Predicting outcomes, such as survival or metastasis for individual cancer patients is a crucial component of precision oncology. Machine learning (ML) offers a promising way to exploit rich multi-modal data, including clinical information and imaging to learn predictors of disease trajectory and help inform clinical decision making. In this paper, we present a novel graph-based approach to incorporate imaging characteristics of existing cancer spread to local lymph nodes (LNs) as well as their connectivity patterns in a prognostic ML model. We trained an edge-gated Graph Convolutional Network (Gated-GCN) to accurately predict the risk of distant metastasis (DM) by propagating information across the LN graph with the aid of soft edge attention mechanism. In a cohort of 1570 head and neck cancer patients, the Gated-GCN achieves AUROC of 0.757 for 2-year DM classification and $C$-index of 0.725 for lifetime DM risk prediction, outperforming current prognostic factors as well as previous approaches based on aggregated LN features. We also explored the importance of graph structure and individual lymph nodes through ablation experiments and interpretability studies, highlighting the importance of considering individual LN characteristics as well as the relationships between regions of cancer spread.


翻译:机器学习(ML)为利用丰富的多模式数据,包括临床信息和成像,以学习疾病轨迹预测器和帮助临床决策提供参考,提供了一种基于图表的新办法,将现有癌症的成像特征传播到地方淋巴结(LNs)以及其连接模式纳入预测性ML模型中,我们培训了一个边缘化的图表革命网络(Gated-GCN),以便利用软边缘关注机制的帮助,在整个LN图中传播信息,从而准确预测远距离转移的风险。在1570名头部和颈部癌症病人的组群中,Gate-GCN在2年DM分类中实现了0.757的AUROC,在终身DM风险预测中实现了0.725的0.7C美元-index。我们培训了一个边缘化的图表革命网络(Gated-GCN),以便准确预测远端转移风险的风险。我们还探索了图表结构和个人分布式转移风险风险的重要性,为此在综合LN特征的基础上,通过强调癌症特性研究,将癌症的个体特性作为无关系的重要分析。

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