Oturum Aç
Kemik erozyonları, romatoid artritin önemli bir patolojik özelliğidir. Bu çalışmanın amacı, erozyon analizi için yüksek çözünürlüklü periferik kantitatif bilgisayarlı tomografi görüntülerinde patolojik kortikal kırılmaları belirleme konusunda kullanıcılara rehberlik edecek bir eğitim aracı sunmaktır.
Kemik erozyonları, romatoid artrit (RA) dahil olmak üzere çeşitli inflamatuar artrit formlarının patolojik bir özelliğidir. Artan erozyonların varlığı ve boyutu, kötü sonuçlar, eklem fonksiyonu ve hastalığın ilerlemesi ile ilişkilidir. Yüksek çözünürlüklü periferik kantitatif bilgisayarlı tomografi (HR-pQCT), kemik erozyonlarının benzersiz in vivo görselleştirmesini sağlar. Bununla birlikte, bu çözünürlükte, normal fizyolojik süreçler ve patoloji ile ilişkili kortikal kabuktaki süreksizlikler (kortikal kırılmalar) da görülebilir. Romatoid Artritte xtrEme Bilgisayarlı Tomografi için Çalışma grubu, daha önce HR-pQCT'de patolojik erozyonun bir tanımını geliştirmek için bir konsensüs süreci kullanmıştı: en az iki ardışık dilimde, en az iki dik düzlemde, doğrusal olmayan, altta yatan trabeküler kemik kaybı ile tespit edilen kortikal bir kırılma. Bununla birlikte, bir fikir birliği tanımının mevcudiyetine rağmen, erozyon tanımlaması, değerlendiriciler arası değişkenlikte zorluklarla birlikte zorlu bir görevdir. Bu çalışmanın amacı, erozyon analizi için HR-pQCT görüntülerinde patolojik kortikal kırılmaları belirleme konusunda kullanıcılara rehberlik edecek bir eğitim aracı sunmaktır. Burada sunulan protokol, açık kaynaklı bir görüntü işleme yazılımının (3D Dilimleyici) uzantısı olarak uygulanan özel olarak oluşturulmuş bir modül (Kemik Analiz Modülü (BAM) - Eğitim) kullanır. Bu modülü kullanarak, kullanıcılar erozyonları tanımlama alıştırması yapabilir ve sonuçlarını uzman romatologlar tarafından açıklanan erozyonlarla karşılaştırabilir.
Kemik erozyonları, iltihaplanma kortikal kemik yüzeyinde lokalize kemik kaybına neden olduğunda ortaya çıkar. Bu erozyonlar altta yatan trabeküler kemik bölgesine uzanır. Romatoid artrit (RA) dahil olmak üzere çeşitli inflamatuar artrit formlarının patolojik bir özelliğidir1. Erozyon varlığı ve büyüklüğü kötü sonuçlar, hasta fonksiyonu ve hastalığın ilerlemesi ile ilişkilidir 2,3,4,5. Düz radyografi erozyon değerlendirmesi için klinik standart olmaya devam ederken, yüksek çözünürlüklü periferik kantitatif bilgisayarlı tomografi (HR-pQCT) erozyon tespiti için 3D görüntüler ve üstün duyarlılık ve özgüllük sağlar 6,7. RA gibi enflamatuar artrit için, HR-pQCT genellikle elin en çok etkilenen eklemleri olan 2. ve 3. metakarpofalangeal eklemlerdegerçekleştirilir 8. HR-pQCT görüntüleri yüksek uzamsal çözünürlüğe sahip olduğundan, RA9'u olmayan sağlıklı bireylerde kortikal yüzeyde fizyolojik kesintiler de gözlenir. Bu kortikal kesintiler genellikle kemikten geçen vasküler kanallar veya besin foramenile ilişkilidir 10. Bu nedenle, zorluk, bir hastalık süreciyle ilişkili kortikal kesintileri (yani patolojik erozyonlar) patolojik olmayan özelliklerden ayırt etmektir.
Romatoid Artritte Bilgisayarlı Tomografi (SPECTRA) için patolojik kemik erozyonunun konsensüs tanımı, kemiğin kortikal tabakasında en az iki ardışık dilim boyunca uzanan ve iki veya daha fazla dikey düzlemde saptanabilen kesin bir kesintinin varlığı olarak yayınlandı11. Ayrıca, kesinti doğrusal olmamalı ve trabeküler bölgede bir kayıp eşlik etmelidir. Erozyon kriterlerini karşılayan ve karşılamayan kortikal kesintilerin görsel örnekleri Klose-Jensen ve ark.12'de gösterilmiştir.
Bununla birlikte, yukarıdaki kriterleri karşılayan tüm kortikal kesintiler erozyon olarak sınıflandırılmaz. Kesintiler bazen vasküler kanallar gibi fizyolojik süreçlerden kaynaklanır (Şekil 1). Bunlar, öngörülebilir anatomik konumları, paralel ve düz kenarları vemilimetrik altı boyutları 13 nedeniyle erozyonlardan tanımlanabilir ve ayırt edilebilir. Kistler, erozyon olarak kabul edilmeyen başka bir kortikal kesinti şeklidir. Genellikle berrak kistik bir duvara sahip yuvarlak bir trabeküler yapıya sahiptirler 13. Erozyonlarla sergilenen keskin kenarların ve açık trabeküler yapının aksine. Bununla birlikte, kistik bölgelerde erozyonların oluşması mümkündür, bu da kistlerin değil, erozyonların neden olduğu kemik kaybının hacmini tanımlamayı belirsiz hale getirir. Bu belirsizliği daha fazla kriterle çözmek bu çalışmanın amacı olmasa da, patolojik erozyon ve fizyolojik kortikal kesintilerin kapsamlı örneklerinin sağlanmasına ihtiyaç vardır.
Şekil 1: Sadece erozyonların neden olmadığı kortikal kesintilere örnek. (A) Metakarpal başın tabanındaki vasküler kanalların ortak yerini gösteren bir çizim. (B) koronal, (C) sagital, (D) ve (E) aksiyel planlardaki vasküler kanal örnekleri. (F) Bir kistin neden olduğu kortikal kesinti örneği. (G) Kemiğin trabeküler bölgesinde hem kistleri hem de erozyonları içeren bir boşluk hacmi örneği. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Erozyon tanımlamasındaki zorluklara rağmen, şu anda daha az deneyimli kullanıcılara erozyon analizi için HR-pQCT görüntülerini yorumlama konusunda rehberlik sağlayacak herhangi bir eğitim aracı bulunmamaktadır. Son zamanlarda, erozyon görselleştirme ve hacimsel analizleri mümkün kılmak için açık kaynaklı bir görüntü işleme yazılımının uzantısı olarak uygulanan kemik analiz modülü (BAM) - Erozyon Volume adlı erozyon analizi için açık kaynaklı bir modül geliştirilmiştir14. Burada sunulan protokol, BAM'a (BAM - Eğitim) eklenen ve erozyon tanımlamasını uzman romatologlar tarafından açıklanan erozyonlarla karşılaştırarak bir kullanıcının erozyon tanımlama girişimlerini karşılaştıran bir eğitim modülünün kullanımını açıklamaktadır. Bu eğitim aracı, erozyon analizindeki iyileştirmelere rehberlik etmek için kullanıcılara erozyon tanımlaması hakkında geri bildirim sağlar. Yazılım yükleme talimatları 1. adımda verilmiştir. Yeni veri alımı için 3 - 5.3 arasındaki adımlara bakın. Yalnızca eğitim modülü kullanımı için 2. adıma bakın.
Bu protokoldeki tüm yöntemler, Calgary Üniversitesi'ndeki Birleşik Sağlık Araştırmaları Etik Kurulu (REB19-0387) tarafından belirlenen yönergeleri takip eder.
1. 3D Slicer 15 ve kemik analizi modüllerini kurun
Şekil 2: 3D Slicer kurulumuna kemik analizi modülleri eklendikten sonraki ayarlar penceresi örneği. Resimde, modüllerin kırmızı kutuda vurgulandığı ayarlar penceresinin ekran görüntüsü gösterilmektedir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
2. Eğitim modülü
Şekil 3: 3D Slicer'ın açılır menüsü. Kemik analizi modüllerini bulmak ve eğitim modülünü seçmek için açılır menü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Kemiğin periosteal yüzeyindeki hacmin tanımlanması. (A) Maske örneği. Maske ikili bir görüntü olarak görselleştirilir. (B) Segmentasyon örneği. Segmentasyon, gri tonlamalı görüntüyle kaplanmış ikili görüntünün görselleştirilmesini ifade eder. Bu ayrımlar 3D Slicer tarafından yapılır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: 3D Dilimleyici içindeki eğitim modülünün örnek ekran görüntüsü. (A) Yeni tohum noktaları eklemek için tıklayın. (B) Erozyon hacimlerini hesaplamak için tıklayın. (C) Görüntüleri içe aktarmak için tıklayın. (D) Uzmanlar tarafından yerleştirilen tohum noktalarını görmek için tıklayın. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
3. Erozyon analiz aracında kullanılmak üzere görüntü alma ve dışa aktarma
4. Dosya dönüştürme ve kemik maskesi oluşturma
NOT: Görüntü formatına bağlı olarak, AIM (HR-pQCT tescilli görüntü formatı), MHA (ITK MetaImage formatı), nii (NIfTI - Nörogörüntüleme Bilişim Teknolojisi Girişimi), NRRD (Neredeyse Ham Raster Verileri) görüntüleri için adım 4.1'i veya DICOM görüntüleri için adım 4.2'yi izleyin.
5. Erozyonların tanımlanması
6. Erozyon İstatistikleri
Kullanıcılar, eğitim aracını kullanarak, sonuçları hakkında geri bildirim alırken erozyon alanlarını belirleme alıştırması yapabilirler. Bu geri bildirim döngüsü, kullanıcının erozyonları belirleme yeteneğini geliştirebilir ve potansiyel olarak kendi görüntülerindeki erozyonları tanımlamak için BAM modüllerini kullanabilir. Tohum noktası yerleştirmesinden sonra geri bildirim aşağıdaki kriterlere dayanmaktadır. 1) Yerleştirilen tohum noktalarının sayısı referans erozyonların sayısıyla eşleşmiyorsa, kullanıcıdan uygun sayıda tohum noktasını silmesi veya eklemesi istenir. 2) Tohum noktası konumu bir referans erozyonla eşleştirilemezse, o tohum noktasının konumunda erozyon olmadığını belirten geri bildirim görüntülenir. 3) Bir tohum noktası, bir kist veya vasküler kanal gibi bir referans patolojik/fizyolojik kortikal kesinti ile eşleştirilirse, kullanıcı erozyon olarak tanımlamaya çalıştıkları kortikal kesinti türü hakkında bilgilendirilir ve tohum noktasını çıkarması istenir. 4) Tohum noktasının konumu bir referans erozyonla örtüşüyorsa, algoritma yine de erozyonu tespit edemeyebilir. Bu, tohum noktası erozyonda ortalanmadığında meydana gelebilir. Bu gibi durumlarda, kullanıcıdan tohum noktasının konumunu ayarlaması istenir. 5) Bir tohum noktası herhangi bir erozyondan çok uzağa yerleştirilirse, kullanıcı yanlış yerleşimi konusunda bilgilendirilir ve tekrar denemesi için teşvik edilir. 6) Bir tohum noktası konumu referans erozyonla eşleştiğinde, kullanıcıyı söz konusu tohum noktasındaki erozyonu tanımlamaya yönelik başarılı girişimleri hakkında bilgilendiren bir istem görüntülenir.
Aşağıdaki bölümde, modülün farklı girişlere göre nasıl çalıştığına ilişkin örnekler gösterilmektedir. Doğru ve yanlış girişler aşağıdaki örneklerde gösterilecektir. Şekil 6A , erozyon içinde yer alan tohum noktası konumunu göstermektedir. Bu görüntüde sadece bir erozyon vardır, bu nedenle erozyonların tohum noktası ile hesaplanması beklenen sonuçları verecektir. Şekil 6B , erozyonları belirleme girişimleri ustalıkla açıklamalı görüntüyle eşleştiğinde kullanıcılara görüntülenen istemi gösterir. Modül ayrıca sonuçları gri tonlamalı görüntüde segmentasyonlar olarak görüntüler (Şekil 6C). Kullanıcı, Şekil 7A gibi erozyon olmayan bir konuma bir tohum noktası yerleştirirse, modül bu konumda erozyon olmadığını belirten bir hata istemi (Şekil 7B) görüntüler ve kullanıcının tohum noktalarının yerini değiştirmesini/kaldırmasını önerir.
Şekil 6: Doğru erozyon tanımlaması örneği. (A) Erozyon alanına doğru bir tohum noktası yerleştiren bir kullanıcı örneği. (B) Tüm erozyonlar doğru bir şekilde tanımlandığında geri bildirim istemi örneği. (C) Bir erozyon doğru hesaplandığında görüntülenen erozyon segmentasyonu örneği. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7: Yanlış erozyon tanımlaması örneği. (A) Erozyonun olmadığı bir yere yerleştirilmiş bir tohum noktası örneği. (B) Erozyon olmayan bir yere bir tohum noktası yerleştirildiğinde hata istemi örneği. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Verilen eğitim görüntülerindeki tüm kistlerin ve damar kanallarının yerleri bir uzman tarafından tespit edilmiştir. Bu nedenle, bir kullanıcının bir kisti veya vasküler kanalı yanlış tanımlamaya çalıştığını tespit etmek mümkündür. Şekil 8A , üzerine bir tohum noktası yerleştirerek bir kisti tanımlama girişimini göstermektedir. Şekil 8B , daha sonra görüntülenen hata istemidir.
Şekil 8: Kist tanımlama örneği. (A) Bir kist üzerine yerleştirilen bir tohum noktası örneği. (B) Bir kist üzerine bir tohum noktası yerleştirildiğinde bir hata istemi örneği. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Modül ayrıca kullanıcıyı doğru miktarda tohum puanına sahip olup olmadığını da bildirecektir. Kullanıcı yanlış sayıda tohum noktası yerleştirirse, modül, görüntüdeki tüm erozyonları tanımlamak için eksik veya fazladan tohum noktalarının tam miktarını kullanıcıya bildirir. Modül ayrıca yerleştirilen her tohum noktası için geri bildirim verir. Bu nedenle, kullanıcı her bir tohum noktası için hangi eylemlerin gerçekleştirileceğini bilir. Şekil 9'da , bir kullanıcının iki tohum noktası beklenirken yalnızca bir tohum noktası yerleştirdiği bir örnek gösterilmektedir.
Şekil 9: Bir tohum noktası eksikken hesaplanan erozyon örneği. Örnek, kullanıcının iki tohum noktası beklenirken yalnızca bir tohum noktası yerleştirdiği bir örneği gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Bir kullanıcı erozyonların herhangi birini veya tamamını bulmakta sorun yaşarsa, Doğru Tohum Noktalarını Göster etiketli bir düğmeye basarak ustalıkla açıklamalı konumları ortaya çıkarma seçeneğine sahiptir (Şekil 5D). Basıldığında, bu düğme geçerli 3D Dilimleyici penceresine doğru tohum noktalarını yükleyecektir.
Özetle, bu, yazılım modülünün, hesaplanan erozyonu ustalıkla açıklamalı erozyonlarla karşılaştırarak, kullanıcının seçilen görüntülerdeki erozyonları belirleme girişiminin doğruluğunu değerlendirebileceğini göstermektedir. Ayrıca modül, kullanıcı tarafından yerleştirilen her tohum noktasına dayalı olarak onları beklenen tohum noktası konumuna ve giriş parametrelerine yönlendirmek için geri bildirim sağlar.
Tarama Kimliği | Kortikal Kesinti | Kemik | Etiket | Centroid Konumu | Hacim (mm3) | Yüzey Alanı (mm2) | Yuvarlaklık | Voksel sayısı (vokseller) |
3_Training.nii | Erozyon | Metakarpal | SEEDS_28-1 | 210, 108, 242 | 3.321668853 | 14.46818378 | 0.74411491 | 14853 |
3_Training.nii | Erozyon | Metakarpal | SEEDS_28-3 | 179, 100, 241 | 1.100739562 | 7.121231239 | 0.7239659 | 4922 |
Tablo 1: Hesaplanan erozyonları ve istatistiklerini açıklayan oluşturulmuş bir çıktı dosyası (csv formatı) örneği.
Bu eğitim aracı, kemik analizi modülünü kullanarak erozyonları tanımlamayı öğrenme fırsatı sunar. Bu erozyon analiz aracının eğitimin ötesinde daha fazla kullanılması, çok az hareket artefaktı olan veya hiç olmayan kaliteli görüntülere erişim gerektirir. Literatüre dayalı HR-pQCT erozyon tanımı, makul tekrarlanabilirlik ile rapor edilebilen patolojik erozyonlarla ilişkili anatomik özellikleri tanımlamaktadır11,20. Bununla birlikte, bu tanım vasküler kanalların ortak anatomik konumlarını hesaba katmaz, bu da potansiyel olarak kemik erozyonları olarak yanlış sınıflandırılmalarına neden olur10.
Bu protokoldeki kritik adımlar, kemik maskesinin oluşturulması, tohum noktalarının yerleştirilmesi ve erozyon hacminin oluşturulmasıdır. Maskeleri ve erozyon hacmini oluşturmak için otomatik yöntemler uygulanırken, tatmin edici sonuçlar elde etmek için maskeler genellikle manuel düzeltme gerektirir. Manuel düzeltmeleri gerçekleştirmek için mevcut araçların kapsamlı bir açıklaması sağlanmıştır. Tohum noktalarının yerleştirilmesi, BAM-Eğitim modülü tarafından sağlanan eğitim örnekleri tarafından yönlendirilir.
Bugüne kadar kullanılan verilere dayanarak, bu protokol, erozyon analizi modülünün beklenen sonuçları vermediği durumlarda sorun giderme önerileri sunar. Gelecekteki çalışmalarda, ek eğitim verilerine erişim sağlanacaktır. Daha önce yapılan bir çalışma, bu yöntemle değerlendirilen erozyon hacimlerinin mevcut yöntemlerlekarşılaştırılabilir olduğunu göstermiştir 14,21,22. Eğitim verilerinin sağlanması, geliştirildikçe daha yeni erozyon analiz araçlarıyla karşılaştırmaya izin verecektir23.
Burada tanıtılan eğitim aracı öncelikle erozyon tanımlamasına yardımcı olur; Bununla birlikte, yöntem şu anda trabeküler kemikteki erozyonun derecesini tanımlama konusunda bir fikir birliği olmaması nedeniyle sınırlıdır. Bununla birlikte, BAM modülleri açık kaynak kodludur, bu nedenle, erozyon kapsamının gelecekteki tanımları değiştikçe, diğer araştırmacılar ihtiyaçları karşılamak için modülleri değiştirme erişimine sahiptir.
Romatolojik araştırmalarda HR-pQCT'nin kullanımı genişledikçe, eğitim aracı deneyimsiz kullanıcılara erozyon analizi için HR-pQCT görüntülerinde patolojik kortikal kesintileri belirleme konusunda rehberlik sağlar. Bu araç, erozyon analizi için seçilen yöntemden bağımsız olarak araştırmacılar için geçerli olacaktır. Tekrarlanabilirliği ve analiz hızını artırmak için tamamen otomatik erozyon tanımlaması arzu edilirken, makine öğrenimi modellerini eğitmek için doğru açıklamalara sahip büyük referans/kıyaslama veri kümeleri gereklidir. Açık kaynaklı bir araç olarak bu modül, gelecekte makine öğreniminde kullanılmak üzere toplu olarak büyük, açıklamalı veri kümeleri geliştirme fırsatı sunar. Bu eğitim aracının kullanılması, daha fazla araştırmacının HR-pQCT araştırmalarına erozyon analizini dahil etmesini sağlayacaktır.
Tüm yazarların bildirecek herhangi bir çıkar çatışması yoktur.
Yazarlar, bu çalışmayı destekleyen aşağıdaki finansman kuruluşlarına teşekkür eder. SLM, Artrit Derneği (STAR-18-0189) ve Kanada Sağlık Araştırmaları Planlama ve Yaygınlaştırma Hibesi Enstitüleri aracılığıyla finanse edilmektedir. JJT, CIHR Bursu ödülüne sahiptir.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
3DSlicer | Open Source | N/A | Download at https://www.slicer.org/ |
BAM Erosion Analysis Modules | Open Source | N/A | Version used in manuscript: download at https://doi.org/10.5281/zenodo.7943007 |
XtremeCTII | Scanco Medical | N/A |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiDaha Fazla Makale Keşfet
This article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır
Sitemizdeki deneyiminizi iyileştirmek için çerezleri kullanıyoruz
Sitemizi kullanmaya devam ederek ya da "Devam et" butonuna tıklayarak, çerezleri kabul edebilirsiniz.