רישום משותף רב-מודאלי חוצה מכשירים וללא סמנים של שיטות הדמיה פרה-קלינית
27 באוקטובר 2023
השילוב של שיטות הדמיה מרובות נחוץ לעתים קרובות כדי להשיג הבנה מקיפה של פתופיזיולוגיה. גישה זו משתמשת בפנטום כדי ליצור טרנספורמציה דיפרנציאלית בין מערכות הקואורדינטות של שני אופנים, אשר מוחלת לאחר מכן לרישום משותף. שיטה זו מבטלת את הצורך fiducials בסריקות הייצור.
אנו מפתחים כלי תוכנה לדימות פרה-קליני, כולל שחזור תמונה, איחוי, סגמנטציה וכימות. התוכנה שלנו אמורה להיות ידידותית למשתמש, יעילה ותואמת לכל מכשיר הדמיה של בעלי חיים קטנים כדי לאפשר ניתוח כמותי ניתן לשחזור של נתוני התמונה הרב-מודאליים שנרכשו. אוטומציה היא נושא חשוב בתחום שלנו מכיוון שניתוח ידני הוא לעתים קרובות גוזל זמן רב מדי, נוטה לשגיאות וכמעט שאינו ניתן לשחזור.
אוטומציה מבוססת תוכנה יכולה להפוך את הניתוח ליעיל וניתן לשחזור, אך האתגר הוא להפוך את האוטומציה לחזקה מספיק. מכשירי הדמיה של בעלי חיים קטנים מספקים נתוני תמונה נפחית של עכברי מעבדה מורדמים וחולדות, ומאפשרים הערכה לא פולשנית של שינויים פתולוגיים ופיזיולוגיים. התקנים רב-מודאליים משולבים משלבים את החוזקות של שיטות מרובות, כגון Micro-CT ו- PET.
ניתן גם לשלב שני מכשירים נפרדים. פיתחנו תוכנה למיזוג אוטומטי של שיטות מיוחדות, כגון Micro-CT ו- FMT. סיפקנו גם תוכנה יעילה למיזוג תמונות אינטראקטיבי, והגדרנו פורמט קובץ חדש לאחסון נתוני התמונה, תוך התחשבות בהיבטים של אוצרות נתונים.
בשנה שעברה פרסמנו גישה לגידור נשימתי רטרוספקטיבי תחת הגדרות תפוקה גבוהה. הפרוטוקול שלנו שוכן במטריצת טרנספורמציה, אשר נוצרת באמצעות שלב כיול הכולל מבנים גלויים כגון סמנים פידוקיאליים. לאחר מכן, מיזוג התמונה יכול להיות אוטומטי באמצעות מטריצת טרנספורמציה זו, אשר מבטלת את הצורך בסמנים.
סקירה כללית
מחקר זה מציג כלי תוכנה שתוכננו עבור דימות פרה-קליני, תוך התמקדות באוטומציה של ניתוח דימות רב-מודאלי. הכלים משפרים את היעילות והשחזוריות בניתוח נתוני דימות נפחיים ממכשירי דימות של בעלי חיים קטנים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מדעי המוח
- טכניקות דימות
- פיתוח תוכנה
רקע
- דימות פרה-קליני חיוני להבנת שינויים פיזיולוגיים ופתולוגיים.
- ניתוח ידני של נתוני דימוי הוא לרוב גוזל זמן ונוטה לטעויות.
- אוטומציה יכולה לשפר את היעילות ואת השחזוריות של ניתוח תמונות.
- מכשירים רב-מודאליים משולבים משלבים את היתרונות של שיטות דימות שונות.
מטרת המחקר
- פיתוח תוכנה ידידותית למשתמש למיזוג וניתוח אוטומטי של תמונות.
- ביטול הצורך בסימנים ייחוס (fiducials) ברישום תמונות.
- מתן אפשרות לניתוח כמותי הדיר של נתוני דימות רב-מודאלי.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- פיתוח כלי תוכנה למיזוג, סגמנטציה וכימות של נתוני דימות.
- אוטומציה של מיזוג תמונות באמצעות מטריצות טרנספורמציה שנגזרו משלבי כיול.
- שילוב נתוני דימות ממכשירים כגון micro CT ו-PET.
- הטמעה של ממשקים ידידותיים למשתמש לטעינה וניתוח של תמונות.
תוצאות עיקריות
- הושגה בהצלחה מיזוג אוטומטי של מודליות דימות ללא סימני ייחוס.
- כלי תוכנה הדגימו יעילות בטיפול בנתונים נפחיים מבעלי חיים קטנים.
- הוגדרו פורמטים חדשים של קבצים לצורך אוצרות ואחסון נתונים טובים יותר.
- בוצע תיקוף להגדרות של סנכרון נשימתי רטרוספקטיבי וקיבולת עיבוד גבוהה.
מסקנות
- התוכנה שפותחה משפרת את הניתוח של נתוני דימות רב-מודאלי.
- אוטומציה מפחיתה באופן משמעותי את הזמן ואת השגיאות הקשורים לניתוח ידני.
- גישה זו יכולה לסייע בהערכות מדויקות יותר במחקר פרה-קליני.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
רישום משותף (co-registration) חסון וללא סמנים של מודליות דימות פרה-קליניות פותר צוואר בקבוק קריטי במחקר תרגומי, על ידי מתן אפשרות לאינטגרציה כמותית וניתנת לשחזור של מערכי נתונים רב-מודאליים. יכולת זו מגבירה את הביטחון החזוי במודלים של מחלות ותומכת בתיקוף יעדים ואבטחת מכניזם (mechanistic de-risking) אמינים יותר לאורך שרשרת הגילוי. תהליכי עבודה יעילים ומוכנים לאוטומציה מפחיתים שונות ידנית ומקלים על ביצוע מחקרי דימות רחבי-היקף בין אתרים שונים עבור פורטפולי מו"פ ארגוניים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר הערכה כמותית ולא פולשנית של שינויים ביולוגיים במודלים של חיות מעבדה קטנות.
- תומך בתיקוף של מטרות תפקודיות באמצעות שילוב של נתוני דימות אנטומיים ומולקולריים.
- מפחית עמימות מכניסטית באמצעות קורלציה מרחבית מדויקת של אותים רב-מודליים.
- מסייע במיון תיקי פיתוח (portfolio triage) על ידי שיפור הערך הניבוי של ממצאים פרה-קליניים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מכין מערכי נתוני דימות מאושרים לצורך ניתוח כמותי ותהליכי סריקה בהמשך השלבי העבודה.
- מבצע סטנדרטיזציה של מיזוג תמונות (image fusion) ורישום משותף (co-registration), ובכך משפר את השחזוריות בין מחקרים שונים.
- מאפשר תהליכי עבודה ניתנים להרחבה ותואמים לאוטומציה עבור בדיקות דימות בתפוקה גבוהה.
- תומך בהערכה מהימנה של השפעות תרכובות במודלים הרלוונטיים למחלה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מסנכרנת פלטי דימות עם אסטרטגיות של סמנים ביולוגיים תרגומיים באמצעות שילוב של נתונים פונקציונליים ומבניים.
- מבטיח רציפות משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני באמצעות תמיכה באינטגרציה של נתונים ממספר מודליות (cross-modality).
- מפחית סיכונים בקבלת החלטות לגבי קידום השלב הבא באמצעות אספקת נקודות קצה של דימות כמותיות ואמינות.
- משפר את אפיון מודל המחלה לצורך רלוונטיות תרגומית.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד (Pipeline)
תהליך עבודה זה לרישום משותף ללא סמנים (marker-free co-registration) מגשר בין שלבי הגילוי המוקדמים, זיהוי המולקולות המובילות (lead identification) והתיקוף הפרה-קליני, על ידי מתן אפשרות לשילוב רציף של נתוני דימות ממספר מודליות ומכשירים.
- ביולוגיה של תגליות: תומכת בבדיקת השערות ובבירור מסלולים באמצעות ניתוח דימות משולב.
- סריקה: מספקת תוצרי דימות כמותיים הניתנים לשחזור לצורך הערכת תרכובות.
- אנליטיקה: מספקת מטריצות טרנספורמציה ופורמטי קבצים מעובדים להשוואה סטטיסטית חסונה.
- מחקר תרגומי: מקלה על סנכרון של סממנים ביולוגיים ותיקוף של מודלי מחלה בין פלטפורמות דימות שונות.
- שימוש חוזר ארגוני: מציעה פתרון סקלאבילי שאינו תלוי במכשיר לשילוב דימות רב-מודאלי באתרים שונים של מו"פ.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החיזוי ומפחית סיכון ביולוגי במחקרי דימות פרה-קליניים.
- ערך תפעולי: מבצע סטנדרטיזציה ואוטומציה של מיזוג תמונות, ובכך ממזער שגיאות ידניות ושונות.
- ערך אסטרטגי: מאפשר קבלת החלטות מושכלת יותר לגבי המשך או הפסקת פיתוח (go/no-go) וניהול יעיל של תיק הפיתוח מבחינת הון.
- השפעה על תיק הפיתוח: תומך בתיעדוף מותאם סיכונים ובקידום של תוכניות גילוי.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בדימות פרה-קליני ובניתוח כמותי.
- תלוי במכשירי דימות תואמים ובתשתית תוכנה לאינטגרציית נתונים.
- מחייב סטנדרטיזציה של פרוטוקולי דימות וטיפול במטא-דאטה בין צוותים שונים.
- ניתן להתאמה לשילובים שונים של מודליות דימות ולזרימות עבודה ספציפיות לאתר.
- כיול מבוסס-פנטום ויצירת מטריצת טרנספורמציה חיוניים להגדרה הראשונית.
שאלות נפוצות בביו-פארמה
Chapters in this video
0:00
Introduction
2:01
Calculation of the Differential Transformation for Cross‐Device Co‐Registration of Two Preclinical Imaging Modalities
6:10
Application of the Differential Transformation for Cross‐Device Co‐Registration of Two Preclinical Imaging Modalities
