[論文レビュー] Reliability of PET/CT shape and heterogeneity features in functional and morphological components of Non-Small Cell Lung Cancer tumors: a repeatability analysis in a prospective multi-center cohort

Marie-Charlotte Desseroit, Florent Tixier+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2016

Radiomics and Machine Learning in Medical Imaging参考文献 22被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、非小細胞肺癌（NSCLC）患者の複数施設におけるPETおよび低線量CT画像における形状および不均一性特徴の再現性を評価する。74例のテスト・リテストPET/CTスキャンを用いて、特徴の信頼性が指標および量子化手法によって顕著に異なることが判明した。量子化BはPETの信頼性を向上させ、量子化WはCTの信頼性を向上させた。これは、放射線学的モデル開発における重要な検討事項を示している。

ABSTRACT

Purpose: The main purpose of this study was to assess the reliability of shape and heterogeneity features in both Positron Emission Tomography (PET) and low-dose Computed Tomography (CT) components of PET/CT. A secondary objective was to investigate the impact of image quantization.Material and methods: A Health Insurance Portability and Accountability Act -compliant secondary analysis of deidentified prospectively acquired PET/CT test-retest datasets of 74 patients from multi-center Merck and ACRIN trials was performed. Metabolically active volumes were automatically delineated on PET with Fuzzy Locally Adaptive Bayesian algorithm. 3DSlicerTM was used to semi-automatically delineate the anatomical volumes on low-dose CT components. Two quantization methods were considered: a quantization into a set number of bins (quantizationB) and an alternative quantization with bins of fixed width (quantizationW). Four shape descriptors, ten first-order metrics and 26 textural features were computed. Bland-Altman analysis was used to quantify repeatability. Features were subsequently categorized as very reliable, reliable, moderately reliable and poorly reliable with respect to the corresponding volume variability. Results: Repeatability was highly variable amongst features. Numerous metrics were identified as poorly or moderately reliable. Others were (very) reliable in both modalities, and in all categories (shape, 1st-, 2nd- and 3rd-order metrics). Image quantization played a major role in the features repeatability. Features were more reliable in PET with quantizationB, whereas quantizationW showed better results in CT.Conclusion: The test-retest repeatability of shape and heterogeneity features in PET and low-dose CT varied greatly amongst metrics. The level of repeatability also depended strongly on the quantization step, with different optimal choices for each modality. The repeatability of PET and low-dose CT features should be carefully taken into account when selecting metrics to build multiparametric models.

研究の動機と目的

• 複数施設における非小細胞肺癌（NSCLC）腫瘍のPETおよび低線量CT成分における放射線学的特徴のテスト・リテスト再現性を評価すること。
• 画像量子化手法が機能的（PET）および形態的（CT）画像成分における特徴の信頼性に与える影響を特定すること。
• 再現性指標に基づき、形状および不均一性特徴を非常に信頼性が高い、信頼性が高い、中程度信頼性がある、または信頼性が低いと分類すること。
• モダリティおよび量子化に特化した最適な特徴を特定することで、NSCLCにおけるマルチパラメトリックモデリングに向けた耐性のある放射線学的特徴の選定を支援すること。

提案手法

• ヒッパコンプライアンスに準拠した二次的分析を実施。74例のNSCLC患者の複数施設治験（メルクおよびACRIN）における匿名化済みテスト・リテストPET/CTデータセットを用いた。
• Fuzzy Locally Adaptive Bayesian（FLAB）アルゴリズムを用いて、PET画像上の代謝的活性を示す腫瘍ボリュームを自動で輪郭指定した。
• 3DSlicer™を用いて、低線量CT上の解剖的腫瘍ボリュームを準自動でセグメンテーションした。
• 2種類の量子化手法を適用：固定ビン数（quantizationB）および固定ビン幅（quantizationW）を用い、特徴計算に使用した。
• 両モダリティにおいて、4つの形状記述子、10の一次的指標、26のテクスチャ特徴を計算した。
• Bland-Altman解析を用いてテスト・リテスト再現性を定量し、特徴の信頼性レベルに分類した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NSCLC腫瘍における繰り返しスキャンにおけるPETおよび低線量CTからの形状および不均一性特徴の再現性はどの程度か？
• RQ2 固定ビン数対固定ビン幅という画像量子化手法の選択が、放射線学的特徴の再現性にどのように影響するか？
• RQ3 どの放射線学的特徴がPETと低線量CTで高い再現性を示し、特徴のカテゴリーやモダリティによってどのように変化するか？
• RQ4 画像モダリティ（機能的PET対形態的CT）が放射線学的特徴の再現性にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• 放射線学的特徴の再現性は広範囲にわたり変動し、PETおよびCTの両方で多くの特徴が、信頼性が低いまたは中程度信頼性があると分類された。
• 形状、一次的、テクスチャカテゴリに属する一部の特徴が、PETおよびCTの両方で（非常に）信頼性が高いことが判明した。
• quantizationBはPET画像の特徴信頼性を顕著に向上させたが、quantizationWは低線量CT画像の特徴信頼性をより良くした。
• 量子化手法の選択が特徴の再現性に大きな影響を与えた。これは、メソドロジカルな選択が特徴の耐性に顕著に影響することを示している。
• 本研究では、NSCLCにおけるマルチパラメトリック放射線学的モデリングにおいて優先すべき、特定の特徴カテゴリおよび量子化戦略を同定した。