Graph Attention-Based Fusion of Pathology Images and Gene Expression for Prediction of Cancer Survival

计算机科学 人工智能 杠杆(统计) 基因表达谱 数字化病理学 融合基因 图形 模式 基因表达 模式识别(心理学) 计算生物学 机器学习 基因 生物 理论计算机科学 社会学 生物化学 社会科学
作者
Yi Zheng,Regan D. Conrad,Emily J. Green,Eric Burks,Margrit Betke,Jennifer Beane,Vijaya B. Kolachalama
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:43 (9): 3085-3097 被引量:14
标识
DOI:10.1109/tmi.2024.3386108
摘要

Multimodal machine learning models are being developed to analyze pathology images and other modalities, such as gene expression, to gain clinical and biological insights. However, most frameworks for multimodal data fusion do not fully account for the interactions between different modalities. Here, we present an attention-based fusion architecture that integrates a graph representation of pathology images with gene expression data and concomitantly learns from the fused information to predict patient-specific survival. In our approach, pathology images are represented as undirected graphs, and their embeddings are combined with embeddings of gene expression signatures using an attention mechanism to stratify tumors by patient survival. We show that our framework improves the survival prediction of human non-small cell lung cancers, outperforming existing state-of-the-art approaches that leverage multimodal data. Our framework can facilitate spatial molecular profiling to identify tumor heterogeneity using pathology images and gene expression data, complementing results obtained from more expensive spatial transcriptomic and proteomic technologies.
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