A radiomics extraction parameterization analysis for machine learning based regression models

Neuroendocrine Tumors (NETs) are inhomogeneous neoplasms, the most common origin sites of which being the gastrointestinal and pulmonary system. Many treatment methods have been developed to treat this type of cancer, as well as combinations of these are applied. One of these methods is Peptide Rece...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Λαμπρινάκος, Ιωάννης
Άλλοι συγγραφείς: Lamprinakos, Ioannis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2023
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:https://hdl.handle.net/10889/24597
id nemertes-10889-24597
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Radiomics extraction
Neuroendocrine tumors
Machine learning
Artificial intelligence
Peptide receptor radionuclide therapy
Χαρακτηριστικά ακτινομικής
Νευροενδοκρινείς όγκοι
Μηχανική μάθηση
Τεχνητή νοημοσύνη
Ραδιονουκλεϊκή θεραπεία υποδοχών πεπτιδίου
spellingShingle Radiomics extraction
Neuroendocrine tumors
Machine learning
Artificial intelligence
Peptide receptor radionuclide therapy
Χαρακτηριστικά ακτινομικής
Νευροενδοκρινείς όγκοι
Μηχανική μάθηση
Τεχνητή νοημοσύνη
Ραδιονουκλεϊκή θεραπεία υποδοχών πεπτιδίου
Λαμπρινάκος, Ιωάννης
A radiomics extraction parameterization analysis for machine learning based regression models
description Neuroendocrine Tumors (NETs) are inhomogeneous neoplasms, the most common origin sites of which being the gastrointestinal and pulmonary system. Many treatment methods have been developed to treat this type of cancer, as well as combinations of these are applied. One of these methods is Peptide Receptor Radionuclide Therapy (PRRT) that uses radiation, which is delivered continuously at a decreasing rate to cause retention and/or tumor cell death. Lutathera®, or 177Lu-DOTA-TATE as scientifically named, is a radiolabeled somatostatin analog that is both FDA and EMA approved for PRRT. Radiomics, a non-invasive and quantitative mining medical imaging information tool, are used to extract information from medical images and contribute to diagnosis as well as cancer prognosis, by improving diagnostic accuracy, assisting differential diagnosis between benign and malignant lesions, as well as classifying the risk of disease progression. These quantitative characteristics, which are known as Radiomic Features, can be thus extracted and used for theragnostic reasons. This thesis aims to investigate the ability of the radiomic features that were extracted from images of 68Ga-DOTA-TOC and 177Lu-DOTA-TATE from 21 patients with NETs who underwent therapy with 177Lu-DOTA-TATE to predict the post-therapeutic doses. Four different experiments were conducted and every time parameter values such as Voxel Size and Bin Width changed. Then, in every experiment, image filters named “Wavelets” were once extracted and once omitted. Therefore, 3412 features were extracted from each ROI, including wavelets and 436 features were extracted, excluding wavelets. Moreover, features were selected by following a strict pipeline including Mutual Information regression, efficiency with Pearson and Spearman correlations and, lastly, Backward Elimination Sequential Feature Selection (SFS) and Recursive Feature Elimination (RFE) were used as wrapper methods. Then, a predictive machine learning regression model that included 9 algorithms, both linear and nonlinear, was developed. The performance of this model was judged by taking into account two different metrics, Mean Absolute Error (MAE) and R2. The analysis of our results revealed that when the parameter values (Bin Width, Voxel Size) decreased, more accurate results were acquired. Also, we observed that linear based algorithms seemed to be more efficient than nonlinear ones, with Ridge algorithm being the most prevailing in every experiment for both metrics, and Linear Regression algorithm being the second most prevailing. We also concluded that wavelets-based features were of great importance in our study, since when they were included in our model, better results were yielded.
author2 Lamprinakos, Ioannis
author_facet Lamprinakos, Ioannis
Λαμπρινάκος, Ιωάννης
author Λαμπρινάκος, Ιωάννης
author_sort Λαμπρινάκος, Ιωάννης
title A radiomics extraction parameterization analysis for machine learning based regression models
title_short A radiomics extraction parameterization analysis for machine learning based regression models
title_full A radiomics extraction parameterization analysis for machine learning based regression models
title_fullStr A radiomics extraction parameterization analysis for machine learning based regression models
title_full_unstemmed A radiomics extraction parameterization analysis for machine learning based regression models
title_sort radiomics extraction parameterization analysis for machine learning based regression models
publishDate 2023
url https://hdl.handle.net/10889/24597
work_keys_str_mv AT lamprinakosiōannēs aradiomicsextractionparameterizationanalysisformachinelearningbasedregressionmodels
AT lamprinakosiōannēs analysēexagōgēscharaktēristikōnaktinomikēsgiamontelapalindromēsēspoubasizontaistēmēchanikēmathēsē
AT lamprinakosiōannēs radiomicsextractionparameterizationanalysisformachinelearningbasedregressionmodels
_version_ 1771297211340029952
spelling nemertes-10889-245972023-03-01T04:36:01Z A radiomics extraction parameterization analysis for machine learning based regression models Ανάλυση εξαγωγής χαρακτηριστικών ακτινομικής για μοντέλα παλινδρόμησης που βασίζονται στη μηχανική μάθηση Λαμπρινάκος, Ιωάννης Lamprinakos, Ioannis Radiomics extraction Neuroendocrine tumors Machine learning Artificial intelligence Peptide receptor radionuclide therapy Χαρακτηριστικά ακτινομικής Νευροενδοκρινείς όγκοι Μηχανική μάθηση Τεχνητή νοημοσύνη Ραδιονουκλεϊκή θεραπεία υποδοχών πεπτιδίου Neuroendocrine Tumors (NETs) are inhomogeneous neoplasms, the most common origin sites of which being the gastrointestinal and pulmonary system. Many treatment methods have been developed to treat this type of cancer, as well as combinations of these are applied. One of these methods is Peptide Receptor Radionuclide Therapy (PRRT) that uses radiation, which is delivered continuously at a decreasing rate to cause retention and/or tumor cell death. Lutathera®, or 177Lu-DOTA-TATE as scientifically named, is a radiolabeled somatostatin analog that is both FDA and EMA approved for PRRT. Radiomics, a non-invasive and quantitative mining medical imaging information tool, are used to extract information from medical images and contribute to diagnosis as well as cancer prognosis, by improving diagnostic accuracy, assisting differential diagnosis between benign and malignant lesions, as well as classifying the risk of disease progression. These quantitative characteristics, which are known as Radiomic Features, can be thus extracted and used for theragnostic reasons. This thesis aims to investigate the ability of the radiomic features that were extracted from images of 68Ga-DOTA-TOC and 177Lu-DOTA-TATE from 21 patients with NETs who underwent therapy with 177Lu-DOTA-TATE to predict the post-therapeutic doses. Four different experiments were conducted and every time parameter values such as Voxel Size and Bin Width changed. Then, in every experiment, image filters named “Wavelets” were once extracted and once omitted. Therefore, 3412 features were extracted from each ROI, including wavelets and 436 features were extracted, excluding wavelets. Moreover, features were selected by following a strict pipeline including Mutual Information regression, efficiency with Pearson and Spearman correlations and, lastly, Backward Elimination Sequential Feature Selection (SFS) and Recursive Feature Elimination (RFE) were used as wrapper methods. Then, a predictive machine learning regression model that included 9 algorithms, both linear and nonlinear, was developed. The performance of this model was judged by taking into account two different metrics, Mean Absolute Error (MAE) and R2. The analysis of our results revealed that when the parameter values (Bin Width, Voxel Size) decreased, more accurate results were acquired. Also, we observed that linear based algorithms seemed to be more efficient than nonlinear ones, with Ridge algorithm being the most prevailing in every experiment for both metrics, and Linear Regression algorithm being the second most prevailing. We also concluded that wavelets-based features were of great importance in our study, since when they were included in our model, better results were yielded. Οι Νευροενδοκρινείς Όγκοι (Neuroendocrine Tumors, NETs) είναι ανομοιογενή νεοπλάσματα. Τα πιο κοινά σημεία προέλευσης τους είναι το γαστρεντερικό και το πνευμονικό σύστημα. Πολλές μέθοδοι έχουν αναπτυχθεί για τη θεραπεία αυτού του είδους καρκίνου, όπως και συνδυασμοί αυτών. Μία από αυτές τις μεθόδους είναι η Θεραπεία με Ραδιονουκλίδια με Υποδοχείς Πεπτιδίου (Peptide Receptor Radionuclide Therapy, PRRT) που χρησιμοποιεί ακτινοβολία, η οποία χορηγείται για να προκαλέσει μείωση ή/και θάνατο των καρκινικών κυττάρων. Το Lutathera®, ή 177Lu-DOTA-TATE όπως ονομάζεται επιστημονικά, είναι ένα ραδιοσημασμένο ανάλογο σωματοστατίνης που είναι εγκεκριμένο τόσο από τον FDA όσο και από τον EMA οργανισμό για PRRT. Τα Radiomics, τα οποία είναι μη επεμβατικά και ποσοτικά εργαλεία ιατρικής απεικόνισης, χρησιμοποιούνται για την εξαγωγή πληροφοριών από ιατρικές εικόνες και διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο τόσο στη διάγνωση όσο και στην πρόγνωση του καρκίνου, συμβάλλοντας στη βελτίωση της διαγνωστικής ακρίβειας, τη διαφοροδιάγνωση καλοήθων από κακοήθη νοσήματα, καθώς και τον καθορισμό του κινδύνου εξέλιξης της νόσου. Αυτά τα ποσοτικά χαρακτηριστικά, τα οποία είναι γνωστά ως Radiomic Features, μπορούν έτσι να εξαχθούν και να χρησιμοποιηθούν τόσο για θεραπευτικούς, όσο και διαγνωστικούς σκοπούς. Η προκειμένη διπλωματική εργασία αποσκοπεί στο να διερευνήσει την ικανότητα των Radiomic Features που εξήχθησαν από εικόνες 68Ga-DOTA-TOC και 177Lu-DOTA-TATE από εικοσιένα (21) ασθενείς με NETs που υποβλήθηκαν σε θεραπεία με 177Lu-DOTA-TATE να προβλέψουν τις μετα-θεραπευτικές δόσεις. Πραγματοποιήθηκαν τέσσερα διαφορετικά πειράματα και κάθε φορά οι τιμές των παραμέτρων, όπως το μέγεθος των voxel και ο αριθμός των bins άλλαζαν. Σε κάθε πείραμα, τα φίλτρα εικόνων με το όνομα "Wavelets" εξήχθησαν μία φορά και μία φορά παραλείφθηκαν. Επομένως, 3412 χαρακτηριστικά εξήχθησαν από κάθε περιοχή ενδιαφέροντος (ROI), συμπεριλαμβανομένων των “Wavelets” και 436 χαρακτηριστικά εξήχθησαν, εξαιρουμένων των “Wavelets”. Στη συνέχεια, τα χαρακτηριστικά επιλέχθηκαν ακολουθώντας μια αυστηρή διεργασία, συμπεριλαμβανομένης της Παλινδρόμησης Αμοιβαίας Πληροφορίας (Mutual Information Regression), της αποτελεσματικότητας με συσχετίσεις Pearson και Spearman και ως μέθοδοι wrapper χρησιμοποιήθηκαν οι Επιλογή Διαδοχικής Εξάλειψης (SFS) και η Αναδρομική Εξάλειψη Χαρακτηριστικών (RFE). Ως επακόλουθο, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο προγνωστικής παλινδρόμησης μηχανικής μάθησης που περιελάβανε 9 αλγόριθμους, τόσο γραμμικούς όσο και μη γραμμικούς. Η απόδοση αυτού του μοντέλου κρίθηκε λαμβάνοντας υπόψη δύο διαφορετικές μετρήσεις, το Μέσο Απόλυτο Σφάλμα (Mean Absolut Error, MAE) και το R2. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων μας αποκάλυψε ότι όταν οι τιμές των παραμέτρων (Bin Width, Voxel Size) μειώνονται, πιο ακριβή αποτελέσματα αποκτήθηκαν. Επίσης, παρατηρήσαμε ότι οι γραμμικοί αλγόριθμοι φάνηκαν να είναι πιο αποτελεσματικοί σε σχέση με τους μη γραμμικούς, με τον αλγόριθμο Ridge να είναι ο επικρατέστερος σε κάθε πείραμα και για τις δύο μετρήσεις και ο αλγόριθμος Γραμμικής Παλινδρόμησης να είναι ο δεύτερος επικρατέστερος. Καταλήξαμε, επιπλέον, στο συμπέρασμα ότι τα χαρακτηριστικά που βασίζονται σε Wavelets είχαν μεγάλη σημασία στη μελέτη μας, καθώς όταν συμπεριλήφθηκαν στο μοντέλο μας, προέκυψαν καλύτερα αποτελέσματα. 2023-02-28T07:04:10Z 2023-02-28T07:04:10Z 2023-02-24 https://hdl.handle.net/10889/24597 en Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 United States http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/us/ application/pdf