《Radiology》丨北京协和医院与深睿医疗联合提出一种提高肺腺癌浸润程度预测准确性的AI模型

近日,北京协和医院放射科金征宇教授和宋兰教授团队携手深睿医疗和香港大学,提出了一种能提高肺腺癌浸润程度预测准确性的人工智能建模策略,相关成果被国际知名期刊Radiology(IF 19.7)收录。研究结果表明,通过结合深度学习(DL)和放射组学(Radiomics)的方法对深度学习模型进行融合与优化,同时引入了一种模拟放射科医生在解决不一致分类时可能使用的决策过程,以集成两个二元分类模型和一个三元分类模型来依次解决分类冲突,从而提高了模型在肺腺癌浸润程度方面的预测准确性,特别是在纯磨玻璃结节(pGGNs)上的分类性能,通过这种新的模型和策略,研究在外部测试集上实现了对微浸润性腺癌(MIA)的高准确率预测。新的研究模型对于以往的放射组学模型、深度学习模型以及多模态融合模型均有效,通过早期干预长远防控等智能化手段,可以广泛提高早期肺癌筛查与诊断水平。

肺癌是世界范围内发病率和病死率最高的恶性肿瘤之一。根据2024年2月2日国家癌症中心发布的数据显示(JNCC,2024),2022年我国癌症新发病例约482.47万,新增癌症死亡病例约257.42万。无论男女,肺癌的发病率和死亡率均居于榜首,肺癌的早筛早诊早治刻不容缓。其中,肺腺癌占比近四成。

根据浸润程度(或者叫侵袭性),肺腺癌可以划分为腺体前驱病变(包括非典型腺瘤样增生AAH和原位腺癌AIS)、微浸润性腺癌(MIA)和浸润性腺癌(IAC),其中AAH/AIS根据WHO2021最新指南,推荐保守治疗;而MIA和IAC则需要临床早期积极干预。肺腺癌的浸润性程度在术前评估中对于临床决策意义重大。同时,磨玻璃结节(GGN)相比于实性结节(SSN),具有缓慢生长的特性,术前浸润性评估困难,因此准确评估GGN临床价值更大。目前针对肺腺癌的浸润性进行评估的研究中,普遍数据规模比较小,并且大多研究方法针对特定的影像学表现,对于微浸润性腺癌(MIA)这一类评估效果不佳或不进行评估。

(图1)方法流程图

红框部分显示了本研究提出的分段式的层级化决策模式

如图1红框部分所示,研究首先构造了两个二分类模型(Binary Model),一个用于区分AAH/AIS/MIA和IAC,另一个用于区分AAH/AIS和MIA/IAC,对于同一个病灶,两个Binary Model分别给出预测结果,当预测结果一致时,则直接输出最终结果;当预测结果有分歧时,则使用第三个三分类模型(Ternary Model)进行决策。本研究的训练数据来自4483个患者共计4929个肺腺癌病灶,在此基础上建立了6个用于分类浸润前、微浸润性和浸润性腺癌的三元模型。通过优化结构、联合学习和决策模型,逐步修改基于DL的模型,将两个二元模型与一个三元分类模型相结合,依次解决不一致的分类。这样一套分段式的层级决策模式应用于以往的组学模型、深度学习模型和多模态融合模型,经过内外部测试集效果证明,该模式可以提高所有模型的预测效果,同时还能提高模型预测的一致性,从而可以成为未来肺腺癌浸润性预测模型的通用组件。这项研究还得到了加州大学旧金山分校的Jae Ho Sohn教授和Brandon K. K. Fields医生的积极评价(https://pubs.rsna.org/doi/10.1148/radiol.233356)。

(图2)本研究提出的分段式决策模式的推理过程示意

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