$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Rak płuc pozostaje jednym z głównych typów nowotworów, stanowiąc poważne zagrożenie dla zdrowia, które często prowadzi do śmierci1. Radiomika umożliwia ilościową charakterystykę obrazów medycznych poprzez ekstrakcję dużych zestawów cech opisujących kształt, teksturę i wzorce intensywności guza2,3. Cechy te, określane również mianem cech ręcznie projektowanych (handcrafted features), służą jako potencjalne biomarkery w diagnostyce, prognozowaniu i ocenie odpowiedzi na leczenie raka płuc. Jednak zestawy danych radiomicznych są zazwyczaj wysokowymiarowe i ograniczone pod względem liczby próbek, co prowadzi do występowania redundantnych i szumnych cech, które obniżają wydajność modelu4,5,6,7. W związku z tym efektywna i wyjaśnialna selekcja cech jest kluczowa dla opracowania odpornych modeli predykcyjnych opartych na radiomice.
Tradycyjne podejścia do selekcji cech, takie jak metody filtrowania (np. analiza korelacji, analiza wariancji [ANOVA], informacja wzajemna) oraz metody opakowujące (np. sekwencyjna selekcja cech, rekurencyjna eliminacja cech), są szeroko stosowane w modelach wykrywania nowotworów opartych na radiomice4,8,9. Często jednak nie udaje im uchwycić nieliniowych interakcji między cechami oraz głębokich zależności kontekstowych właściwych dla danych radiomicznych9,10,11. W klasyfikacji obrazów medycznych badano techniki zespołowego uczenia cech, które osiągnęły umiarkowaną dokładność, mogącą zostać w dalszym stopniu poprawiona12.
Metody głębokiego uczenia, w szczególności głębokie sieci neuronowe (DNN), wykazały wyjątkową zdolność do modelowania nieliniowych i hierarchicznych zależności między cechami a wynikami, co czyni je idealnymi do kierowania procesem selekcji cech oraz dostarczania dokładnych modeli wykrywania nowotworów13,14. W tym kontekście badano potencjał wykorzystania splotowej sieci neuronowej, multimodalnych technik AI oraz VCG-16, czyli wstępnie wytrenowanego modelu do diagnostyki nowotworów1,15,16. Zaproponowano, wytrenowano i przetestowano na dużej liczbie obrazów hybrydowy model głębokiego uczenia17, obejmujący wstępnie wytrenowany model VGG-19 oraz sieci długo- i krótkotrwałej pamięci (LSTM), który osiągnął dokładność przekraczającą 99%.
Poza wykrywaniem nowotworów, badania prowadzono również w zakresie określania stadium zaawansowania raka. Hugo i wsp.18 opracowali model sieci neuronowej z jednokierunkowym przepływem informacji na podstawie bazy danych NSCLC obejmującej 300 pacjentów, aby klasyfikować stopnie zaawansowania nowotworu I, II i III z dokładnością 74,52% w testowaniu modelu. Zaprezentowano również opartą na radiomice metodę inwersji bayesowskiej3 do wykrywania stadium raka płuc z wykorzystaniem zbioru danych NLST na próbie 200 osób. Zaproponowana metoda osiągnęła dokładność 86%. Przegląd literatury wykazał, że większość badań nad wykrywaniem nowotworów skupiała się wyłącznie na klasyfikacji guzów łagodnych i złośliwych, a tylko nieliczne zajmowały się klasyfikacją stadium zaawansowania raka, osiągając dokładność poniżej 90%, co pozostawia pole do dalszych ulepszeń. Niniejsza praca badawcza odnosi się do wspomnianej luki badawczej i proponuje solidne ramy klasyfikacji opartej na cechach radiomicznych w celu dokładnego określania stadium zaawansowania raka płuc.
W niniejszym badaniu wprowadzono strukturę rekurencyjnej eliminacji cech opartą na gradiencie straty (GL-RFE), integrującą wsteczną propagację gradientu z sieci neuronowych w procesie RFE. W przeciwieństwie do konwencjonalnych metod RFE, które opierają się na statycznych metrykach istotności cech, GL-RFE wykorzystuje gradienty funkcji straty względem każdej cechy wejściowej, aby zmierzyć, jak silnie każda z nich wpływa na predykcje modelu. Poprzez iteracyjne usuwanie cech o minimalnym wkładzie gradientu, przedstawiony model dokonuje selekcji 15 najważniejszych cech diagnostycznych zoptymalizowanych pod kątem wykrywania stadium raka płuca dla 2 klas (połączone stadium I i II oraz połączone stadium IIIa i IIIb). Schemat blokowy wykonanej pracy przedstawiono na Rysunku 1. Jako zbiór danych dotyczący raka płuca dla zaprezentowanego modelu wybrano NSCLC Radiomics19, zawierający 411 wolumenów w formacie digital imaging and communications in medicine (DICOM) wraz z klinicznymi informacjami o stadium nowotworu. Z każdego wolumenu DICOM raka płuca wyekstrahowano łącznie 106 cech radiomicznych 3D przy użyciu PyRadiomics20, będącego rozszerzeniem oprogramowania open source 3D Slicer21. Cechy te należą do siedmiu klas cech22, obejmujących: kształt (shape), metodę różnic poziomów szarości (GLDM), macierz współwystępowania poziomów szarości (GLCM), cechy pierwszego rzędu (first order), macierz długości serii poziomów szarości (GLRLM), macierz stref wielkości poziomów szarości (GLSZM) oraz macierz różnic tonów szarości w sąsiedztwie (NGTDM). Dane radiomiczne klasy mniejszościowej (stadium I i II) zostały nadpróbkowane przy użyciu techniki syntetycznego nadpróbkowania klasy mniejszościowej (SMOTE)23.
Nowatorstwo proponowanego modelu GL-RFE polega na zintegrowaniu analizy wrażliwości opartej na gradiencie, pochodzącej z treningu sieci neuronowej, z procesem rekurencyjnej eliminacji cech. W przeciwieństwie do konwencjonalnych podejść RFE, które opierają się na statycznych miarach istotności, GL-RFE dynamicznie ocenia istotność cech poprzez gradienty funkcji straty propagowane wstecz. Umożliwia to identyfikację cech bezpośrednio wpływających na przewidywania modelu dotyczące stadium raka, przy jednoczesnym zachowaniu interpretowalności i wykonalności obliczeniowej dla stosunkowo niewielkich zbiorów danych medycznych.
Zbiór danych wykorzystany do trenowania i testowania proponowanego schematu to publicznie dostępny zbiór obrazów CT 422 pacjentów z rakiem płuc, znany jako NSCLC Radiomics17. Dla każdego pacjenta zestaw danych obejmuje wolumen CT, zestaw struktur radioterapeutycznych DICOM (RTSTRUCT) oraz plik segmentacji DICOM (SEG). Pliki te zawierają wykonane przez radioterapeutę manualne obrysy trójwymiarowej objętości głównej masy guza (GTV-1) oraz obraz płuc. Zbiór danych jest zestawem wstępnie przetworzonym, a wymiary obrazów wynoszą 512 x 512 pikseli.
Ze względu na nieliniowy charakter ręcznie opracowanych cech radiomicznych, nie mogą być one bezpośrednio wykorzystywane w modelach głębokiego uczenia do diagnozowania nowotworów, a ich immanentne wzorce danych muszą zostać uchwycone przy użyciu technik AI. Metoda GL-RFE szereguje cechy na podstawie wielkości gradientu straty modelu L względem każdej cechy wejściowej xi.
Dla każdej cechy wejściowej xi, średni gradient bezwzględny jest obliczany w następujący sposób:
(1)
W tym przypadku N oznacza całkowitą liczbę próbek. Lj to strata dla j-tej próbki. xij to i-ta cecha j-tej próbki.
reprezentuje czułość straty w odniesieniu do cechy wejściowej.
Cechy o niskich wartościach gradientu mają minimalny wpływ na aktualizacje modelu i są rekurencyjnie eliminowane. Proponowany schemat eliminacji radiomicznych cech o niskim gradiencie przy użyciu wielowarstwowego perceptrona (MLP) oraz trenowania głębokiej sieci neuronowej (DNN) na podstawie 15 najważniejszych cech przedstawiono na Rysunku 1. Następnie oceniono skuteczność metody GL-RFE w zakresie selekcji cech.
Wspomniany model głębokiego uczenia z metodą GL–RFE został zaimplementowany w notatniku Jupyter w środowisku Google Colab, który umożliwia pisanie i wykonywanie kodu Python w środowisku online. Aby skompilować kod, należy pobrać różne pakiety wymienione w krokach protokołu i materiałach. Stosując metodę opisaną w sekcji Protokół, zidentyfikowano 15 najważniejszych cech radiomicznych służących do wykrywania raka płuc, które następnie wykorzystano do precyzyjnego wykrywania nowotworu w zbiorach danych testowych.