Radiomics in shoulder ultrasound: applications of novel image analysis and artificial intelligence methods for the detection and characterization of joint pathology

Abstract

Shoulder disorders are a major cause of pain and disability and they are among the most common indications for musculoskeletal imaging. Ultrasound plays a pivotal role in the evaluation and management of shoulder pathology due to its widespread availability, high spatial resolution, dynamic assessment capability and use in image-guided interventions. However ultrasound interpretation remains largely qualitative and may not fully capture the biological heterogeneity of shoulder diseases. Radiomics, a quantitative imaging methodology that extracts large numbers of image-derived features, has emerged as a promising method for converting medical images into objective biomarkers suitable for prediction, characterization, and clinical decision support. The aim of this thesis was to investigate the role of ultrasound radiomics in shoulder pathology, with particular emphasis on calcific tendinopathy and rotator cuff disease. Four complementary studies were conducted. The first study evaluated whether radiomics extracted from ultrasound images could predict technical success following ultrasound-guided percutaneous irrigation of calcific tendinopathy (US-PICT). Machine learning models incorporating radiomic and clinical features outperformed models based solely on clinical or radiomics variables alone, while external validation confirmed the generalizability of the proposed approach. The second study examined the influence of image preprocessing on radiomic feature reproducibility. Advanced contrast-limited adaptive histogram equalization (CLAHE) improved feature stability and increased the number of highly reproducible radiomic features, highlighting the importance of the preprocessing standardization. The third study investigated the potential prediction of one-year functional outcome following US-PICT and demonstrated that the combined clinical-radiomic model provided good predictive performance. Calibration curve and decision curve analysis were also included to assess model calibration and clinical utility. Furthermore, SHAP (SHapley Additive exPlanations) analyses were generated for the final models to facilitate interpretation of each of the selected feature contribution to model predictions. Finally, a prospective paired MRI-Ultrasound study explored the relationship between radiomics extracted from matched tendon footprint regions. MRI-derived radiomic features demonstrated stronger associations with rotator cuff pathology severity, whereas ultrasound-derived features showed limited discriminatory capability and minimal cross-modal correspondence. The findings of this thesis suggest that ultrasound radiomics can provide clinically relevant information and improve outcome prediction in selected applications, particularly in calcific tendinopathy of the rotator cuff. At the same time, the results emphasize the importance of reproducibility and methodological standardization. Ultrasound and MRI appear to generate distinct radiomic representations of musculoskeletal pathology, indicating that quantitative imaging biomarkers are likely to be modality- and pathology-specific rather than universally transferable. These findings contribute to the growing field of musculoskeletal radiomics and support the continued development of robust quantitative imaging biomarkers for personalized patient care.

Η τεχνητή νοημοσύνη και οι τεχνικές ποσοτικής ανάλυσης ιατρικών εικόνων μεταμορφώνουν ταχύτατα τη σύγχρονη ακτινολογία, επιτρέποντας την εξαγωγή πληροφοριών που υπερβαίνουν την οπτική αξιολόγηση από τον ειδικό. Η ραδιομική (radiomics) αποτελεί μία από τις σημαντικότερες μεθοδολογίες ποσοτικής απεικόνισης, καθώς επιτρέπει τη μετατροπή των ιατρικών εικόνων σε μεγάλες συλλογές ποσοτικών χαρακτηριστικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία βιοδεικτών, την πρόγνωση της πορείας της νόσου και την υποστήριξη της λήψης κλινικών αποφάσεων. Παρά τη σημαντική ανάπτυξη της ραδιομικής στην αξονική και τη μαγνητική τομογραφία, η εφαρμογή της στην υπερηχοτομογραφία παραμένει περιορισμένη, κυρίως λόγω της εγγενούς μεταβλητότητας της μεθόδου, της εξάρτησής της από την εμπειρία του χειριστή και της έλλειψης τυποποιημένων πρωτοκόλλων. Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερεύνησε τον ρόλο της ραδιομικής στην υπερηχοτομογραφία ώμου, με ιδιαίτερη έμφαση στην τενοντοπάθεια από εναπόθεση κρυστάλλων υδροξυαπατίτη (Hydroxyapatite Deposition Disease – HADD), στην τενοντοπάθεια και τις ρήξεις του στροφικού πετάλου. Βασικός στόχος ήταν η αξιολόγηση της δυνατότητας εξαγωγής κλινικά χρήσιμων ποσοτικών βιοδεικτών από συμβατικές υπερηχογραφικές εικόνες, καθώς και η διερεύνηση της αναπαραγωγιμότητας και της βιολογικής ερμηνείας των παραγόμενων χαρακτηριστικών. Η διατριβή περιλαμβάνει τέσσερις επιμέρους μελέτες. Οι τρεις πρώτες βασίστηκαν σε κοινή αναδρομική ομάδα ασθενών με συμπτωματική ασβεστοποιό τενοντοπάθεια του στροφικού πετάλου, οι οποίοι υποβλήθηκαν σε υπερηχογραφικά καθοδηγούμενη διαδερμική έκπλυση των ασβεστώσεων (Ultrasound-Guided Percutaneous Irrigation of Calcific Tendinopathy – US-PICT). Η τέταρτη μελέτη βασίστηκε σε ανεξάρτητη προοπτική ομάδα ασθενών που υποβλήθηκαν τόσο σε υπερηχοτομογραφία όσο και σε μαγνητική τομογραφία ώμου, επιτρέποντας την άμεση σύγκριση υπερηχογραφικών και μαγνητικών ραδιομικών χαρακτηριστικών. Στην πρώτη μελέτη αναπτύχθηκαν μοντέλα μηχανικής μάθησης για την πρόβλεψη της τεχνικής επιτυχίας της US-PICT, η οποία ορίστηκε ως η πλήρης ή μερική αφαίρεση του ασβεστοποιημένου υλικού κατά τη διάρκεια της επέμβασης. Τα μοντέλα που ενσωμάτωναν ραδιομικά χαρακτηριστικά υπερείχαν έναντι εκείνων που βασίζονταν αποκλειστικά σε κλινικές παραμέτρους. Η υψηλότερη απόδοση επιτεύχθηκε από συνδυασμένα μοντέλα που αξιοποιούσαν τόσο κλινικές όσο και ραδιομικές πληροφορίες, ενώ η επίδοση του τελικού μοντέλου ελέγχθηκε και σε σειρά ασθενών από διαφορετικό κέντρο η οποία επιβεβαίωσε τη γενικευσιμότητα των αποτελεσμάτων. Τα ευρήματα αυτά υποδηλώνουν ότι η ραδιομική μπορεί να παρέχει πρόσθετες πληροφορίες σχετικά με την εσωτερική ετερογένεια των ασβεστώσεων, οι οποίες δεν είναι εμφανείς κατά τη συμβατική οπτική αξιολόγηση. Η δεύτερη μελέτη επικεντρώθηκε στην αναπαραγωγιμότητα των υπερηχογραφικών ραδιομικών χαρακτηριστικών και στη διερεύνηση της επίδρασης διαφορετικών τεχνικών προεπεξεργασίας εικόνας. Συγκρίθηκαν πολλαπλές μέθοδοι βελτίωσης αντίθεσης, συμπεριλαμβανομένων διαφορετικών παραλλαγών του αλγορίθμου Contrast-Limited Adaptive Histogram Equalization (CLAHE). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η προηγμένη μορφή του CLAHE παρείχε τη μεγαλύτερη σταθερότητα χαρακτηριστικών και αύξησε σημαντικά τον αριθμό των αναπαραγώγιμων ραδιομικών χαρακτηριστικών. Επιπλέον, τα χαρακτηριστικά υφής που προέκυπταν από μετασχηματισμούς wavelet εμφάνισαν σταθερά υψηλή αναπαραγωγιμότητα. Τα ευρήματα αυτά αναδεικνύουν τη σημασία της τυποποίησης των διαδικασιών προεπεξεργασίας στην υπερηχογραφική ραδιομική και υποστηρίζουν τη χρήση συγκεκριμένων τεχνικών βελτίωσης εικόνας πριν από την ανάπτυξη διαγνωστικών ή προγνωστικών μοντέλων. Η τρίτη μελέτη αξιολόγησε τη δυνατότητα πρόβλεψης της μακροπρόθεσμης λειτουργικής έκβασης μετά από US-PICT. Χρησιμοποιώντας τον δείκτη Constant-Murley Score ένα έτος μετά από αυτή την ελάχιστα επεμβατική μέθοδο ως τελικό σημείο, αναπτύχθηκαν μοντέλα παλινδρόμησης που συνδύαζαν κλινικές και ραδιομικές μεταβλητές. Τα μοντέλα αυτά παρουσίασαν καλή προγνωστική ικανότητα και δυνητική κλινική χρησιμότητα. Μεταξύ των σημαντικότερων παραγόντων πρόβλεψης περιλαμβάνονταν η ηλικία, ο τύπος της ασβέστωσης, το μέγιστο μέγεθος της εναπόθεσης και επιλεγμένα ραδιομικά χαρακτηριστικά. Τα αποτελέσματα υποστηρίζουν τη δυνατότητα της υπερηχογραφικής ραδιομικής να συμβάλει στην εξατομίκευση της θεραπείας και στη βελτίωση της επιλογής ασθενών. Η τέταρτη μελέτη διερεύνησε τη σχέση μεταξύ ραδιομικών χαρακτηριστικών που εξήχθησαν από είκονες υπερηχοτομογραφίας και μαγνητικής τομογραφίας από περιοχές της κατάφυσης των τενόντων του στροφικού πετάλου. Σε αντίθεση με τα προηγούμενα ευρήματα στην ασβεστοποιό τενοντοπάθεια, τα υπερηχογραφικά ραδιομικά χαρακτηριστικά εμφάνισαν περιορισμένη ικανότητα διάκρισης της βαρύτητας των παθολογικών αλλοιώσεων του τένοντα. Αντίθετα, τα χαρακτηριστικά που προέρχονταν από τη μαγνητική τομογραφία παρουσίασαν ισχυρότερες συσχετίσεις με τη βαρύτητα της νόσου. Επιπλέον, παρατηρήθηκε ελάχιστη συσχέτιση μεταξύ των χαρακτηριστικών των δύο απεικονιστικών μεθόδων. Τα αποτελέσματα αυτά υποδηλώνουν ότι η μαγνητική τομογραφία και η υπερηχοτομογραφία παράγουν διαφορετικές ποσοτικές αναπαραστάσεις της παθολογίας, οι αντίστοιχοι βιοδείκτες δεν είναι απαραίτητα εναλλάξιμοι μεταξύ των μεθόδων και ότι τα ραδιομικά χαρακτηριστικά που εξάγονται από τη μαγνητική τομογραφία φαίνεται να παρουσιάζουν μεγαλύτερη ευαισθησία στην ανίχνευση διαφορών στη βαρύτητα της νόσου σε σύγκριση με εκείνα της υπερηχοτομογραφίας. Συνολικά, η παρούσα διατριβή επιβεβαιώνει ότι η υπερηχογραφική ραδιομική μπορεί να προσφέρει κλινικά χρήσιμες πληροφορίες σε συγκεκριμένα προβλήματα, όπως η πρόβλεψη της ανταπόκρισης στην αντιμετώπιση της ασβεστοποιού τενοντοπάθειας. Παράλληλα, αναδεικνύει ότι η αναπαραγωγιμότητα αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση για τη μελλοντική κλινική αξιοποίηση των ραδιομικών βιοδεικτών, ενώ η βιολογική ερμηνεία των χαρακτηριστικών παραμένει ένα σημαντικό ανοικτό ερευνητικό ζήτημα. Τα αποτελέσματα υποστηρίζουν την άποψη ότι η αξία της υπερηχογραφικής ραδιομικής εξαρτάται από το είδος της παθολογίας και το κλινικό ερώτημα που εξετάζεται και ότι η υπερηχοτομογραφία και η μαγνητική τομογραφία παρέχουν συμπληρωματικές και όχι ταυτόσημες ποσοτικές πληροφορίες. Η περαιτέρω ανάπτυξη τυποποιημένων μεθοδολογιών, πολυκεντρικών μελετών και βιολογικά τεκμηριωμένων βιοδεικτών αναμένεται να παίξει καθοριστικό ρόλο στη μελλοντική ενσωμάτωση της ραδιομικής στην καθημερινή κλινική πράξη.