CN111370059A - 一种肿瘤突变负荷的预测系统及方法 - Google Patents

一种肿瘤突变负荷的预测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种肿瘤突变负荷的预测系统及方法，涉及神经网络。包括：获取模块，对数字病理图像并标注获得标注图像；第一处理模块，对病灶区进行测序得到真实肿瘤突变负荷；第二处理模块，对病灶区进行特征提取得到病理图像特征；集合模块，将标注图像、真实肿瘤突变负荷和病理图像特征生成训练数据组；训练模块，根据训练数据组训练获得肿瘤突变负荷预测模型；提取模块，提取采用免疫治疗方案的获益肺癌患者；第三处理模块，获取各获益肺癌患者的临床随访数据，并得到肿瘤突变负荷区间并输出；预测模块，将待预测患者的数字病理图像输入到模型中得到预测肿瘤突变负荷。具有以下有益效果：预测其肿瘤突变负荷，以确定治疗方案。

Description

一种肿瘤突变负荷的预测系统及方法
技术领域
本发明涉及神经网络领域，尤其涉及一种肿瘤突变负荷的预测系统及方法。
背景技术
肿瘤突变负荷(TMB)被定义为每百万碱基中被检测出的，体细胞基因编码错误、碱基替换、基因插入或缺失错误的总数。
肿瘤突变负荷作为一个潜在的生物标志物出现，有研究证明肿瘤突变负荷不仅和肺癌的无复发生存率(PFS)有关，还和免疫检查点抑制剂的治疗疗效有相关性。
免疫检查点抑制剂已经在很大程度上改变了肺癌的治疗方式，通过免疫组化染色方法，有大量的证据支持PD-L1可以作为肺癌的治疗疗效预测生物标志物，然而就目前的临床数据显示只有20％左右的肿瘤患者会对这些治疗方式产生应答，免疫治疗成功应答背后的原因还亟待探索。
欧洲临床肿瘤协会(ESMO)和ESMO亚洲已经在指南里纳入了肿瘤突变负荷作为潜在的生物学标志物，对于肿瘤突变负荷高的患者建议ipilimumab联合nivolumab作为一线治疗方案。常用的肿瘤突变负荷检测方法主要利用病理标本或者外周血标本进行全外显子(WES)测序方法对肿瘤DNA和对照的胚系DNA进行分析。然而由于癌肿之间的差异性，肿瘤突变负荷检测敏感性并不高，且这项检查目前来说十分昂贵，在临床中并没有得到普及。人工智能算法在医疗领域的潜力得到了国内外专家一致的肯定，我们设想可以选择合适的卷积神经网络算法模型通过分析患者相应的电子病理图像，提取肿瘤突变负荷敏感性高的切片图像特征，辅助临床医生区分从免疫抑制剂治疗获益的患者人群，从而让更多潜在的免疫治疗敏感人群得到更好的治疗方案提高生存率。
发明内容
本发明为了解决上述问题，现提出一种肿瘤突变负荷的预测系统，包括：
获取模块，用于获取若干肺癌患者的数字病理图像，并对所述数字病理图像中的病灶区进行标注获得标注图像；
第一处理模块，连接所述获取模块，用于分别对所述标注图像中的所述病灶区进行基因测序，并根据基因测序结果处理得到相应的真实肿瘤突变负荷；
第二处理模块，分别连接所述获取模块和所述第一处理模块，用于分别对各标注图像中的病灶区进行特征提取，得到关联所述真实肿瘤突变负荷的病理图像特征；
集合模块，分别连接所述获取模块、所述第一处理模块和所述第二处理模块，用于将所述标注图像、所述真实肿瘤突变负荷和所述病理图像特征加入一图像特征集合，并根据各所述图像特征集合生成训练数据组；
训练模块，连接所述集合模块，用于根据所述训练数据组训练获得肿瘤突变负荷预测模型；
提取模块，连接所述获取模块，用于从各所述肺癌患者中提取得到采用免疫治疗方案的若干获益肺癌患者；
第三处理模块，分别连接所述第一处理模块和所述提取模块，用于获取各所述获益肺癌患者的临床随访数据，并根据对应的所述真实肿瘤突变负荷和所述临床随访数据处理得到所述获益肺癌患者的肿瘤突变负荷区间并输出；
预测模块，分别连接所述训练模块和所述第三处理模块，用于将待预测患者的所述数字病理图像输入到所述肿瘤突变负荷预测模型中得到所述待预测患者对应的预测肿瘤突变负荷并输出；
医生根据所述肿瘤突变负荷区间以及所述预测肿瘤突变负荷确定所述待预测患者的所述免疫治疗方案的适用性。
优选的，所述获取模块包括：
采集单元，用于获取若干肺癌患者的数字病理图像；
标注单元，连接所述采集单元，用于对所述数字病理图像中的病灶区进行标注获得标注图像。
优选的，所述训练模块具体包括：
分组单元，用于将所述训练数据组中的各所述图像特征集合划分为一训练集和一测试集；
训练单元，连接所述分组单元，用于根据所述训练集中的各所述图像特征集合对预先生成的第一预测模型进行训练得到第二预测模型；
测试单元，分别连接所述分组单元和所述训练单元，用于将所述测试集输入所述第二预测模型，并根据所述第二预测模型的输出结果以及对应的真实肿瘤突变负荷处理得到所述第二预测模型的预测准确率；
比较单元，分别连接所述训练单元和所述测试单元，用于将所述预测准确率与预设的准确率阈值进行比较，并在所述预测准确率小于所述准确率阈值时，对所述第一预测模型进行参数调整并重新训练，以及在预测准确率不小于所述准确率阈值时，将所述第二预测模型作为肿瘤突变负荷预测模型输出。
优选的，所述临床随访数据包括所述肺癌患者的临床信息，和/或基因突变监测数据，和/或免疫治疗方案信息，和/或总生存期，和/或无复发生存期。
优选的，所述数字病理图像为全视野数字病理图像。
优选的，通过对所述肺癌患者的病理切片进行扫描获取所述数字病理图像。
优选的，所述病理切片包括冰冻切片，和/或石蜡切片。
一种肿瘤突变负荷的预测方法，应用于肿瘤突变负荷的预测系统，具体包括以下步骤：
步骤S1，获取若干肺癌患者的数字病理图像，并对所述数字病理图像中的病灶区进行标注获得标注图像；
步骤S2，分别对所述标注图像中的所述病灶区进行基因测序，并根据基因测序结果处理得到相应的真实肿瘤突变负荷；
步骤S3，分别对各标注图像中的病灶区进行特征提取，得到关联所述真实肿瘤突变负荷的病理图像特征；
步骤S4，将所述标注图像、所述真实肿瘤突变负荷和所述病理图像特征加入一图像特征集合，并根据各所述图像特征集合生成训练数据组；
步骤S5，根据所述训练数据组训练获得肿瘤突变负荷预测模型；
步骤S6，从各所述肺癌患者中提取得到采用免疫治疗方案的若干获益肺癌患者；
步骤S7，获取各所述获益肺癌患者的临床随访数据，并根据对应的所述真实肿瘤突变负荷和所述临床随访数据处理得到所述获益肺癌患者的肿瘤突变负荷区间并输出；
步骤S8，将待预测患者的所述数字病理图像输入到所述肿瘤突变负荷预测模型中得到所述待预测患者对应的预测肿瘤突变负荷并输出；
医生根据所述肿瘤突变负荷区间以及所述预测肿瘤突变负荷确定所述待预测患者的所述免疫治疗方案的适用性。
优选的，所述步骤S1包括：
步骤S11，获取若干肺癌患者的数字病理图像；
步骤S12，对所述数字病理图像中的病灶区进行标注获得标注图像。
优选的，所述步骤S5包括：
步骤S51，将所述训练数据组中的各所述图像特征集合划分为一训练集和一测试集；
步骤S52，根据所述训练集中的各所述图像特征集合对预先生成的第一预测模型进行训练得到第二预测模型；
步骤S53，将所述测试集输入所述第二预测模型，并根据所述第二预测模型的输出结果以及对应的真实肿瘤突变负荷处理得到所述第二预测模型的预测准确率；
步骤S54，将所述预测准确率与预设的准确率阈值进行比较：
若所述预测准确率小于所述准确率阈值，则对所述第一预测模型进行参数调整并重新训练；
若预测准确率不小于所述准确率阈值，则将所述第二预测模型作为肿瘤突变负荷预测模型输出。
具有以下有益效果：
本发明通过肺癌患者的数字病理图像预测其肿瘤突变负荷，以获得该患者是否是免疫治疗方案的获益人群，方便医生实施相应治疗方案。
附图说明
图1为本发明较佳的实施例中，一种肿瘤突变负荷的预测系统的结构示意图；
图2为本发明较佳的实施例中，一种肿瘤突变负荷的预测方法的流程示意图；
图3为本发明较佳的实施例中，标注图像获取的流程示意图；
图4为本发明较佳的实施例中，肿瘤突变负荷预测模型的训练流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明为了解决上述问题，现提出一种肿瘤突变负荷的预测系统，如图1所示，包括：
获取模块1，用于获取若干肺癌患者的数字病理图像，并对数字病理图像中的病灶区进行标注获得标注图像；
第一处理模块2，连接获取模块1，用于分别对标注图像中的病灶区进行基因测序，并根据基因测序结果处理得到相应的真实肿瘤突变负荷；
第二处理模块3，分别连接获取模块1和第一处理模块2，用于分别对各标注图像中的病灶区进行特征提取，得到关联真实肿瘤突变负荷的病理图像特征；
集合模块4，分别连接获取模块1、第一处理模块2和第二处理模块3，用于将标注图像、真实肿瘤突变负荷和病理图像特征加入一图像特征集合，并根据各图像特征集合生成训练数据组；
训练模块5，连接集合模块4，用于根据训练数据组训练获得肿瘤突变负荷预测模型；
提取模块6，连接获取模块1，用于从各肺癌患者中提取得到采用免疫治疗方案的若干获益肺癌患者；
第三处理模块7，分别连接第一处理模块2和提取模块6，用于获取各获益肺癌患者的临床随访数据，并根据对应的真实肿瘤突变负荷和临床随访数据处理得到获益肺癌患者的肿瘤突变负荷区间并输出；
预测模块8，分别连接训练模块5和第三处理模块7，用于将待预测患者的数字病理图像输入到肿瘤突变负荷预测模型中得到待预测患者对应的预测肿瘤突变负荷并输出；
医生根据肿瘤突变负荷区间以及预测肿瘤突变负荷确定待预测患者的免疫治疗方案的适用性。
具体地，本实施例中，为了建立肿瘤突变负荷的预测系统，来通过该预测系统预测肿瘤突变负荷敏感的人群，以方便医生针对该人群采取相应的治疗方案。首先，通过获取模块1获取若干肺癌患者的数字病理图像，并对数字病理图像中的病灶区进行标注获得标注图像，得到标注图像用于系统建立的学习样本，优选的通过经验丰富的医生进行标注，或者通过多位医生进行商议后进行统一标注，以确保标注结果准确无误；然后通过第一处理模块2分别对标注图像中的病灶区进行基因测序，并根据基因测序结果处理得到相应的真实肿瘤突变负荷，获得与上述标注图像相对应的真实肿瘤突变负荷，使两者相匹配；再通过第二处理模块3，分别对各标注图像中的病灶区进行特征提取，得到关联真实肿瘤突变负荷的病理图像特征，病灶区的病理图像特征出用于后续系统自我学习训练；然后再通过集合模块4将标注图像、真实肿瘤突变负荷和病理图像特征加入一图像特征集合，并根据各图像特征集合生成训练数据组，将标注图像、真实肿瘤突变负荷和病理图像特征集合在一起，形成一个完整的训练样本，将这样的若干个训练样本再集合生成训练数据组，完成机器学习的所有数据的建立；再通过训练模块5，根据训练数据组训练获得肿瘤突变负荷预测模型；再通过提取模块6，从各肺癌患者中提取得到采用免疫治疗方案的若干获益肺癌患者；再通过第三处理模块7，获取各获益肺癌患者的临床随访数据，并根据对应的真实肿瘤突变负荷和临床随访数据处理得到获益肺癌患者的肿瘤突变负荷区间并输出，获得获益肺癌患者的肿瘤突变负荷区间，以确定获益人群的范围，最后通过预测模块8将待预测患者的数字病理图像输入到肿瘤突变负荷预测模型中得到待预测患者对应的预测肿瘤突变负荷并输出，医生根据肿瘤突变负荷区间以及预测肿瘤突变负荷确定待预测患者的免疫治疗方案的适用性，并采用相应的治疗方法，以达到最佳治疗效果。
本发明较佳的实施例中，获取模块1包括：
采集单元11，用于获取若干肺癌患者的数字病理图像；
标注单元12，连接采集单元11，用于对数字病理图像中的病灶区进行标注获得标注图像。
具体地，本实施例中，标注图像首先通过获取若干肺癌患者的数字病理图像，然后再对数字病理图像中的病灶区进行标注。
本发明较佳的实施例中，训练模块5具体包括：
分组单元51，用于将训练数据组中的各图像特征集合划分为一训练集和一测试集；
训练单元52，连接分组单元51，用于根据训练集中的各图像特征集合对预先生成的第一预测模型进行训练得到第二预测模型；
测试单元53，分别连接分组单元51和训练单元52，用于将测试集输入第二预测模型，并根据第二预测模型的输出结果以及对应的真实肿瘤突变负荷处理得到第二预测模型的预测准确率；
比较单元54，分别连接训练单元52和测试单元53，用于将预测准确率与预设的准确率阈值进行比较：
若预测准确率小于准确率阈值，则对第一预测模型进行参数调整并重新训练；
若预测准确率不小于准确率阈值，则将第二预测模型作为肿瘤突变负荷预测模型输出。
具体地，本实施例中，训练模块的训练过程为本发明的重点之一，首先分组单元51，将训练数据组中的各图像特征集合划分为一训练集和一测试集，划分成训练集和测试集分别对系统的建立进行训练和测试；然后再利用训练单元52，根据训练集中的各图像特征集合对预先生成的第一预测模型进行训练得到第二预测模型；然后再通过测试单元53，将测试集输入第二预测模型，并根据第二预测模型的输出结果以及对应的真实肿瘤突变负荷处理得到第二预测模型的预测准确率；最后对得到的预测准确率进行处理，通过比较单元54，将预测准确率与预设的准确率阈值进行比较，当预测准确率小于准确率阈值，则说明该准确率还不能满足要求，需要对第一预测模型进行参数调整并重新训练；当预测准确率不小于准确率阈值，则说明满足了使用要求，并将第二预测模型作为肿瘤突变负荷预测模型输出，从而完成肿瘤突变负荷预测模型的建立。
本发明较佳的实施例中，临床随访数据包括肺癌患者的临床信息，和/或基因突变监测数据，和/或免疫治疗方案信息，和/或总生存期，和/或无复发生存期。
本发明较佳的实施例中，数字病理图像为全视野数字病理图像。
本发明较佳的实施例中，通过对肺癌患者的病理切片进行扫描获取数字病理图像。
本发明较佳的实施例中，病理切片包括冰冻切片，和/或石蜡切片。
一种肿瘤突变负荷的预测方法，应用于肿瘤突变负荷的预测系统，如图2所示，具体包括以下步骤：
步骤S1，获取若干肺癌患者的数字病理图像，并对数字病理图像中的病灶区进行标注获得标注图像；
步骤S2，分别对标注图像中的病灶区进行基因测序，并根据基因测序结果处理得到相应的真实肿瘤突变负荷；
步骤S3，分别对各标注图像中的病灶区进行特征提取，得到关联真实肿瘤突变负荷的病理图像特征；
步骤S4，将标注图像、真实肿瘤突变负荷和病理图像特征加入一图像特征集合，并根据各图像特征集合生成训练数据组；
步骤S5，根据训练数据组训练获得肿瘤突变负荷预测模型；
步骤S6，从各肺癌患者中提取得到采用免疫治疗方案的若干获益肺癌患者；
步骤S7，获取各获益肺癌患者的临床随访数据，并根据对应的真实肿瘤突变负荷和临床随访数据处理得到获益肺癌患者的肿瘤突变负荷区间并输出；
步骤S8，将待预测患者的数字病理图像输入到肿瘤突变负荷预测模型中得到待预测患者对应的预测肿瘤突变负荷并输出；
医生根据肿瘤突变负荷区间以及预测肿瘤突变负荷确定待预测患者的免疫治疗方案的适用性。
本发明较佳的实施例中，如图3所示，步骤S1包括：
步骤S11，获取若干肺癌患者的数字病理图像；
步骤S12，对数字病理图像中的病灶区进行标注获得标注图像。
本发明较佳的实施例中，如图4所示，步骤S5包括：
步骤S51，将训练数据组中的各图像特征集合划分为一训练集和一测试集；
步骤S52，根据训练集中的各图像特征集合对预先生成的第一预测模型进行训练得到第二预测模型；
步骤S53，将测试集输入第二预测模型，并根据第二预测模型的输出结果以及对应的真实肿瘤突变负荷处理得到第二预测模型的预测准确率；
步骤S54，将预测准确率与预设的准确率阈值进行比较：
若预测准确率小于准确率阈值，则对第一预测模型进行参数调整并重新训练；
若预测准确率不小于准确率阈值，则将第二预测模型作为肿瘤突变负荷预测模型输出。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种肿瘤突变负荷的预测系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取若干肺癌患者的数字病理图像，并对所述数字病理图像中的病灶区进行标注获得标注图像；
第一处理模块，连接所述获取模块，用于分别对所述标注图像中的所述病灶区进行基因测序，并根据基因测序结果处理得到相应的真实肿瘤突变负荷；
第二处理模块，分别连接所述获取模块和所述第一处理模块，用于分别对各标注图像中的病灶区进行特征提取，得到关联所述真实肿瘤突变负荷的病理图像特征；
集合模块，分别连接所述获取模块、所述第一处理模块和所述第二处理模块，用于将所述标注图像、所述真实肿瘤突变负荷和所述病理图像特征加入一图像特征集合，并根据各所述图像特征集合生成训练数据组；
训练模块，连接所述集合模块，用于根据所述训练数据组训练获得肿瘤突变负荷预测模型；
提取模块，连接所述获取模块，用于从各所述肺癌患者中提取得到采用免疫治疗方案的若干获益肺癌患者；
第三处理模块，分别连接所述第一处理模块和所述提取模块，用于获取各所述获益肺癌患者的临床随访数据，并根据对应的所述真实肿瘤突变负荷和所述临床随访数据处理得到所述获益肺癌患者的肿瘤突变负荷区间并输出；
预测模块，分别连接所述训练模块和所述第三处理模块，用于将待预测患者的所述数字病理图像输入到所述肿瘤突变负荷预测模型中得到所述待预测患者对应的预测肿瘤突变负荷并输出；
医生根据所述肿瘤突变负荷区间以及所述预测肿瘤突变负荷确定所述待预测患者的所述免疫治疗方案的适用性。
2.根据权利要求1所述的肿瘤突变负荷的预测系统，其特征在于，所述获取模块包括：
采集单元，用于获取若干肺癌患者的数字病理图像；
标注单元，连接所述采集单元，用于对所述数字病理图像中的病灶区进行标注获得标注图像。
3.根据权利要求1所述的肿瘤突变负荷的预测系统，其特征在于，所述训练模块具体包括：
分组单元，用于将所述训练数据组中的各所述图像特征集合划分为一训练集和一测试集；
训练单元，连接所述分组单元，用于根据所述训练集中的各所述图像特征集合对预先生成的第一预测模型进行训练得到第二预测模型；
测试单元，分别连接所述分组单元和所述训练单元，用于将所述测试集输入所述第二预测模型，并根据所述第二预测模型的输出结果以及对应的真实肿瘤突变负荷处理得到所述第二预测模型的预测准确率；
比较单元，分别连接所述训练单元和所述测试单元，用于将所述预测准确率与预设的准确率阈值进行比较，并在所述预测准确率小于所述准确率阈值时，对所述第一预测模型进行参数调整并重新训练，以及在预测准确率不小于所述准确率阈值时，将所述第二预测模型作为肿瘤突变负荷预测模型输出。
4.根据权利要求1所述的肿瘤突变负荷的预测系统，其特征在于，所述临床随访数据包括所述肺癌患者的临床信息，和/或基因突变监测数据，和/或免疫治疗方案信息，和/或总生存期，和/或无复发生存期。
5.根据权利要求1所述的肿瘤突变负荷的预测系统，其特征在于，所述数字病理图像为全视野数字病理图像。
6.根据权利要求5所述的肿瘤突变负荷的预测系统，其特征在于，通过对所述肺癌患者的病理切片进行扫描获取所述数字病理图像。
7.根据权利要求6所述的肿瘤突变负荷的预测系统，其特征在于，所述病理切片包括冰冻切片，和/或石蜡切片。
8.一种肿瘤突变负荷的预测方法，其特征在于，应用于如权利要求1至7所述的任意一项肿瘤突变负荷的预测系统，具体包括以下步骤：
步骤S1，获取若干肺癌患者的数字病理图像，并对所述数字病理图像中的病灶区进行标注获得标注图像；
步骤S2，分别对所述标注图像中的所述病灶区进行基因测序，并根据基因测序结果处理得到相应的真实肿瘤突变负荷；
步骤S3，分别对各标注图像中的病灶区进行特征提取，得到关联所述真实肿瘤突变负荷的病理图像特征；
步骤S4，将所述标注图像、所述真实肿瘤突变负荷和所述病理图像特征加入一图像特征集合，并根据各所述图像特征集合生成训练数据组；
步骤S5，根据所述训练数据组训练获得肿瘤突变负荷预测模型；
步骤S6，从各所述肺癌患者中提取得到采用免疫治疗方案的若干获益肺癌患者；
步骤S7，获取各所述获益肺癌患者的临床随访数据，并根据对应的所述真实肿瘤突变负荷和所述临床随访数据处理得到所述获益肺癌患者的肿瘤突变负荷区间并输出；
步骤S8，将待预测患者的所述数字病理图像输入到所述肿瘤突变负荷预测模型中得到所述待预测患者对应的预测肿瘤突变负荷并输出；
医生根据所述肿瘤突变负荷区间以及所述预测肿瘤突变负荷确定所述待预测患者的所述免疫治疗方案的适用性。
9.根据权利要求8所述的肿瘤突变负荷的预测方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S11，获取若干肺癌患者的数字病理图像；
步骤S12，对所述数字病理图像中的病灶区进行标注获得标注图像。
10.根据权利要求8所述的肿瘤突变负荷的预测方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
步骤S51，将所述训练数据组中的各所述图像特征集合划分为一训练集和一测试集；
步骤S52，根据所述训练集中的各所述图像特征集合对预先生成的第一预测模型进行训练得到第二预测模型；
步骤S53，将所述测试集输入所述第二预测模型，并根据所述第二预测模型的输出结果以及对应的真实肿瘤突变负荷处理得到所述第二预测模型的预测准确率；
步骤S54，将所述预测准确率与预设的准确率阈值进行比较：
若所述预测准确率小于所述准确率阈值，则对所述第一预测模型进行参数调整并重新训练；
若预测准确率不小于所述准确率阈值，则将所述第二预测模型作为肿瘤突变负荷预测模型输出。
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