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基于影像组学与3D深度学习的多模态模型在重症急性胰腺炎预测中的应用

丁祥林 陈鑫 陈美玉 沈祎萍 王玉 殷民月 赵凯 朱锦舟

引用本文:
Citation:

基于影像组学与3D深度学习的多模态模型在重症急性胰腺炎预测中的应用

DOI: 10.12449/JCH251022
基金项目: 

国家自然科学基金 (82000540);

苏州市消化病临床医学中心 (Szlcyxzx202101);

苏州市科教兴卫项目 (KJXW2019001);

肝脾外科教育部重点实验室开放基金资助课题 (GPKF202304);

常州市卫生健康委员会科技项目前沿技术 (QY202309);

常州市科技局科技计划项目 (CJ20230002);

吴江区科教兴卫项目 (WWK202513)

伦理学声明:本研究已通过参与单位的伦理委员会审批:苏州大学附属第一医院批号为2022062;苏州永鼎医院批号为202449;江苏大学附属金坛医院批号为2023007。
利益冲突声明:本文不存在任何利益冲突。
作者贡献声明:丁祥林、赵凯、朱锦舟负责课题设计;陈美玉、沈祎萍负责资料分析;陈鑫撰写论文;丁祥林、陈鑫、王玉、殷民月参与收集数据;赵凯、朱锦舟拟定写作思路,指导撰写文章并最后定稿。
详细信息
    通信作者:

    赵凯, zk@jtrmyy.com (ORCID: 0000-0003-0866-6504)

    朱锦舟, jzzhu@zju.edu.cn (ORCID: 0000-0003-0544-9248)

Application of a multimodal model based on radiomics and 3D deep learning in predicting severe acute pancreatitis

Research funding: 

National Natural Science Foundation of China (82000540);

Suzhou Clinical Center of Digestive Diseases (Szlcyxzx202101);

Education and Science for Health Development Program, Suzhou Health Committee (KJXW2019001);

The Open Fund of Key Laboratory of Hepatosplenic Surgery,Ministry of Education (GPKF202304);

Frontier Technologies of Science and Technology Projects of Changzhou Municipal Health Commission (QY202309);

Changzhou Municipal Health Commission Science and Technology Project (CJ20230002);

Education and Science for Health Development Program, Wujiang Health Committee (WWK202513)

More Information
    Corresponding author: ZHAO Kai, zk@jtrmyy.com (ORCID: 0000-0003-0866-6504); ZHU Jinzhou, jzzhu@zju.edu.cn (ORCID: 0000-0003-0544-9248)
  • 摘要:   目的  探索融合影像组学特征、深度学习特征及临床结构化数据的多模态模型在重症急性胰腺炎(SAP)预测中的应用价值,以期为临床早期识别SAP提供更精准的工具。  方法  纳入2017年1月1日至2023年12月31日就诊于苏州大学附属第一医院、江苏大学附属金坛医院及苏州永鼎医院的急性胰腺炎(AP)患者,收集其人口学信息、既往史、病因、入院24 h内实验室检查数据及72 h内影像学资料,并评估全身炎症反应综合征(SIRS),同时计算Ranson评分、改良CT严重指数(MCTSI)、床边急性胰腺炎严重度指数(BISAP)和急性胰腺炎风险(SABP)评分。模型构建流程如下:(1)利用三维CT图像提取并筛选影像组学特征,基于极端梯度提升(XGBoost)算法建立影像组学分类模型;(2)采用U-Net对三维CT图像进行语义分割,随后将分割结果输入3D ResNet50构建深度学习分类模型;(3)基于XGBoost算法融合上述2种模型的预测值与临床结构化数据,建立多模态模型。采用变量重要性排序图和局部可解释性图对模型进行可视化解释。符合正态分布的计量资料组间比较采用成组t检验;不符合正态分布的采用Mann-Whitney U检验。计数资料组间比较采用χ2检验或Fisher精确检验。绘制各模型和已有评分系统的受试者操作特征曲线(ROC曲线),并计算曲线下面积(AUC),以评估其性能,AUC间比较采用Delong检验。  结果  共纳入609例符合标准的患者,其中114例(18.7%)发生SAP。本研究以苏州大学附属第一医院数据作为训练集(n=426),江苏大学附属金坛医院和苏州永鼎医院数据作为独立测试集(n=183)。多模态模型在测试集中的AUC为0.914,显著高于MCTSI、Ranson评分、BISAP及SABP评分等传统评分系统(AUC分别为0.827、0.675、0.791、0.648),且较深度学习分类模型(AUC=0.685)及影像组学分类模型(AUC=0.739)性能亦有显著提升(基于Delong检验的Z值分别为-3.23、-4.83、-3.48、-4.92、-4.31和-4.59,P值均<0.01)。多模态模型中变量重要性排名前10位的变量依次为胸腔积液、深度学习模型预测值、影像组学模型预测值、甘油三酯、钙离子、SIRS、白细胞计数、年龄、血小板及C反应蛋白,提示上述变量对模型预测SAP具有重要贡献。  结论  本研究基于结构化数据、影像组学特征及深度学习特征,构建了基于XGBoost算法的多中心SAP预测模型,其预测性能优于现有传统评分系统及单模态模型。

     

  • 图  1  多模态模型中变量重要性排序

    Figure  1.  Feature importance ranking of the multimodal model

    注: a,非SAP患者;b,SAP患者。

    图  2  多模态模型在随机患者中的可视化解释

    Figure  2.  Visualized explanation of the multimodal model in two random patients

    注: a,训练集;b,测试集。

    图  3  各模型与已有评分系统在两个数据集中的ROC曲线

    Figure  3.  The ROC curve of each model and the existing scoring system in the two datasets

    表  1  纳入研究的患者临床特征

    Table  1.   The characteristics of the patients in the study

    临床特征 训练集 测试集
    非SAP组
    n=354)
    SAP组
    n=72)
    统计值 P 非SAP组
    n=141)
    SAP组
    n=42)
    统计值 P
    性别[例(%)]

    277(78.2)

    50(69.4)
    χ2=2.600 0.107
    103(73.0)

    29(69.0)
    χ2=0.258 0.258
    77(21.8) 22(30.6) 38(27.0) 13(31.0)
    年龄(岁) 51.51±17.67 50.99±18.18 t=0.225 0.819 52.22±18.04 48.21±17.05 t=1.318 0.203
    病因[例(%)]
    胆源性

    239(67.5)

    41(56.9)
    χ2=2.977 0.395
    79(56.0)

    22(52.4)
    0.898
    高脂血症性 40(11.3) 11(15.3) 25(17.7) 7(16.7)
    酒精性 52(14.7) 14(19.4) 26(18.4) 10(23.8)
    其他 23(6.5) 6(8.3) 11(7.8) 3(7.1)
    入院CT检查时间(h) 8.05±4.63 7.23±3.19 t=1.434 0.152 8.40±4.77 7.91±3.50 t=0.618 0.537
    血小板计数( × 109/L) 198.84±69.03 213.33±75.95 t=-1.498 0.111 202.43±66.39 215.43±80.19 t=-0.957 0.291
    白细胞计数( × 109/L) 13.39±6.93 17.23±6.18 t=-4.362 <0.001 13.04±4.79 15.48±6.22 t=-2.343 0.008
    钙离子(mmol/L) 2.14±0.16 1.98±0.28 t=4.647 <0.001 2.12±0.15 1.96±0.35 t=3.011 <0.001
    甘油三酯(mmol/L) 1.30
    (0.83~3.41)
    2.15
    (1.12~6.14)
    Z=208.606 0.001 1.41
    (0.85~3.31)
    3.26
    (1.71~13.78)
    Z=74.747 <0.001
    C反应蛋白(mg/L) 54.85
    (8.70~140.93)
    163.15
    (16.22~258.14)
    Z=189.664 <0.001 49.90
    (6.64~144.00)
    199.39
    (22.98~299.10)
    Z=87.059 <0.001
    SIRS[例(%)]

    248(70.1)

    15(20.8)
    χ2=61.370 <0.001
    96(68.1)

    8(19.0)
    χ2=31.726 <0.001
    106(29.9) 57(79.2) 45(31.9) 34(81.0)
    胸腔积液[例(%)]

    236(66.7)

    5(6.9)
    χ2=86.861 <0.001
    95(67.4)

    8(19.0)
    χ2=30.723 <0.001
    118(33.3) 67(93.1) 46(32.6) 34(81.0)
    MCTSI(分) 2.00
    (2.00~4.00)
    4.00
    (4.00~4.00)
    Z=117.105 <0.001 2.00
    (2.00~4.00)
    4.00
    (4.00~4.00)
    Z=45.780 <0.001
    Ranson评分(分) 1.00
    (0.00~2.00)
    2.00
    (1.00~2.00)
    Z=169.007 <0.001 1.00
    (1.00~1.00)
    2.00
    (1.00~2.00)
    Z=86.654 <0.001
    BISAP(分) 1.00
    (0.00~2.00)
    2.00
    (2.00~3.00)
    Z=88.789 <0.001 1.00
    (0.00~2.00)
    2.00
    (2.00~3.00)
    Z=55.616 <0.001
    SABP评分(分) 2.70
    (-3.09~8.92)
    10.09
    (3.01~25.77)
    Z=176.081 <0.001 3.89
    (-2.80~11.76)
    9.00
    (1.15~21.31)
    Z=93.856 0.004
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    表  2  各个模型与已有评分系统在数据集上的表现

    Table  2.   Performance of the models and existing scoring systems in datasets

    分类 指标 MCTSI Ranson评分 BISAP SABP评分 深度学习 影像组学 多模态模型
    训练集 AUC 0.786 0.694 0.840 0.682 0.655 0.692 0.926
    P <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01
    Z -6.11 -6.49 -4.32 -5.76 -7.22 -7.36
    敏感度 0.861 0.583 0.875 0.583 0.514 0.792 0.847
    特异度 0.678 0.743 0.706 0.715 0.850 0.599 0.884
    测试集 AUC 0.827 0.675 0.791 0.648 0.685 0.739 0.914
    P <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01
    Z -3.23 -4.83 -3.48 -4.92 -4.31 -4.59
    敏感度 0.929 0.524 0.762 0.357 0.571 0.881 0.905
    特异度 0.679 0.751 0.716 0.879 0.844 0.560 0.823

    注:P值和Z值是多模态模型与其他评分或模型AUC的Delong检验结果。

    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-05-27
  • 录用日期:  2025-06-10
  • 出版日期:  2025-10-25
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