临床研究
18F-FDG PET/CT影像组学融合特征结合XGBoost模型对乳腺癌HER2表达状态的预测价值
中华核医学与分子影像杂志, 2023,43(3) : 150-155. DOI: 10.3760/cma.j.cn321828-20210806-00267
摘要
目的

评估基于18F-FDG PET/CT图像的影像组学融合特征结合极端梯度提升(XGBoost)机器学习模型在乳腺癌人表皮生长因子受体2(HER2)表达状态预测中的价值。

方法

回顾性分析2012年1月至2019年12月于天津医科大学肿瘤医院行18F-FDG PET/CT检查的210例原发性乳腺癌患者[均为女性;年龄52(46,60)岁;HER2阳性95例,HER2阴性115例],采用Python 3.7.1软件从HER2阳性组及HER2阴性组分别随机抽取70%作为训练集[147例,其中HER2阳性67例,年龄52(46,60)岁;HER2阴性80例,年龄55(45,62)岁],30%作为测试集[63例,其中HER2阳性28例,年龄54(43,65)岁;HER2阴性35例,年龄52(45,61)岁]。在CT和PET图像上进行肿瘤分割后,分别提取CT、PET影像组学特征,经后处理获得PET/CT融合特征(包括PET/CT拼接特征和PET/CT平均特征)。建立支持向量机(SVM)模型和XGBoost机器学习模型,输入经特征筛选后保留的特征,用于预测乳腺癌原发灶中HER2的表达状态,并用ROC曲线对模型的预测效能进行评估。采用Delong检验分析不同模型及组学特征的预测效能,并绘制预测效能最高的机器学习模型的校准曲线。

结果

与SVM模型比较,XGBoost模型在输入CT特征、PET特征、PET/CT拼接特征和PET/CT平均特征时均有更佳的预测效能(z值:2.26~3.54, P值:0.016~0.040)。在XGBoost机器学习模型中,PET/CT平均特征预测乳腺癌HER2表达状态的ROC AUC为0.83(95% CI:0.73~0.93),优于CT特征[0.75(95% CI:0.63~0.88);z=3.57,P=0.027]、PET特征[0.73(95% CI:0.60~0.86);z=2.64,P=0.034]及PET/CT拼接特征[0.74(95% CI:0.60~0.87);z=2.49,P=0.037]。

结论

基于PET/CT影像组学融合特征建立的XGBoost机器学习模型有望用于乳腺癌患者HER2表达状态的预测。

引用本文: 陈旖文, 王子阳, 陈薇. 18F-FDG PET/CT影像组学融合特征结合XGBoost模型对乳腺癌HER2表达状态的预测价值 [J] . 中华核医学与分子影像杂志, 2023, 43(3) : 150-155. DOI: 10.3760/cma.j.cn321828-20210806-00267.
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乳腺癌在全球恶性肿瘤发病率中居首位[1]。人表皮生长因子受体2(human epidermal growth factor receptor 2, HER2)阳性乳腺癌占乳腺癌总发病的20%~30%,确定HER2的表达状态是临床HER2靶向治疗的关键[2]。目前,常采用免疫组织化学(immunohistochemistry, IHC)染色及荧光原位杂交(fluorescence in situ hybridization, FISH)确定乳腺癌HER2表达状态,但这些方法存在一定的局限性。18F-FDG PET/CT作为功能性、多模态且无创的显像方式,能准确反映肿瘤生物学。然而,由于乳腺癌的异质性,需要更全面的影像学分析方法来对图像进行分析。机器学习作为数据处理的手段,可从医学图像中提取大量的特征,量化像素强度的异质性,提供更准确的肿瘤基因和分子信息[3]。极端梯度提升(extreme gradient boosting, XGBoost)模型是集成学习的代表,结合了不同的算法,具有速度快、数据处理规模大、支持自定义丢失函数等优点[4,5]。XGBoost模型可自动获得特征得分,计算每个特征对训练模型的重要性。本研究组采用PET/CT影像组学融合特征建立了XGBoost机器学习模型,以揭示PET/CT影像组学融合特征和机器学习在HER2表达状态中的预测作用。

 
 
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