Name: machine learning algorithms for early detection of bone metastases in an experimental rat model
Uploaded: 2020-08-16T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Machine Learning Algorithms for Early Detection of Bone Metastases in an Experimental Rat Model at JoVE.com

עבודה זו נתמכה על ידי קרן המחקר הגרמנית (DFG, מרכז המחקר השיתופי CRC 1181, תת פרוייקט Z02; תוכנית עדיפות μBone, פרויקטים BA 4027/10-1 ו BO 3811), כולל תמיכה נוספת עבור מכשירי הסריקה (INST 410/77-1 FUGG ו INST 410/93-1 FUGG), ועל ידי יוזמת השדות המתעוררים (EFI) "ביג ת'רה" של פרידריך אלכסנדר-אוניברסיטת ארלנגן-Nürnberg.

כל הטיפול וההליכים הניסיוניים בוצעו בהתאם לחקיקה לאומית ואזורית בנושא הגנה על בעלי חיים, וכל ההליכים בבעלי חיים אושרו על ידי ממשלת צרפת, גרמניה (מספר סימוכין 55.2 DMS-2532-2-228).
1. אינדוקציה של גרורות עצם סרטן השד ברגל האחורית הימנית של חולדות עירום
הערה: תיאור מפורט ש...

<ol>
	<li>D'Oronzo, S., Brown, J., Coleman, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+biomarkers+in+the+management+of+bone-homing+malignancies.">The role of biomarkers in the management of bone-homing malignancies.</a> Journal of Bone Oncology. 9, 1-9 (2017).</li><li>Ellmann, S., Beck, M., Kuwert, T., Uder, M., B&#228;uerle, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multimodal+imaging+of+bone+metastases:+From+preclinical+to+clinical+applications.">Multimodal imaging of bone metastases: From preclinical to clinical applications.</a> Journal of Orthopaedic Translation. 3 (4), 166-177 (2015).</li><li>Braun, S., Pantel, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Clinical+significance+of+occult+metastatic+cells+in+bone+marrow+of+breast+cancer+patients.">Clinical significance of occult metastatic cells in bone marrow of breast cancer patients.</a> The Oncologist. 6 (2), 125-132 (2001).</li><li>Braun, S., Rosenberg, R., Thorban, S., Harbeck, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Implications+of+occult+metastatic+cells+for+systemic+cancer+treatment+in+patients+with+breast+or+gastrointestinal+cancer.">Implications of occult metastatic cells for systemic cancer treatment in patients with breast or gastrointestinal cancer.</a> Seminars in surgical oncology. 20 (4), 334-346 (2001).</li><li>Ellmann, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Prediction+of+early+metastatic+disease+in+experimental+breast+cancer+bone+metastasis+by+combining+PET/CT+and+MRI+parameters+to+a+Model-Averaged+Neural+Network.">Prediction of early metastatic disease in experimental breast cancer bone metastasis by combining PET/CT and MRI parameters to a Model-Averaged Neural Network.</a> Bone. 120, 254-261 (2018).</li><li>B&#228;uerle, T., Komljenovic, D., Berger, M. R., Semmler, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multi-modal+imaging+of+angiogenesis+in+a+nude+rat+model+of+breast+cancer+bone+metastasis+using+magnetic+resonance+imaging,+volumetric+computed+tomography+and+ultrasound.">Multi-modal imaging of angiogenesis in a nude rat model of breast cancer bone metastasis using magnetic resonance imaging, volumetric computed tomography and ultrasound.</a> Journal of Visualized Experiments. (66), e4178 (2012).</li><li>Merz, M., Komljenovic, D., Semmler, W., B&#228;uerle, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+contrast-enhanced+ultrasound+for+imaging+antiangiogenic+treatment+response+in+experimental+osteolytic+breast+cancer+bone+metastases.">Quantitative contrast-enhanced ultrasound for imaging antiangiogenic treatment response in experimental osteolytic breast cancer bone metastases.</a> Investigative Radiology. 47 (7), 422-429 (2012).</li><li>B&#228;uerle, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+a+rat+model+with+site-specific+bone+metastasis+induced+by+MDA-MB-231+breast+cancer+cells+and+its+application+to+the+effects+of+an+antibody+against+bone+sialoprotein.">Characterization of a rat model with site-specific bone metastasis induced by MDA-MB-231 breast cancer cells and its application to the effects of an antibody against bone sialoprotein.</a> International Journal of Cancer. 115 (2), 177-186 (2005).</li><li>Patel, J., Goyal, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Applications+of+Artificial+Neural+Networks+in+Medical+Science.">Applications of Artificial Neural Networks in Medical Science.</a> Current Clinical Pharmacology. 2 (3), 217-226 (2008).</li><li>Naftaly, U., Intrator, N., Horn, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimal+ensemble+averaging+of+neural+networks.">Optimal ensemble averaging of neural networks.</a> Network: Computation in Neural Systems. 8 (3), 283-296 (1997).</li><li>B&#228;uerle, T., Merz, M., Komljenovic, D., Zwick, S., Semmler, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Drug-induced+vessel+remodeling+in+bone+metastases+as+assessed+by+dynamic+contrast+enhanced+magnetic+resonance+imaging+and+vessel+size+imaging:+A+longitudinal+in+vivo+study.">Drug-induced vessel remodeling in bone metastases as assessed by dynamic contrast enhanced magnetic resonance imaging and vessel size imaging: A longitudinal in vivo study.</a> Clinical Cancer Research. 16 (12), 3215-3225 (2010).</li><li>Cheng, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+treatment+response+of+cilengitide+in+an+experimental+model+of+breast+cancer+bone+metastasis+using+dynamic+PET+with+18F-FDG.">Evaluation of treatment response of cilengitide in an experimental model of breast cancer bone metastasis using dynamic PET with 18F-FDG.</a> Hellenic Journal of Nuclear Medicine. 14 (1), 15-20 (2011).</li><li>Marturano-Kruik, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Human+bone+perivascular+niche-on-a-chip+for+studying+metastatic+colonization.">Human bone perivascular niche-on-a-chip for studying metastatic colonization.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (6), 1256-1261 (2018).</li><li>Sonntag, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+proof-of-concept+for+two+experimental+antiviral+drugs,+both+directed+to+cellular+targets,+using+a+murine+cytomegalovirus+model.">In vivo proof-of-concept for two experimental antiviral drugs, both directed to cellular targets, using a murine cytomegalovirus model.</a> Antiviral Research. 161, 63-69 (2019).</li><li>. Horos - Free DICOM Medical Image Viewer | Open-Source Available from: <a target="_blank" href="https://www.horosproject.org/">https://www.horosproject.org/</a> (2015)</li><li>. RStudio Team RStudio: Inteegrated Development for R Available from: <a target="_blank" href="https://rstudio.com">https://rstudio.com</a> (2015)</li><li>Dem&#353;ar, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Orange:+Data+Mining+Toolbox+in+Python.">Orange: Data Mining Toolbox in Python.</a> Journal of Machine Learning Research. 14, 2349-2353 (2013).</li><li>Saeys, Y., Inza, I., Larra&#241;aga, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+feature+selection+techniques+in+bioinformatics.">A review of feature selection techniques in bioinformatics.</a> Bioinformatics. 23 (19), 2507-2517 (2007).</li><li>. CRAN - Package caret Available from: <a target="_blank" href="https://cran.r-project.org/web/packages/caret/index.html">https://cran.r-project.org/web/packages/caret/index.html</a> (2016)</li><li>. CRAN: Package xgboost - Extreme Gradient Boosting Available from: <a target="_blank" href="https://cran.r-project.org/web/packages/xgboost/">https://cran.r-project.org/web/packages/xgboost/</a> (2019)</li><li>Fern&#225;ndez-Delgado, M., Cernadas, E., Barro, S., Amorim, D., Fern&#225;ndez-Delgado, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Do+we+Need+Hundreds+of+Classifiers+to+Solve+Real+World+Classification+Problems.">Do we Need Hundreds of Classifiers to Solve Real World Classification Problems.</a> Journal of Machine Learning Research. 15, 3133-3181 (2014).</li><li>Hira, Z. M., Gillies, D. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Review+of+Feature+Selection+and+Feature+Extraction+Methods+Applied+on+Microarray+Data.">A Review of Feature Selection and Feature Extraction Methods Applied on Microarray Data.</a> Advances in Bioinformatics. 2015, 198363 (2015).</li><li>S&#225;nchez-Maro&#241;o, N., Alonso-Betanzos, A., Tombilla-Sanrom&#225;n, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Filter+methods+for+feature+selection+-+A+comparative+study.">Filter methods for feature selection - A comparative study.</a> Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics). 4881, 178-187 (2007).</li><li>Cawley, G. C., Talbot, N. L. C. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fast+exact+leave-one-out+cross-validation+of+sparse+least-squares+support+vector+machines.">Fast exact leave-one-out cross-validation of sparse least-squares support vector machines.</a> Neural Network. 17 (10), 1467-1475 (2004).</li><li>Forghani, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Radiomics+and+Artificial+Intelligence+for+Biomarker+and+Prediction+Model+Development+in+Oncology.">Radiomics and Artificial Intelligence for Biomarker and Prediction Model Development in Oncology.</a> Computational and Structural Biotechnology Journal. 17, 995-1008 (2019).</li><li>Jaffe, C. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measures+of+response:+RECIST,+WHO,+and+new+alternatives.">Measures of response: RECIST, WHO, and new alternatives.</a> Journal of Clinical Oncology Official Journal of the American Society of Clinical Oncology. 24 (20), 3245-3251 (2006).</li><li>Lambin, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Radiomics:+Extracting+more+information+from+medical+images+using+advanced+feature+analysis.">Radiomics: Extracting more information from medical images using advanced feature analysis.</a> European Journal of Cancer. 48 (4), 441-446 (2012).</li><li>Gillies, R. J., Kinahan, P. E., Hricak, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Radiomics:+Images+are+more+than+pictures,+they+are+data.">Radiomics: Images are more than pictures, they are data.</a> Radiology. 278 (2), 563-577 (2016).</li><li>Nioche, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lifex:+A+freeware+for+radiomic+feature+calculation+in+multimodality+imaging+to+accelerate+advances+in+the+characterization+of+tumor+heterogeneity.">Lifex: A freeware for radiomic feature calculation in multimodality imaging to accelerate advances in the characterization of tumor heterogeneity.</a> Cancer Research. 78 (16), 4786-4789 (2018).</li><li>Ellmann, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+machine+learning+algorithms+for+multiparametric+MRI-based+evaluation+of+murine+colitis.">Application of machine learning algorithms for multiparametric MRI-based evaluation of murine colitis.</a> PLOS ONE. 13 (10), 0206576 (2018).</li></ol>

אלגוריתמים של ML הם כלים רבי עוצמה המשמשים לשילוב מספר תכונות חזוי במודל משולב ולהשגת דיוק העולה על זה של המרכיבים הנפרדים שלו כאשר משתמשים בהם לבד. עם זאת, התוצאה בפועל תלויה במספר שלבים קריטיים. ראשית, אלגוריתם ML בשימוש הוא גורם מכריע, כי אלגוריתמים ML שונים מניבים תוצאות שונות. האלגוריתם ה...

מטרת פרוטוקול זה היא לשלב מספר פרמטרי הדמיה פונקציונליים מ-MRI ו-PET/CT באלגוריתם ML של רשת עצבית ממוצעת מודל (avNNet). אלגוריתם זה חוזה את הצמיחה של macrometastases במודל חולדה של גרורות עצם סרטן השד בנקודת זמן מוקדמת, כאשר שינויים מאקרוסקופיים בתוך העצם עדיין לא גלויים.
לפני הצמיחה של macrometastases, פלישת מח עצם של תאים סרטניים מוזרים מתרחשת, המכונה בדרך כלל מחלה מיקרומטסטטית1,,2. פלישה ראשונית זו יכולה להיחשב כצעד מוקדם במחלה גרורתית, אך בדרך כלל היא חסרה במהלך בדיקותהיערכות קונבנציונליות 3,4. למרות שמערכת ההדמיה הזמינה כיום אינה יכולה לזהות מיקרו-חדירה של מח עצם בעת שימוש בלבד, שילוב של פרמטרי הדמיה המניבים מידע על vascularization ופעילות מטבולית הוצג הביצועיםטובים יותר 5. יתרון משלים זה מושגת על ידי שילוב פרמטרי הדמיה שונים לתוך avNNet, שהוא אלגוריתם ML. avNNet כזה מאפשר חיזוי אמין של היווצרות מקרומטאזים עצם לפני כל גרורות גלויות נמצאים. לכן, שילוב סמנים ביולוגיים הדמיה לתוך avNNet יכול לשמש פרמטר חלופי עבור מיקרו-חדירה מח עצם ומחלה גרורתית מוקדמת.
כדי לפתח את הפרוטוקול, מודל שתואר בעבר של גרורות עצם סרטן השד בחולדות עירוםשימש 6,7,8. היתרון של מודל זה הוא ספציפיות האתר שלה, כלומר בעלי החיים לפתח גרורות גרמיות אך ורק ברגל האחורית הימנית שלהם. עם זאת, שיעור הגידול לקחת של גישה זו הוא 60%-80%, כך מספר ניכר של בעלי חיים אינם מפתחים גרורות במהלך המחקר. באמצעות נהלי הדמיה כגון MRI ו- PET/CT, הנוכחות של גרורות ניתנת לזיהוי מהיום 30 postinjection (PI). בנקודות זמן מוקדמות יותר (למשל, 10 PI) הדמיה אינה מבדילה בין בעלי חיים שיפתחו מחלה גרורתית ואלה לא(איור 1).
avNNet שהוכשר על פרמטרי הדמיה פונקציונליים שנרכשו ביום 10 PI, כמתואר בפרוטוקול הבא, מנבא או לא כולל את הצמיחה של macrometastases בתוך ~ 3 שבועות הבאים. רשתות עצביות משלבות צמהים מלאכותיים בשכבות שונות. בפרוטוקול המחקר, הפרמטרים הדמיה פונקציונלית לאספקת דם מח עצם ופעילות מטבולית מייצגים את השכבה התחתונה, בעוד החיזוי של ממאירות מייצג את השכבה העליונה. שכבת ביניים נוספת מכילה צמהים מוסתרים המחוברים הן לשכבה העליונה והן לשכבה התחתונה. עוצמת החיבורים בין צמהוני השונות מתעדכנת במהלך ההדרכה של הרשת לביצוע משימת הסיווג המתאימה עם דיוק גבוה9. הדיוק של רשת עצבית כזו ניתן להגדיל עוד יותר על ידי ממוצע הפלטים של מספר דגמים, וכתוצאה מכך avNNet10.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:801px;" width="800">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">Binocular Operating Microscope</td>
			<td style="width:239px;">Leica</td>
			<td style="width:154px;">NA</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">ClinScan MR System</td>
			<td style="width:239px;">Bruker</td>
			<td style="width:154px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">DICOM Viewer</td>
			<td style="width:239px;">Horos</td>
			<td style="width:154px;">NA</td>
			<td style="width:167px;">www.horosproject.org</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">Excel: Spreadsheet</td>
			<td style="width:239px;">Microsoft</td>
			<td style="width:154px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">FCS</td>
			<td style="width:239px;">Sigma</td>
			<td style="width:154px;">F2442-500ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">Gadovist</td>
			<td style="width:239px;">Bayer-Schering</td>
			<td style="width:154px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">Inveon PET/CT</td>
			<td style="width:239px;">Siemens</td>
			<td style="width:154px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:241px;">Inveon Research Workplace Software</td>
			<td style="width:239px;">Siemens Healthcare GmbH</td>
			<td style="width:154px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">IVIS Spectrum</td>
			<td style="width:239px;">PerkinElmer</td>
			<td style="width:154px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:241px;">MDA-MB-231 human breast cancer cells</td>
			<td style="width:239px;">American Type Culture Collection</td>
			<td style="width:154px;">N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:241px;">Open-source data visualization, machine learning and data mining toolkit.</td>
			<td style="width:239px;">Orange3, University of Ljubljana</td>
			<td style="width:154px;">NA</td>
			<td>https://orange.biolab.si/</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">RPMI-1640</td>
			<td>Invitrogen/ThermoFisher</td>
			<td align="right" style="width:154px;">11875093</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">Trypsin</td>
			<td style="width:239px;">Sigma</td>
			<td style="width:154px;">9002-07-7</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">Vevo 3100</td>
			<td style="width:239px;">VisualSonics</td>
			<td style="width:154px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

machine learning algorithms for early detection of bone metastases in an experimental rat model

אלגוריתמי למידת מכונה (ML) מאפשרים שילוב של תכונות שונות במודל כדי לבצע משימות סיווג או רגרסיה בדיוק העולה על מרכיביו. פרוטוקול זה מתאר את הפיתוח של אלגוריתם ML כדי לחזות את הצמיחה של סרטן השד עצם macrometastases במודל חולדה לפני כל חריגות נצפות עם שיטות הדמיה סטנדרטיות. אלגוריתם כזה יכול להקל על זיהוי של מחלה גרורתית מוקדמת (כלומר, מיקרומטאזיס) כי הוא חסר באופן קבוע במהלך בדיקות היערכות.
מודל גרורות מיושם הוא ספציפי לאתר, כלומר החולדות לפתח גרורות אך ורק ברגל האחורית הימנית שלהם. קצב גידול לקחת של המודל הוא 60%-80%, עם macrometastases הופך גלוי בהדמיית תהודה מגנטית (MRI) טומוגרפיה פליטת פוזיטרונים / טומוגרפיה ממוחשבת (PET / CT) בתת קבוצה של בעלי חיים 30 ימים לאחר אינדוקציה, בעוד קבוצת משנה שנייה של בעלי חיים אינם מציגים גידול.
החל מבדיקות תמונה שנרכשו בנקודת זמן מוקדמת יותר, פרוטוקול זה מתאר את החילוץ של תכונות המצביעות על כלי דם רקמות שזוהו על ידי MRI, חילוף חומרים גלוקוז על ידי PET / CT, ואת הקביעה הבאה של התכונות הרלוונטיות ביותר לחיזוי של מחלה מקרומטסטטית. תכונות אלה מוזן לאחר מכן לרשת עצבית ממוצעת מודל (avNNet) כדי לסווג את בעלי החיים לאחת משתי קבוצות: אחד שיפתח גרורות והשני שלא יפתח כל גידולים. הפרוטוקול מתאר גם את החישוב של פרמטרי אבחון סטנדרטיים, כגון דיוק כולל, רגישות, ספציפיות, ערכי חיזוי שליליים/חיוביים, יחסי סבירות ופיתוח מאפיין הפעלה של מקלט. יתרון של הפרוטוקול המוצע הוא הגמישות שלה, כפי שהוא יכול להיות מותאם בקלות כדי לאמן שפע של אלגוריתמים ML שונים עם שילובים מתכווננים של מספר בלתי מוגבל של תכונות. יתר על כן, זה יכול לשמש כדי לנתח בעיות שונות באונקולוגיה, זיהום, ודלקת.

החולדות התאוששו במהירות מהניתוח וההזרקה של תאי סרטן השד MDA-MB-231 ולאחר מכן היו נתונים להדמיית MR ו PET / CT בימים 10 ו 30 PI(איור 1). ניתוח DCE מייצג של השוקה הפרוקסימלית הימנית של חולדה מוצג איור 2A. מידות הגלם של DCE נשמרו על-ידי בחירהבלחצן" ייצוא" ובחירה באפשרות "...

Watch this Scientific Journal Video about Machine Learning Algorithms for Early Detection of Bone Metastases in an Experimental Rat Model at JoVE.com

Machine Learning Algorithms for Early Detection of Bone Metastases in an Experimental Rat Model

פרוטוקול זה נועד לאמן אלגוריתם למידת מכונה להשתמש בשילוב של פרמטרי הדמיה הנגזרים מהדמיית תהודה מגנטית (MRI) ומטוגרפיה של פליטת פוזיטרונים/טומוגרפיה ממוחשבת (PET/CT) במודל חולדה של גרורות עצם סרטן השד כדי לזהות מחלה גרורתית מוקדמת ונבא התקדמות עוקבת למקרומטאזאזים.

אלגוריתמים למידת מכונה לגילוי מוקדם של גרורות עצם במודל עכברוש ניסיוני

Machine learning (ML) algorithms permit the integration of different features into a model to perform classification or regression tasks with an accuracy ...

פרוטוקול זה מאפשר פיתוח של אלגוריתם למידת מכונה לחיזוי הצמיחה של גרורות עצם במודל ניסיוני בשלב של קולוניזציה ארגון מוקדם. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהיא משלבת מספר פרמטרי הדמיה לתוך אלגוריתם למידת מכונה כי באופן משמעותי עולה על היכולת היצרנית של כל פרמטר בודד. אמנם, פרוטוקול זה נועד לאבחון מוקדם של גרורות בעצמות, זה יכול להיות מותאם לאיברים שונים או אזורים של מחקר הדמיה רב-מודלית ורב-תכליתית.10 ימים לאחר הניתוח והזרקה בצופה DICOM עם תוסף DCE. בחרו 'ייבוא' לטעינת רצף DCE במצב 4D ובחרו בתיקיה DICOM הכוללת את תמונות ה-MRI. מניחים מעגלי 1.5 מילימטר מרובע לאזור מימדי של עניין במח עצם פיר טיביאלי proximal של הרגל האחורית הימנית בתוך תמונת MRI הרביעית או החמישית ובחר שיפור יחסי בסוג העלילה.הזן את הטווח הבסיסי מנקודות זמן, אחת עד חמש לתוך השדות המתאימים וייצא את הניתוח כקובץ TXT נקודה בשם DCE raw dot TXT. פתח את RStudio וטען את קובץ ה- DCE של DCE נקודה R. בחר קוד, הפעל אזור והפעל הכל כדי להפעיל את קובץ ה- Script כולו ולהעתיק את הפלט לקובץ התבנית של תכונות הדימות שסופק.בצופה DICOM, למקם אזור שני של עניין בתוך השריר האחורי של החיה ולחזור על מדידות DCE כפי שהוכח. בגיליון האלקטרוני של תכונת ההדמיה מדידות העצם המתאימות יחולקו באופן אוטומטי על ידי מדידות השרירים המתאימות לנורמליזציה של נתונים. כדי לנתח את תמונות PET /CT לפתוח את תוכנת ניתוח PET / CT ולייבא את תמונות PET / CT.לחץ על ניתוח כללי ובחר אזור של כימות עניין, צור וצור אזור מעניין מתבנית. מניחים ארבעה על שישה מילימטר, לאזור מימדי של עניין בתוך מח העצם של פיר טיביאלי proximal של הרגל האחורית הימנית ולבחור אזורים של עניין היעד שכבת-על אחת. שים לב לערכים הממוצעים, המינימליים והמקסימום ב- becquerels למיליליטר.לאחר מכן, לחלק את הערך המרבי על ידי הפעילות מוזרק להכפיל את התוצאה על ידי משקל החיה בגרמים כדי לחשב את ערך ספיגה מתוקן. כדי לאבחן את קצב הגידול ברגל האחורית מוזרק. לאחר קבלת תמונות MRI ו- PET/CT ביום 30 לאחר ההזרקה, נתח את התמונות כפי שהוכח והוסף עמודת גידול לגיליון האלקטרוני של תכונות ההדמיה.לאחר מכן הזן אחד או אפס עבור בעלי חיים עם גרורות או ללא נטל גידול גלוי בהתאמה. כדי לקבוע את התכונות הרלוונטיות ביותר לחיזוי צמיחת הגידול בעתיד, יבא את הגיליון האלקטרוני לתוך ערכת כלים של למידת מכונה וכריית נתונים בקוד פתוח. גרור את תת-השגרה של הקובץ מתפריט הנתונים לסביבת העבודה ולחץ פעמיים על הקובץ.לחץ על סמל התיקיה כדי לטעון את הגיליון האלקטרוני ולבחור בגיליון האלקטרוני של תכונות הדימות. בחר את גליון העבודה של הייצוא והקצה את תכונת היעד לגידול המשתנה. הקצה את פונקציית הדילוג למספר החייתי.גרור את שגרת המשנה של הדירוג לסביבת העבודה וצייר קו כדי להתחבר לשגרות המשנה של הקבצים והדרגות. לאחר מכן, לחץ פעמיים כדי לפתוח את שגרת המשנה של הדירוג ובחר את אלגוריתם רווח המידע. לניתוח למידת מכונה, פתח את RStudio 3.4.1 וטען את סקריפט R דגם הרכבת שסופק.בחר שורות שלוש עד שש בתוך קובץ ה- Script כדי לטעון את הספריות הנדרשות. לחץ על קוד כדי להפעיל את הקוד הנבחר ולחץ על הפעל שורות נבחרות כדי להפעיל את השורות שנבחרו. כדי לאמן ממוצע דגמים לאלגוריתם רשת עצבית, בחר קווים 8 עד 39 מקובץ ה- Script של דגם הרכבת R ולחץ על קוד והפעל קווים נבחרים.לאחר מכן, כדי להעריך את הפרמטרים הסטנדרטיים של דיוק אבחון, בחר קווים 41 עד 50 מקובץ ה- Script של דגם הרכבת R ולחץ על קוד והפעל קווים נבחרים. ביום 10 לאחר ניתוח והזרקת תאים סרטניים, ניתן לרכוש תמונות MRI ו- PET/CT. ניתוח DCE מאפשר מדידה של אזורי עניין של רקמת שריר ועצם.ערכים אלה יכולים להיות מנורמלים על ידי חלוקת מדידות העצם על ידי מדידות השריר. ביום 30 לאחר ההזרקה, כל בעלי החיים מוערכים כדי לקבוע אם הם פיתחו מטסטיות עם אחד המציין נטל גידול חיובי ואפס המציין בעלי חיים בריאים ללא גידולים גלויים. הפעלת קובץ ה- Script של מודל הרכבת R מאפשרת לקבוע את שילוב פרמטר ההיפר האופטימלי ואת המודל הסופי שיש לחשב באמצעות שילוב פרמטר ההיפר האופטימלי.נתונים אלה מאפשרים לחשב ערכה של פרמטרי אבחון סטנדרטיים ואת עקומת מאפיין הפעולה של המקלט של המודל להתוות. לדוגמה, בניתוח זה של 28 דגימות המודל מבצע באופן משמעותי טוב יותר מכל שלושת המרכיבים שלו. מספר אלגוריתמים של למידת מכונה נוטים לבצע ביצועים טובים יותר כאשר נתוני הקלט מנורמלים.בפרוטוקול זה הנורמליזציה מושגת באמצעות הפונקציה Box Cox. פרוטוקול זה משתמש בממוצע מודלים במהלך הרשת כאלגוריתם למידת מכונה. עם זאת, ניתן להתאים בקלות את המסגרת שסופקה לאלגוריתמים אחרים כגון יערות אקראיים או מכונות וקטור תמיכה.חילוץ מידע מספרי מחומר תמונה הפך חיוני. אלגוריתמים כאלה עשויים להקל על שילוב כמויות גדולות של נתונים כדי לאפשר ריבוד מטופלים.

Research

JoVE Journal

Cancer Research

Intra-iliac Artery Injection for Efficient and Selective Modeling of Microscopic Bone Metastasis

הזרקת עורק Intra-כסל עבור דוגמנות יעילה וסלקטיבי של מיקרוסקופיים עצם גרור

Intra-iliac artery (IIA) injection is an efficient approach to introduce metastatic lesions of various cancer cells in animals. Compared to the widely ...

Murine Experimental Model of Original Tumor Development and Peritoneal Metastasis via Orthotopic Inoculation with Ovarian Carcinoma Cells

Murine Experimental Model of Original Tumor Development and Peritoneal Metastasis via Orthotopic Inoculation with Ovarian Carcinoma Cells

Murine ניסיוני דגם של התפתחות גידולים מקורית גרור הצפק<em&gt; דרך</em&gt; Orthotopic הרכבה עם קרצינומה של תאי השחלות

Epithelial ovarian carcinoma (EOC) is associated with a poor prognosis because it shows peritoneal dissemination. To improve the prognosis, it is ...

A 3D Organotypic Melanoma Spheroid Skin Model

מודל העור מלנומה Organotypic 3D ספרואיד

Malignant transformation of melanocytes, the pigment cells of human skin, causes formation of melanoma, a highly aggressive cancer with increased ...

Evaluation of the Feasibility, Safety, and Accuracy of an Intraoperative High-intensity Focused Ultrasound Device for Treating Liver Metastases

הערכה של כדאיות, בטיחות, דיוק בעצימות גבוהה פוסט מרוכז מכשיר אולטרסאונד לטיפול גרורות בכבד

Today, the only potentially curative option in patients with colorectal liver metastases is surgery. However, liver resection is feasible in less than 20% ...

Three-Dimensional Bone Extracellular Matrix Model for Osteosarcoma

עצם תלת-ממדי מטריצה חוץ-תאית מודל אוסטאוסרקומה

Osteosarcoma (OS) is the most common and a highly aggressive primary bone tumor. It is characterized with anatomic and histologic variations along with ...

Detection of Lung Tumor Progression in Mice by Ultrasound Imaging

זיהוי של התקדמות הגידול ריאה בעכברים על ידי הדמיה אולטרסאונד

With ~1.6 million victims per year, lung cancer contributes tremendously to the worldwide burden of cancer. Lung cancer is partly driven by genetic ...

Quantifying the Brain Metastatic Tumor Micro-Environment using an Organ-On-A Chip 3D Model, Machine Learning, and Confocal Tomography

כימות המיקרו-סביבה של גידול גרורתי במוח באמצעות דגם תלת-מימד של שבב איבר-און-איי, למידת מכונה וטומוגרפיה קונפוקלית

Brain metastases are the most lethal cancer lesions; 10-30% of all cancers metastasize to the brain, with a median survival of only ~5-20 months, ...

An Orthotopic Resectional Mouse Model of Pancreatic Cancer

מודל עכבר כריתה אורתוטופי של סרטן הלבלב

There is a lack of satisfactory animal models to study adjuvant and/or neoadjuvant therapy in patients being considered for surgery of pancreatic cancer ...

Simultaneous Imaging and Flow-Cytometry-based Detection of Multiple Fluorescent Senescence Markers in Therapy-Induced Senescent Cancer Cells

הדמיה סימולטנית וזיהוי מבוסס זרימה-ציטומטריה של סמני סנסנציה פלואורסצנטיים מרובים בתאי סרטן סנסנטיים המושרים על ידי טיפול

Chemotherapeutic drugs can induce irreparable DNA damage in cancer cells, leading to apoptosis or premature senescence. Unlike apoptotic cell death, ...

Experimental Melanoma Immunotherapy Model Using Tumor Vaccination with a Hematopoietic Cytokine

מודל אימונותרפיה ניסיוני למלנומה באמצעות חיסון לגידול עם ציטוקין המטופויאטי

Fms-like tyrosine kinase 3 ligand (Flt3L) is a hematopoietic cytokine that promotes the survival and differentiation of dendritic cells (DCs). It has been ...