方法文章

基于曲线波变换工具量化纤维状胶原组织结构

DOI：

10.3791/61931

⸱

2020年11月11日

 , 
1Laboratory for Optical and Computational Instrumentation, Center for Quantitative Cell Imaging, University of Wisconsin-Madison, 2Departments of Medical Physics and Biomedical Engineering, University of Wisconsin-Madison, 3Morgridge Institute for Research, Madison, Wisconsin, 4test, test

本文内容

摘要

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本文介绍了一种利用基于曲线波变换的开源MATLAB软件工具，定量分析正常和病变组织细胞外基质中纤维状胶原排列的方法。该工具可应用于含有胶原纤维或其他类型线状结构的图像。

摘要

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纤维状胶原是细胞外基质（ECM）的主要成分，其拓扑结构的变化已被证实与多种疾病的发展相关，包括乳腺癌、卵巢癌、肾癌和胰腺癌。目前公开可用的纤维定量软件工具主要集中在纤维排列或取向的计算上，且存在诸多局限性，例如需要手动操作步骤、在噪声背景中难以准确检测纤维边缘，或缺乏对局部特征的表征能力。本方案所描述的胶原纤维定量工具采用基于曲线波变换（curvelet transform, CT）的最优多尺度图像表征方法。该算法能够去除纤维状胶原图像中的噪声，并增强纤维边缘，从而直接从单根纤维获取其位置和取向信息，而非依赖其他工具所获得的间接的像素级或窗口级信息。该基于CT的分析框架包含两个独立但相互关联的软件包，分别命名为“CT-FIRE”和“CurveAlign”，可在整体、感兴趣区域（ROI）或单根纤维的层面上量化纤维组织结构。该定量框架已发展十余年，现已演变为一个全面且以用户需求为导向的胶原定量平台。利用该平台，用户可测量多达约三十种纤维特征，包括单根纤维的长度、角度、宽度和直度等个体属性，以及密度和排列等整体性测量参数。此外，用户还可测量纤维相对于手动或自动分割边界的取向角度。该平台还提供多个附加模块，包括ROI分析、自动边界生成和后处理功能。使用该平台无需具备编程或图像处理的先验经验，且能够处理包含数百甚至数千张图像的大型数据集，从而为生物学或生物医学应用提供高效的胶原纤维组织结构定量分析能力。

引言

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纤维状胶原是突出的细胞外基质（ECM）结构成分。其排列结构的变化会影响组织功能，并可能与多种疾病的进展相关，包括成骨不全症1、心脏功能障碍2、伤口愈合3以及多种癌症，如乳腺癌4,5,6、卵巢癌7,8、肾癌9和胰腺癌10。目前已有多种成熟的成像技术可用于可视化纤维状胶原，例如二次谐波生成显微技术11、结合明场或荧光显微镜、偏振光显微镜使用的染料或染色剂12、基于液晶的偏振显微技术（LC-PolScope）13以及电子显微镜技术14。随着纤维状胶原排列结构重要性的日益明确，以及这些方法的广泛应用，对更优胶原纤维分析方法的需求也不断增长。

人们已做出许多努力....

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方案

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注意：本方案描述了使用 CT-FIRE 和 CurveAlign 进行胶原蛋白定量的方法。这两种工具的主要目标互补但有所不同，并在一定程度上相互关联。除高级后期处理和 ROI 分析外，大多数操作均可通过 CurveAlign 界面启动 CT-FIRE 来完成。如需完整使用 CT-FIRE 的功能，应单独启动该程序。

1. 图像采集与图像要求

注意：该工具可处理任何包含线状结构的图像文件，只要该文件可由 MATLAB 读取，而无论采集图像所用的成像方式如何。

  1. 使用8位灰度作为图像类型，因为默认运行参数基于此格式。
    注意：二次谐波成像（SHG）是一种广泛使用的无标记、高分辨率纤维状胶原成像方法。此处将采用一项乳腺癌研究中的SHG图像19进行演示说明。

2. 软件安装与系统要求

注意：独立应用程序版本和源代码版本均可免费获取。源代码版本需要安装完整的 MATLAB 软件，并包含信号处理、图像处理、统计分析和并行计算工具箱。要运行源代码版本，必须将所有必要的文件夹（包括部分第三方来源的文件夹）添加到 MATLAB 路径中。建议大多数用户使用独立应用程序（APP），该程序需要安装指定版本的免费 MATLAB Compiler ....

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结果

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这些方法已在众多研究中成功应用。一些典型的应用包括：1）Conklin 等人22使用 CurveAlign 计算肿瘤相关胶原特征，发现胶原纤维在导管原位癌（DCIS）病灶中更倾向于垂直于导管周长排列；2）Drifka 等人10利用 CurveAlign 中的 CT-FIRE 模式量化胰腺导管腺癌以及正常/慢性胰腺炎组织中的间质胶原排列，发现癌组织中的胶原排列程度高于正常/慢性组织；3）Alkmin 等人7使用 CurveAlign 对卵巢间质胶原的 SHG 图像中 F-肌动蛋白纤维的角度分布和总体胶原排列进行量化，表明基质形态在驱动细胞运动性和 F-肌动蛋白排列中起重要作用；4）LeBert 等人3将 CT-FIRE 应用于斑马鱼伤口修复模型的 SHG 图像，发现急性损伤后胶原纤维厚度增加；5）Devine 等人45在不同动物模型的声带胶原 SHG 图像中使用 CurveAlign 的 CT-FIRE.......

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讨论

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本方案描述了使用 CT-FIRE 和 CurveAlign 进行纤维状胶原定量分析的方法，可应用于任何包含胶原纤维或其他适合通过 CT-FIRE 或 CurveAlign 进行分析的线状或纤维状细长结构的图像。例如，弹性蛋白或弹性纤维也可在该平台上以类似方式处理。我们已在计算机生成的合成纤维图像上测试了这两种工具21。用户应根据具体应用选择最适合其数据的分析模式。CT 纤维分析模式可直接利用 CT 中的curvelet来表征纤维的位置和取向，对局部纤维结构的变化具有较高敏感性。该模式适用于在复杂条件下定位纤维及其方向，例如噪声水平较高、纤维呈弯曲形态或纤维厚度变异较大的情况。然而，由于 CT 模式仅能检测图像中最亮的部分，在图像强度差异较大时，可能会遗漏部分强度较低的纤维。

此外，CT 模式无法提供单根纤维的信息。与 CT 模式不同，CT-FIRE 模式可计算单根纤维的特性，并能分析所有强度超过指定阈值的纤维。CT-FIRE 模式面临的挑战包括：1）当纤维沿长度方向的强度或图像中纤维厚度存在较大变化时，完整纤维提取的准确性可能降低或受.......

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披露

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作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

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我们感谢多年来为 CT-FIRE 和 CurveAlign 做出贡献的众多贡献者和用户，包括 Rob Nowak 博士、Carolyn Pehlke 博士、Jeremy Bredfeldt 博士、Guneet Mehta、Andrew Leicht、Adib Keikhosravi 博士、Matt Conklin 博士、Jayne Squirrell 博士、Paolo Provenzano 博士、Brenda Ogle 博士、Patricia Keely 博士、Joseph Szulczewski 博士、Suzanne Ponik 博士，以及 Swati Anand 和 Curtis Rueden 提供的额外技术支持。本研究得到了半导体研究公司、Morgridge 研究所，以及美国国立卫生研究院（NIH）基金 R01CA199996、R01CA181385 和 U54CA210190 对 K.W.E. 的资助支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
CT-FIRE威斯康星大学麦迪逊分校N/A开源软件，可从 https://eliceirilab.org/software/ctfire/ 获取
CurveAlign威斯康星大学麦迪逊分校N/A开源软件，可从 https://eliceirilab.org/software/curvealign/ 获取

参考文献

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  1. Nadiarnykh, O., et al. Second harmonic generation imaging microscopy studies of osteogenesis imperfecta. Journal of Biomedical Optics. 12 (5), 051805(2007).
  2. Kouris, N. A., et al. A nondenatured, noncrosslinked c....

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重印与许可

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标签

CT FIRE CurveAlign

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