[논문 리뷰] 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 Tixier외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 05.

Radiomics and Machine Learning in Medical Imaging참고 문헌 22인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 다중 센터에서 비소세포성 폐암(NSCLC) 환자들의 PET 및 저선량 CT 영상에서 형태 및 이질성 특징의 재현 가능성을 평가한다. 74명의 환자에서 획득한 반복 측정 PET/CT 영상 분석을 통해 특징의 신뢰도는 특성 유형과 양자화 방법에 따라 크게 달라지며, PET에서는 양자화B가, CT에서는 양자화W가 각각 신뢰도를 향상시킴을 발견하여, 방사형모델 개발 시 고려해야 할 핵심 요소를 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다중 센터에서 비소세포성 폐암(NSCLC) 종양의 PET 및 저선량 CT 성분에서 방사형 특징의 반복 측정 재현 가능성 평가
• 이미지 양자화 방법이 기능적(PET) 및 해부학적(CT) 영상 성분에서 특징의 신뢰도에 미치는 영향 규명
• 재현 가능성 지표를 기반으로 형태 및 이질성 특징을 매우 신뢰할 만한, 신뢰할 만한, 중간 수준의 신뢰성, 또는 낮은 신뢰성으로 분류
• 모odal-특화 및 양자화 방법에 따라 최적의 특징을 식별하여 다중 매개변수 방사형모델링을 위한 견고한 방사형 특징 선택을 안내

제안 방법

• 74명의 NSCLC 환자에서 다중 센터 임상시험(Merck 및 ACRIN)에서 확보한 익명화된 반복 측정 PET/CT 데이터셋을 HIPAA 기준에 부합하는 2차 분석 수행
• 퍼지 국소 적응형 베이지안(FLAB) 알고리즘을 사용해 PET 영상에서 대사 활성 종양 볼륨 자동으로 할당
• 3DSlicer™를 사용해 저선량 CT 영상에서 해부학적 종양 볼륨 반자동으로 세그먼테이션
• 두 가지 양자화 방법 적용: 고정된 박스 수(quantizationB) 및 고정된 박스 폭(quantizationW)으로 특징 계산
• 양성모드에서 4개의 형태 기술자, 10개의 1차 지표, 26개의 질감 특징 계산
• Bland-Altman 분석을 통해 반복 측정 재현 가능성 측정 및 특징의 신뢰도 수준 분류

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반복 스캔에서 NSCLC 종양의 PET 및 저선량 CT에서 추출한 형태 및 이질성 특징의 재현 가능성은 어떠한가?
• RQ2 이미지 양자화 방법(고정된 박스 수 대비 고정된 박스 폭) 선택이 방사형 특징의 재현 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 어떤 방사형 특징이 PET와 저선량 CT에서 높은 재현성을 보이며, 이는 특징 유형에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 이미지 모odal(기능적 PET 대비 해부학적 CT)이 방사형 특징의 재현 가능성에 어느 정도 영향을 미치는가?

주요 결과

• 방사형 특징의 재현 가능성은 매우 다양하게 나타나, PET 및 CT 모두에서 많은 특징이 낮거나 중간 수준의 재현성으로 분류됨.
• 형태, 1차 지표, 질감 유형의 일부 특징들이 PET 및 CT 양측에서 (매우) 신뢰할 수 있는 결과를 보임.
• quantizationB는 PET 영상에서 특징의 신뢰도를 유의미하게 향상시켰고, quantizationW는 저선량 CT 영상에서 더 우수한 결과를 얻음.
• 양자화 방법 선택이 특징 재현 가능성에 중대한 영향을 미치며, 이는 방법론적 선택이 특징의 견고성에 결정적인 영향을 미친다는 것을 시사함.
• 이 연구는 NSCLC의 다중 매개변수 방사형모델링에서 우선적으로 고려해야 할 특정 특징 유형과 양자화 전략을 규명함.