Pathologies systematically induce morphological changes, thus providing a major but yet insufficiently quantified source of observables for diagnosis. The study develops a predictive model of the pathological states based on morphological features (3D-morphomics) on Computed Tomography (CT) volumes. A complete workflow for mesh extraction and simplification of an organ's surface is developed, and coupled with an automatic extraction of morphological features given by the distribution of mean curvature and mesh energy. An XGBoost supervised classifier is then trained and tested on the 3D-morphomics to predict the pathological states. This framework is applied to the prediction of the malignancy of lung's nodules. On a subset of NLST database with malignancy confirmed biopsy, using 3D-morphomics only, the classification model of lung nodules into malignant vs. benign achieves 0.964 of AUC. Three other sets of classical features are trained and tested, (1) clinical relevant features gives an AUC of 0.58, (2) 111 radiomics gives an AUC of 0.976, (3) radiologist ground truth (GT) containing the nodule size, attenuation and spiculation qualitative annotations gives an AUC of 0.979. We also test the Brock model and obtain an AUC of 0.826. Combining 3D-morphomics and radiomics features achieves state-of-the-art results with an AUC of 0.978 where the 3D-morphomics have some of the highest predictive powers. As a validation on a public independent cohort, models are applied to the LIDC dataset, the 3D-morphomics achieves an AUC of 0.906 and the 3D-morphomics+radiomics achieves an AUC of 0.958, which ranks second in the challenge among deep models. It establishes the curvature distributions as efficient features for predicting lung nodule malignancy and a new method that can be applied directly to arbitrary computer aided diagnosis task.


翻译:病理学有系统地诱导形态变化,从而提供一个主要但不够量化的可观察度源,供诊断。该研究开发了一个基于剖析成形体(CT)体积的形态特征(3D形态学)的病理状态预测模型。开发了一个完整的网状提取和简化器官表面的工作流程,同时通过平均曲度和网状能量的分布自动提取形态特征。一个XGBost受监督的血压分解器随后在3D形态学中培训和测试,以预测病理状态。这个框架用于预测肺结核的恶性特征(3D形态学)。在具有恶性生理特征的NLST数据库的一个子集中,将肺结核的分类模型变成恶性表面。良性可以达到AUC的0.964。其他三种古典特征经过培训和测试,(1) 临床相关特性提供了一种0.58的直流体分数,(2) 111个放射基因模型用来预测AUC 0.976,(3) 心脏细胞细胞细胞细胞的恶性变变变数。

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