Prostate cancer radiogenomics—from imaging to molecular characterization

Radiomics and genomics represent two of the most promising fields of cancer research, designed to improve the risk stratification and disease management of patients with prostate cancer (PCa). Radiomics involves a conversion of imaging derivate quantitative features using manual or automated algorithms, enhancing existing data through mathematical analysis. This could increase the clinical value in PCa management. To extract features from imaging methods such as magnetic resonance imaging (MRI), the empiric nature of the analysis using machine learning and artificial intelligence could help make the best clinical decisions. Genomics information can be explained or decoded by radiomics. The development of methodologies can create more-efficient predictive models and can better characterize the molecular features of PCa. Additionally, the identification of new imaging biomarkers can overcome the known heterogeneity of PCa, by non-invasive radio-logical assessment of the whole specific organ. In the future, the validation of recent findings, in large, randomized cohorts of PCa patients, can establish the role of radiogenomics. Briefly, we aimed to review the current literature of highly quantitative and qualitative results from well-de-signed studies for the diagnoses, treatment, and follow-up of prostate cancer, based on radiomics, genomics and radiogenomics research

Radiomics in prostate cancer: an up-to-date review

: Prostate cancer (PCa) is the most common worldwide diagnosed malignancy in male population. The diagnosis, the identification of aggressive disease, and the post-treatment follow-up needs a more comprehensive and holistic approach. Radiomics is the extraction and interpretation of images phenotypes in a quantitative manner. Radiomics may give an advantage through advancements in imaging modalities and through the potential power of artificial intelligence techniques by translating those features into clinical outcome prediction. This article gives an overview on the current evidence of methodology and reviews the available literature on radiomics in PCa patients, highlighting its potential for personalized treatment and future applications

Cancer Biomarker Research and Personalized Medicine

Biomarkers are measures of a biological state. The treatment of individual patients based on particular factors, such as biomarkers, distinguishes standard, generalized treatment plans from personalized medicine. Even though personalized medicine is applicable to most branches of medicine, the field of oncology is perhaps where it is most easily employed. Cancer is a heterogeneous disease; although patients may be diagnosed histologically with the same cancer type, their tumors can comprise varying tumor microenvironments and molecular characteristics that can impact treatment response and prognosis. There has been a major drive over the past decade to try and realize personalized cancer medicine through the discovery and use of disease-specific biomarkers. This book, entitled “Cancer Biomarker Research and Personalized Medicine”, encompasses 22 publications from colleagues working on a diverse range of cancers, including prostate, breast, ovarian, head and neck, liver, gastric, bladder, colorectal, and kidney. The biomarkers assessed in these studies include genes, intracellular or secreted proteins, exosomes, DNA, RNA, miRNA, circulating tumor cells, circulating immune cells, in addition to radiomic features

Advanced Computational Methods for Oncological Image Analysis

[Cancer is the second most common cause of death worldwide and encompasses highly variable clinical and biological scenarios. Some of the current clinical challenges are (i) early diagnosis of the disease and (ii) precision medicine, which allows for treatments targeted to specific clinical cases. The ultimate goal is to optimize the clinical workflow by combining accurate diagnosis with the most suitable therapies. Toward this, large-scale machine learning research can define associations among clinical, imaging, and multi-omics studies, making it possible to provide reliable diagnostic and prognostic biomarkers for precision oncology. Such reliable computer-assisted methods (i.e., artificial intelligence) together with clinicians’ unique knowledge can be used to properly handle typical issues in evaluation/quantification procedures (i.e., operator dependence and time-consuming tasks). These technical advances can significantly improve result repeatability in disease diagnosis and guide toward appropriate cancer care. Indeed, the need to apply machine learning and computational intelligence techniques has steadily increased to effectively perform image processing operations—such as segmentation, co-registration, classification, and dimensionality reduction—and multi-omics data integration.

An Artificial Intelligence Approach to Tumor Volume Delineation

Postponed access: the file will be accessible after 2023-11-14Masteroppgave for radiograf/bioingeniørRABD395MAMD-HELS

Challenges and Opportunities of End-to-End Learning in Medical Image Classification

Das Paradigma des End-to-End Lernens hat in den letzten Jahren die Bilderkennung revolutioniert, aber die klinische Anwendung hinkt hinterher. Bildbasierte computergestützte Diagnosesysteme basieren immer noch weitgehend auf hochtechnischen und domänen-spezifischen Pipelines, die aus unabhängigen regelbasierten Modellen bestehen, welche die Teilaufgaben der Bildklassifikation wiederspiegeln: Lokalisation von auffälligen Regionen, Merkmalsextraktion und Entscheidungsfindung. Das Versprechen einer überlegenen Entscheidungsfindung beim End-to-End Lernen ergibt sich daraus, dass domänenspezifische Zwangsbedingungen von begrenzter Komplexität entfernt werden und stattdessen alle Systemkomponenten gleichzeitig, direkt anhand der Rohdaten, und im Hinblick auf die letztendliche Aufgabe optimiert werden. Die Gründe dafür, dass diese Vorteile noch nicht den Weg in die Klinik gefunden haben, d.h. die Herausforderungen, die sich bei der Entwicklung Deep Learning-basierter Diagnosesysteme stellen, sind vielfältig: Die Tatsache, dass die Generalisierungsfähigkeit von Lernalgorithmen davon abhängt, wie gut die verfügbaren Trainingsdaten die tatsächliche zugrundeliegende Datenverteilung abbilden, erweist sich in medizinische Anwendungen als tiefgreifendes Problem. Annotierte Datensätze in diesem Bereich sind notorisch klein, da für die Annotation eine kostspielige Beurteilung durch Experten erforderlich ist und die Zusammenlegung kleinerer Datensätze oft durch Datenschutzauflagen und Patientenrechte erschwert wird. Darüber hinaus weisen medizinische Datensätze drastisch unterschiedliche Eigenschaften im Bezug auf Bildmodalitäten, Bildgebungsprotokolle oder Anisotropien auf, und die oft mehrdeutige Evidenz in medizinischen Bildern kann sich auf inkonsistente oder fehlerhafte Trainingsannotationen übertragen. Während die Verschiebung von Datenverteilungen zwischen Forschungsumgebung und Realität zu einer verminderten Modellrobustheit führt und deshalb gegenwärtig als das Haupthindernis für die klinische Anwendung von Lernalgorithmen angesehen wird, wird dieser Graben oft noch durch Störfaktoren wie Hardwarelimitationen oder Granularität von gegebenen Annotation erweitert, die zu Diskrepanzen zwischen der modellierten Aufgabe und der zugrunde liegenden klinischen Fragestellung führen. Diese Arbeit untersucht das Potenzial des End-to-End-Lernens in klinischen Diagnosesystemen und präsentiert Beiträge zu einigen der wichtigsten Herausforderungen, die derzeit eine breite klinische Anwendung verhindern. Zunächst wird der letzten Teil der Klassifikations-Pipeline untersucht, die Kategorisierung in klinische Pathologien. Wir demonstrieren, wie das Ersetzen des gegenwärtigen klinischen Standards regelbasierter Entscheidungen durch eine groß angelegte Merkmalsextraktion gefolgt von lernbasierten Klassifikatoren die Brustkrebsklassifikation im MRT signifikant verbessert und eine Leistung auf menschlichem Level erzielt. Dieser Ansatz wird weiter anhand von kardiologischer Diagnose gezeigt. Zweitens ersetzen wir, dem Paradigma des End-to-End Lernens folgend, das biophysikalische Modell, das für die Bildnormalisierung in der MRT angewandt wird, sowie die Extraktion handgefertigter Merkmale, durch eine designierte CNN-Architektur und liefern eine eingehende Analyse, die das verborgene Potenzial der gelernten Bildnormalisierung und einen Komplementärwert der gelernten Merkmale gegenüber den handgefertigten Merkmalen aufdeckt. Während dieser Ansatz auf markierten Regionen arbeitet und daher auf manuelle Annotation angewiesen ist, beziehen wir im dritten Teil die Aufgabe der Lokalisierung dieser Regionen in den Lernprozess ein, um eine echte End-to-End-Diagnose baserend auf den Rohbildern zu ermöglichen. Dabei identifizieren wir eine weitgehend vernachlässigte Zwangslage zwischen dem Streben nach der Auswertung von Modellen auf klinisch relevanten Skalen auf der einen Seite, und der Optimierung für effizientes Training unter Datenknappheit auf der anderen Seite. Wir präsentieren ein Deep Learning Modell, das zur Auflösung dieses Kompromisses beiträgt, liefern umfangreiche Experimente auf drei medizinischen Datensätzen sowie eine Serie von Toy-Experimenten, die das Verhalten bei begrenzten Trainingsdaten im Detail untersuchen, und publiziren ein umfassendes Framework, das unter anderem die ersten 3D-Implementierungen gängiger Objekterkennungsmodelle umfasst. Wir identifizieren weitere Hebelpunkte in bestehenden End-to-End-Lernsystemen, bei denen Domänenwissen als Zwangsbedingung dienen kann, um die Robustheit von Modellen in der medizinischen Bildanalyse zu erhöhen, die letztendlich dazu beitragen sollen, den Weg für die Anwendung in der klinischen Praxis zu ebnen. Zu diesem Zweck gehen wir die Herausforderung fehlerhafter Trainingsannotationen an, indem wir die Klassifizierungskompnente in der End-to-End-Objekterkennung durch Regression ersetzen, was es ermöglicht, Modelle direkt auf der kontinuierlichen Skala der zugrunde liegenden pathologischen Prozesse zu trainieren und so die Robustheit der Modelle gegenüber fehlerhaften Trainingsannotationen zu erhöhen. Weiter adressieren wir die Herausforderung der Input-Heterogenitäten, mit denen trainierte Modelle konfrontiert sind, wenn sie an verschiedenen klinischen Orten eingesetzt werden, indem wir eine modellbasierte Domänenanpassung vorschlagen, die es ermöglicht, die ursprüngliche Trainingsdomäne aus veränderten Inputs wiederherzustellen und damit eine robuste Generalisierung zu gewährleisten. Schließlich befassen wir uns mit dem höchst unsystematischen, aufwendigen und subjektiven Trial-and-Error-Prozess zum Finden von robusten Hyperparametern für einen gegebene Aufgabe, indem wir Domänenwissen in ein Set systematischer Regeln überführen, die eine automatisierte und robuste Konfiguration von Deep Learning Modellen auf einer Vielzahl von medizinischen Datensetzen ermöglichen. Zusammenfassend zeigt die hier vorgestellte Arbeit das enorme Potenzial von End-to-End Lernalgorithmen im Vergleich zum klinischen Standard mehrteiliger und hochtechnisierter Diagnose-Pipelines auf, und präsentiert Lösungsansätze zu einigen der wichtigsten Herausforderungen für eine breite Anwendung unter realen Bedienungen wie Datenknappheit, Diskrepanz zwischen der vom Modell behandelten Aufgabe und der zugrunde liegenden klinischen Fragestellung, Mehrdeutigkeiten in Trainingsannotationen, oder Verschiebung von Datendomänen zwischen klinischen Standorten. Diese Beiträge können als Teil des übergreifende Zieles der Automatisierung von medizinischer Bildklassifikation gesehen werden - ein integraler Bestandteil des Wandels, der erforderlich ist, um die Zukunft des Gesundheitswesens zu gestalten

Clear Cell Renal Cell Carcinoma 2021–2022

Clear cell renal cell carcinoma is currently one of the most interesting areas of study in oncology. Despite the advances made in this field, this tumor continues to be a health problem of major concern in Western societies, seriously affecting public health services. Several characteristics of this tumor make it an exciting meeting point for translational collaboration between clinicians and basic researchers. Clear cell renal cell carcinoma is a paradigmatic example of inter- and intra-tumor heterogeneity from morphological, immunohistochemical, and molecular viewpoints. This tumor is also a good example to investigate the complexity of tumor/tumor and tumor/environment relationships from an ecological perspective. A deeper identification of the varied internal tumor self-organization through the specialization of cell clones and subclones as local invaders and metastasizers, on one hand, and the interactions of specific subsets of tumor cells with the local host microenvironment, on the other, will significantly enrich our knowledge of this neoplasm. Clear cell renal cell carcinoma is also a paradigmatic test bench for antiangiogenic and immune checkpoint blockage therapies. The refinement of these therapeutic tools administered alone or in combination is a hot issue in oncology, and several international trials are underway