Name: Beschleunigten Strahlung Biodosimetry automatisiert durch dizentrische Chromosom Identifikation (ADCI) und Abschätzung der Dosis (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-09-04T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 33 s
Description: Erfahren Sie die automatisierte Strahlungsbiodosimetrie mit maschinellem Lernen zur schnellen Dosisabschätzung aus dizentrischen Chromosomen in Metaphasezellen. Diese Software reduziert Analysezeiten erheblich.

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Wir sind dankbar, Dr. Ruth Wilkins, Strahlenbiologie und Schutz-Teilung bei Health Canada und Farrah Flegal, Canadian Nuclear Laboratories und ihre Laborpersonal für den Zugriff auf Metaphase Bilddaten aus ihren zytogenetische Biodosimetry Laboratorien. Dieses Papier wurde unterstützt durch einen Vertrag aus Build in Canada Innovation Program CytoGnomix (Seriennr. EN579-172270/001/SC). Die erste Version von ADCI und Entwicklung von Algorithmen wurden von den westlichen Innovationsfonds unterstützt; die Naturwissenschaften und Engineering Research Council of Canada (NSERC Discovery Grant 371758-2009); US Public Health Service (DART-Dosis CMCR, 5U01AI091173-0); die kanadische Stiftung für Innovation; Kanada-Forschung-Stühlen und CytoGnomix Inc.

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PKR und JHMK war CytoGnomix, die Kommerzialisierung ist ADCI und damit verbundenen Patente hält. YL und BCS sind Mitarbeiter von CytoGnomix. ADCI ist urheberrechtlich geschützt, und die Zentromer-Lokalisierung-Methode in ADCI ist patentiert (US Pat. Nr. 8.605.981; Deutschen Pat. (Nr. 112011103687).

Möglichkeiten und Grenzen der software
Das Protokoll in diesem Dokument beschriebenen stellt das typische schrittweise Verfahren in ADCI zum Importieren und verarbeiten zytogenetische Metaphase Bilder erzeugen Strahlung Kalibrierkurven und biologische Dosis bei Einzelpersonen oder Proben ausgesetzt zu unbekannten schätzen Strahlung. Es ist jedoch nicht notwendig, diese Anweisungen nacheinander durchzuführen. Zum Beispiel viele Proben von unbekannten Dosis verarbeitet werden können und mit der gleichen vorausberechnete Eichkurve analysiert. Außerdem, sobald die Bearbeitung abgeschlossen ist, können die Bildauswahl und DC Filterung Modelle vom Benutzer iteriert. Anwendung eine entsprechende Bildmodell Auswahl hängt von den Eigenschaften und Qualität der Metaphase Bilddaten, die wiederum beruht sowohl auf dem Laborprotokoll verwendet, um Zellen zu bereiten und die strenge Kriterien verwendet, um Zellen mit wählen automatisiert Metaphase-Capture-Systeme. Chromosom Morphologien werden unterscheiden zwischen Biodosimetry und zytogenetischen Labors, und somit sollte die Bild-Auswahl-Modelle durch den Benutzer zu bestimmen, ob die vordefinierten Bild-Auswahl-Modelle mit der Software gelieferten angemessen werden ausgewertet werden genaue Dosierung Schätzungen zu produzieren, oder ob Custom mit Benutzer-definierten Modelle Schwellenwerte geschaffen werden müssen. Basierend auf unserer Erfahrung, wird die Wirksamkeit der Bild-Auswahl-Modelle durch die Quelle und die Qualität der Zelle Bilder beeinflusst. Benutzer können ihre eigenen Bild-Auswahlkriterien mit unterschiedlichen Kombinationen von Filtern zur Beseitigung falsch positive DCs und Bild Auswahl Modelle und die entsprechenden Grenzwerte zum Auswählen der gewünschten Bilder entwerfen. Gibt Flexibilität bei Eingabe von Kalibrierkurven und Dosis Schätzung Koeffizienten der linear-quadratische Kurve und DC Frequenzen geändert oder manuell eingegeben werden können.
Obwohl die Software vollständig automatisiert ist, können Bilder manuell überprüft und ausgewählt werden. Diese Funktion ist verfügbar oder individuell bearbeitete Bildern durch das Mikroskop Viewer-Funktion in der Haupt-GUI zu entfernen. Dennoch ist durch Automatisierung, die Software wesentlich effizienter im Vergleich mit dem Handbuch scoring der Metaphase Bilder und DCs zählen. Eine Stichprobe von 1000 Bildern kann in 20 (Tiff), 40 (Jpg) min auf einer multi-Core Performance Workstation verarbeitet werden. Diese Software wird besonders in zeitkritischen oder arbeitsintensiven Situationen, z. B. Ereignisse, in denen mehrere Personen in Berührung gekommen sind oder waren im Verdacht, die Strahlung ausgesetzt worden sind oder wo zeitkritische Diagnosen und Behandlung Entscheidungen sind entscheidend.
Präzise und akkurate Hochdurchsatz-Erkennung von DCs sowie Abschätzung der Dosis sind für unbeaufsichtigte Strahlung Beurteilung erforderlich. Andere Alternativen zur Software erfüllen diese Voraussetzungen nicht. Eine Benutzer-gestützte, Image-basierte zytogenetische Analyse (DCScore, Metasystems17) System erfordert manuelle Prüfung der Kandidaten DCs, aufgrund eines hohen Fehlers Rate auf unkorrigierte Überschneidungen zwischen Chromosomen, und das System nicht ermittelt Strahlendosis. DCScore wäre nicht so effektiv wie ADCI in einer Strahlung-Veranstaltung mit einer großen Zahl von potenziell exponierten Personen. Große Blende Mikroskopsystemen sammeln Bilder von mehreren Metaphase Zellen18, jedoch sie nicht auswerten. "CABAS"19 und20 -Software "Dosis schätzen" Generiere Kalibrierung Kurven und Schätzung Dosis, aber nicht DCs der Gäste. Andere Biodosimetry-Assays, die nicht auf DC-Analyse gehören H2AX Fluoreszenz, Fluoreszenz in Situ Hybridisierung mit DNA-Sonden, gezielt auf bestimmte Chromosomen, Genexpression, Micronucleus-Assay und Urin und Atemwege Biomarker. Diese Methoden sind weniger spezifisch und sensitiv für ionisierende Strahlung, mehr kostspielig, in einigen Fällen sein können, sind mehr Zeit in Anspruch und haben in der Regel nicht über mehrere Referenzlaboratorien standardisiert worden. Die meisten dieser Techniken erkennen keine stabile Strahlung Antworten, sodass sie für die langfristige Bewertung verwendet werden können (&#62; 7 Tage nach Exposition) der Strahlendosis. Im Gegensatz dazu, dies kann Einzelpersonen bis zu 90 Tage nach Exposition ausgewertet und kann Daten aus jeder Zytogenetik-Labor-Mikroskop imaging-System verarbeiten. Jedoch wird eine Probe gezogen &#62; 4 Wochen nach Exposition, Empfindlichkeit wird durch den Zerfall von dizentrische Aberrationen1,2,3 reduziert und die Software derzeit nicht korrekt DC Frequenzen für Verzögerungen bei der Probenahme exponierten Personen.
Diese Software hat einige Einschränkungen. Vorhandene Bild Auswahl Modelle meist akzeptabel Metaphase Bilder auswählen, aber in einigen Fällen fehlschlagen zu unbefriedigenden Bilder zu beseitigen, die die Genauigkeit der Erkennung von DC reduzieren kann. Es ist immer noch eine offene Frage, wie ein zufriedenstellendes Bild-Auswahl-Modell entworfen, das alle ungeeigneten Metaphase Zellen eliminiert. Die Software liefert genaue Schätzungen für Proben höhere Strahlendosen ausgesetzt (≥ 2 Gy). Trotz erheblicher Fortschritte bei der Verringerung der Anzahl der falsch positiven DCs16sind diese Objekte nicht beseitigt worden. Niedrigere Qualität Metaphase Zellen auf niedrige Strahlendosis (vor allem &#60; 1 Gy) sind anfälliger für falsch positive DC-Detektion. Niedrigdosierte Proben wurden deshalb nicht berücksichtigt, Erstellung der Eichkurve für die Abschätzung der Dosis von HC-Proben verwendet. Wenn eine Kurve mit niedrig dosiertem Proben gewünscht wird, ein niedriger Wert der SVM Sigma reduziert falsche positive zählt in niedriger Dosis Proben jedoch unter Umständen niedriger DC-Renditen in hoher Dosis Proben. Abbildung 8 vergleicht die HC-Kurve zur Abschätzung der Dosis (Sigma = 1,5) mit einer Kalibrationskurve fit mit zusätzlichen niedrigdosierte Proben bei niedrigeren SVM Sigma Wert (1.0). In Proben mit unzureichenden Anzahl von Metaphase Zellen und/oder schlechter Qualität Metaphase Bilder kann es nicht genau abzuschätzen biologischen Expositionen bei niedrigen Dosis, was zu Abweichungen vom physischen Dosis von mehr als 0,5 Gy möglich.
Die Software kann nicht genau Strahlungsarten beurteilen, ob ihre Dosis-Wirkungs-Kurven am besten eine lineare oder in der Nähe von linearen Modell passen. Bisher hat es nur mit X- und Gamma-Strahlen ausgesetzt, Proben getestet. Wenn eine andere Strahlungsquelle untersucht wird, müssen Benutzer sicherstellen, dass Kalibrierung und Prüfung Proben die gleiche Art von Strahlung ausgesetzt sind. Die Software nutzt die maximum-Likelihood oder kleinsten Quadrate passend um zu eine Dosis-Wirkungs-Kurve mit einem linear-quadratisch-Modell zu konstruieren. Derzeit gibt es keine Option, um eine streng lineare Kurvenanpassung, verhängen für hochenergetische Teilchen Aufnahmen geeignet, aber solche Funktionalität werden in der Zukunft.
Zukünftige Entwicklung
Unsere Bemühungen konzentrieren sich auf Verbesserung Bild Auswahl Modelle und genaue Dosierung Messung, insbesondere der Proben niedrige Strahlendosen ausgesetzt. Nachfolgende Software-Versionen bieten Standard-Fehler-Messungen auf Dosis Schätzungen und Konfidenzintervalle auf Kalibrierkurven. Darüber hinaus ist eine High-Performance-computing-Version der Software für den Supercomputer Blue Gene (BG/Q, IBM) in der Entwicklung für die zeitnahe Auswertung von Individuen in einem Masse Schaden/Unfall-Strahlung ausgesetzt. Einige Komponenten der Software wurden bereits getestet und auf dieser Plattform bereitgestelltLass = "Xref" > 11.

Strahlung Biodosimetry nutzt biologische Marker, meist Chromosomenaberrationen wie dizentrische Chromosomen (DCs) und Chromosom Translokation Strahlendosen zu messen, denen Individuen ausgesetzt sind. Eine biologisch Energiedosis kann aus der physischen Dosis gemessen an Instrumenten aufgrund der Variabilität zwischen den Individuen unterscheiden. In ähnlicher Weise produzieren Strahlung einer bestimmten körperlichen Dosis unterschiedlicher biologische Belichtung durch physiologische oder ökologischen Rahmenbedingungen. Kenntnis der biologischen Dosis ist von besonderer Bedeutung für die Diagnose und Behandlung.
Die DC-Assay ist der Goldstandard der World Health Organisation (WHO) und der International Atomic Energy Agency (IAEA) für die Beurteilung der biologischen Strahlenbelastung bei Menschen. Es war der erste Test von der IAEO und die Strahlung Dosis Bewertung empfohlen. DC Frequenz ist für ca. 4 Wochen nach Strahlung Belichtung1 relativ stabil und deren quantitative Korrelation mit emittierte Strahlungsdosis ist genau, was DCs die ideale Biomarker. Die Beziehung zwischen Strahlendosis (verwiesen in Gray [Gy] Einheiten) und DC Frequenz (als Anzahl der DCs pro Zelle referenziert) kann als linear-quadratische Funktion ausgedrückt werden.
Die zytogenetische DC-Assay ist der Industriestandard für ca. 55 Jahren2gewesen. Es ist manuell, 1-2 Tagen Mikroskop Datenanalyse aus einer einzigen Blutprobe durchgeführt worden. Mehrere hundert bis mehrere tausend Bilder sind erforderlich, um die Strahlenbelastung abhängig von der Dosis3genau zu schätzen. Bei Dosen von mehr als 1 Gy empfiehlt IAEO ein Minimum von 100 DCs erkannt werden. Prüfung von 250-500 Metaphase Bildern ist gängige Praxis in Biodosimetry zytogenetischen Labors. Für Proben mit Belichtungszeiten &#60; 1 Gy, 3.000-5.000 Bilder sind durch die geringeren Wahrscheinlichkeiten der DC Bildung vorgeschlagen. In jedem Fall ist es eine Arbeits-intensive Aufgabe.
Zytogenetische Biodosimetry Labors erstellen ihre eigenen in-vitro- Strahlung Biodosimetry Kalibrierkurven vor Bewertung biologische Dosen in Proben. Blutproben von normalen, Kontrolle Individuen sind Strahlung ausgesetzt und Lymphozyten sind dann kultiviert und Chromosomenanalyse Metaphase vorbereitet. Diese Stichproben werden biologische Dosen erhalten auf die bekannten physikalischen Dosen von einer standard Strahlungsquelle ausgesandte kalibriert. Nachdem Metaphase Zelle Bilder aufgezeichnet werden, Experten untersuchen Bilder, zählen DCs und DC Frequenzen für jede Probe zu berechnen. Eine Eichkurve wird durch den Einbau einer linear-quadratische Kurve auf der DC-Frequenzen bei allen Dosen gebaut. Dann können Belichtungen in Probe von Einzelpersonen durch den Abgleich der DC-Frequenzen auf die kalibrierten Dosen auf der Kurve oder indem man sie in den entsprechenden linearen quadratische Formel ableiten.
Wir haben sowohl die Erkennung der DCs automatisiert und Dosis Entschlossenheit, dieses Verfahren mit Software zu beschleunigen. Automatisierte dizentrische Chromosom Bezeichner und Dosis Schätzer (ADCI) Machine Learning-basierte Bildverarbeitung Techniken zu erkennen und zu unterscheiden dizentrische Chromosomen (DCs) von monozentrischen Chromosomen (MCs) und andere Objekte verwendet und automatisiert die Strahlung Abschätzung der Dosis. Die Software soll deutlich verringern oder beseitigen die Notwendigkeit für die manuelle Überprüfung der DC zählt und Abschätzung der Dosis durch Automatisierung zu beschleunigen. Es wurde unter Einbeziehung der Biodosimetry Referenzlaboratorien zur Gesundheit Kanada (HC) und kanadische Nuclear Laboratories (CNL) entwickelt. Ihr Feedback wird sichergestellt, dass die Leistung weiterhin IAEO Kriterien für diesen Test.
Die Software führt die folgenden Funktionen: (1) Filter DCs Auswahl optimaler Metaphase Zelle Bilder zur Analyse, Chromosom 2) Anerkennung, Erkennung von DC und DC Frequenz Entschlossenheit und (3) Abschätzung der Strahlendosis von Dosis-kalibriert, zytogenetische Strahlungsdaten. Diese Software verarbeitet Gruppen von Metaphase-Bilder aus der gleichen einzelnen (bezeichnet eine Probe), zählt die Anzahl der DCs in jedes Bild, Verarbeitungstechniken und kehrt die geschätzte Strahlendosis von jeder Probe in Einheiten von grau (Gy) empfangen.
Die Software wurde entwickelt, um eine Reihe von Chromosom Strukturen, Grafen und dichten zu behandeln. Allerdings führt der Algorithmus optimal in Metaphase-Bilder, die in der Nähe von vollständige Ergänzung gut getrennt, linearen Chromosomen4enthalten. Bilder mit stark überlappende Sätze von Chromosomen, mehrere Zellen, unvollständige Metaphase Zellen, Schwester Chromatids Trennung, Kerne, nicht-chromosomalen Objekte und andere Defekte können die Genauigkeit des Algorithmus zu reduzieren. Bild-Auswahl-Modelle und andere Objekt-Segmentierung, die die Mehrheit der suboptimalen Bildern und falsche positive DCs Schwellenwerte ausfiltern können gewidmet.
Dizentrische Chromosom-Erkennung wird durchgeführt, wenn ein Bild verarbeitet wird. Der Algorithmus versucht zu ermitteln, welche Objekte in einem Bild Chromosomen sind und dann die beiden Regionen am ehesten Zentromere auf jedem Chromosom lokalisiert. Dann eine Reihe von verschiedenen Support Vector Machine (SVM) Lernmodelle Chromosomen als DCs oder Normal, monozentrische Chromosomen unterscheiden. Die SVM-Modelle unterscheiden sich in der Sensitivität und Spezifität der DC-Erkennung (siehe Schritt 3.1.4 unten), die kann die DC-Frequenzen beeinflussen, die in einer Probe bestimmt werden.
ADCI verarbeitet Sätze von Giemsa - (oder DAPI-) gebeizt Metaphase Digitalbilder (im TIFF- oder JPG-Format) für eine oder mehrere Proben. Die Software analysiert DCs Kalibrierung Proben und Proben. Die physische Dosen (Gy) Kalibrierung Proben sind bekannt und werden bei der Erzeugung von einer Kalibrationskurve verwendet. Die physikalischen und biologischen Dosen von Individuen mit unbekannten Aufnahmen werden von der Software aus der maschinengenerierte Eichkurve abgeleitet. Obwohl Labors vergleichbare Techniken verwenden, variieren die Kalibrierkurven aus verschiedenen Labors häufig3. Für genaue Dosierung Schätzung in Proben sollten beide Kalibrierung Kurve und Test-Proben aus dem gleichen Labor verarbeitet werden.
Diese Software bietet Geschwindigkeit, Genauigkeit und Skalierbarkeit welche Adressen die Produktivität erforderlich, um ein Ereignis zu behandeln, in denen viele Menschen gleichzeitig getestet werden müssen. Es wurde entwickelt von 2008-20174,5,6,7,8,9,10,11,12 ,13. Aktuelle Computer-Hardware, diesem Desktop-VerwendungPC-Software verarbeiten kann und Schätzung Strahlendosis in einer Patientenprobe 500 Metaphase Genom äquivalenten 10-20 min 4. Der Code basiert auf einer Reihe von proprietären Bild Segmentierung und Machine learning-Algorithmen zur Chromosomenanalyse. Expertenanalyse jedes Chromosoms 3 Gy Strahlung ausgesetzt hat vergleichbare Genauigkeiten ADCI. In einem Satz von 6 Proben von unbekannten Aufnahmen (früher in eine internationale Kompetenz-Übung) schätzt die Software Dosen innerhalb 0,5 Gy der Werte durch die manuelle Überprüfung der gleichen Daten von HC und CNL, Erfüllung der IAEO Anforderungen für triage Biodosimetry. Darüber hinaus schätzt laborübergreifenden Standardisierung und Reproduzierbarkeit der Dosis profitieren von einer einen gemeinsamen, automatisierten DC scoring-Algorithmus. Dennoch erlaubt die Software Anpassung des Bildes filtern und Auswahlkriterien, damit Unterschiede im Chromosom Zubereitungsmethoden und Strahlungsquellen Kalibrierung berücksichtigt werden.
Diese Software ist eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) - basiertes System die Sätze von Chromosom Bilder mit Giemsa (oder DAPI) analysiert - gebeizt Metaphase Zellen für Anomalien, die durch Belastung durch ionisierende Strahlung entstehen. Die Bildersets sind digital fotografiert, mit einem Licht (oder Epifluorescent) Mikroskop-System und jeder Satz entspricht ein anderes Sample. Die Software nutzt Bildverarbeitungs-Techniken zur Erkennung und DCs von MCs und anderen Objekten zu unterscheiden. Empirisch abgeleitete Segmentierung Filter beseitigen dann automatisch falsche positive DCs ohne wahre DCs. Schließlich filtert die Software automatisch unerwünschte Bilder basierend auf verschiedenen Bildeigenschaften schlechter Qualität Metaphase Bilder mit vorausberechnete (oder benutzerdefinierte) Bild Auswahl Modelle gefunden. Diese Bilder sind diejenigen, die übermäßige oder unzureichende Zahl von "laut" Objekten, mehrere überlappende Chromosomen, Bilder fehlen Metaphase Chromosomen, übermäßige Anzahl von Schwester Chromatiden4. Die automatisch kuratierte Bilddaten werden verwendet, um die Dosis Kalibrierkurve aus Proben von bekannten Strahlendosis zu generieren und werden verwendet, um Aufnahmen der Proben unbekannter Dosen ausgesetzt zu schätzen.
Ausgabe der Software angezeigt und gespeichert werden kann: (1) Text-basierte Ausgabe in der Konsole angezeigt (2) Grundstücke, die als Bilder und Berichte (3) im HTML-Format gespeichert werden können. Viele Aspekte der Software sind an die spezifischen Bedürfnisse der verschiedenen Labors angepasst. Einzelnen Labors bieten in der Regel, Kalibrierung und Prüfung Proben vorbereitet und sammelte beruht auf dem zytogenetische Protokoll, die in diesem Labor überprüft. Dadurch behält Gleichförmigkeit der Probenvorbereitung und Kalibrierungskurven generiert aus Kalibrierung Proben sinnvoll angewendet werden, um zu testen, Proben mit dem gleichen Protokoll abgeleitet. Kalibrierkurven können auch aus Kurve Koeffizienten oder DC-Frequenzen bei definierten Dosen erstellt werden. Die genaueste Dosierung Schätzungen ergeben sich durch das Herausfiltern von niedriger Qualitätsbilder und falsche positive DCs (FPs). Auswahl der optimalen Bild Teilmengen innerhalb jeder Probe erfolgt mit "Bild Auswahl Modelle", die unterdurchschnittlich Bilder zu beseitigen, die tendenziell FPs einzuführen. Eine Reihe von Pre-validierte Modelle sind im Lieferumfang der Software, aber zusätzliche Modelle mit angepassten Schwellenwerte und Filter können erstellt und gespeichert, durch den Benutzer.
Nachdem die Software erfolgreich geladen wurde, wird die zentrale grafische Benutzeroberfläche (GUI) dargestellt (siehe Abbildung 1). Von dieser Schnittstelle, Proben, jeweils bestehend aus einem Ordner der Metaphase-Zelle-Image-Dateien, kann ausgewählt und verarbeitet, um DCs zu identifizieren, Eichkurven erstellt und miteinander verglichen werden können und Exposition Strahlendosis von Proben ermittelt werden kann.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56245/56245fig1.jpg"> 
Abbildung 1: Der Hauptsektoren des grafischen User Interface enthalten: eine Liste von Proben (1), eine Liste der Kalibrierung Kurven (2), der Prozess in die Warteschlange (3), die den Status des DC-Erkennung in jedem Satz von Bildern von jeder Probe ein Grundstück überwacht zeigen Sie (4), die statistische oder anderen quantitativen Eigenschaften aus einer Reihe von Bildern in Proben oder Kalibrierkurven und eine Konsole (5) die beschreibenden Text als Ausgänge der einzelnen Arbeitsgänge durchgeführt durch das Programm enthält zusammenfasst an. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56245/56245fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>

<table><tbody><tr><td>Automated Dicentric Chromosome Identifier and Dose Estimator (ADCI)</td><td>Die CytoGnomix</td><td>NA</td><td>ADCI-Software wird in einer binären Installationspaketdatei für Microsoft Windows 7, 8, 8.1 und 10 veröffentlicht. Für eine typische Installation sind 235 MB Festplattenspeicher erforderlich. Die Software wurde mit Intel- oder AMD-x86-64-Prozessoren getestet. Empfohlen wird mindestens 1 GB RAM. Die Analysen wurden auf einem Computer durchgeführt, der mit einem Intel I7-Prozessor und 16 GB RAM konfiguriert war. Für den Betrieb von ADCI ist eine aktive Lizenz und ein USB-basierter Hardware-Dongle erforderlich, der während der Ausführung der Software eingesteckt bleiben muss. Der Dongle codiert das Ablaufdatum der Software. Bei jedem Start der Software wird dieses Datum ausgelesen. Die Software erlaubt den Zugriff auf das Programm, wenn das aktuelle Datum und die aktuelle Uhrzeit vor dem Ablauf-Zeit-Datum-Stempel liegen. Die Verlängerung einer abgelaufenen Softwarelizenz kann durch den Erwerb eines neuen Dongles oder durch die Erneuerung der Lizenz mit einem aktualisierten Schlüssel beim Start erreicht werden.</td></tr><tr><td>Digitale Bilder von Metaphase-Zellkernen</td><td>Beispiele: Metasystems, Leica Microsystems</td><td>M-Search (Metasystems), Cytovision (Leica) Software</td><td>Hochauflösendes TIFF-Format; in der Regel >250 digitale Bilder, die mit einem Mikroskop-Bildgebungserfassungssystem erstellt wurden (Objektiv mit mindestens 63-facher Vergrößerung, Okular mit 10-facher Vergrößerung).</td></tr><tr><td>MSI Leopard Pro (empfohlen, optional)</td><td>Micro-Star International</td><td>MSI GP62 6QF 480CA Leopard Pro</td><td>Performance-Workstation mit mehreren Kernen.</td></tr></tbody></table>

beschleunigten strahlung biodosimetry automatisiert durch dizentrische chromosom identifikation (adci) und abschätzung der dosis

Expedited Radiation Biodosimetry by Automated Dicentric Chromosome Identification (ADCI) and Dose Estimation

Biologische Strahlendosis kann aus dizentrische Chromosom Frequenzen in Metaphase Zellen abgeschätzt werden. Diese zytogenetische dizentrische Chromosom-Assays ist traditionell ein manueller, arbeitsintensiver Prozess nicht gut geeignet, um das Volumen der Proben zu behandeln, die Prüfung im Zuge einer mass Casualty Veranstaltung benötigen. Automatisierter dizentrische Chromosom Bezeichner und Dosis Schätzer (ADCI) Software automatisiert diesen Prozess, indem Sie Sätze von Metaphase Bilder mit Machine Learning-basierte Bildverarbeitungstechniken untersuchen. Die Software wählt geeignete Bilder zur Analyse durch ungeeignete Bilder entfernen stuft jedes Objekt als ein Zentromer-haltigen Chromosom oder nicht-Chromosom, weiter zeichnet Chromosomen als monozentrische Chromosomen (MCs) oder dizentrische Chromosomen (DCs), DC Frequenz innerhalb einer Probe bestimmt, und schätzt biologische Strahlendosis Probenfrequenz DC mit Kalibrierkurven berechnet mit Kalibrierung Proben verglichen. Dieses Protokoll beschreibt die Verwendung des ADCI Software. In der Regel sind Kalibrierung (bekannte Dosis) und Prüfgeräte (unbekannte Dosis) der Metaphase Bilder importiert, um die genaue Dosierung Schätzung durchführen. Optimale Bilder für die Analyse automatisch mit voreingestellten Bildfilter gefunden werden können oder auch durch manuelle Inspektion gefiltert werden können. Die Software verarbeitet Bilder innerhalb jeder Probe und DC Frequenzen werden auf verschiedenen Ebenen der Stringenz für den Aufruf von DCs, mit einem Machine learning-Ansatz berechnet. Linear-quadratische Kalibrierkurven werden generiert basierend auf DC-Frequenzen in Kalibrierung Proben bekannten physikalischen Dosen ausgesetzt. Dosen von Prüfmustern unsicher Strahlenbelastung ausgesetzt sind von ihrer DC-Frequenzen verwenden diese Kalibrierkurven geschätzt. Berichte können auf Anfrage erstellt werden und Zusammenfassung der Ergebnisse von einem oder mehreren Proben, von einem oder mehreren Kalibrierkurven oder der Dosis Schätzung liefern.

Die zytogenetische dizentrische Chromosom (DC)-Assay quantifiziert Exposition gegenüber ionisierender Strahlung. Die automatisierte dizentrische Chromosom Bezeichner und Dosis Estimator Software schätzt genau und schnell biologische Dosis von DCs in Metaphase Zellen. Es unterscheidet monozentrischen Chromosomen und andere Objekte von DCs, und schätzt biologische Strahlungsdosis von der Frequenz des DCs.

Beschleunigten Strahlung Biodosimetry automatisiert durch dizentrische Chromosom Identifikation (ADCI) und Abschätzung der Dosis

Biological radiation dose can be estimated from dicentric chromosome frequencies in metaphase cells. Performing these cytogenetic dicentric chromosome ...

Das übergeordnete Ziel dieses softwarebasierten Protokolls ist es, mithilfe von bildverarbeitenden Verfahren auf Basis maschinellen Lernens die gesamte biologische Strahlendosis des Körpers präzise und schnell anhand von Zentrikenchromosomen in automatisch gefilterten Metaphase-Zellbildern zu schätzen. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen zur Reaktion auf ein Ereignis mit massiver Strahlenexposition zu beantworten. Eine zeitnahe Untersuchung einer großen Anzahl von Proben wird notwendig sein, um die Strahlendosis zu bestimmen.Der Hauptvorteil dieser Software liegt in der Automatisierung der Bildfilterung, der Erstellung von Kalibrierkurven, der Detektion von Dizentrik-Chromosomen und der Schätzung der Strahlendosis. Dies sind traditionell zeitaufwändige und arbeitsintensive Aufgaben. Obwohl diese Methode Einblicke in die zytogenetische Biodosimetrie von Strahlung ermöglicht, könnte sie auch dazu verwendet werden, die besten chromosomalen Bilder für die diagnostische Analyse erblicher und erworbener genetischer Erkrankungen auszuwählen.Die Idee zu dieser Methode entstand zunächst, als wir damit begannen, Verfahren zur Chromosomenbildanalyse zur automatischen Auswertung der Fluoreszenz in zwei Hybridisierungsbildern zu entwickeln. Kollegen hatten darauf hingewiesen, dass die derzeitige Kapazität zur Untersuchung mehrerer exponierter Individuen ebenfalls sehr begrenzt war. Öffnen Sie die Software und erstellen Sie über das Menü eine neue Probe.Wählen Sie dann den Ordner mit den zu analysierenden Metaphase-Bildern aus. Geben Sie in der Eingabeaufforderung eine eindeutige Kennung an, um die Probe zu identifizieren. Es dürfen nur alphanumerische Zeichen, Unterstriche und Bindestriche verwendet werden.Gegebenenfalls anschließend eine Beschreibung der Probe hinzufügen. Diesen Vorgang wiederholen, um weitere Bildserien von Proben hinzuzufügen. Für die Analyse sind mindestens drei Kalibrationsprobensätze erforderlich, jedoch sollten sieben oder mehr für gute Ergebnisse verwendet werden.Sie sollten sich von null bis fünf Gray Strahlenexposition erstrecken. Nachdem alle Proben geladen wurden, markieren Sie diese in der Probenliste und fügen Sie sie der Warteschlange hinzu. Anschließend werden alle Proben verarbeitet, um verschiedene Eigenschaften in jedem Bild zu identifizieren.Der Bearbeitungsfortschritt wird angezeigt. Sobald die Verarbeitung abgeschlossen ist, klicken Sie auf das grüne Häkchen und speichern Sie die verarbeiteten Proben als Probendateien. Bevor Sie fortfahren, sollten Sie die verarbeiteten Bilder im Metaphase-Bildbetrachter anzeigen lassen.Markieren Sie Proben aus der Liste und öffnen Sie die Ansicht. Navigieren Sie dann durch die Bilder. Innerhalb der Bildansicht können Filter angewendet werden.Mehrere Bildauswahlmodelle sind zusammen mit der Software bereitgestellt. Die Filterung wird die während der Verarbeitung identifizierten Eigenschaften prüfen. Bei Bedarf kann ein angepasstes Modell von Grund auf neu erstellt und für die wiederholte Verwendung gespeichert werden.Wenn der im nächsten Abschnitt beschriebene Kurvenkalibrations-Assistent verwendet wird, wird das Modell während dieses Schritts angewendet. Verwenden Sie den Kurvenkalibrations-Assistenten, um Prozessprobendateien zu analysieren. Für eine gute Kurvenanpassung sollten mindestens sieben Kalibrierproben von null bis fünf Graustufen enthalten sein.Markieren Sie auf der ersten Seite des Assistenten-Makros jede gewünschte Kalibrierprobe mit einem Häkchen. Geben Sie für jede Kalibrierprobe die Strahlendosis im benachbarten Textfeld an. Wählen Sie auf der nächsten Seite ein voreingestelltes Bildauswahlmodell aus.Wählen Sie auf der nächsten Seite einen SVM-Sigma-Wert aus dem Dropdown-Menü aus. Für Dosisabschätzungen über ein Gray wird ein Wert von 1,4 oder 1,5 empfohlen. Andernfalls verwenden Sie einen Wert von 1,0.Auf der letzten Seite überprüfen Sie alle ausgewählten Optionen. Wenn diese korrekt erscheinen, beenden Sie den Auswahlvorgang. Nun erscheint ein vorab ausgefülltes Dialogfenster zum Erstellen einer Kurve.Geben Sie im Textfeld eine eindeutige Bezeichnung für die Kurve an und drücken Sie anschließend auf „Validate data“, um sicherzustellen, dass der Inhalt der Antwort-Dosis-Liste korrekt formatiert ist. Überprüfen Sie, ob alle Felder in der Antwort-Dosis-Liste grün hervorgehoben sind, was gültige Daten anzeigt. Senden Sie anschließend die Daten zur Analyse mit dem OK-Button und folgen Sie den Anweisungen, um die Ergebnisse zu speichern.Um die Dosisabschätzung durchzuführen, starten Sie das Assistenten-Makro, das im Menü Dosisabschätzung verfügbar ist. Wählen Sie zunächst eine zuvor erstellte Kalibrierungskurve aus dem Dropdown-Feld aus. Ihre Eigenschaften werden unten angezeigt.Auf der nächsten Seite schalten Sie die Testproben mit unbekannter Exposition, um sie in die Dosisabschätzung einzubeziehen. Überprüfen Sie auf der nächsten Seite die Beschreibung und Eigenschaften des Bildauswahlmodells, das während der Erstellung der Kalibrationskurve angewendet wurde. Jede Probe sollte mit demselben Modell analysiert werden.Bei der Abschätzung der Dosis einer Probe, die einer unbekannten Strahlungsmenge ausgesetzt war, empfehlen wir dringend, dass dasselbe Bildauswahlmodell auf diese Daten angewendet wird, das dem Modell entspricht, das bei der Erstellung der Dosis-Kalibrierungskurve verwendet wurde. Auf der nächsten Seite muss sichergestellt werden, dass derselbe SVM-Sigma-Wert, der bei der Kalibrierungskurven-Erstellung verwendet wurde, die Felder füllt. Nehmen Sie gegebenenfalls Korrekturen vor.Auf der letzten Seite überprüfen Sie alle ausgewählten Optionen. Wenn diese korrekt erscheinen, schließen Sie den Auswahlvorgang ab und klicken Sie im vorausgefüllten Dialog des Dosisrechners auf „OK“, um die Dosisabschätzung durchzuführen. Die Ergebnisse der Dosisabschätzung werden in der Konsole im Tabellenformat für jede Testprobe in Gray angezeigt.Begleitend zu den Tabellendaten werden Diagramme der im Diagrammbereich dargestellten Daten angezeigt. Nach der Eingabe einer Probe, der Erstellung Ihrer Kalibrierkurve oder der Abschätzung einer Dosis empfiehlt es sich, einen Proben-, Kurven- oder Dosisbericht zu erstellen, um eine vollständige Aufzeichnung Ihrer Analyse zu gewährleisten. Erstellen Sie nun einen Bericht zur Dosisabschätzung.Wenn dazu aufgefordert, geben Sie einen Namen für den Bericht an oder verwenden Sie die Durchsuchen-Option, um einen vorhandenen Berichtsordner zu bearbeiten. Audit-Funktionen, Probleme bezüglich der Integrität der Protokolldateien und statistische Optionen werden im Textprotokoll erläutert. Die Software wurde mit zytogenetischen Bildproben getestet, die ionisierender Strahlung ausgesetzt waren und von den Biodosimetrielabors von Health Canada und den Canadian Nuclear Laboratories stammten.Diese Proben wurden von Experten in beiden Laboren manuell erstellt und analysiert. Die Software verwendete automatisierte Bildauswahlfilter auf den Proben, um eine Vielzahl unbrauchbarer Bilder auszuschließen. Im vorliegenden Beispiel wurden für jede Probe automatisch die besten 250 Bilder ausgewählt.C wurde ausgeschlossen, da es zu viele überlappende Chromosomen enthielt, und D weist eine übermäßige Anzahl getrennter Schwesterchromatiden auf. Die Software könnte einige Objekte fälschlicherweise als zentrische Chromosomen kennzeichnen, wie zum Beispiel Objekt zwei. Dies erhöht die Zählung zentrischer Chromosomen in Proben. Filter für falsch positive Ausschlüsse eliminieren diese Objekte aus den Berechnungen der Zentromerenhäufigkeit. Nach der Filterung folgen die Vorkommnisse von zentrischen Chromosomen in einer Zellpopulation aus einer bestrahlten Probe einer Poisson-Verteilung, im Vergleich zum nicht gefilterten Datensatz. Chi-Quadrat-Anpassungstests zeigten, dass die Ergebnisse der gefilterten Daten wesentlich zuverlässiger sind.Schließlich lagen die automatisierten Messungen bis auf wenige Ausnahmen innerhalb von 0,3 Grauwerten der manuell ermittelten Dosen. Eine Probe, die eine schlechte Anpassungsgüte an die Poisson-Verteilung aufwies, war nicht genau. Dies war eine Probe von geringerer Qualität.Es enthielt zu viele Bilder mit falsch klassifizierten zentrischen Chromosomen, die aus der Schwesterchromatidtrennung resultierten. Die Ergebnisse der automatisierten Analyse lagen jedoch innerhalb der vom IAEA festgelegten Triage-Grenzwerte. Nachdem Sie dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie die Software verwenden, um mithilfe von Bildauswahlmodellen automatisch optimale Bilder auszuwählen, Kalibrierkurven zu erstellen, die automatisierte Detektion zentrischer Chromosomen bei der Strahlendosisabschätzung durchzuführen und Berichte zu erstellen.Wenn die Technik einmal beherrscht ist, kann die Dosisabschätzung einer Probe, die 500 Metaphase-Bilder enthält, innerhalb von 10 bis 20 Minuten anhand eines vorhandenen Satzes von Metaphase-Zellbildern erfolgen. Es ist wichtig, die automatisierten Funktionen der Software vollständig zu nutzen. Die manuelle Auswahl von Bildern ist möglich.Jedoch verringert dies die Effizienz und ist möglicherweise nicht so reproduzierbar wie automatisierte Verfahren. Diese Technik wird es Forschern auf dem Gebiet der Biodosimetrie ermöglichen, neue Fragestellungen in der Strahlenforschung im Zusammenhang mit Populationsstudien zu untersuchen, die in der Vergangenheit praktisch nicht durchführbar waren.

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Research

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JoVE Journal

Genetics

Genetik

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Charakterisierung der Rekombination Effekte in einer Flüssigkeit Ionisationskammer Wird für die Dosimetrie eines radiochirurgische Accelerator

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Im vorliegenden Protokoll demonstrieren wir, wie die DNA-Doppelstrang-Endsektion während der S/G2-Phase des Zellzyklus mit einer immunfluoreszenzbasierten Methode visualisiert werden kann.

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Arbeitsablauf für automatisierte digitale periphere Blut- und Knochenmarkzytomorphologie unter Berücksichtigung kritischer zellulärer Fehlklassifikationen

Erfahren Sie die automatisierte Strahlungsbiodosimetrie mit maschinellem Lernen zur schnellen Dosisabschätzung aus dizentrischen Chromosomen in Metaphasezellen. Diese Software reduziert Analysezeiten erheblich.

Beschleunigten Strahlung Biodosimetry automatisiert durch dizentrische Chromosom Identifikation (ADCI) und Abschätzung der Dosis (Video) | JoVE Journal

Beschleunigten Strahlung Biodosimetry automatisiert durch dizentrische Chromosom Identifikation (ADCI) und Abschätzung der Dosis

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