Măsurători automate ale volumului total al rinichilor în imagistica prin rezonanță magnetică preclinică pentru date imagistice, adnotări și cod sursă

Contact:joanna.jia@wecistanche.com/ WhatsApp: 008618081934791

Extractul de cistanche este bun pentru funcția renală

Marie E. Edwards1, Sigapriya Periyanan1, Deema Anaam2, Adriana V. Gregory1 și Timothy L. Kline1,21Division of Nephrology and Hypertension, Mayo Clinic, Rochester, Minnesota, SUA; și 2Departament de Radiologie, Clinica Mayo, Rochester, Minnesota, SUA

Obiectivul acestui studiu a fost de a valida un total complet automatizatrinichimetoda de măsurare a volumului pentru studiile preclinice privind rozătoarele, care este rapidă, precisă, reproductibilă și pentru a furniza aceste resurse comunității de cercetare. Studiile privind rozătoarele care implică imagistică sunt cruciale pentru monitorizarea eficacității tratamentului în boli precum polichisticarinichiboală. Studiile anterioare utilizează segmentarea manuală sau semiautomată, care este consumatoare de timp și potențial părtinitoare. Pentru a dezvolta sistemul nostru automatizat, un total de 150 de imagini axiale prin rezonanță magnetică (RMN) dintr-o varietate de modele de mouse-uri au fost segmentate manual și utilizate pentru a instrui / valida un algoritm automat. Pentru a testa aplicarea longitudinală a modelului, patru mutanți și patru șoareci de tip sălbatic au fost fotografiați secvențial pe parcursul a trei până la douăsprezece săptămâni prin RMN. Segmentările rinichilor (cu excepția pelvisului renal) au fost generate de metoda automată și de două cititoare diferite, un cititor repetând măsurătorile. Măsurătorile de similitudine și analiza longitudinală au fost calculate pentru a evalua performanța automatului în comparație cu metodele manuale. Abordarea automatizată nu a necesitat nicio intrare din partea utilizatorului, în afară de un pas final de control al calității vizuale. Valorile de similitudine ale metodei automate față de segmentările manuale au fost la egalitate cu comparațiile inter-și intra-reader. Astfel, abordarea noastră complet automatizată descrisă aici poate fi utilizată în siguranță în studiile longitudinale, preclinice care implică segmentarea rinichilor rozătoarelor în RMN-urile ponderate cu T2.

Acest studiu a dezvoltat o metodă complet automatizată de măsurare a totaluluirinichivolum pentru imagistica preclinică într-un model de șoarece mutant de polichisticrinichiboală, precum și șoareci de tip sălbatic. Acest studiu a stabilit, de asemenea, atât variabilități interreader, cât și de intrareder în măsurarea volumului total de rinichi pentru imagistica preclinică. Studii similare și abordări algoritmice pot fi utilizate pentru a stabili metode pentru datele imagistice clinice și sunt necesare pentru prognosticul exact al bolii și luarea deciziilor clinice. Furnizăm comunității de cercetare datele imagistice, adnotările și codul sursă.

S-a demonstrat că măsurarea volumului organelor se corelează cu manifestările clinice și morbiditatea bolilor, cum ar fi totalulrinichivolum (TKV) în polichistică autozomal dominantărinichiboala (PKD)1,2 și este utilizată pentru a stabili eficacitatea intervențiilor de tratament.3 Cercetarea, studiile clinice și nefrologia din ce în ce mai clinică utilizează aceste măsurători pentru a monitoriza progresia bolii atât la modelele animale4, cât și la pacienți,5 evaluează eficacitatea terapiilor6 și prezice rezultatele.7

În prezent, studiile preclinice au loc într-un ritm fără precedent pentru a căuta noi tratamente pentru a încetini progresia PKD. Un avantaj cheie al imagisticii prin rezonanță magnetică (RMN) în modelele animale de PKD este capacitatea de a utiliza imagistica in vivo, care permite studii volumetrice longitudinale care utilizează același animal.8 Numeroase studii care implică manual,4,9-12 semiautomate,13,14 și segmentări automate bazate pe înregistrare15,16 de șoareceRinichiau fost efectuate anterior.

Multe dintre metodele considerate automatizate necesită încă introducerea de către utilizator. Majoritatea acestor studii preclinice folosesc segmentări manuale, care sunt consumatoare de timp și costisitoare, precum și introduc prejudecăți de observare. Prin urmare, laboratorul nostru a evaluat variabilitatea măsurării TKV și a dezvoltat un program automat de analiză pentru măsurarea TKV în scanările prin rezonanță magnetică ale modelelor murine ale bolii.

REZULTATELE

Variabilitatea intra- și interobserver a rinichiului manual

Segmentations

Figura 1 prezintă rezultatele analizei Bland-Altman a TKV măsurată manual de 2 cititoare (variația interobserverului) și măsurătorile repetate de cititorul 2 (variația intraobserverului). Când cititorul 1 a fost comparat cu cititorul 2, a existat o diferență procentuală medie de 7,7% și un interval de încredere de 95% de 4,5%. Când cititorul 2 a efectuat măsurători repetate ale aceleiași imagini, a existat o diferență medie de procent de 0,5% și un interval de încredere de 95% de 3,9%. Analiza de regresie a indicat că există un acord ridicat în TKV între toate metodele, cu o valoare R2 de $ 0.99.

Validarea algoritmului de segmentare automată

Metoda automată în comparație cu fiecare cititor în raport cu diferența procentuală a TKV a fost similară cu cea a variației inter-și intraobserver, așa cum sugerează parcelele Bland- Altman din figura 1. Când cititorul 1 a fost comparat cu metoda automată, a existat o diferență procentuală medie de 5,2% și un interval de încredere de 95% de 5,8%. Când cititorul 2 a fost comparat cu metoda automată, a existat o diferență procentuală medie de 2,5% și un interval de încredere de 95% de 6,5%.

Distincția dintre șoarecii de tip sălbatic și șoarecii mutanți

Televizoarele medii și SD au fost reprezentate grafic în fiecare moment pentru fiecare metodă și separate prin genotip (mutant vs. tip sălbatic). După cum se vede în figura 2, TKV-ul mediu este întotdeauna mai mic la șoarecii de tip sălbatic în fiecare moment decât la șoarecii mutanți. Toate cele 3 metode (automatizate, cititorul 1 și cititorul 2) demonstrează o separare semnificativă a tipului de șoarece la vârsta de 9 și 12 săptămâni.

DISCUȚIE

Analizarinichivolumul în PKD este una dintre cele mai importante valori utilizate în prezent pentru caracterizarea stării bolii. Înainte de munca noastră, nu exista nicio alternativă la urmărirea manualăRinichiîn sistemele model ale PKD. Din cauza timpului necesar pentru a urmări aceste structuri, precum și a timpului necesar pentru a instrui o persoană pentru a efectua aceste măsurători și a potențialului de variabilitate între operatori, în acest studiu am dezvoltat și validat o metodă de segmentare complet automatizată pentru TKV. Segmentările automate sunt calculate în câteva minute (în funcție de puterea de calcul), în timp ce segmentările manuale durează între 20 și 40 de minute. Spre deosebire de metodele de segmentare manuale sau chiar semiautomate, această metodă automată va produce aceleași rezultate de fiecare dată când este aplicată aceleiași imagini.

Studiile preclinice cuprind adesea atât un grup de control, cât și un grup (grupuri) de tratament; prin urmare, metoda auto-împerecheată trebuie să fie suficient de sensibilă pentru a detecta în mod corespunzător diferențele de volum dintre grupuri.17 Figura 2 arată că segmentarea manuală și segmentarea automată prezintă o separare semnificativă atât în grupurile de tip sălbatic, cât și în cele mutante la vârsta de 9 săptămâni. Deși acordul general a fost excelent, comparațiile vizuale au sugerat un dezacord minor cu privire la includerea sau excluderea pelvisului renal într-un mic subset de felii. Deși este o practică obișnuită să se excludă

Figura 1 | Bland-Altman și analiza regresiei (a,e) interobserverului și (b,f) volumului total de rinichi intraobserver (TKV)

măsurători (măsurate în mililitri) în plus față de metoda automată (Auto) în comparație cu cititorul (c,g) 1 și (d,h) cititorul 2.

Parcelele Bland-Altman arată diferența medie (linia solidă) și intervalul de încredere de 95% (linii punctate). Analiza regresiei arată corelația dintre metodele comparate.

Figura 2 | Volumul total de rinichi al șoarecilor de tip sălbatic și mutanți a fost reprezentat grafic în timp (3-12 săptămâni) pentru automat (Auto)

metodă (stânga), cititorul 1 (mijloc) și cititorul 2 (dreapta). Toate cele 3 metode demonstrează o separare semnificativă a tipului de șoarece la vârsta de 9 săptămâni.

Barele de eroare indică SD. *P<>

pelvis renal, variabilitatea ar putea scădea în cazul în care cititorii sunt instruiți să includă întotdeauna această structură.

Metoda automatizată prezentată în acest studiu nu a fost încă aplicată imaginilor externe. Este important să rețineți că intensitățile semnalului variază de la un site la altul, scanere și achiziții RMN. Probabil, un set mai mare de date de instruire cu cazuri mai diverse de la diferite mașini RMN ar putea obține un model mai robust datorită naturii algoritmilor de învățare profundă. Algoritmii automati, cum ar fi aceștia, trebuie adesea recalificați pe seturi de date externe din cauza variațiilor semnalelor RMN. Prin urmare, oferim comunității de cercetare datele imagistice, adnotările și codul sursă pentru ca alte grupuri să utilizeze același model sau să-și dezvolte propriul model.

METODE

Date de instruire/validare

Modelul a fost instruit pe 100 de cazuri și validat pe 50 de cazuri. Aceste 150 de cazuri au constat în șoareci cu severitate variabilă a bolii și la o serie de vârste. Setul de testare este un set complet a avut loc-out și este ceea ce am evaluat în acest articol.

Cohorta de studii de testare

Acest studiu a fost revizuit și aprobat de Mayo Clinic Institutional Animal Care and Use Committee. Cohorta era formată din C57Bl6 129s6Svev/Tac de tip sălbatic (n 1/4 4; 2 femele/2 masculi) și C57Bl6 129s6Svev/Tac (n 1/4 4; 2 femele/2 masculi) mutanți Pkd1RC/RC. Șoarecii mutanți oglindesc manifestarea umană a PKD1 atât genetic, cât și fenotipic.18 Unul dintre șoarecii mutanți a murit la mijlocul experimentului și a fost înlocuit cu un alt șoarece mutant de aceeași vârstă în săptămâna 9.

Achizitii de imagini

Imagistica a fost realizată cu ajutorul unui spectrometru Avance DRX 700WB (Bruker BioSpin, Billerica, MA). Acoperire completă aRinichia fost obtinuta printr-o achizitie axiala TurboRARE T2,ponderata, reconstruita cu rezolutie de 0,1 mm in plan si grosimea feliei de 1 mm (dimensiunea matricei, 256 256 Z, cu Z ales suficient de mare pentru a acoperi intreaga masura aRinichi). Timpul total de scanare a variat între 5 și 10 minute. În cohorta studiului de testare, fiecare șoarece a fost fotografiat la 4 puncte de timp (3, 6, 9 și 12 săptămâni). Punctele de timp pentru fiecare șoarece au fost efectuate în termen de 2 zile unul de celălalt pentru a asigura parametri de imagine consecvenți și pentru a limita variațiile de mediu.

Analiza imaginii

Regiunile de interes au fost urmărite pe fiecare scanare folosind un pachet software de imagistică (Analiză, versiunea 12.0, Resurse de imagistică biomedicală, Clinica Mayo, Rochester, MN). Fiecare cititor a fost instruit să excludă pelvisul renal atunci când pelvisul renal nu este închis derinichicapsulă în cadrul feliei de imagine. Segmentările manuale au durat între 20 și 40 de minute, în funcție de caz. Televizoarele au fost calculate prin însumarea mai întâi a numărului de voxeli conținute în segmentarea fiecărei felii și apoi prin înmulțirea numărului de voxeli cu volumul voxel obținut din antetul imaginii. Pentru datele de testare, 2 cititoare dublu-orb (1 și 2), ambele cu experiență în segmentarea RMN manuală, au efectuatrinichisegmentări pe toate scanările. Pentru analiza intrareaderului, cititorul 2 a repetat măsurătorile la 2 puncte de timp (>3 luni distanță).

Metodă automată

Modelul rețelei neuronale a fost adaptat față de modelul nostru anterior pentru măsurarea TKV din imaginile de rezonanță magnetică ponderate cu T2 coronal din scanările clinice.19 Codul sursă, imaginile și adnotările sunt puse la dispoziția publicului la adresa: https://github.com/ TLKline/AutoTKV_MouseMRI.

Analiza statistică

Pentru analiza statistică au fost utilizate imaginile axiale de rezonanță magnetică ponderate cu T2 dobândite pe șoarece (n 1/4 8) în fiecare moment (3, 6, 9 și 12 săptămâni). Un total de 32 de imagini au permis compararea diferitelor imagini pe o gamă largă de vârste și diferențe în fenotipuri. Pentru validarea metodei complet automatizate, au fost utilizate statistici de comparație pentru a evalua capacitatea fiecărei metode de a separa grupurile de tip sălbatic și mutanți. Acest lucru a fost realizat prin trasarea TKV în funcție de punctul de timp și separarea în funcție de tipul mouse-ului. Măsurătorile TKV și ratele de creștere pentru fiecare metodă au fost, de asemenea, evaluate utilizând parcelele de regresie Bland-Altman și liniare.

DEZVĂLUIRE

Toți autorii nu au declarat interese concurente.

APRECIERI

Această lucrare a fost susținută de Clinica Mayo Robert M. și Billie Kelley Pirnie Translational PolycysticRinichiCentrul de Boli și Institutul Național de Diabet și Digestiv șiRinichiBoli(numerele de grant P30DK090728 și K01DK110136). Autorii îi mulțumesc lui Lynnae M. Henry pentru sprijinul său administrativ în pregătirea și formatarea acestui manuscris.

REFERINŢE

1. Grantham JJ, Torres VE, Chapman AB, et al. Progresia volumului în boala renală polichistică. N Engl Med.2006;354:2122-2130.

2. Torres VE, Chapman AB, Devuyst O, et al. Tolvaptan la pacienții cu boală renală polichistică autozomal dominantă. N Engl J Med.2012;367:2407-2418.

3. Caroli A, Perico N, Perna A, et al. Efectul analogului somatostatinei cu acțiune îndelungată asupra creșterii rinichilor și chisturilor în boala renală polichistică dominantă autozomală (ALADIN): un studiu randomizat, controlat cu placebo, multicentr. Lancet.2013;382:1485-1495.

4. Wallace DP, Hou YP, Huang ZL et al. Urmărirea volumului rinichilor la șoareci 14. Almajdub M, Magnier L, Juillard L, et al.Rinichicuantificarea volumului cu boala renală polichistică prin imagistică prin rezonanță magnetică. Rinichi Int.2008;73:778-781.

5. Grantham J, Torres VE, Importanța volumului total de rinichi în evaluarea progresiei bolii renale polichistice. Nat Rev Nephrol. 2016;12:667-677.

6. Higashihara E, Torres VE, Chapman AB, et al. Tolvaptan în autosomal 16. Gleason SS, Sari-Sarraf H, Abidi MA, et al. O nouă boală renală polichistică dominantă deformabilă: trei ani de experiență. Cin J Am Soc Nephrol. 20116:2499-2507.

7. Irazabal MV, Rangel L, Berastralh EJ, et al, Clasificarea imagistică a autosomal dominantă boală renală polichistică: un model simplu pentru selectarea pacienților pentru studiile clinice. JAm Soc Nephrol.2015;26:160-172.

8. Olazabal MV, Mishra PK, Torres VE, et al. Utilizarea RMN-ului de câmp ultra-înalt în modelele mici de rozătoare de polichisticărinichiboală pentru fenotipare Vivo și monitorizarea medicamentelor. J Vis Exp.2015;100:e52757.

9. Erokwu BO, Anderson CE, Balonul CA, et al. Evaluări imagistice prin rezonanță magnetică cantitativă a progresiei autosomal recesive a bolii renale polichistice și a răspunsului la terapie într-un model animal. Pediatr Res.2018;83:1067-1074.

10. Doctor RB, Serkova NU, Hasebroock KM, et al. Modele distincte de creștere a chisturilor renale și hepatice la șoarecii pkd2(WS25/-). Nephrol Dial Transplant. 2010;25:3496-3504.

11. Franke M, Baessler B, VechtelJ, et al. Rezonanță magnetică T2 cartografiere și imagistică ponderată cu difuzie pentru detectarea timpurie a cistogenezei și răspunsul la terapie într-un model de șoarece de boală renală polichistică. Rinichi Int. 2017:92:1544-1554.

12. Zhou X, Bao H, Takakura A, et al. Evaluarea bolii renale polichistice prin imagistică prin rezonanță magnetică în ischemie-reperfuzie rănit PKD1 model de șoarece knockout: comparație între FSE ponderat T2 și true-FISP. Invest Radiol.2010;45:24-28.

13. Fei B, balonul C, Wang H, et al. Segmentarea imaginii, inregistrarea si vizualizarea imaginilor seriale MR pentru evaluarea terapeutica a polichisticiirinichiboală la șoareci transgenici. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2005;1:467-469.

14. Almaidub M, Maanier L, Juillard L, et al,Rinichicuantificarea volumului folosind micro-CT cu raze X in vivo îmbunătățită prin contrast la șoareci. Contrast Media Mol Imaging.2008;3:1 20-126.

15. Hadjidemetriou S, Reichardt W, Hennig J, et al. Analiza volumetrica a datelor RMN de monitorizare a tratamentului polichisticrinichiboală într-un model de șoarece. MAGMA.2011;24:109-119.model pentru analiza imaginilor CT cu raze X în studiile preclinice ale șoarecilor pentru boala renală polichistică. IEEE Trans Med Imaging. 2002;21:1302-1309.

16. Gleason SS, Sari-Sarraf H, Abidi MA, et al. Un nou model deformabil pentru analiza imaginilor CT cu raze X în studiile preclinice ale șoarecilor pentru boala renală polichistică. IEEE Trans Med Imaging.2002;21:1302-1309.

17. Reichardt W, Romaker D, Becker A, et al. Monitorizarea volumelor de rinichi și chisturi renale aplicând abordări MR pe un model de șoarece tratat cu rapamicină de ADPKD. MAGMA.2009;22:143-149.

18. Hopp K, Ward C, Hommerding C, et al. Doza funcțională de policistin-1 guvernează polichistica dominantă autozomalărinichiseveritatea bolii. J Cin Invest. 2012:122:4257-4273.

19. Kine TLKorfatis P, Edwards ME, et al, Performanța unei rețele neuronale artificiale multi-observator profund pentru segmentarea complet automatizată a polichisticăRinichi. JDigit Imaging.2017;30:442-448.