Misurazioni automatizzate del volume renale totale nell'imaging a risonanza magnetica preclinica per il resourcing di dati di imaging, annotazioni e codice sorgente

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Marie E. Edwards, Sigapriya Periyanan, Deema Anaam², Adriana V. Gregory e Timothy L. Kline 'Division of Nephrology and Hypertension, Mayo Clinic, Rochester, Minnesota, USA; e 2Dipartimento di Radiologia, Mayo Clinic, Rochester, Minnesota, USA

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L'obiettivo di questo studio era di convalidare un totale completamente automatizzatorenemetodo di misurazione del volume per le prove precliniche sui roditori che è veloce, accurato, riproducibile e per fornire queste risorse alla comunità di ricerca. Gli studi sui roditori che coinvolgono l'imaging sono fondamentali per monitorare l'efficacia del trattamento in malattie come la policisticarenepatologia. Studi precedenti utilizzano la segmentazione manuale o semiautomatica, che richiede molto tempo e potenzialmente distorta. Per sviluppare il nostro sistema automatizzato, un totale di 150 immagini di risonanza magnetica assiale (MRI) da una varietà di modelli murini sono state segmentate manualmente e utilizzate per addestrare/convalidare un algoritmo automatizzato. Per testare l'applicazione longitudinale del modello, quattro topi mutanti e quattro wild-type sono stati ripresi in sequenza da tre a dodici settimane tramite risonanza magnetica. Le segmentazioni dei reni (esclusa la pelvi renale) sono state generate dal metodo automatizzato e da due lettori diversi, con un lettore che ripeteva

misurazioni. Sono state calcolate metriche di similarità e analisi longitudinale per valutare le prestazioni dei metodi automatizzati rispetto ai metodi manuali. L'approccio automatizzato non ha richiesto alcun input da parte dell'utente, a parte una fase finale di controllo della qualità visiva. Le metriche di somiglianza del metodo automatizzato rispetto alle segmentazioni manuali erano alla pari con i confronti tra lettori e intra-lettori. Pertanto, il nostro approccio completamente automatizzato qui descritto può essere utilizzato in sicurezza in studi preclinici longitudinali che coinvolgono la segmentazione del roditorereninella risonanza magnetica T2-ponderata.

Dichiarazione traslazionale

Questo studio ha sviluppato un metodo completamente automatizzato per misurare il totalerenevolume per l'imaging preclinico in un modello murino mutante di policisticomalattie renalicosì come i topi selvatici. Questo studio ha anche stabilito le variabilità interreader e intrareader nella misurazione del volume renale totale per l'imaging preclinico. Studi simili e approcci algoritmici possono essere utilizzati per stabilire metodi per i dati di imaging clinico e sono necessari per una prognosi accurata della malattia e un processo decisionale clinico. Stiamo fornendo i dati di imaging, le annotazioni e il codice sorgente alla comunità di ricerca.

È stato dimostrato che la misurazione del volume d'organo è correlata alle manifestazioni cliniche e alla morbilità di malattie come quella totalerenevolume (TKV) nel policistico autosomico dominanterenemalattia (PKD)l,2 e viene utilizzato per accertare l'efficacia degli interventi terapeutici. La ricerca, gli studi clinici e la nefrologia sempre più clinica utilizzano queste misurazioni per monitorare la progressione della malattia sia nei modelli animali che nei pazienti, valutare l'efficacia delle terapie e prevedere i risultati.

Attualmente, gli studi preclinici si stanno svolgendo a un ritmo senza precedenti per cercare nuovi trattamenti per rallentare la progressione della PKD. Un vantaggio chiave della risonanza magnetica (MRI) nei modelli animali di PKD è la capacità di utilizzare l'imaging in vivo, che consente studi volumetrici longitudinali che utilizzano lo stesso animale. Numerosi studi che coinvolgono 2semiautomatizzazione,'3,14e manuale basato sulla registrazione,9-12 segmentazioni automatizzate56 del mouserenisono state eseguite in precedenza.

Molti dei metodi ritenuti automatizzati richiedono ancora l'input dell'utente. La maggior parte di questi studi preclinici utilizza segmentazioni manuali, che richiedono tempo e denaro, oltre a introducono bias dell'osservatore. Pertanto, il nostro laboratorio ha valutato la variabilità nella misurazione del TKV e ha sviluppato un programma di analisi automatizzato per misurare il TKV nelle scansioni di risonanza magnetica di modelli murini della malattia.

RISULTATI

Variabilità intra e interosservatore delle segmentazioni renali manuali

La figura 1 mostra i risultati dell'analisi Bland-Altman del TKV misurato manualmente da 2 lettori (varianza tra osservatori) e le misurazioni ripetute dal lettore 2 (varianza intraosservatore). Quando il lettore 1 è stato confrontato con il lettore 2, è stata rilevata una differenza percentuale media del 7,7% e un intervallo di confidenza del 95% di ±4,5%. Quando il lettore 2 ha eseguito misurazioni ripetute della stessa immagine, si è verificata una differenza percentuale media di -0,5 percento e un intervallo di confidenza del 95 percento di ±3,9 percento. L'analisi di regressione ha indicato che esiste un'elevata concordanza in TKV tra tutti i metodi, con un valore R² maggiore o uguale a 0.99.

Convalida dell'algoritmo di segmentazione automatizzata Il metodo automatizzato confrontato con ciascun lettore in relazione alla differenza percentuale di TKV era simile a quello della varianza tra osservatori e intraosservatori come suggerito dai grafici di Bland-Altman nella Figura 1. Quando il lettore 1 è stato confrontato con con il metodo automatizzato, c'era una differenza percentuale media del 5,2 percento e un intervallo di confidenza del 95 percento di ±5,8 percento Quando il lettore 2 è stato confrontato con il metodo automatizzato, c'era una differenza percentuale media di -2,5 percento e una Intervallo di confidenza al 95% di ±6,5%.

La distinzione tra topi wild-type e mutanti

I TKV medi e SD sono stati tracciati in ogni punto temporale per ciascun metodo e separati per genotipo (mutante vs. tipo selvaggio). Come si vede nella Figura 2, il TKV medio è sempre più piccolo nei topi wild-type in ogni momento rispetto ai topi mutanti. Tutti e 3 i metodi (automatizzato, lettore 1 e lettore 2) dimostrano una significativa separazione del tipo di topo a 9 e 12 settimane di età.

DISCUSSIONE

L'analisi del volume renale nella PKD è una delle metriche più importanti attualmente utilizzate per caratterizzare lo stato della malattia. Prima del nostro lavoro, non c'era alternativa al tracciamento manuale dei reni nei sistemi modello di PKD. A causa del tempo impiegato per tracciare queste strutture, nonché del tempo necessario per addestrare una persona a eseguire queste misurazioni e del potenziale di variabilità tra operatori, in questo studio abbiamo sviluppato e convalidato un metodo di segmentazione completamente automatizzato per TKV. Le segmentazioni automatiche vengono calcolate in pochi minuti (a seconda della potenza di calcolo), mentre le segmentazioni manuali richiedono dai 20 ai 40 minuti. A differenza dei metodi di segmentazione manuali o semiautomatici, questo metodo automatizzato produrrà gli stessi risultati esatti ogni volta che viene applicato alla stessa immagine.

Gli studi preclinici spesso comprendono sia un gruppo di controllo che uno o più gruppi di trattamento; pertanto, è essenziale che il metodo automatizzato sia sufficientemente sensibile da rilevare le differenze di volume tra i gruppi in modo appropriato.7 La figura 2 mostra che la segmentazione manuale e la segmentazione automatizzata mostrano entrambe una separazione significativa nei gruppi wild-type e mutanti a 9 settimane di età . Sebbene l'accordo generale fosse eccellente, i confronti visivi suggerivano un disaccordo minore sull'opportunità di includere o escludere la pelvi renale in un piccolo sottoinsieme di fette. Sebbene sia prassi comune escludere il

Figura 1|Bland-Altman e analisi di regressione di (a, e) interosservatore e (b, f) intraosservatore volume renale totale (TKV)

misurazioni (misurate in millimetri) oltre al metodo automatizzato (Auto) confrontato con (c,g) lettore 1 e (d,h) lettore 2. I grafici di Bland-Altman mostrano la differenza media (linea continua) e l'intervallo di confidenza del 95% (linee tratteggiate). L'analisi di regressione mostra la correlazione tra i metodi confrontati.