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Beneficios para la investigación de la Multidimensionalidad: integrando datos Angel Alberich-Bayarri, PhD [email protected] [email protected] 1 Biomedical Imaging Research Group (GIBI2 30 ) La Fe Polytechnics and University Hospital 2 QUIBIM SL

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Beneficios para la investigación de la

Multidimensionalidad: integrando datosAngel Alberich-Bayarri, PhD

[email protected]

[email protected] Biomedical Imaging Research Group (GIBI230)

La Fe Polytechnics and University Hospital2 QUIBIM SL

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Contenido

1. Introducción

2. Antes de la Multidimensionalidad: extracción de

datos de calidad a partir de las imágenes

3. Multidimensionalidad en la imagen: visualizar la

enfermedad

4. Multidimensionalidad en los datos: Radiomics1. Definición

2. Características

3. Reducción de datos

4. Clasificación

5. Implementación

6. Conclusiones

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Introducción

• Necesidades de la investigación clínica en relación a las

técnicas de imagen

Objetivos y reproduciblesEficaces en la evaluación de la enfermedad y el tratamiento

Coste-eficientesCon resultados subrogados o

cercanos a los objetivos clínicos

Métodos de análisis de imagen

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Introducción

Principal beneficio de la Multidimensionalidad

Acercarnos desde la imagen a

los objetivos clínicos finales

(clinical endpoints) de la

enfermedad

¿Dónde están las células malignas?

¿Va a recidivar el tumor?

¿Cuánto vivirá mi paciente?

¿Ha sido efectivo el tratamiento?

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Antes de la Multidimensionalidad:

Extracción de datos, Biomarcadores de Imagen

• Todos reconocemos que los Biomarcadores de

Imagen y el Smart Data liderarán el cambio de

paradigma en la imagen médica

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• Con el propósito de integrar la radiología cuantitativa

en uso clínico, desarrollamos un nuevo flujo de

trabajo1 que se incluyó finalmente en la publicación

“ESR statement on the stepwise development of

Imaging Biomarkers”2.

1Martí Bonmatí L, Alberich-Bayarri A, et al. [Imaging

biomarkers, quantitative imaging, and bioengineering].

Radiologia. 2012 May-Jun;54(3):269-78.2European Society of Radiology. ESR statement on the

stepwise development of Imaging Biomarkers. Insights

Imaging. 2013 Apr;4(2):147-52.

Antes de la Multidimensionalidad:

Extracción de datos, Biomarcadores de Imagen

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• Actualmente, se pueden extraer un elevado número

de biomarcadores de imagen de las modalidades de

TC, RM, PET, US o incluso Radiología Convencional.

• Estructurales (volumetría, forma, composición) y

Dinámicos (perfusión, difusión, T1, T2).

• El proceso de pasar de un conjunto de imágenes

médicas digitales a conjunto de datos explotable que

describe cuantitativamente lo que ocurre en las

imágenes se enmarca bajo el nombre de radiomics.

Antes de la Multidimensionalidad:

Extracción de datos, Biomarcadores de Imagen

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European Society of Radiology. ESR statement on the stepwise

development of Imaging Biomarkers. Insights Imaging. 2013 Apr;4(2):147-52.

Antes de la Multidimensionalidad:

Extracción de datos, Biomarcadores de Imagen

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1Martí Bonmatí L, Alberich-Bayarri A, et al. [Imaging biomarkers,

quantitativeimaging, and bioengineering]. Radiologia. 2012 May-

Jun;54(3):269-78.

• Proporcionando una metodología de desarrollo de

nuevos biomarcadores de imagen y su correspondiente

validación

Antes de la Multidimensionalidad:

Extracción de datos, Biomarcadores de Imagen

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Antes de la Multidimensionalidad:

Extracción de datos, Biomarcadores de Imagen

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Antes de la Multidimensionalidad:

Extracción de datos, Biomarcadores de Imagen

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Multidimensionalidad en la imagen:

Visualizando la enfermedad

• Para combinar diversas fuentes de información en

imágenes multivariantes es necesario garantizar la

coherencia espacial.

• Registro espacial (rígido y no rígido):– Intra-serie (ejemplo: serie de perfusión con inyección de

contraste)

– Intra-modalidad (ejemplo: imágenes de perfusión

superpuestas a imágenes anatómicas alta resolución)

– Inter-modalidad (ejemplo: PET-RM, PET-TC, RM-TC, RM-US)

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Imágenes Fuente Análisis masivo de

biomarcadores de imagen

Minería de datos de imagen

Tamaño

(~3)

Forma

(~10)

Intensidad

(~5)

Textura

(~30)

Función

(~200-500)

Multidimensionalidad en la imagen:

Visualizando la enfermedad

• Ejemplo 1: Cáncer de próstata

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Multidimensionalidad en la imagen:

Visualizando la enfermedad

• Ejemplo 1: Cáncer de próstata

– Combinar información de

celularidad (RM difusión) y

angiogénesis tumoral (RM

perfusión) para determinar

regiones con mayor agresividad

tumoral

– Registro:• Afín + B-Splines (elástico)

• Información mutua

T2 Difusión (registro)

Perfusión (registro)

Campo de

deformación

Alfredo Torregrosa

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Multidimensionalidad en la imagen:

Visualizando la enfermedad

• Ejemplo 1: Cáncer de próstata– Análisis de difusión y perfusión

vóxel a vóxel y clusterización de

datos

– Clustering jerárquico aglomerativo

– Z-score

Ktr

ans

[min

-1]

ADC [mm2/s]

Ktr

ans

[z-z

sco

re]

ADC [z-score] Alfredo Torregrosa

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Multidimensionalidad en la imagen:

Visualizando la enfermedad

• Ejemplo 1: Cáncer de próstataG

lea

so

n 6

Gle

as

on

7G

lea

so

n 9

Alfredo Torregrosa

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Multidimensionalidad en la imagen:

Visualizando la enfermedad

• Ejemplo 2: Mieloma Múltiple– Valorar Enfermedad Mínima Residual post-

tratamiento a partir del análisis longitudinal

Irene Mayorga, Fabio García

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Multidimensionalidad en la imagen:

Visualizando la enfermedad

• Ejemplo 2: Mieloma Múltiple– 3 pacientes con Respuesta Completa según lectura de Medicina Nuclear y criterios

IMWG

– Los mapas delta-SUV vóxel a vóxel tras normalización hepática muestran regiones con

incremento de SUV: ¿Enfermedad Mínima Residual?

Irene Mayorga, Fabio García

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• La radiómica permitirá incrementar la precisión en el

diagnóstico, la evaluación pronóstica, y la predicción

a la respuesta terapéutica

• Radiomics no es una técnica diseñada para ser

aplicada directamente al paciente individual

• Se basa en análisis de características en una

población para la extracción de relaciones entre ellas

y los endpoints que puedan aplicarse al paciente

individual

Multidimensionalidad en los datos:

Radiomics

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El análisis multivariante de grandes cantidades de

biomarcadores de imagen extraídos a partir del

procesamiento de imágenes radiológicas (TC, RM, PET) con

el objetivo de encontrar una relación con un diagnóstico,

pronóstico o eficacia terapéutica.

Definición

Multidimensionalidad en los datos:

Radiomics

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?

Multidimensionalidad en los datos:

Radiomics

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Imágenes Fuente

Análisis Masivo de

Biomarcadores de Imagen

Minería de Datos de Imagen

Diámetro

Volumetría

Texturas

Forma

Dimensión fractal

Farmacocinética

Difusión

SUV

Características

T1

T1-FS+Gd

PET-CT

T2

Multidimensionalidad en los datos:

Radiomics

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• Reducción de datos

• Z score

• El número de biomarcadores de imagen que pueden

extraerse es similar al existente en el ámbito del

genotipado

• Necesidad de reducir los datos

Thresholding and reordering

to identify groups within

which features are highly correlated

Featu

res 1 ∙∙∙ n

Features 1 ∙∙∙ n

Van Beers B, et al.

Multidimensionalidad en los datos:

Radiomics

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• Reducción de datos

• Matriz de correlación de 219 características extraída

de 235 pacientes de cáncer de pulmón

Image courtesy of Y. Balagurunathan

Multidimensionalidad en los datos:

Radiomics

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• Clasificación

• Tras la reducción de datos existe la necesidad de

aplicar algoritmos de clasificación para analizar

estadísticamente la distribución de valores en la

población según los criterios de imagen.

• Métodos supervisados y no supervisados.

Multidimensionalidad en los datos:

Radiomics

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• Clasificación

Van Beers B, et al.

Multidimensionalidad en los datos:

Radiomics

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• Ejemplo 3: cáncer de recto– Tratamiento de consolidación RT + Qt vs. Tratamiento

quimioRT largo ciclo en cáncer de recto (40 pacientes)

– ¿Se puede extraer algún biomarcador de imagen pronóstico a

partir de análisis radiómico del estudio pre-tratamiento?

Publication pending

Multidimensionalidad en los datos:

Radiomics

Fabio García

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Basal Seguimiento

Publication pending

• Ejemplo 3: cáncer de recto

• Tratamiento de consolidación RT + Qt vs.

Tratamiento quimioRT largo ciclo en cáncer de recto

(40 pacientes)

Multidimensionalidad en los datos:

Radiomics

Fabio García

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Publication pending

• Ejemplo 3: cáncer de recto

• Tratamiento de consolidación RT + Qt vs.

Tratamiento quimioRT largo ciclo en cáncer de recto

(40 pacientes)

Multidimensionalidad en los datos:

Radiomics

Fabio García

Page 30: Beneficios para la investigación de la ...quibim.com/wp-content/uploads/2018/11/10_20171219_Multidimensionalidad... · Beneficios para la investigación de la Multidimensionalidad:

Publication pending

0 1

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

2D Fractal Dimension vs. Relapse of Rectal Cancer

Relapse

2D

Fra

cta

l D

imensio

n

• Ejemplo 3: cáncer de recto

• Tratamiento de consolidación RT + Qt vs.

Tratamiento quimioRT largo ciclo en cáncer de recto

(40 pacientes)

• Valor pronóstico:– Recidiva tras 22 semanas

– D2D en basal (p=0.05)

Multidimensionalidad en los datos:

Radiomics

Fabio García

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Gilies RJ, et al. Images are more than pictures, they are data. 2016

Feb;2:563:577.

Multidimensionalidad en los datos:

Radiomics

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Paciente

Adquisición de imágenes

Extracción de biomarcadores de

imagen de la lesión

Reducción de datos y

clasificación

Relaciones entrecaracterísticas y

endpoints

Diámetro, área, volumen,

texturas, fractales, ADC,

Ktrans, …

Registro y segmentación

de la población al

individuo

Multidimensionalidad en los datos:

Radiomics

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Implementación: Proyecto Euro-BioImaging

• EURO-BIOIMAGING. EMPOWERING EUROPE

TO LEAD THE REVOLUTION IN IMAGING

TECHNOLOGIES.– Population Imaging Node Valencia

• Banco de Imágenes Médicas de la Comunidad

Valenciana (BIMCV)

• IP: Luis Martí-Bonmatí

• Centro coordinador: IIS La Fe

• Gobernanza: IIS La Fe, FISABIO, Universitat de

València, Universitat Politècnica de València,

Universidad de Alicante

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Implementación: Plataforma de análisis de

biomarcadores de imagen

• Más de 150 instituciones registradas

• Almacenamiento, análisis de biomarcadores de

imagen y radiómica. Solución local y cloud.

• 7500 análisis / año

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- Database storage

- Allowing for scientific data exploitation

Implementación:

Integración con informe estructurado

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Equipo PET-TC

instalado en

diciembre 2017

Implementación: Plataforma de

Radiología Experimental y

Biomarcadores de Imagen

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Conclusiones

La integración de datos multidimensionales de imagen médica aporta un claro

beneficio a la investigación:

• Introducción de metodologías automatizadas, robustas y sistemáticas de

extracción de biomarcadores de imagen: objetividad y reproducibilidad.

• Eficaces en la evaluación de alteraciones tisulares y fisiológicas de la

enfermedad y los tratamientos.

• Coste-efectivas: carga computacional

• La integración de biomarcadores de imagen en análisis

multidimensionales permite acercar las conclusiones a los hallmarks

y objetivos clínicos finales.

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Agradecimientos

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Beneficios para la investigación de la

Multidimensionalidad: integrando datosAngel Alberich-Bayarri, PhD

[email protected]

[email protected] Biomedical Imaging Research Group (GIBI230)

La Fe Polytechnics and University Hospital2 QUIBIM SL