Mediciones automatizadas del volumen renal total en imágenes de resonancia magnética preclínicas para obtener recursos de datos de imágenes, anotaciones y código fuente

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Marie E. Edwards, Sigapriya Periyanan, Deema Anaam², Adriana V. Gregory y Timothy L. Kline 'División de Nefrología e Hipertensión, Clínica Mayo, Rochester, Minnesota, EE. UU.; y 2Departamento de Radiología, Clínica Mayo, Rochester, Minnesota, EE. UU.

Cistanchetubulosaprevieneriñónenfermedad, haga clic aquí para obtener la muestra

El objetivo de este estudio fue validar un total totalmente automatizadoriñónmétodo de medición de volumen para ensayos preclínicos con roedores que sea rápido, preciso, reproducible y que proporcione estos recursos a la comunidad de investigación. Los estudios de roedores que involucran imágenes son cruciales para monitorear la eficacia del tratamiento en enfermedades como poliquistosisriñónenfermedad. Los estudios anteriores utilizan la segmentación manual o semiautomática, que requiere mucho tiempo y es potencialmente sesgada. Para desarrollar nuestro sistema automatizado, un total de 150 imágenes de resonancia magnética axial (MRI) de una variedad de modelos de ratones se segmentaron manualmente y se usaron para entrenar/validar un algoritmo automatizado. Para probar la aplicación longitudinal del modelo, se tomaron imágenes secuencialmente de cuatro ratones mutantes y cuatro de tipo salvaje durante tres a doce semanas a través de resonancia magnética. Las segmentaciones de los riñones (excluyendo la pelvis renal) fueron generadas por el método automatizado y dos lectores diferentes, con un lector repitiendo el

mediciones. Se calcularon métricas de similitud y análisis longitudinal para evaluar el rendimiento de los métodos automatizados en comparación con los métodos manuales. El enfoque automatizado no requirió intervención del usuario, además de un paso final de control de calidad visual. Las métricas de similitud del método automatizado frente a las segmentaciones manuales estaban a la par con las comparaciones entre lectores e intralectores. Por lo tanto, nuestro enfoque completamente automatizado que se describe aquí se puede usar de manera segura en ensayos preclínicos longitudinales que involucran la segmentación de roedores.riñonesen T2-resonancias magnéticas ponderadas.

Declaración de traducción

Este estudio desarrolló un método completamente automatizado para medir lariñónvolumen para imágenes preclínicas en un modelo de ratón mutante de poliquísticoenfermedad del riñonasí como ratones de tipo salvaje. Este estudio también estableció las variabilidades interlectores e intralectores en la medición del volumen renal total para imágenes preclínicas. Se pueden usar estudios y enfoques algorítmicos similares para establecer métodos para datos de imágenes clínicas y son necesarios para un pronóstico preciso de la enfermedad y la toma de decisiones clínicas. Proporcionamos los datos de imágenes, las anotaciones y el código fuente a la comunidad investigadora.

Se ha demostrado que la medición del volumen de órganos se correlaciona con las manifestaciones clínicas y la morbilidad de enfermedades como lariñónvolumen (TKV) en poliquístico autosómico dominanteriñón(PKD)l,2 y se utiliza para determinar la efectividad de las intervenciones de tratamiento. La investigación, los ensayos clínicos y, cada vez más, la nefrología clínica utilizan estas mediciones para monitorear la progresión de la enfermedad tanto en modelos animales como en pacientes, evaluar la efectividad de las terapias y predecir los resultados.

En la actualidad, se están realizando estudios preclínicos a un ritmo sin precedentes para buscar nuevos tratamientos que retrasen la progresión de la PKD. Una ventaja clave de la resonancia magnética nuclear (RMN) en modelos animales de PKD es la capacidad de usar imágenes in vivo, lo que permite estudios volumétricos longitudinales que usan el mismo animal. Numerosos estudios que involucran 2semiautomatizadas,'3,14 y manuales basadas en registros,9-12 segmentaciones automatizadas56 de mouseriñonesse han realizado con anterioridad.

Muchos de los métodos que se consideran automatizados aún requieren la participación del usuario. La mayoría de estos estudios preclínicos utilizan segmentaciones manuales, que consumen mucho tiempo y son costosas, además de introducir un sesgo del observador. Por lo tanto, nuestro laboratorio ha evaluado la variabilidad en la medición de TKV y ha desarrollado un programa de análisis automatizado para medir TKV en resonancias magnéticas de modelos murinos de la enfermedad.

RESULTADOS

Variabilidad intra e interobservador de las segmentaciones renales manuales

La figura 1 muestra los resultados del análisis de Bland-Altman de TKV medido manualmente por 2 lectores (varianza entre observadores) y mediciones repetidas por el lector 2 (varianza entre observadores). Cuando se comparó el lector 1 con el lector 2, hubo una diferencia porcentual media del 7,7 por ciento y un intervalo de confianza del 95 por ciento de ±4,5 por ciento. Cuando el lector 2 realizó mediciones repetidas de la misma imagen, hubo una diferencia porcentual media de -0,5 por ciento y un intervalo de confianza del 95 por ciento de ±3,9 por ciento. El análisis de regresión indicó que existe una alta concordancia en TKV entre todos los métodos, con un valor de R² mayor o igual a 0.99.

Validación del algoritmo de segmentación automatizado El método automatizado comparado con cada lector en relación con la diferencia porcentual de TKV fue similar a la de la varianza inter e intraobservador como lo sugieren los gráficos de Bland-Altman en la Figura 1. Cuando el lector 1 se comparó con el método automatizado, hubo una diferencia porcentual media de 5,2 por ciento y un intervalo de confianza del 95 por ciento de ±5,8 por ciento. Cuando se comparó el lector 2 con el método automatizado, hubo una diferencia porcentual media de -2,5 por ciento y un Intervalo de confianza del 95 por ciento de ±6,5 por ciento.

La distinción entre ratones de tipo salvaje y mutantes

Los TKV medios y SD se trazaron en cada punto de tiempo para cada método y se separaron por genotipo (mutante frente a tipo salvaje). Como se ve en la Figura 2, el TKV medio es siempre más pequeño en los ratones de tipo salvaje en cada momento que en los ratones mutantes. Los 3 métodos (automatizado, lector 1 y lector 2) demuestran una separación significativa del tipo de ratón a las 9 y 12 semanas de edad.

DISCUSIÓN

El análisis del volumen renal en la poliquistosis renal es una de las métricas más importantes que se utilizan actualmente para caracterizar el estado de la enfermedad. Antes de nuestro trabajo, no había alternativa al rastreo manual de riñones en sistemas modelo de PKD. Debido al tiempo necesario para rastrear estas estructuras, así como al tiempo necesario para capacitar a una persona para realizar estas mediciones y la posibilidad de variabilidad entre operadores, en este estudio desarrollamos y validamos un método de segmentación completamente automatizado para TKV. Las segmentaciones automáticas se calculan en cuestión de minutos (según la potencia informática), mientras que las segmentaciones manuales tardan entre 20 y 40 minutos. A diferencia de los métodos de segmentación manuales o incluso semiautomáticos, este método automatizado producirá exactamente los mismos resultados cada vez que se aplique a la misma imagen.

Los ensayos preclínicos a menudo comprenden tanto un grupo de control como uno o más grupos de tratamiento; por lo tanto, es esencial que el método automatizado sea lo suficientemente sensible para detectar diferencias de volumen entre los grupos de manera adecuada.7 La Figura 2 muestra que tanto la segmentación manual como la segmentación automática muestran una separación significativa en los grupos de tipo salvaje y mutante a las 9 semanas de edad. . Aunque el acuerdo general fue excelente, las comparaciones visuales sugirieron un desacuerdo menor sobre si incluir o excluir la pelvis renal en un pequeño subconjunto de cortes. Aunque es una práctica común excluir la

Figura 1|Bland-Altman y análisis de regresión de (a,e) interobservador y (b,f) volumen renal total (TKV) intraobservador

medidas (medidas en milímetros) además del método automatizado (Auto) en comparación con el lector 1 (c,g) y el lector 2 (d,h). Los gráficos de Bland-Altman muestran la diferencia media (línea continua) y el intervalo de confianza del 95 por ciento (líneas punteadas). El análisis de regresión muestra la correlación entre los métodos comparados.