Các phép đo tổng thể tích thận tự động trong chẩn đoán hình ảnh cộng hưởng từ tiền lâm sàng để cung cấp dữ liệu hình ảnh, chú thích và mã nguồn
Mar 16, 2022
Tiếp xúc:joanna.jia@wecistanche.com/ WhatsApp: 008618081934791
Chiết xuất Cistanche tốt cho chức năng thận
Marie E. Edwards1, Sigapriya Periyanan1, Deema Anaam2, Adriana V. Gregory1, và Timothy L. Kline1,21 Khoa Thận và Tăng huyết áp, Phòng khám Mayo, Rochester, Minnesota, Hoa Kỳ; và Khoa X quang 2D, Phòng khám Mayo, Rochester, Minnesota, Hoa Kỳ
Mục tiêu của nghiên cứu này là xác nhận tổng số hoàn toàn tự độngquả thậnphương pháp đo thể tích cho các thử nghiệm trên loài gặm nhấm tiền lâm sàng, nhanh chóng, chính xác, có thể tái tạo và cung cấp các nguồn lực này cho cộng đồng nghiên cứu. Các nghiên cứu về loài gặm nhấm liên quan đến hình ảnh là rất quan trọng để theo dõi khả năng điều trị đối với các bệnh như đa nangquả thậndịch bệnh. Các nghiên cứu trước đây sử dụng phân đoạn thủ công hoặc bán tự động, việc này tốn nhiều thời gian và có khả năng sai lệch. Để phát triển hệ thống tự động của chúng tôi, tổng cộng 150 hình ảnh cộng hưởng từ trục (MRI) từ nhiều mẫu chuột khác nhau đã được phân đoạn theo cách thủ công và được sử dụng để huấn luyện / xác nhận một thuật toán tự động. Để kiểm tra ứng dụng dọc của mô hình, bốn con chuột đột biến và bốn con chuột hoang dã được chụp ảnh tuần tự trong vòng ba đến mười hai tuần qua MRI. Các phân đoạn của thận (không bao gồm bể thận) được tạo ra bằng phương pháp tự động và hai đầu đọc khác nhau, với một đầu đọc lặp lại các phép đo. Các chỉ số tương tự và phân tích theo chiều dọc đã được tính toán để đánh giá hiệu suất của phương pháp tự động so với phương pháp thủ công. Phương pháp tự động không yêu cầu người dùng nhập, bên cạnh bước kiểm soát chất lượng trực quan cuối cùng. Các chỉ số tương tự của phương pháp tự động so với phân đoạn thủ công là ngang bằng với so sánh giữa các độc giả và nội bộ. Do đó, phương pháp tiếp cận hoàn toàn tự động của chúng tôi được mô tả ở đây có thể được sử dụng một cách an toàn trong các thử nghiệm tiền lâm sàng theo chiều dọc liên quan đến việc phân đoạn thận của loài gặm nhấm trong T 2- MRI có trọng số.
Nghiên cứu này đã phát triển một phương pháp hoàn toàn tự động để đo lường tổngquả thậnkhối lượng cho hình ảnh tiền lâm sàng trong một mô hình chuột đột biến đa nangquả thậnbệnh cũng như chuột hoang dã. Nghiên cứu này cũng xác định cả sự biến thiên giữa máy đọc và máy đọc trong trong phép đo tổng thể tích thận để tạo hình ảnh tiền lâm sàng. Các nghiên cứu tương tự và phương pháp tiếp cận thuật toán có thể được sử dụng để thiết lập các phương pháp cho dữ liệu hình ảnh lâm sàng và cần thiết để tiên lượng bệnh chính xác và ra quyết định lâm sàng. Chúng tôi đang cung cấp dữ liệu hình ảnh, chú thích và mã nguồn cho cộng đồng nghiên cứu.
Việc đo thể tích các cơ quan đã được chứng minh là có tương quan với các biểu hiện lâm sàng và tỷ lệ mắc các bệnh như tổngquả thậnthể tích (TKV) ở thể đa nang chiếm ưu thế trên NST thườngquả thậnbệnh (PKD) 1,2 và được sử dụng để xác định hiệu quả của các can thiệp điều trị.3 Nghiên cứu, thử nghiệm lâm sàng, và ngày càng có nhiều bệnh lý thận học sử dụng các phép đo này để theo dõi sự tiến triển của bệnh ở cả mô hình động vật và bệnh nhân, 5 đánh giá hiệu quả của liệu pháp, 6 và dự đoán kết quả.7
Hiện tại, các nghiên cứu tiền lâm sàng đang diễn ra với tốc độ chưa từng có để tìm kiếm các phương pháp điều trị mới nhằm làm chậm sự tiến triển của PKD. Một ưu điểm chính của chụp cộng hưởng từ (MRI) trong các mô hình động vật của PKD là khả năng sử dụng hình ảnh in vivo, cho phép thực hiện các nghiên cứu thể tích dọc sử dụng cùng một động vật.8 Nhiều nghiên cứu liên quan đến thủ công, 4,9–12 bán tự động hóa, 13,14 và phân đoạn tự động dựa trên đăng ký 15,16 chuộtthậnđã được thực hiện trước đây.
Nhiều phương pháp được coi là tự động vẫn yêu cầu người dùng nhập. Phần lớn các nghiên cứu tiền lâm sàng này sử dụng các phân đoạn thủ công, tốn nhiều thời gian và chi phí cũng như tạo ra sự sai lệch của người quan sát. Vì vậy, phòng thí nghiệm của chúng tôi đã đánh giá sự biến đổi trong phép đo của TKV và phát triển một chương trình phân tích tự động để đo TKV trong chụp cộng hưởng từ các mô hình bệnh lý ở chuột.
KẾT QUẢ
Sự thay đổi giữa máy chủ nội bộ và máy chủ tương tác của thận bằng tay
phân đoạn
Hình 1 cho thấy kết quả phân tích Bland-Altman của TKV được đo thủ công bởi 2 đầu đọc (phương sai máy chủ tương tác) và phép đo lặp lại bằng đầu đọc 2 (phương sai máy chủ nội bộ). Khi người đọc 1 được so sánh với người đọc 2, có sự khác biệt phần trăm trung bình là 7,7 phần trăm và khoảng thời gian kết quả 95 phần trăm là 4,5 phần trăm. Khi người đọc 2 thực hiện các phép đo lặp lại của cùng một hình ảnh, có sự khác biệt phần trăm trung bình là 0. 5 phần trăm và khoảng cách giữa 95 phần trăm là 3,9 phần trăm. Phân tích hồi quy chỉ ra rằng TKV có sự thống nhất cao giữa tất cả các phương pháp, với giá trị R2 là $ 0. 99.
Xác thực thuật toán phân đoạn tự động
Phương pháp tự động được so sánh với từng đầu đọc liên quan đến chênh lệch tỷ lệ phần trăm của TKV tương tự với phương sai giữa máy chủ và giữa máy chủ như được đề xuất bởi đồ thị Bland-Altman trong Hình 1. Khi đầu đọc 1 được so sánh với phương pháp tự động, có chênh lệch phần trăm trung bình là 5,2 phần trăm và khoảng thời gian điều chỉnh 95 phần trăm là 5,8 phần trăm. Khi người đọc 2 được so sánh với phương pháp tự động, có sự khác biệt phần trăm trung bình là 2,5 phần trăm và khoảng thời gian kết quả 95 phần trăm là 6,5 phần trăm.
Sự phân biệt giữa chuột hoang dã và chuột đột biến
Các TKV trung bình và SD được vẽ biểu đồ tại mỗi thời điểm cho mỗi phương pháp và được phân tách theo kiểu gen (kiểu đột biến so với kiểu hoang dã). Như đã thấy trong Hình 2, TKV trung bình ở chuột hoang dã tại mỗi thời điểm luôn nhỏ hơn ở chuột đột biến. Tất cả 3 phương pháp (tự động, đầu đọc 1 và đầu đọc 2) chứng minh rằng không thể phân biệt đáng kể loại chuột khi 9 và 12 tuần tuổi.
THẢO LUẬN
Phân tích củaquả thậnthể tích trong PKD là một trong những thước đo quan trọng nhất hiện nay được sử dụng để xác định tình trạng bệnh. Trước công việc của chúng tôi, không có cách nào thay thế cho việc theo dõi thủ côngthậntrong các hệ thống mô hình của PKD. Do thời gian cần thiết để theo dõi các cấu trúc này, cũng như thời gian cần thiết để đào tạo một người thực hiện các phép đo này và khả năng thay đổi giữa các đơn vị vận hành, trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phát triển và xác nhận một phương pháp phân đoạn hoàn toàn tự động cho TKV. Các phân đoạn tự động được tính trong vài phút (tùy thuộc vào khả năng tính toán), trong khi phân đoạn thủ công mất 20 đến 40 phút. Không giống như các phương pháp phân đoạn thủ công hoặc thậm chí bán tự động, phương pháp tự động này sẽ tạo ra các kết quả giống nhau mỗi khi nó được áp dụng cho cùng một hình ảnh.
Các thử nghiệm tiền lâm sàng thường bao gồm cả nhóm chứng và (các) nhóm điều trị; do đó, phương pháp tự động phối giống phải đủ nhạy để phát hiện sự khác biệt về thể tích giữa các nhóm một cách thích hợp.17 Hình 2 cho thấy rằng phân đoạn thủ công và phân đoạn tự động đều cho thấy sự phân tách đáng kể ở nhóm kiểu hoang dã và nhóm đột biến ở 9 tuần tuổi. Mặc dù sự thống nhất chung là tuyệt vời, các so sánh trực quan cho thấy có sự bất đồng nhỏ về việc nên bao gồm hay loại trừ bể thận trong một tập hợp nhỏ các lát cắt. Mặc dù thực tế phổ biến là loại trừ
Hình 1|Bland-Altman và phân tích hồi quy của (a, e) máy chủ nội bộ và (b, f) tổng thể tích thận máy chủ nội bộ (TKV)
các phép đo (được đo bằng mililit) ngoài phương pháp tự động (Auto) so với đầu đọc (c, g) 1 và (d, h) đầu đọc 2.
Biểu đồ Bland-Altman cho thấy sự khác biệt trung bình (đường liền nét) và khoảng tin cậy 95 phần trăm (đường chấm). Phân tích hồi quy cho thấy mối tương quan giữa các phương pháp được so sánh.
Hình 2|Tổng thể tích thận của chuột kiểu hoang dã và chuột đột biến được vẽ biểu đồ theo thời gian (3–12 tuần tuổi) cho chế độ tự động (Auto)
phương thức (bên trái), bộ đọc 1 (giữa) và bộ đọc 2 (bên phải). Cả 3 phương pháp đều cho thấy sự tách biệt đáng kể giữa loại chuột ở 9 tuần tuổi.
Thanh lỗi cho biết SD. * P <0.>
bể thận, độ biến thiên có thể giảm nếu người đọc được hướng dẫn luôn bao gồm cấu trúc này.
Phương pháp tự động được trình bày trong nghiên cứu này vẫn chưa được áp dụng cho các hình ảnh bên ngoài. Điều quan trọng cần lưu ý là cường độ tín hiệu khác nhau giữa các trang web, máy quét và thu nhận MRI. Có khả năng, một tập dữ liệu đào tạo lớn hơn với nhiều trường hợp đa dạng hơn từ các máy MRI khác nhau có thể đạt được một mô hình mạnh mẽ hơn vì bản chất của các thuật toán học sâu. Các thuật toán tự động như thế này thường cần được đào tạo lại trên các tập dữ liệu bên ngoài do các tín hiệu MRI có sự biến đổi. Do đó, chúng tôi cung cấp dữ liệu hình ảnh, chú thích và mã nguồn cho cộng đồng nghiên cứu để các nhóm khác sử dụng cùng một mô hình hoặc phát triển mô hình của riêng họ.
PHƯƠNG PHÁP
Dữ liệu đào tạo / xác thực
Mô hình được đào tạo trên 100 trường hợp và xác nhận trên 50 trường hợp. 150 trường hợp này bao gồm những con chuột có mức độ bệnh khác nhau và ở nhiều lứa tuổi. Tập hợp thử nghiệm là một tập hợp hoàn toàn được tổ chức và là những gì chúng tôi đánh giá trong bài viết này.
Thử nghiệm nhóm nghiên cứu
Nghiên cứu này đã được xem xét và phê duyệt bởi Ủy ban chăm sóc và sử dụng động vật của Bệnh viện Mayo. Nhóm thuần tập bao gồm C57Bl 6 129 s6Svev / Tac kiểu hoang dã (n ¼ 4; 2 nữ / 2 nam) và C57Bl 6 129 s6Svev / Tac (n ¼ 4; 2 nữ / 2 nam) đột biến Pkd1RC / Chuột mô hình RC. Chuột đột biến phản ánh sự biểu hiện của PKD1 ở người cả về mặt di truyền và kiểu hình.18 Một trong những con chuột đột biến đã chết giữa cuộc thí nghiệm và được thay thế bằng một con chuột đột biến khác cùng tuổi vào tuần thứ 9.
Thu nhận hình ảnh
Hình ảnh được thực hiện bằng máy quang phổ Avance DRX 700WB (Bruker BioSpin, Billerica, MA). Toàn bộ phạm vi bảo hiểm củathậnthu được nhờ thu nhận có trọng số TurboRARE T {{0}} trục được tái tạo với độ phân giải trong mặt phẳng 0,1 mm và độ dày lát cắt 1- mm (kích thước ma trận, 256 256 Z, với Z được chọn lớn đủ để bao gồm toàn bộ phạm vi củathận). Tổng thời gian quét dao động từ 5 đến 10 phút. Trong nhóm nghiên cứu thử nghiệm, mỗi con chuột được chụp ảnh ở 4- thời điểm (3, 6, 9 và 12 tuần tuổi). Các mốc thời gian cho mỗi con chuột được thực hiện cách nhau 2 ngày để đảm bảo các thông số hình ảnh nhất quán và hạn chế sự thay đổi của môi trường.
Phân tích hình ảnh
Các khu vực quan tâm được theo dõi trên mỗi lần quét bằng cách sử dụng gói phần mềm hình ảnh (Phân tích, phiên bản 12. 0, Tài nguyên Hình ảnh Y sinh, Phòng khám Mayo, Rochester, MN). Mỗi độc giả được hướng dẫn loại trừ bể thận khi bể thận không được bao bọc bởiquả thậnviên nang trong lát hình ảnh. Quá trình phân đoạn thủ công mất từ 20 đến 40 phút tùy từng trường hợp. Đầu tiên TV được tính toán bằng cách tổng số voxel có trong phân đoạn trên mỗi lát và sau đó nhân số voxel với khối lượng voxel thu được từ tiêu đề hình ảnh. Đối với dữ liệu thử nghiệm, 2 đầu đọc mù đôi (1 và 2), cả hai đều có kinh nghiệm trong phân đoạn MRI bằng tay, đã thực hiệnquả thậnsegmentations on all scans. For intrareader analysis, reader 2 repeated the measurements at 2-time points (>Cách nhau 3 tháng).
Phương pháp tự động
Mô hình mạng nơron được điều chỉnh từ mô hình trước đây của chúng tôi để đo TKV từ hình ảnh cộng hưởng từ trọng số T 2- của coronal từ quét lâm sàng.19 Mã nguồn, hình ảnh và chú thích được công bố công khai tại: https: // github.com/ TLKline / AutoTKV _ MouseMRI.
Phân tích thống kê
Hình ảnh cộng hưởng từ trọng số T 2- trục thu được trên mỗi con chuột (n ¼ 8) tại mỗi thời điểm (3, 6, 9 và 12 tuần) được sử dụng để phân tích thống kê. Có tổng cộng 32 hình ảnh cho phép so sánh các hình ảnh khác nhau ở nhiều độ tuổi và sự khác biệt về kiểu hình. Để xác thực phương pháp hoàn toàn tự động, số liệu thống kê so sánh đã được sử dụng để đánh giá khả năng tách nhóm kiểu hoang dã và nhóm đột biến của từng phương pháp. Điều này đạt được bằng cách vẽ TKV theo mốc thời gian và phân tách theo kiểu chuột. Các phép đo của TKV và tốc độ tăng trưởng cho từng phương pháp cũng được đánh giá bằng cách sử dụng Bland-Altman và đồ thị hồi quy tuyến tính.
TIẾT LỘ
Tất cả các tác giả tuyên bố không có lợi ích cạnh tranh.
SỰ NHÌN NHẬN
Công việc này được hỗ trợ bởi Mayo Clinic Robert M. và Billie Kelley Pirnie Translational PolycysticQuả thậnTrung tâm Bệnh tật và Viện Quốc gia về Tiểu đường và Tiêu hóa vàQuả thậnBệnh (cấp số P30DK090728 và K01DK110136). Các tác giả cảm ơn Lynnae M. Henry đã hỗ trợ hành chính của cô ấy trong việc chuẩn bị và định dạng bản thảo này.
NGƯỜI GIỚI THIỆU
1. Grantham JJ, Torres VE, Chapman AB, và cộng sự. Tiến triển về khối lượng trong bệnh thận đa nang.N Engl Med.2006; 354: 2122-2130.
2. Torres VE, Chapman AB, Devuyst O, và cộng sự.Tolvaptan ở những bệnh nhân mắc bệnh thận đa nang chiếm ưu thế trên NST thường.N Engl J Med.2012; 367: 2407-2418.
3. Caroli A, Perico N, Perna A, và cộng sự.Ảnh hưởng của chất tương tự somatostatin tác dụng kéo dài lên sự phát triển của thận và u nang trong bệnh thận đa nang chiếm ưu thế trên thể tích (ALADIN): một thử nghiệm đa trung tâm ngẫu nhiên, có đối chứng với giả dược. Lancet.2013; 382: 1485-1495.
4. Wallace DP, Hou YP, Huang ZL et al. Theo dõi thể tích thận ở chuột 14. Almajdub M, Magnier L, Juillard L, et al.Quả thậnđịnh lượng thể tích với bệnh thận đa nang bằng chụp cộng hưởng từ. Thận Int.2008; 73: 778-781.
5. Grantham J, Torres VE, Tầm quan trọng của tổng thể tích thận trong việc đánh giá sự tiến triển của bệnh thận đa nang. Nat Rev Nephrol. 2016; 12: 667-677.
6. Higashihara E, Torres VE, Chapman AB, et al. Tolvaptan trong autosomal 16. Gleason SS, Sari-Sarraf H, Abidi MA, et al. Một bệnh thận đa nang trội có thể biến dạng mới: kinh nghiệm ba năm. Cin J Am Soc Nephrol. 20116: 2499-2507.
7. Irazabal MV, Rangel L, Berastralh EJ, et al, Phân loại hình ảnh của bệnh thận đa nang chiếm ưu thế trên NST thường: một mô hình đơn giản để lựa chọn bệnh nhân cho các thử nghiệm lâm sàng. JAm Soc Nephrol.2015; 26: 160-172.
8. Olazabal MV, Mishra PK, Torres VE, et al. Sử dụng MRI trường siêu cao trong các mô hình động vật gặm nhấm nhỏ đa nangquả thậnbệnh để xác định kiểu hình Vivo và theo dõi thuốc. J Vis Exp.2015; 100: e52757.
9. Erokwu BO, Anderson CE, Flask CA, et al. Hình ảnh cộng hưởng từ định lượng đánh giá sự tiến triển của bệnh thận đa nang thể lặn ở thể lặn và đáp ứng với điều trị trên mô hình động vật. Nhi đồng Res.2018; 83: 1067-1074.
10. Bác sĩ RB, Serkova NU, Hasebroock KM, et al. Các mô hình phát triển nang thận và nang gan khác biệt ở chuột pkd2 (WS25 / -). Ghép số Nephrol. 2010; 25: 3496-3504.
11. Franke M, Baessler B, VechtelJ, và cộng sự. Lập bản đồ cộng hưởng từ T2 và hình ảnh có trọng số khuếch tán để phát hiện sớm quá trình tạo tế bào và đáp ứng với liệu pháp trên mô hình chuột mắc bệnh thận đa nang. Thận Int. 2017: 92: 1544-1554.
12. Zhou X, Bao H, Takakura A, et al. Đánh giá bệnh thận đa nang bằng chụp cộng hưởng từ trong mô hình chuột loại trực tiếp PKD1 bị thương do thiếu máu cục bộ-tái tưới máu: so sánh giữa FSE và FISP có trọng số T 2-. Đầu tư Radiol.2010; 45: 24-28.
13. Fei B, Flask C, Wang H, et al. Phân đoạn hình ảnh, đăng ký và hiển thị hình ảnh MR nối tiếp để đánh giá điều trị đa nangquả thậnbệnh ở chuột chuyển gen. Sự kiện Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2005; 1: 467-469.
14. Almaidub M, Maanier L, Juillard L, và cộng sự,Quả thậnđịnh lượng thể tích bằng cách sử dụng vi-CT tia X in vivo tăng cường độ tương phản ở chuột. Hình ảnh Contrast Media Mol.2008; 3: 1 20-126.
15. Hadjidemetriou S, Reichardt W, Hennig J, et al. Phân tích số lượng dữ liệu MRI theo dõi điều trị đa nangquả thậnbệnh trên mô hình chuột. MAGMA.2011; 24: 109-119. Mô hình phân tích hình ảnh CT tia X trong các nghiên cứu tiền lâm sàng trên chuột đối với bệnh thận đa nang.IEEE Trans Med Imaging. Năm 2002; 21: 1302-1309.
16. Gleason SS, Sari-Sarraf H, Abidi MA, et al. Một mô hình có thể biến dạng mới để phân tích hình ảnh CT tia X trong các nghiên cứu tiền lâm sàng trên chuột đối với bệnh thận đa nang. IEEE Trans Med Imaging.2002; 21: 1302-1309.
17. Reichardt W, Romaker D, Becker A, và cộng sự. Theo dõi thể tích thận và nang thận bằng cách áp dụng phương pháp MR trên mô hình chuột ADPKD được điều trị bằng rapamycin. MAGMA.2009; 22: 143-149.
18. Hopp K, Ward C, Hommerding C, et al. Liều lượng polycystin chức năng -1 chi phối đa nang chiếm ưu thế trên nhiễm sắc thểquả thậnMức độ nghiêm trọng của bệnh. J Cin Đầu tư. 2012: 122: 4257-4273.
19. Kine TLKorfatis P, Edwards ME, et al, Hiệu suất của một mạng thần kinh sâu đa quan sát nhân tạo để phân đoạn hoàn toàn tự động của đa nangthận.JDigit Imaging.2017; 30: 442-448.
