【中国声音】垂体瘤智慧诊疗领域的又一重要突破:将垂体瘤分割与识别海绵窦侵袭相结合的多任务深度学习模型

学术   健康   2024-12-26 08:31   上海  

垂体瘤是人体最常见的神经内分泌肿瘤之一,不仅是单一的神经外科疾病,更涉及内分泌科、影像医学科、放疗科、病理科和生殖医学科等多学科协作诊疗的复杂疾病。复旦大学附属华山医院金垂体团队始终致力于垂体腺瘤智慧诊疗策略的研究与实践。2024年12月,该团队在放射领域权威期刊Clinical Radiology上发表了题为《Automatic Pituitary Adenoma Segmentation and Identification of Cavernous Sinus Invasion via Multi-task Learning》的研究论文。这一成果由射科姚振威教授和神经外科赵曜教授领衔完成,是团队继发表于European Radiology(2021, IF=7.0)、J Pathology(2022, IF=9.9)、Thromb Res(2022, IF=10.4)及J Path Clin Res(2023, IF=4.1)的研究后,在垂体瘤智慧诊疗领域的又一重要突破。


本研究构建了一个用于垂体瘤分割和识别海绵窦(CS)侵袭的多任务深度学习模型,该模型优于任一单任务模型,在分割方面与神经放射医生的标注具有良好的一致性,且能精准识别肿瘤的海绵窦侵袭,尤其对Knosp 3级的肿瘤明显优于医生的评价

本回顾性研究共纳入926例垂体大腺瘤患者(816例来自机构1用于模型开发,110例来自机构2用于外部验证)。由两名神经外科医生在手术中评估各例肿瘤是否存在CS侵袭。使用ITK-SNAP软件在冠状位增强T1加权图像上对肿瘤和双侧颈内动脉(internal carotid arteries, ICAs)进行手动分割。研究团队与颐邦(北京)科技有限公司合作构建一种将病灶分割与CS侵袭分类任务相结合的多任务多轴注意力UNet网络(MTMAU-Net)框架。



分析表明,相比于其他几种单任务模型,MTMAU-Net模型在分割任务中表现出最高的Dice系数(90.84 ± 0.55%),超过了既往报道的单任务模型的性能(Dice系数89.8%)。结合分割任务后,识别CS侵袭的分类任务的性能也有所提高(准确度:88.05 ± 2.84%,AUC:0.89 ± 0.08),这一改进突出了在单个模型框架内集成相关任务的优势

通过Grad-CAM可视化图阐明了模型的决策过程,突出了确定肿瘤CS侵袭所依赖的关键区域,该模型主要关注被肿瘤包裹的下方ICA和CS区域的肿瘤,这也正是医师在临床评估中主要观察的确切领域。相反,对非侵袭性肿瘤,该模型着重关注肿瘤的中心区域,表明基于肿瘤的侵入性特征的不同兴趣模式



MTMAU-Net模型在外部数据集中进行了严格的验证,尽管验证队列和训练队列之间CS侵袭的病例占比存在差异,但该模型在验证队列中仍然表现出较高的准确性:分割(Dice系数为83.71 ± 5.93%)、分类任务(准确度:84.55%,AUC:0.87),凸显了其稳健的泛化能力



与Knosp评分系统相比,MTMAU-Net模型表现出整体一致的性能,在归类为Knosp 3级的肿瘤中具有显著优势(准确度:83.33% vs 57.62%)。临床上Knosp 3级肿瘤常面临相当大的诊断困境,术前准确识别CS侵袭对于制定手术计划至关重要。该模型识别CS侵犯的能力使外科医生能够定制他们的手术方法——当识别出CS侵犯时选择更积极的策略,如果无侵犯则选择保守的策略,这对功能性垂体瘤患者尤其有益,准确识别CS侵袭可引导神经外科医生采取更积极的干预措施,这将提高手术后的内分泌缓解率

本研究提出了将垂体瘤分割与识别CS侵袭任务相结合的多任务模型,可为临床医生提供一个有价值的术前辅助决策工具,促进更适合和有针对性的手术计划,提升对垂体大腺瘤的管理和评估水平。


作者简介


姚振威 教授

复旦大学附属华山医院

  • 现任复旦大学附属华山医院放射科主任,主任医师,博士生导师

  • 上海医学会放射学分会神经组组长,上海生物医学工程学会医学分会副主任委员,中国脑卒中影像专委会常委,上海中西医结合放射学分会常委,中华医学会放射学分会神经专委会原副主任委员

  • 主持3项国家自然科学基金面上项目及1项上海市自然科学基金等,获上海市科技进步奖3项、教育部科技进步一等奖2项、中华医学科技奖1 项,以通讯作者在Radiology、PNAS、Advanced Science、Small、Biomaterials、European Radiology等权威期刊发表论文100余篇

赵曜 教授

复旦大学附属华山医院

  • 二级教授、主任医师、博士生导师

  • 教育部长江学者特聘教授、国家杰青、国家万人计划领军人才

  • 国家神经疾病医学中心(华山)副主任

  • 复旦大学附属华山医院西院院长

  • 复旦大学附属华山医院神经外科副主任

  • 复旦大学神经外科研究所副所长

  • 中国垂体腺瘤协作组组长

  • 中国老年医学会神经外科分会副会长

  • 中华医学会神经外科分会青年委员会副主任委员

  • 华山医院垂体瘤多学科融合团队的学科带头人

  • 【华山·金垂体】之临床和学术品牌的首倡者


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杨军 教授

北京大学第三医院

  • 北京大学第三医院神经外科主任,主任医师,医学博士(后)

  • 北京大学教授、北京大学外科学(神经外科、医学技术)博士研究生导师

  • 北京大学医学部精准神经外科与肿瘤研究中心主任、智慧医疗工程与技术学组副组长、磁共振成像与医学技术北京市重点实验室副主任

  • 中华医学会北京神经外科分会副主任委员

  • 中华医学会北京神经外科分会智能神经外科开发与应用委员会(学组)主任委员

  • 世界华人神经外科协会委员

  • 中国医师协会微创神经外科委员会副主任委员

  • 中华中青年神经外科交流协会副会长

  • 北京市住院医师规范培训专委会委员

  • 2019年王忠诚医学成就奖获得者、北京大学首批13位临床科学家之一

  • 师从于我国神经外科创始人王忠诚院士及著名神经外科专家张庆林教授,作为访问学者在世界神经外科中心——美国凤凰城BNI和德国汉诺威INI等地学习

  • 主要从事颅底病变及脑肿瘤、脑血管、脊髓及功能神经外科等疾病基础与临床研究治疗

  • SCI收录20篇(包括《Nature子刊》《Interdisciplinary Neurosurgery》等Q1区),其中以第一作者和通讯作者发表于中华级杂志65篇, SCI收录18篇

  • 主编及参编著作、研究生教材等13部,其中主编2部《DTI结构和功能》、《DTI脑干结构和功能》中英文版书籍在2019年起首次出版

  • 主持及参与国家自然科学基金等20余项课题,获各级科技奖项12项


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芮文婷 主治医师

复旦大学附属华山医院

  • 博士,复旦大学附属华山医院放射科主治医师

  • 师从复旦大学附属华山医院姚振威教授,主要研究方向为垂体瘤、胶质瘤的多参数MRI及AI应用研究,参与国家自然科学基金及上海市科委课题4项。近五年在Eur Radiol、J Magn Reson Imaging、Eur J Radiol等本专业权威期刊上发表论文20余篇,其中以第一/共同第一作者发表9篇SCI,多次受邀在国内外放射学年会上作口头发言(2018、2019年北美放射学年会,2020年欧洲放射学年会,2019、2024年中华放射学年会等)

乔霓丹 副主任医师

复旦大学附属华山医院

  • 复旦大学上海医学院临床医学博士

  • 美国哈佛医学院临床研究硕士

  • 美国麻省总医院博士后经历

  • 华山医院神经外科副主任医师

  • 华山医院临床研究菁英学者课程导师

  • 华山医院神经内镜中心导师

  • 上海市科委扬帆计划

  • 上海市教委青年东方学者计划

  • 主持国家自然科学基金面上项目、上海市科委基础研究重点项目以及米尔斯坦亚美医学基金会中美合作项目各一项。研究聚焦鞍区疾病的临床诊疗与人工智能交叉科学。主编人工智能著作2本,发表SCI论文70篇,其中第一或通讯作者35篇,十分以上4篇,他引逾千次。Acta Neurochirurgica编委


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