложение: Для повышения воспроизводимости радиомики необходимо стандартизировать метод визуализации. Для обобщения радиомики в клинических областях некоторые исследования показали, что решением может быть разработка стандартизированных протоколов для компьютерной томографии [ 5 , 6 , 45] .]. Тем не менее, стандартизация протоколов КТ-сканирования все еще имеет некоторые проблемы, тем более что технические характеристики и настройки каждого аппарата КТ зависят от производителя. Таким образом, даже если для рабочего процесса радиомикрометрических исследований разработан стандартный протокол, разные аппараты КТ не будут давать одинаковые изображения. Это связано с различиями в детекторных системах, электронике и ядре реконструкции у разных поставщиков, а также с анатомическими, физиологическими изменениями и изменениями положения пациента. Конечно, в сообществе исследователей рака предпринимаются попытки стандартизировать рабочий процесс радиомики, который называется процессом «Инициатива по стандартизации биомаркеров изображений (IBSI)» [ 31] .]. Однако эти усилия еще не предоставили исчерпывающих рекомендаций по практическому выбору протоколов КТ-сканирования, включая размер пикселя и количество уровней серого, необходимых для получения надежных и надежных результатов. Также должна быть представлена ​​четкая и решительная стратегия процесса сегментации.

Сегментация

Сегментация ROI в основном проводится вручную медицинскими работниками. Хотя сегментация, вероятно, является наиболее очевидным источником различий между читателями (между наблюдателями) и часто определяется как источник потенциальных проблем в воспроизводимости радиомики, ее роль в радиомике все еще не исследована (скорее всего, из-за трудностей в создании большой набор данных опухолей, сегментированных несколькими наблюдателями) [ 1 , 32 , 37 , 42 , 43 , 46 , 47 ] (Таблица 1). Расчеты радиомики могут выполняться как в двухмерном, так и в трехмерном режиме, что дает разные результаты. Особенности 3D-радиомики интерпретируют диагностическую способность и дифференциацию аномальной ткани от нормальной ткани лучше, чем результаты 2D-радиомики; однако манипулирование 2D-радиомикой быстрее и доступнее, и его результаты показали большую воспроизводимость, чем 3D [ 24 , 32 ] (таблица 1) .). Высокая воспроизводимость 2D-радиомики, возможно, связана с точностью и осуществимостью определения ROI в 2D-методе. Протоколы двумерной сегментации должны быть предложены и разработаны для повышения воспроизводимости радиомикотического подхода. Кроме того, для рентгеномного анализа с использованием текстурных признаков было бы лучше нарисовать ROI полностью внутри поражений и как можно дальше от их границ.

Предложение: Что касается сегментации, следует предложить и разработать протоколы 2D-сегментации для повышения воспроизводимости в радиомикологических исследованиях, предоставляя те надежные функции, которые могут отличить поражение от нормальной текстуры, вводятся и извлекаются. Кроме того, при рентгенологическом анализе с использованием текстурных признаков следует пытаться полностью очертить область интереса внутри массы и провести ее как можно дальше от анатомических границ. Следует принять решение о ручной или автоматической идентификации [ 1 , 42 , 43 ].

Более половины рассмотренных КТ-радиомикологических исследований были выполнены с использованием специального программного обеспечения для радиомикс, в то время как в других исследованиях использовалось собственное программное обеспечение или не сообщалось о программном обеспечении [ 1 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30 , 31 , 32 , 33 , 34 , 35 , 36 , 37 , 38 , 39 , 4041 , 42 , 43 , 44 ] (табл. 1 ). MATLAB является наиболее часто используемым инструментом для расчета признаков радиомики, за ним следуют наборы инструментов для извлечения признаков с открытым доступом, такие как Pyradiomics. Несколько других программ использовались для извлечения функций радиомикродинамики. Большинство предыдущих исследований проводились с LIFEx, IBEX, Pyradiomics и Mazda. Некоторые функции в программе имели одинаковое название, но методы математических расчетов различались. Наоборот, некоторые функции имели разные названия при одном и том же методе расчета.

Предложение: Представляется необходимым введение более стандартизированных функций в рабочий процесс радиомикротехники. Для радиомикологического анализа было введено несколько программ [ 20 , 21 , 25 , 30 ].]. Компетентный орган должен разработать комплексное программное обеспечение для радиомикологического анализа для проведения всех исследований в области радиомикродинамики. Также должны быть унифицированы и стандартизированы названия признаков и математический алгоритм расчета признаков. Другим предлагаемым решением проблемы воспроизводимости радиомики является поиск воспроизводимых и надежных признаков в зависимости от типа заболевания или анатомической области. Например, следует выделить и перечислить специфические признаки, отличающие заболевание печени от нормы с высокой воспроизводимостью. Затем эти особенности следует использовать в радиомикологических исследованиях заболеваний печени. В заключение категории признаков формы имеют высокую воспроизводимость, за которыми следуют признаки первого порядка (такие как интенсивность пикселей, стандартное отклонение, асимметрия, однородность,45 ]

Выводы

Радиомика показала большой потенциал в точной диагностике рака, но все еще необходимо усилить ее достоверность и стандартизацию для достижения воспроизводимых результатов. Кажется, что воспроизводимость является критической проблемой на пути к обобщению радиомикрометрии КТ. Большинство параметров компьютерной томографии могут повлиять на воспроизводимость результатов радиомикроскопии. Однако то, как на каждую функцию влияют изменения в параметрах сканирования, по-прежнему противоречиво. Кроме того, любой параметр сканирования, влияющий на шум изображения, может повлиять на результаты радиомикродинамики. Будущие исследования должны быть больше сосредоточены на проблеме воспроизводимости радиомики КТ путем внедрения стандартных платформ извлечения признаков, надежных методов сегментации и стандартизации параметров предварительной обработки.

Источник