Intra-tumor heterogeneity driving disease progression is characterized by distinct growth and spatial proliferation patterns of cells and their nuclei within tumor and non-tumor tissues. A widely accepted hypothesis is that these spatial patterns are correlated with morphology of the cells and their nuclei. Nevertheless, tools to quantify the correlation, with uncertainty, are scarce, and the state-of-the-art is based on low-dimensional numerical summaries of the shapes that are inadequate to fully encode shape information. To this end, we propose a marked point process framework to assess spatial correlation among shapes of planar closed curves, which represent cell or nuclei outlines. With shapes of curves as marks, the framework is based on a mark-weighted $K$ function, a second-order spatial statistic that accounts for the marks' variation by using test functions that capture only the shapes of cells and their nuclei. We then develop local and global hypothesis tests for spatial dependence between the marks using the $K$ function. The framework is brought to bear on the cell nuclei extracted from histopathology images of breast cancer, where we uncover distinct correlation patterns that are consistent with clinical expectations.


翻译:驱动疾病进展的肿瘤内异质性表现为肿瘤与非肿瘤组织中细胞及其细胞核的独特生长与空间增殖模式。一个被广泛接受的假设是,这些空间模式与细胞及其细胞核的形态相关。然而,能够量化这种相关性(包含不确定性)的工具十分匮乏,现有技术主要基于形状的低维数值摘要,不足以充分编码形状信息。为此,我们提出了一种标记点过程框架,用于评估平面闭合曲线(代表细胞或细胞核轮廓)形状之间的空间相关性。该框架以曲线形状作为标记,基于标记加权$K$函数——一种二阶空间统计量,通过仅捕捉细胞及其细胞核形状的测试函数来考虑标记的变异。随后,我们利用$K$函数开发了针对标记间空间依赖性的局部与全局假设检验。该框架应用于从乳腺癌组织病理学图像中提取的细胞核数据,揭示了与临床预期一致的独特相关性模式。

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