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第一部分:多光谱成像在乳腺癌免疫组织化学定量研究中的应用:一项对比研究目的:一个组织病理学相对新颖的领域,基于光谱学和成像学的多光谱成像(Multispectral imaging,MSI)技术,已广泛应用于生物医学多学科研究。本文旨在分析并比较传统的红蓝绿三原色(Red-green-blue,RGB)图像和明视野多光谱(Multispectral,MS)图像在浸润性乳腺癌(Breast cancer,BC)免疫组织化学(Immunohistochemistry,IHC)染色的应用,以探讨多光谱成像在临床病理诊断中的优势。方法:通过常规IHC方法,染色乳腺癌细胞膜标记物人表面生长因子受体2(Human epidermal growth factor receptor 2,HER2)、细胞质标记物细胞角蛋白 5/6(Cytokeratin5/6,CK5/6)和细胞核标记物雌激素受体(Estrogen receptor,ER),运用传统CCD成像和MSI系统分别获取三个指标IHC染色结果的相对应的RGB和MS图像,应用CRi Nuance图像分析软件定量分析并比较每组图像的.阳性着色区域的总信号光密度(Optical density,OD)值。结果:所获取三个标记物的IHC明场MS图像较RGB图像有更高的清晰度、更强的对比度和更准确的图像分割,更加适合IHC图像中阳性区域的分离和定量。每个标记物MS图像的总信号OD值均高于RGB图像的定量结果(P<0.05)。并且,受试者工作曲线(Receiver operating characteristic curve,ROC)分析显示,评估 HER2 MS 图像较 RGB图像获得了更高的敏感性、特异性和更大的曲线下面积(Area under curve,AUC)(AUC =0.91,89.1%,83.2%vs.AUC = 0.87,84.5%,81.8%)。HER2 RGB 图像的定量结果与乳腺癌临床病理学特征之间无显著相关性(P>0.05)。然而,通过定量分析MS图像,HER2阳性表达的总信号OD值与淋巴结状态(P = 0.02)和组织学分级(P = 0.04)之间有显著相关性。另外,一致性分析也显示,分析三个指标IHC染色的MS图像,包括HER2(组内相关系数(interclass correlation coefficient,ICC)= 0.95,rs= 0.94),CK5/6(ICC = 0.90,rs =0.88)和ER(ICC = 0.94,rs= 0.94),不同观察者之间的一致性均好于RGB图像(ICC = 0.91,rs= 0.89),CK5/6(ICC = 0.85,rs= 0.84)和 ER(ICC = 0.90,rs= 0.89)(均 P<0.001)。结论:本研究表明,MS图像在浸润性乳腺癌IHC定量分析中的应用较传统RGB图像能获得更高的准确性、可靠性和更多的与蛋白表达相关的临床病理学特征信息,有望成为定量病理学中标准化的IHC数字化成像系统。第二部分:比较多光谱和传统RGB成像在评估乳腺癌HER2状态中的应用及对预后的预测表现目的:尽管MSI已广泛应用于生物医学多学科研究领域,但是关于MSI预测肿瘤预后的相关资料报道甚少。本文旨在通过比较多光谱和传统的三原色RGB图像在评估乳腺癌IHC HER2状态中的表现,以探讨其对乳腺癌患者预后的影响。方法:构建含240例浸润性乳腺癌的组织微阵列(Tissue microarrays,TMAs),通过常规IHC染色评估HER2状态,运用传统RGB成像和MSI系统获取相对应的HER2 RGB和MS图像。利用CRi Nuance图像分析软件,分离和定量HER2阳性区域的总信号和平均信号OD值,并比较两种图像的定量结果对乳腺癌患者5年无病生存(5-year disease-free survival,5-DFS)的预测价值。结果:所获HER2的IHC明场MS图像较RGB图像质量更高,更适合于图像中阳性信号的分离和定量。基于最佳P值原理,用X-tile软件将HER2 MS和RGB图像所测总信号和平均信号OD值分别划分为两个等级。单因素分析显示,在淋巴结阴性和阳性亚组患者,HER2MS图像的定量与5-DFS均呈负相关(P<0.05),而RGB图像在淋巴结阴性亚组患者中与5-DFS无相关性(= 0.101)。多因素分析显示,比较RGB图像,分析MS图像能筛选出更多的独立预后因子,且风险比也高于分析RGB图像。另外,在预测复发风险效能方面,ROC分析HER2 MS图像的AUC(AUC = 0.649;95%CI,0.577-0.722)高于 HER2 RGB 图像(AUC = 0.596;95%CI,0.522-0.670)和临床分期(AUC =0.642;95%CI,0.571-0.713),但是低于 N 分期(AUC = 0.696;95%CI,0.628-0.763)和组织学分级(AUC = 0.748;95%CI,0.686-0.811)。更重要的是,MS图像的定量分析对于5-DFS较RGB图像有更高的预测准确率(69.6%vs.65.0%)。结论:本研究显示,定量分析IHC染色的HER2多光谱图像较传统RGB图像能获得更多的预后信息,对预测浸润性乳腺癌的预后有更好的表现。第三部分:结直肠癌组织病理学图像分析:比较多光谱和RGB图像中自动化提取的细胞核形态学特征的预后价值目的:MSI已经成为癌症检测和分类的一个强有力的工具。缺乏明确的对MS明场成像应用的共识促使我们的团队进一步探讨MSI对结直肠癌(Colorectal cancer,CRC)患者预后预测的优势。本文旨在比较MS和标准RGB图像在使用计算机辅助的图像分析(Computer-aided image analysis,CAI)技术定量评估苏木素-伊红(Hematoxylin-eosin,HE)染色的组织病理学图像中的表现,探讨其对结直肠癌患者预后的影响。方法:我们使用基于像素级特征的支持向量机(Support vector machine,SVM)模型分别分割结直肠癌石蜡组织块HE染色明场MS和RGB图像中腺体-间质成分,应用标记点控制的分水岭算法分割不同图像中的细胞核成分,自动化提取不同图像中肿瘤细胞核的形态学参数,研究并比较其和结直肠癌患者5-DFS之间的关系。结果:共提取出47个细胞核形态学参数。Kaplan-Meier生存分析显示,其中8个源自HE MS图像的形态学参数与患者5-DFS显著相关(P<0.05),但从HE RGB图像提取的仅7个形态学特征与患者5-DFS显著相关(P<0.05)。与RGB图像相比,基于像素的对MS图像的细胞核分割获得了更高的准确性、精准度和Dice指数(0.879 vs.0.861;0.686vs.0.667;0.634vs.0.610)。ROC分析显示,4个形态学参数(细胞核数量、圆形度、离心率和最大轴长度)的AUC>0.5,4个形态学参数(平均面积、平均周长、总面积与总周长比和平均面积与平均周长比)的AUC<0.5。我们将上述4个与预后负相关的形态学参数和4个与预后正相关的形态学参数分别组合成整合参数1和整数参数2。同样的整合方法应用于RGB图像的分析结果。多因素Cox比例风险回归模型分析显示,MS图像的整合参数1(P<0.001)和2(P<0.001)均是独立预后因子。而在RGB图像,仅整合参数1是独立预后因子(P<0.001)。更重要的是,HEMS图像的形态学定量评估对结直肠癌患者的5-DFS较RGB图像有更高的预测准确率(73.1%vs.70.1%)。结论:本研究表明,应用计算机辅助图像分析技术定量评估HE染色的MS图像较传统RGB图像能获得更多的结直肠癌预后信息和更好的预后预测表现,从而有助于精准肿瘤学的发展。