基于3D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)局部晚期NSCLC患者的生存預(yù)測(cè)

馬亞楠 宋玥 郝天宇

摘? 要：目前關(guān)于非小細(xì)胞肺癌（NSCLC）患者生存分析的研究已經(jīng)有很多，但是大多數(shù)都是在醫(yī)生勾畫出腫瘤的基礎(chǔ)上進(jìn)行影像組學(xué)特征提取，其次結(jié)合臨床以及治療前患者的腫瘤PET/CT圖像特征進(jìn)行生存分析的研究。在無(wú)醫(yī)生勾畫腫瘤的基礎(chǔ)上，采用深度學(xué)習(xí)的方法，基于患者治療前后FDG-PET是否可以對(duì)局部晚期NSCLC患者進(jìn)行生存分析。在采用治療前和治療后FDG-PET時(shí)，基于3D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（3D CNN）的深度生存模型的一致性指數(shù)（C-index）為0.67。研究表明，同時(shí)使用治療前后PDG-PET進(jìn)行閱片可以預(yù)測(cè)出患者的風(fēng)險(xiǎn)概率。

關(guān)鍵詞：非小細(xì)胞肺癌；治療前后PDG-PET；3D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；生存分析

中圖分類號(hào)：TP391? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）04-0109-05

Survival Prediction of Patients with Locally Advanced NSCLC Based on 3D CNN

MA Ya'nan， SONG Yue， HAO Tianyu

（Lanzhou University of Finance and Economics， Lanzhou? 730020， China）

Abstract： There have been many studies on the survival analysis of patients with non-small cell lung cancer （NSCLC）. However， most of the studies are based on the extraction of tumor radiomics features based on the tumour label outlined by the physician， followed by a combination of clinical and pre-treatment PET/CT image features of the patient for survival analysis. Survival analysis of patients with locally advanced NSCLC based on whether pre-treatment and post-treatment FDG-PET can be performed by using a deep learning approach without the basis of tumors label of the physician. The consistency index （C-index） of the deep survival model based on 3D CNN is 0.67 when using pre-treatment and post-treatment FDG-PET. The study shows that simultaneous reading with pre-treatment and post-treatment PDG-PET can predict the risk probability of patient.

Keywords： non-small cell lung cancer; pre-treatment and post-treatment PDG-PET; 3D CNN; survival analysis

0? 引? 言

癌癥是世界范圍內(nèi)的主要公共衛(wèi)生問(wèn)題。肺癌是世界范圍內(nèi)最常見(jiàn)的癌癥類型，也是導(dǎo)致癌癥死亡的主要原因[1]。肺癌可以大致分為小細(xì)胞肺癌（Small Cell Lung Cancer， SCLC， 15%）和非小細(xì)胞肺癌（Non-small cell lung cancer， NSCLC， 85%）。其中NSCLC患者中超過(guò)三分之一（33%～50%）的患者表現(xiàn)為局部晚期疾病[2]。局部晚期NSCLC通常是指Ⅲ期的NSCLC[3]。

PET對(duì)NSCLC分期有效，與常規(guī)分期相比，對(duì)局部或遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移疾病的敏感性和特異性更高[4]；并且已經(jīng)有研究證明，放化療后相對(duì)較快獲得的18-氟脫氧葡萄糖（FDG）PET可以預(yù)測(cè)長(zhǎng)期預(yù)后。但是由于PET/CT檢查非常昂貴，極少有病人會(huì)在治療后再次進(jìn)行PET/CT篩查，導(dǎo)致治療后圖像數(shù)據(jù)非常稀缺。并且腫瘤金標(biāo)準(zhǔn)勾畫非常昂貴和耗時(shí)，如果可以在不勾畫腫瘤金標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)PET圖像進(jìn)行閱片來(lái)對(duì)患者進(jìn)行生存分析可以節(jié)省極大的人力和時(shí)間。

Cox比例風(fēng)險(xiǎn)模型可以對(duì)比與事件和事件發(fā)生時(shí)間相關(guān)的變量，是醫(yī)學(xué)研究[5]中常用的分析方法。該方法不僅提供了結(jié)果（即是否死亡），還提供了事件發(fā)生的時(shí)間，這對(duì)臨床實(shí)踐更有模型幫助。Cox比例風(fēng)險(xiǎn)模型表現(xiàn)出較高的性能，但也有局限性。它假設(shè)是線性分析，而不是進(jìn)行非線性分析。非線性分析可以更好地反映實(shí)際的特征與患者預(yù)后之間的相關(guān)性[5]。

在過(guò)去的幾年里，深度學(xué)習(xí)已經(jīng)成為一個(gè)跨越廣泛的成像領(lǐng)域的強(qiáng)大工具，如分類、預(yù)測(cè)、檢測(cè)、分割、診斷、解釋、重建等。雖然深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最初在計(jì)算機(jī)視覺(jué)社區(qū)中發(fā)現(xiàn)，但它們很快傳播到醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用。

深度學(xué)習(xí)在診斷疾病方面的加速力量將使醫(yī)生在臨床環(huán)境中加快決策。近年來(lái)，現(xiàn)代醫(yī)療器械的應(yīng)用和醫(yī)療保健的數(shù)字化產(chǎn)生了大量的醫(yī)學(xué)圖像。在這個(gè)大數(shù)據(jù)領(lǐng)域，用于高效數(shù)據(jù)處理、分析和生成數(shù)據(jù)建模的新深度學(xué)習(xí)方法和計(jì)算模型對(duì)于臨床應(yīng)用和理解潛在的生物過(guò)程至關(guān)重要。

近年來(lái)，深度學(xué)習(xí)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起了關(guān)注[6，7]。通過(guò)深度學(xué)習(xí)，有可能提取出特征與個(gè)體預(yù)后之間復(fù)雜的線性和非線性關(guān)系。將深度學(xué)習(xí)集成到Cox比例風(fēng)險(xiǎn)模型中，導(dǎo)致了深度學(xué)習(xí)生存神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DeepSurv）的發(fā)展[8]。在具有線性和非線性協(xié)變量的生存數(shù)據(jù)上，這已被證明與其他生存分析方法一樣好或更好。死亡時(shí)間估計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是它比傳統(tǒng)的二值分類任務(wù)能提供更多的信息。傳統(tǒng)的二元分類并不估計(jì)患者在死亡風(fēng)險(xiǎn)增加之前的多少天。另一方面，死亡時(shí)間模型可以從一個(gè)固定時(shí)間點(diǎn)（在該模型中的入院時(shí)）的數(shù)據(jù)中估計(jì)隨時(shí)間變化的死亡風(fēng)險(xiǎn)。

假設(shè)可以通過(guò)使用FDG-PET建立一個(gè)可以直接從醫(yī)學(xué)影像中提取圖像特征的預(yù)后模型。由于DeepSurv沒(méi)有處理圖像的機(jī)制，整合了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），這是DeepSurv的深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域之一。可以用端到端的形式直接使用和處理圖像，以評(píng)估預(yù)后。

本文的研究重點(diǎn)是基于患者治療前和治療后的FDG-PET圖像，并采用深度學(xué)習(xí)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)NSCLC患者進(jìn)行生存分析。

1? 相關(guān)知識(shí)

1.1? 生存分析

生存數(shù)據(jù)由三個(gè)要素組成：患者的基線數(shù)據(jù)x、事件發(fā)生的時(shí)間間隔T和事件指示器E。如果觀察到事件（例如死亡），時(shí)間間隔T對(duì)應(yīng)于收集基線數(shù)據(jù)的時(shí)間和事件發(fā)生的時(shí)間之間的時(shí)間，并且事件指示器為E=1。如果沒(méi)有觀察到一個(gè)事件，時(shí)間間隔T對(duì)應(yīng)于收集基線數(shù)據(jù)到與患者最后一次接觸（如研究結(jié)束）之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間，事件指標(biāo)為E=0。在這種情況下，病人被認(rèn)為是正確審查的。如果選擇使用標(biāo)準(zhǔn)回歸方法，右截尾數(shù)據(jù)被認(rèn)為是一種缺失數(shù)據(jù)。這通常會(huì)被丟棄，這可能會(huì)在模型中引入偏差。因此，對(duì)右截尾數(shù)據(jù)進(jìn)行建模需要特別考慮或使用生存模型。

生存和風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)是生存分析中的兩個(gè)基本功能。生存函數(shù)用S（t）=Pr（T＞t）表示，它表示一個(gè)個(gè)體在時(shí)間t后“存活”的概率。風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)λ（t）的定義為：

風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)是一個(gè)人不能存活額外的時(shí)間δ的概率，假設(shè)他們已經(jīng)存活到時(shí)間t。因此，危險(xiǎn)越大，死亡的風(fēng)險(xiǎn)就越大。

生存分析模型包括兩個(gè)部分，包括線性分析模型以及非線性分析模型。常用的線性生存分析模型指的是Cox比例風(fēng)險(xiǎn)回歸模型，用來(lái)處理特征與生存時(shí)間以及生存狀態(tài)之間的線性關(guān)系。但是通常得到的特征，其與患者生存狀態(tài)以及時(shí)間之間的關(guān)系并非是線性關(guān)系，因此會(huì)采用深度學(xué)習(xí)生存神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)處理特征進(jìn)行生存分析，并且深度學(xué)習(xí)可以直接用來(lái)處理圖像，為使用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行生存分析提供了一種端到端的方式。

1.2? CNN

在深度學(xué)習(xí)和醫(yī)學(xué)圖像處理領(lǐng)域，CNN是最常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。CNN結(jié)構(gòu)由三層類型組成：（a）卷積，（b）池化層和（c）全連接層，分層有序，堆疊在多層中。除了這些層之外，還有一個(gè)輸入層和一個(gè)輸出層。每一層的功能都是學(xué)習(xí)圖像[9]的具體特征。

CNN模型的性能會(huì)在很大程度上受到數(shù)據(jù)的影響。此外，它可能對(duì)結(jié)果產(chǎn)生誤導(dǎo)，以及模糊圖像特征從而影響到CNN最終的預(yù)測(cè)結(jié)果，因?yàn)橐阎派鋱D像有噪聲、人工制品和其他因素，可能影響醫(yī)療和計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序的感知[10]。因此，醫(yī)學(xué)圖像分析的第一步通常是圖像預(yù)處理，以改善圖像的質(zhì)量、對(duì)比度、噪聲去除等特征[11]。

2? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1? 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所采用的數(shù)據(jù)為公開(kāi)數(shù)據(jù)集，患者數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)放射影像網(wǎng)絡(luò)（ACRIN）6668/放射治療腫瘤組（RTOG）/0235。該數(shù)據(jù)集總共有250名患者，共有242名非小細(xì)胞肺癌患者的影像數(shù)據(jù)。其中239名患者有PDG-PET圖像數(shù)據(jù)，180名患者有治療前和治療后的FDG-PET圖像，156名患者有治療前和治療后的FDG-PET/CT圖像。

2.2? 數(shù)據(jù)預(yù)處理

所采用的數(shù)據(jù)中每名患者都有治療前和治療后的FDG-PET/CT圖像，首先，將患者的FDG-PET/CT圖像經(jīng)過(guò)3DSlicer醫(yī)學(xué)圖像處理軟件得到其PET圖像對(duì)應(yīng)的SUV圖像；然后，去除處理異常和SUV圖像異常的數(shù)據(jù)以及臨床分期非、、的患者，然后將所有的患者切片進(jìn)行重采樣到相同的層厚，最后手動(dòng)挑選出所有病人肩膀以下、膀胱以上的部分，最終納入144名患者。并將圖像進(jìn)行了歸一化，剔除圖像中可能存在的一些噪聲以及干擾信息。從中隨機(jī)選取80%的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，其余20%的數(shù)據(jù)為測(cè)試集。本實(shí)驗(yàn)采用的數(shù)據(jù)情況如表1所示。

3? 實(shí)驗(yàn)方法

3.1? 模型結(jié)構(gòu)

本文采用的生存分析模型如圖1所示。將同一名患者治療前后的FDG-PET同時(shí)輸入到由3D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成的特征提取器中，用來(lái)進(jìn)行圖像特征提取；然后將提取到的特征通過(guò)通道數(shù)疊加到一起，最后經(jīng)過(guò)全連接層預(yù)測(cè)患者的風(fēng)險(xiǎn)概率。

具體來(lái)說(shuō)就是將一個(gè)CNN合并到DeepSurv[8]中：將CNN的輸出連接到DeepSurv的全連接層，以創(chuàng)建一個(gè)端到端深度學(xué)習(xí)模型。該模型同時(shí)由CNN和MLP結(jié)構(gòu)組成。在正向傳播過(guò)程中，將從影像中提取到的CNN的特征傳遞給MLP。損失根據(jù)MLP的輸出值計(jì)算。然后，CNN和MLP中的權(quán)重將同時(shí)進(jìn)行更新。在每個(gè)訓(xùn)練過(guò)程中，模型將圖像和臨床數(shù)據(jù)作為輸入，預(yù)測(cè)結(jié)果（死亡或出院），然后通過(guò)反向傳播對(duì)DeepSurv和CNN進(jìn)行訓(xùn)練。

3.2? 特征提取模塊

所采用的特征提取模塊如圖2所示。特征提取模塊的基本框架是3D-VGG16，與VGG16不同的是，只采用的VGG16網(wǎng)絡(luò)的前三個(gè)卷積塊來(lái)進(jìn)行圖像特征提取，并分別在第一和最后一個(gè)卷積塊后加入了卷積注意力（Convolutional Block Attention Module， CBAM）[12]模塊，如圖3所示。

本實(shí)驗(yàn)采用的三個(gè)卷積塊中，前兩個(gè)卷積塊由兩個(gè)3×3×3的卷積組成，最后一個(gè)卷積塊由三個(gè)3×3×3的卷積組成。每個(gè)3×3×3的卷積后都跟了一個(gè)批量歸一化（即BatchNorm）和Relu激活層。在每個(gè)卷積塊的最后都有一個(gè)最大池化層用來(lái)進(jìn)行下采樣，核大小為2×2×2，步幅為2。

CBAM模塊由兩個(gè)部分組成，分別是通道注意力模塊和空間注意力模塊。通道注意力模塊是將從卷積塊得到的特征先分別經(jīng)過(guò)全局平均池化和全局最大池化層，然后分別通過(guò)共享參數(shù)的MLP層后相加，最后經(jīng)過(guò)Softmax激活后和最初的特征相乘得到通道注意力特征。通道注意力模塊中的MLP層是由兩個(gè)1×1×1的卷積組成，兩個(gè)卷積層中間加了一個(gè)Relu激活層。空間注意力模塊是將從經(jīng)過(guò)通道注意力模塊得到的特征分別經(jīng)過(guò)最大和平均池化層后，得到兩個(gè)不同的特征圖，然后經(jīng)過(guò)通道數(shù)堆疊，通過(guò)一個(gè)1×1×1的卷積層以及Softmax激活層，將得到的概率圖和通道注意力特征相乘得到最后的卷積注意力特征。最后在特征提取器后面加了一個(gè)全局平均池化層，將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取到的三維特征映射到一維層面，并進(jìn)行患者的生存預(yù)測(cè)。

4? 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

4.1? 損失函數(shù)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出是具有線性激活的單個(gè)節(jié)點(diǎn)，估計(jì)的是Cox模型中的對(duì)數(shù)風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)[8]，因此本文采用的損失函數(shù)是平均負(fù)對(duì)數(shù)似然損失函數(shù)：

其中，NE=1為患有可觀察事件的患者數(shù)量。

模型訓(xùn)練過(guò)程中的損失如圖4所示，訓(xùn)練過(guò)程中訓(xùn)練集的損失隨著epoch的增加，是成波動(dòng)變化的，但整體上呈下降趨勢(shì)。

4.2? 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的局限，為了保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，本實(shí)驗(yàn)的特征提取模塊中的卷積塊通道數(shù)分別為16、32、32。用于治療前和治療后FDG-PET的特征提取器的參數(shù)是共享的。優(yōu)化器選擇的是Adam優(yōu)化器與權(quán)重衰減為0.000 5，學(xué)習(xí)率設(shè)置為0.001，并選擇使損失函數(shù)最小的權(quán)重用于測(cè)試。

4.3? 評(píng)價(jià)指標(biāo)

C-index，C指數(shù)，即一致性指數(shù)（index of concordance），用來(lái)評(píng)價(jià)模型的預(yù)測(cè)能力。它估計(jì)了預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際觀察到的結(jié)果相一致的概率，取值范圍在[0， 1]，計(jì)算方法為：

其中，n是可比較對(duì)的數(shù)量， 是指示函數(shù)，t是實(shí)際的時(shí)間觀測(cè)值，f表示預(yù)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)概率。C-index數(shù)值越大，模型的預(yù)測(cè)結(jié)果就越好[13]。

4.4? 特征提取可視化

在特征提取模塊，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取到的特征圖可視化如圖5所示，圖5（a）至圖5（d）為治療前患者的FDG-PET所提取到的特征圖，圖5（e）至圖5（f）為治療后患者的FDG-PET所提取到的特征圖。圖中第一行圖片是特征提取模塊提取的患者治療前FDG-PET的圖像特征，第二行圖片是特征提取模塊提取的患者治療后FDG-PET的圖像特征。第一列圖像是輸入的圖像經(jīng)過(guò)特征提取模塊的第一個(gè)卷積塊時(shí)候所提取到的淺層圖像特征，第二列圖像是圖像經(jīng)過(guò)特征提取模塊的第二個(gè)卷積塊后所提取到的圖像特征，第三列是圖像經(jīng)過(guò)特征提取模塊的第三個(gè)卷積塊后所提取到的深層圖像特征，最后一列是第三列圖像經(jīng)過(guò)CBAM后得到的最終的圖像特征。圖像在經(jīng)過(guò)每個(gè)卷積塊后，圖像的大小以及像素值都會(huì)發(fā)生改變，為了觀察方便，手動(dòng)把它調(diào)整為同樣大小，特征圖的像素值也經(jīng)過(guò)了歸一化擴(kuò)展到了[0， 255]。

4.5? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證僅使用治療前或治療后的FDG-PET圖像對(duì)生存分析是否有幫助，進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在單獨(dú)使用治療前或治療后患者的PDG-PET圖像進(jìn)行生存分析時(shí)，是可以提取到與患者生存分析有關(guān)的一些圖像特征的，雖然生存分析結(jié)果的C-index偏低，但是還是對(duì)患者生存分析有一定的幫助。模型在同時(shí)使用治療前和治療后患者的FDG-PET圖像時(shí)，生存分析效果最好，這表明網(wǎng)絡(luò)同時(shí)學(xué)到了治療前和治療后患者的FDG-PET的一些特征，并可能學(xué)到了它們之中的不同之處用來(lái)進(jìn)行最后的生存分析，才會(huì)使在同時(shí)使用治療前和治療后的圖像時(shí)，生存分析結(jié)果有所提升。其中3D CNN with CBAM表示本文所采用的模型，3D CNN without CBAM表示的是在本文所采用模型的基礎(chǔ)上去掉CBAM模塊，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的目的是為了驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)加入CBAM模塊后效果是否有提升，驗(yàn)證CBAM模塊的有效性。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在加入CBAM模塊后，模型的效果得到了提升，這表明卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在加入注意力模塊時(shí)，模型學(xué)到了一些與生存分析有關(guān)的特征，尤其是在同時(shí)使用治療前和治療后的FDG-PET時(shí)，生存分析的效果最好，C-index達(dá)到了0.67。

5? 結(jié)? 論

本文的實(shí)驗(yàn)表明，在沒(méi)有醫(yī)生勾畫腫瘤金標(biāo)準(zhǔn)的情況下，采用閱片的形式對(duì)患者進(jìn)行生存分析是可行的，并且在同時(shí)使用治療前和治療后的FDG-PET時(shí)效果最好，C-index達(dá)到了0.67。

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作者簡(jiǎn)介：馬亞楠（1996—），女，漢族，河南鄭州人，碩士在讀，研究方向：信息管理與信息系統(tǒng)；宋玥（1997—），女，漢族，山西呂梁人，碩士在讀，研究方向：信息管理與信息系統(tǒng)；郝天宇（2001—），男，漢族，湖北荊門人，本科在讀，研究方向：信息管理與信息系統(tǒng)。

收稿日期：2022-09-30