基于深度学习自动分割模型的DWI影像组学模型预测前列腺癌盆腔骨转移

【摘要】目的：探讨基于DWI图像利用深度学习方法建立的分割模型对盆腔骨结构的自动分割价值，以及基于自动分割图像建立的影像组学模型对前列腺癌骨转移的诊断效能。方法：回顾性搜集2017年1月－2020年1月因临床怀疑前列腺癌而行盆腔多参数MRI扫描的614例患者的DWI数据，训练3D U-Net模型对盆腔骨质结构进行自动分割。以两位影像科医师手工勾画和标注的8个盆腔骨质结构（下腰椎、骶骨、髂骨、髋臼、耻骨、坐骨、股骨头、股骨颈）为金标准，在不同数据集（训练集、调优集、测试集）中，采用Dice相似系数（DSC）、Jaccard相似系数（JSC）和Hausdorff表面距离（HSD）评估3D U-Net模型自动分割盆腔各骨质结构的效能。另搜集2020年2月-2020年12月在本院经病理证实为前列腺癌的275例患者的影像资料，用于盆腔骨质结构分割模型的外部验证集及建立预测骨转移灶的影像组学模型，采用受试者工作特征曲线（ROC）评估影像组学模型的分类效能。结果：U-Net分割模型在测试集中的DSC、JSC和HSD值分别为0.87±0.03、0.77±0.04和21.75±12.08；在外部验证集中相应参数值分别为0.82±0.06、0.71±0.08和16.27±4.35。基于275例前列腺癌患者的盆腔骨质结构自动分割图像，共提取和筛选出20个影像组学特征参数，所建立的影像组学模型在测试集中的ROC曲线下面积（AUC）为0.965（95%CI：0.899~0.993），敏感度为97.14%（95%CI：85.1%~99.9%），特异度为89.36%（95%CI：76.9%~96.5%）。结论：基于DWI图像利用深度学习方法建立的自动分割模型能准确分割盆腔骨质结构，随后建立的影像组学模型可以有效检出盆腔范围内的骨转移灶，为自动评估前列腺癌患者盆腔骨转移提供了新方法。