Mesures automatitzades del volum renal total en imatges de ressonància magnètica preclínica per obtenir recursos de dades d'imatge, anotacions i codi font

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

L'extracte de Cistanche és bo per a la funció renal

Marie E. Edwards1, Sigapriya Periyanan1, Deema Anaam2, Adriana V. Gregory1 i Timothy L. Kline1,21Divisió de Nefrologia i Hipertensió, Mayo Clinic, Rochester, Minnesota, EUA; i 2Department of Radiology, Mayo Clinic, Rochester, Minnesota, EUA

L'objectiu d'aquest estudi era validar un total totalment automatitzatronyómètode de mesura de volum per a assaigs preclínics amb rosegadors que sigui ràpid, precís, reproduïble i per proporcionar aquests recursos a la comunitat investigadora. Els estudis sobre rosegadors que impliquen imatges són crucials per controlar l'eficàcia del tractament en malalties com la poliquística.ronyómalaltia. Els estudis anteriors utilitzen la segmentació manual o semiautomàtica, que requereix temps i pot ser esbiaixada. Per desenvolupar el nostre sistema automatitzat, es van segmentar manualment un total de 150 imatges de ressonància magnètica (MRI) axial de diversos models de ratolí i es van utilitzar per entrenar/validar un algorisme automatitzat. Per provar l'aplicació longitudinal del model, es van fer imatges seqüencials de quatre ratolins mutants i quatre de tipus salvatge durant tres a dotze setmanes mitjançant ressonància magnètica. Les segmentacions dels ronyons (exclosa la pelvis renal) es van generar mitjançant el mètode automatitzat i dos lectors diferents, amb un lector que repetia les mesures. Es van calcular mètriques de similitud i anàlisi longitudinal per avaluar el rendiment dels mètodes automatitzats en comparació amb els mètodes manuals. L'enfocament automatitzat no va requerir cap intervenció de l'usuari, a més d'un pas final de control de qualitat visual. Les mètriques de semblança del mètode automatitzat versus les segmentacions manuals estaven a l'alçada de les comparacions entre lectors i intra-lectors. Així, el nostre enfocament totalment automatitzat que es descriu aquí es pot utilitzar amb seguretat en assaigs preclínics longitudinals que impliquen la segmentació dels ronyons de rosegadors en ressonàncies magnètiques ponderades en T2-.

Aquest estudi va desenvolupar un mètode totalment automatitzat per mesurar el totalronyóvolum per a imatges preclíniques en un model de ratolí mutant de poliquísticronyómalaltia així com ratolins de tipus salvatge. Aquest estudi també va establir variabilitats tant entre lectors com intralectors en la mesura del volum total del ronyó per a la imatge preclínica. Es poden utilitzar estudis i enfocaments algorítmics similars per establir mètodes per a dades d'imatge clíniques i són necessaris per al pronòstic de la malaltia i la presa de decisions clíniques. Estem proporcionant les dades d'imatge, les anotacions i el codi font a la comunitat de recerca.

S'ha demostrat que la mesura del volum d'òrgans es correlaciona amb les manifestacions clíniques i la morbiditat de malalties com la totalronyóvolum (TKV) en poliquístic autosòmic dominantronyómalaltia (PKD)1,2 i s'utilitza per determinar l'eficàcia de les intervencions de tractament.3 La investigació, els assaigs clínics i, cada cop més, la nefrologia clínica utilitzen aquestes mesures per controlar la progressió de la malaltia tant en models animals4 com en pacients,5 avaluar l'eficàcia de les teràpies6,6 i predir resultats.7

Actualment, s'estan produint estudis preclínics a un ritme sense precedents per buscar nous tractaments per frenar la progressió de la PKD. Un avantatge clau de la ressonància magnètica (MRI) en models animals de PKD és la capacitat d'utilitzar imatges in vivo, que permeten estudis volumètrics longitudinals que utilitzen el mateix animal.8 Nombrosos estudis que impliquen manuals, 4,9–12 13,14 i segmentacions automatitzades basades en el registre15,16 del ratolíronyonss'han realitzat prèviament.

Molts dels mètodes considerats com a automatitzats encara requereixen l'entrada de l'usuari. La majoria d'aquests estudis preclínics utilitzen segmentacions manuals, que requereixen temps i costen, així com introdueixen biaixos de l'observador. Per tant, el nostre laboratori ha avaluat la variabilitat en la mesura de TKV i ha desenvolupat un programa d'anàlisi automatitzat per mesurar TKV en exploracions de ressonància magnètica de models murins de la malaltia.

RESULTATS

Variabilitat intra i interobservador del ronyó manual

segmentacions

La figura 1 mostra els resultats de l'anàlisi Bland-Altman de TKV mesurat manualment per 2 lectors (variància interobservador) i mesures repetides pel lector 2 (variància intraobservador). Quan es va comparar el lector 1 amb el lector 2, hi va haver una diferència percentual mitjana del 7,7% i un interval de confiança del 95% del 4,5%. Quan el lector 2 va realitzar mesures repetides de la mateixa imatge, hi va haver una diferència percentual mitjana de 0,5 per cent i un interval de confiança del 95 per cent del 3,9 per cent. L'anàlisi de regressió va indicar que hi ha un alt acord en TKV entre tots els mètodes, amb un valor R2 de $0,99.

Validació de l'algorisme de segmentació automatitzada

El mètode automatitzat comparat amb cada lector en relació amb la diferència percentual de TKV era similar al de la variància inter i intraobservador, tal com suggereixen els diagrames de Bland-Altman a la figura 1. Quan es va comparar el lector 1 amb el mètode automatitzat, hi va haver una diferència percentual mitjana del 5,2 per cent i un interval de confiança del 95 per cent del 5,8 per cent. Quan es va comparar el lector 2 amb el mètode automatitzat, hi va haver una diferència percentual mitjana del 2,5% i un interval de confiança del 95% del 6,5%.

La distinció entre ratolins de tipus salvatge i mutants

La mitjana i els TKV SD es van representar en cada punt temporal per a cada mètode i es van separar per genotip (mutant versus tipus salvatge). Com es veu a la figura 2, el TKV mitjà sempre és més petit en els ratolins de tipus salvatge en cada moment que en els ratolins mutants. Els 3 mètodes (automatitzat, lector 1 i lector 2) demostren una separació significativa del tipus de ratolí a les 9 i 12 setmanes d'edat.

DISCUSSIÓ

L'anàlisi deronyóEl volum en PKD és una de les mètriques més importants que s'utilitzen actualment per caracteritzar l'estat de la malaltia. Abans del nostre treball, no hi havia alternativa al rastreig manualronyonsen sistemes model de PKD. A causa del temps necessari per traçar aquestes estructures, així com el temps necessari per entrenar una persona per realitzar aquestes mesures i el potencial de variabilitat entre operadors, en aquest estudi hem desenvolupat i validat un mètode de segmentació totalment automatitzat per a TKV. Les segmentacions automatitzades es calculen en qüestió de minuts (segons la potència de càlcul), mentre que les segmentacions manuals triguen entre 20 i 40 minuts. A diferència dels mètodes de segmentació manuals o fins i tot semiautomatitzats, aquest mètode automatitzat produirà els mateixos resultats cada vegada que s'apliqui a la mateixa imatge.

Els assaigs preclínics solen incloure tant un grup control com un grup de tractament; per tant, el mètode automatitzat ha de ser prou sensible per detectar les diferències de volum entre els grups de manera adequada.17 La figura 2 mostra que la segmentació manual i la segmentació automatitzada mostren una separació significativa en els grups de tipus salvatge i mutants a les 9 setmanes d'edat. Tot i que l'acord general va ser excel·lent, les comparacions visuals van suggerir un desacord menor sobre si incloure o excloure la pelvis renal en un petit subconjunt de rodanxes. Tot i que és una pràctica habitual excloure el

Figura 1|Bland-Altman i anàlisi de regressió del volum total del ronyó (a, e) interobservador i (b, f) intraobservador (TKV)

mesures (mesurades en mil·lilitres) a més del mètode automatitzat (Automàtic) en comparació amb (c, g) lector 1 i (d, h) lector 2.

Els diagrames de Bland-Altman mostren la diferència mitjana (línia sòlida) i l'interval de confiança del 95 per cent (línies de punts). L'anàlisi de regressió mostra la correlació entre els mètodes comparats.

Figura 2|El volum total del ronyó de ratolins de tipus salvatge i mutants es va representar al llarg del temps (entre 3 i 12 setmanes d'edat) per a l'automatització (Automàtic)

mètode (esquerra), lector 1 (mig) i lector 2 (dreta). Els 3 mètodes demostren una separació significativa del tipus de ratolí a les 9 setmanes d'edat.

Les barres d'error indiquen SD. *P <>

Pelvis renal, la variabilitat podria disminuir si es demana als lectors que incloguin sempre aquesta estructura.

El mètode automatitzat presentat en aquest estudi encara no s'ha aplicat a imatges externes. És important tenir en compte que les intensitats del senyal varien segons els llocs, els escàners i les adquisicions de ressonància magnètica. Probablement, un conjunt de dades d'entrenament més gran amb casos més diversos de diferents màquines de ressonància magnètica podria aconseguir un model més robust a causa de la naturalesa dels algorismes d'aprenentatge profund. Els algorismes automatitzats com aquests sovint s'han de tornar a entrenar en conjunts de dades externs a causa de les variacions en els senyals de ressonància magnètica. Per tant, proporcionem les dades d'imatge, les anotacions i el codi font a la comunitat de recerca perquè altres grups utilitzin el mateix model o desenvolupin el seu propi.

MÈTODES

Dades de formació/validació

El model es va entrenar en 100 casos i es va validar en 50 casos. Aquests 150 casos van consistir en ratolins amb diferents severitats de la malaltia i en diferents edats. El conjunt de prova és un conjunt completament retingut i és el que hem avaluat en aquest article.

Cohort d'estudi de proves

Aquest estudi va ser revisat i aprovat pel Comitè Institucional de Cura i Ús d'Animals de Mayo Clinic. La cohort estava formada per C57Bl6 129s6Svev/Tac de tipus salvatge (n=4; 2 femelles/2 mascles) i C57Bl6 129s6Svev/Tac (n=4; 2 femelles/2 mascles) mutant Pkd1RC Ratolins model /RC. Els ratolins mutants reflecteixen la manifestació humana de PKD1 tant genèticament com fenotípicament.18 Un dels ratolins mutants va morir a mitjans de l'experiment i va ser substituït per un altre ratolí mutant de la mateixa edat a la setmana 9.

Adquisicions d'imatges

La imatge es va realitzar mitjançant un espectròmetre Avance DRX 700WB (Bruker BioSpin, Billerica, MA). Cobertura completa de laronyonses va obtenir mitjançant una adquisició ponderada TurboRARE T{{{0}}axial reconstruïda amb una resolució en el pla de 0,1 mm i un gruix de tall de 1-mm (mida de la matriu, 256 256 Z, amb Z escollida gran suficient per cobrir tota l'extensió de laronyons). El temps total d'exploració oscil·lava entre 5 i 10 minuts. A la cohort de l'estudi de proves, es va fer una imatge de cada ratolí en 4-punts temporals (3, 6, 9 i 12 setmanes d'edat). Els punts de temps per a cada ratolí es van realitzar en 2 dies l'un de l'altre per garantir paràmetres d'imatge consistents i limitar les variacions ambientals.

Anàlisi d'imatges

Les regions d'interès es van localitzar a cada exploració mitjançant un paquet de programari d'imatge (Analyze, versió 12.0, Biomedical Imaging Resource, Mayo Clinic, Rochester, MN). Es va demanar a cada lector que exclogués la pelvis renal quan la pelvis renal no estigui tancada perronyócàpsula dins de la porció de la imatge. Les segmentacions manuals van trigar de 20 a 40 minuts segons el cas. Els televisors es van calcular sumant primer el nombre de voxels continguts a la segmentació de cada porció i després multiplicant el nombre de voxels pel volum de voxels obtingut de la capçalera de la imatge. Per a les dades de la prova, 2 lectors de doble cec (1 i 2), tots dos amb experiència en la segmentació manual de la ressonància magnètica, van realitzarronyósegmentations on all scans. For intrareader analysis, reader 2 repeated the measurements at 2-time points (>3 mesos de diferència).

Mètode automatitzat

El model de xarxa neuronal es va adaptar del nostre model anterior per a la mesura del TKV a partir d'imatges de ressonància magnètica ponderada T2-coronal d'exploracions clíniques.19 El codi font, les imatges i les anotacions estan disponibles públicament a: https:// github.com/TLKline/AutoTKV_MouseMRI.

Anàlisi estadística

Les imatges de ressonància magnètica ponderada en T axial adquirides per ratolí (n ¼ 8) en cada moment (3, 6, 9 i 12 setmanes) es van utilitzar per a l'anàlisi estadística. Un total de 32 imatges van permetre la comparació de diferents imatges d'una àmplia gamma d'edats i diferències en els fenotips. Per validar el mètode totalment automatitzat, es van utilitzar estadístiques de comparació per avaluar la capacitat de cada mètode per separar grups de tipus salvatge i mutants. Això es va aconseguir traçant el TKV segons el punt de temps i separant-lo per tipus de ratolí. Les mesures de TKV i les taxes de creixement per a cada mètode també es van avaluar mitjançant Bland-Altman i diagrames de regressió lineal.

DIVULGACIÓ

Tots els autors van declarar que no hi havia interessos en competència.

AGRAÏMENTS

Aquest treball va comptar amb el suport de la Mayo Clinic Robert M. i Billie Kelley Pirnie Translational PolycysticRonyóCentre de Malalties i l'Institut Nacional de Diabetis i Digestiu iRonyóMalalties (números de subvenció P30DK090728 i K01DK110136). Els autors agraeixen a Lynnae M. Henry el seu suport administratiu en la preparació i el format d'aquest manuscrit.

REFERÈNCIES

1. Grantham JJ, Torres VE, Chapman AB, et al. Progressió del volum en la malaltia renal poliquística.N Engl Med.2006;354:2122-2130.

2. Torres VE, Chapman AB, Devuyst O, et al.Tolvaptan en pacients amb malaltia renal poliquística autosòmica dominant.N Engl J Med.2012;367:2407-2418.

3. Caroli A, Perico N, Perna A, et al. Efecte de l'anàleg de la somatostatina d'acció prolongada sobre el creixement del ronyó i el quist en la malaltia renal poliquística autosòmica dominant (ALADIN): un assaig multicèntric aleatoritzat, controlat amb placebo. Lancet.2013;382:1485-1495.

4. Wallace DP, Hou YP, Huang ZL et al. Seguiment del volum del ronyó en ratolins 14. Almajdub M, Magnier L, Juillard L, et al.Ronyóquantificació de volum amb malaltia renal poliquística mitjançant ressonància magnètica. Kidney Int.2008;73:778-781.

5. Grantham J, Torres VE, La importància del volum total del ronyó en l'avaluació de la progressió de la malaltia renal poliquística. Nat Rev Nephrol. 2016;12:667-677.

6. Higashihara E, Torres VE, Chapman AB, et al. Tolvaptan en autosòmica 16. Gleason SS, Sari-Sarraf H, Abidi MA, et al. Una nova malaltia renal poliquística dominant deformable: tres anys d'experiència. Cin J Am Soc Nephrol. 20116:2499-2507.

7. Irazabal MV, Rangel L, Berastralh EJ, et al, Classificació per imatge de la malaltia renal poliquística autosòmica dominant: un model senzill per seleccionar pacients per a assaigs clínics. JAm Soc Nephrol.2015;26:160-172.

8. Olazabal MV, Mishra PK, Torres VE, et al. Ús de la ressonància magnètica de camp ultra alt en petits models de rosegadors poliquísticsronyómalaltia per al fenotip de Vivo i el seguiment de fàrmacs. J Vis Exp.2015;100:e52757.

9. Erokwu BO, Anderson CE, Flask CA, et al. Avaluacions quantitatives per ressonància magnètica de la progressió de la malaltia renal poliquística autosòmica recessiva i la resposta a la teràpia en un model animal. Pediatr Res.2018;83:1067-1074.

10. Doctor RB, Serkova NU, Hasebroock KM, et al. Patrons diferents de creixement de quists renals i hepàtics en ratolins pkd2 (WS25/-). Trasplantament de Nephrol Dial. 2010;25:3496-3504.

11. Franke M, Baessler B, VechtelJ, et al. Cartografia T2 de ressonància magnètica i imatges ponderades per difusió per a la detecció precoç de la cistogènesi i la resposta a la teràpia en un model de ratolí de malaltia renal poliquística. Ronyó Int. 2017:92:1544-1554.

12. Zhou X, Bao H, Takakura A, et al. Avaluació de la malaltia renal poliquística mitjançant imatges de ressonància magnètica en el model de ratolí PKD1 lesionat per isquèmia-reperfusió: comparació de FSE ponderat en T2-i FISP veritable. Invest Radiol.2010;45:24-28.

13. Fei B, Flask C, Wang H, et al. Segmentació d'imatge, registre i visualització d'imatges de RM en sèrie per a l'avaluació terapèutica de la poliquísticaronyómalaltia en ratolins transgènics. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2005;1:467-469.

14. Almaidub M, Maanier L, Juillard L, et al,Ronyóquantificació de volum mitjançant micro-TC de raigs X in vivo millorada amb contrast en ratolins. Contrast Media Mol Imaging.2008;3:1 20-126.

15. Hadjidemetriou S, Reichardt W, Hennig J, et al. Anàlisi volumètrica de dades de ressonància magnètica per al seguiment del tractament de la poliquísticaronyómalaltia en un model de ratolí. MAGMA.2011;24:109-119.model per a l'anàlisi d'imatges de TC de raigs X en estudis preclínics de ratolins per a la malaltia renal poliquística.IEEE Trans Med Imaging. 2002;21:1302-1309.

16. Gleason SS, Sari-Sarraf H, Abidi MA, et al. Un nou model deformable per a l'anàlisi d'imatges de TC de raigs X en estudis preclínics de ratolins per a la malaltia renal poliquística. IEEE Trans Med Imaging.2002;21:1302-1309.

17. Reichardt W, Romaker D, Becker A, et al. Monitorització dels volums de quists renals i renals aplicant enfocaments de MR en un model de ratolí tractat amb rapamicina d'ADPKD. MAGMA.2009;22:143-149.

18. Hopp K, Ward C, Hommerding C, et al. La dosi funcional de la policistina-1 regeix la poliquística autosòmica dominantronyógravetat de la malaltia. J Cin Invest. 2012:122:4257-4273.

19. Kine TLKorfatis P, Edwards ME, et al, Rendiment d'una xarxa neuronal profunda multiobservador artificial per a la segmentació totalment automatitzada de poliquismeronyons.JDigit Imaging.2017;30:442-448.