Name: Accelerato radiazione Biodosimetry automatizzato di identificazione del cromosoma dicentrico (ADCI) e stima della Dose (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-09-04T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 33 s
Description: Scopri come stimare rapidamente la dose biologica di radiazione utilizzando tecniche di elaborazione delle immagini basate sul machine learning. Questo software automatizza l'identificazione dei cromosomi dicentrici nelle cellule in metafase.

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Siamo grati al Dr. Ruth Wilkins, radiobiologia e protezione Division presso Health Canada e Farrah Flegal, Canadian Nuclear Laboratories e il loro personale di laboratorio per l'accesso ai dati immagine metafase dai loro laboratori di citogenetica biodosimetry. Questa carta è stata sostenuta da un contratto da costruire in Canada Innovation Program a CytoGnomix (numero di serie. EN579-172270/001/SC). La versione iniziale di ADCI e sviluppo di algoritmi sono stati sostenuti dal fondo di innovazione occidentale; Scienze naturali e ingegneria Research Council of Canada (NSERC Discovery Grant 371758-2009); U.S. Public Health Service (DART-DOSE CMCR, 5U01AI091173-0); la Fondazione Canada per l'innovazione; Canada ricerca sedie e CytoGnomix Inc.

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PKR e JHMK stato cofondatore di CytoGnomix, che è commercializzando ADCI e detiene brevetti correlati. YL e BCS sono dipendenti di CytoGnomix. ADCI è protetto da copyright, e il metodo di localizzazione del centromero in ADCI è brevettato (Pat. N. 8.605.981; Pat tedesca. N. 112011103687).

Funzionalità e limitazioni del software
Il protocollo descritto in questo documento introduce la procedura graduale tipica usata in ADCI per importare ed elaborare immagini di metafase citogenetica, creare radiazioni curve di calibrazione e stimare la dose biologica nelle persone o nei campioni esposti a sconosciuto livelli di radiazione. Tuttavia, non è necessario eseguire queste istruzioni in sequenza. Ad esempio, molti campioni di prova della dose sconosciuta possono essere elaborati e analizzati utilizzando la stessa curva di taratura pre-calcolate. Inoltre, una volta completata l'elaborazione, la selezione delle immagini e DC modelli di filtraggio può essere iterata da parte dell'utente. Applicazione di un modello di selezione immagine appropriata dipende dalle caratteristiche e qualità dei dati dell'immagine di metafase, che a sua volta si basa sia sul protocollo di laboratorio utilizzato per preparare le cellule e i criteri di rigore utilizzati per selezionare le celle con automatizzato sistemi di cattura di metafase. Morfologie di cromosoma saranno diverso tra biodosimetry e laboratori di citogenetiche, e così, i modelli di selezione immagine dovrebbero essere valutati dall'utente per determinare se i modelli di selezione immagine predefiniti forniti con il software sarà sufficienti per produrre le stime delle dosi precise, o se personalizzato modelli definiti dall'utente soglie devono essere creati. Basandoci sulla nostra esperienza, l'efficacia di modelli di selezione immagine risente l'origine e la qualità delle immagini delle cellule. Gli utenti possono progettare i propri criteri di selezione immagine utilizzando diverse combinazioni di filtri per eliminare il falso positivo DCs e modelli di selezione immagine e i valori di soglia corrispondenti per selezionare le immagini desiderate. C'è flessibilità in ingresso di curve di calibrazione e stima della dose, come coefficienti della curva lineare-quadratica e frequenze DC possono essere modificati o inseriti manualmente.
Anche se il software è completamente automatizzato, immagini possono essere recensione e selezionati manualmente. Questa funzionalità è disponibile per includere o rimuovere immagini singolarmente elaborate attraverso la funzione di Visualizzatore di microscopio nella GUI principale. Tuttavia, grazie all'automazione, il software è molto più efficiente rispetto con il manuale notante di immagini di metafase e contando DCs. Un campione costituito da 1000 immagini possa essere elaborato in 20 (tiff) per 40 min (jpg) su una workstation di prestazioni multi-core. Questo software sarà particolarmente utile in situazioni critiche o laboriosi, come eventi in cui individui multipli sono stati esposti o sono stati ritenuti sospetto di essere stati esposti a radiazioni, o dove il tempo-sensibile diagnosi e trattamento le decisioni sono fondamentali.
Rilevamento preciso e accurato elevato throughput di DCs, come pure la stima di dose sono necessari per la valutazione automatica di radiazione. Altre alternative disponibili per il software non soddisfare entrambi questi requisiti. Un'analisi citogenetica utente-assistita, basata sulle immagini (DCScore, Metasystems17) sistema richiede la verifica manuale del candidato DCs, a causa di un errore elevato tasso attribuibile alla non corretta si sovrappone tra cromosomi e il sistema non determina dose di radiazioni. DCScore non sarebbero altrettanto efficaci come ADCI in un evento di radiazioni che coinvolgono un gran numero di soggetti potenzialmente esposti. Sistemi di microscopia di grande apertura in grado di raccogliere immagini di più cellule di metafase18, tuttavia, non analizzarli. "CABAS"19 e "Stima di Dose"20 software può generare calibrazione curve e stima della dose, ma non segnano DCs. Altri saggi di biodosimetry che non sono basati su analisi DC includono H2AX fluorescenza, sonde di ibridazione in situ di fluorescenza con DNA mirati a specifici cromosomi, espressione genica, micronucleo e l'urina e biomarcatori respiratorie. Questi metodi sono meno specifici e sensibili per le radiazioni ionizzanti, possono essere più costosi, in alcuni casi, sono più che richiede tempo e generalmente non sono stati standardizzati attraverso molteplici laboratori di riferimento. La maggior parte di queste tecniche non rilevano radiazioni stabile risposte, quindi non possono essere utilizzati per la valutazione a lungo termine (&#62; post-esposizione di 7 giorni) della dose di radiazione. Al contrario, questo può valutare gli individui fino a 90 giorni di post-esposizione e in grado di elaborare dati da qualsiasi microscopio del laboratorio di citogenetica sistema di imaging. Tuttavia, se un campione è disegnato &#62; 4 settimane post-esposizione, sensibilità è ridotta a causa del decadimento di aberrazioni dicentrico1,2,3 e il software non risolve attualmente frequenze DC per ritardi nel prelievo individui esposti.
Questo software ha alcune limitazioni. Modelli di selezione immagine esistente selezionare immagini di metafase accettabile per la maggior parte, ma in alcuni casi, non riescono a eliminare immagini insoddisfacente, che possono ridurre la precisione del rilevamento di DC. È ancora una questione aperta come progettare un modello di selezione immagine soddisfacente che elimina tutte le cellule in metafase inadatto. Il software fornisce una stima accurata per campioni esposti a dosi di radiazioni elevate (≥ 2 Gy). Nonostante i notevoli progressi nel ridurre il numero di falsi positivi DCs16, questi oggetti non sono stati eliminati. Abbassare le cellule di metafase di qualità a bassa dose di radiazioni (soprattutto &#60; 1 Gy) sono più inclini a rilevamento del falso positivo DC. Di conseguenza, campioni di basso dosaggio non sono stati inclusi quando si genera la curva di taratura utilizzata per la stima della dose dei campioni di prova HC. Tuttavia, se una curva contenente campioni di basso dosaggio è desiderata, un valore inferiore di SVM Sigma riduce la conta falsi positivi nei campioni di basso dosaggio ma può provocare calo dei rendimenti DC in campioni di dose elevata. Figura 8 confronta la curva HC utilizzata per la stima della dose (Sigma = 1.5) con una curva di calibrazione misura con campioni di dose aggiuntiva di basso valore inferiore del sigma SVM (1.0). Nei campioni con un numero insufficiente di cellule in metafase e/o immagini di metafase di scarsa qualità, non è possibile stimare le esposizioni biologiche a basso dosaggio, potenzialmente con conseguente deviazioni da fisici dose superiore a 0,5 Gy.
Il software non può valutare con precisione tipi di radiazioni se le loro curve dose-risposta migliore adattano un modello lineare o quasi lineare. Finora, è stato testato solo con campioni esposti a X e raggi Gamma. Se un'altra fonte di radiazione è esaminata, gli utenti devono verificare i campioni di test e calibrazione sono esposti allo stesso tipo di radiazioni. Il software utilizza la massima verosimiglianza o minimi quadrati raccordo per costruire una curva dose-risposta utilizzando un modello lineare-quadratica. Attualmente non esiste alcuna opzione per imporre una rigorosa curva lineare, appropriato per le esposizioni di particelle ad alta energia, tuttavia tale funzionalità sarà disponibile in futuro.
Sviluppo futuro
Nostri sforzi sono concentrati sul miglioramento di modelli di selezione immagine e misura della dose precisa, in particolare dei campioni esposti a dosi di radiazione bassa. Versioni successive del software fornirà errore standard misure le stime delle dosi e intervalli di confidenza sulle curve di calibrazione. Inoltre, una versione high-performance computing del software per il supercomputer Blue Gene (BG/Q, IBM) è in fase di sviluppo per la tempestiva valutazione di individui esposti in un evento di massa-incidente radiazione. Alcuni componenti del software sono già stati testati e distribuiti su questa piattaformaLass = "xrif" > 11.

Radiazione biodosimetry utilizza marcatori biologici, principalmente le aberrazioni cromosomiche quali cromosomi dicentrici (DCs) e traslocazioni cromosomiche per misurare dosi di radiazioni che gli individui sono esposti a. Una dose biologicamente assorbita potrebbe essere diversa dalla dose fisica misurata dagli strumenti a causa della variabilità tra individui. Allo stesso modo, radiazione di una certa dose di fisica può produrre diverse esposizioni biologiche dovute a sottostanti condizioni fisiologiche o ambientali. Conoscenza della dose biologica è di particolare importanza per la diagnosi ed il trattamento.
Il dosaggio di DC è il gold standard della organizzazione mondiale della sanità (OMS) e Agenzia internazionale per energia atomica (AIEA) per valutare l'esposizione a radiazioni biologico nelle persone. E ' stato il primo test consigliato dall'AIEA e che per la valutazione della dose di radiazione. Frequenza DC è relativamente stabile per circa 4 settimane dopo l'esposizione di radiazioni1 e loro correlazione quantitativa con la dose di radiazione emessa è accurata, che rendono DCs il biomarcatore ideale. Il rapporto tra la dose di radiazione (a cui fa riferimento in unità Gray [Gy]) e la frequenza di DC (indicato come numero di DCs per cella) può essere espressa come una funzione lineare-quadratica.
L'analisi citogenetica di DC è stato lo standard industriale per circa 55 anni2. È stata eseguita manualmente, che richiedono 1-2 giorni per analizzare i dati di microscopio da un campione di sangue. Diverse centinaia a diverse migliaia di immagini sono necessarie per stimare con precisione l'esposizione a radiazioni a seconda della dose3. A dosi superiori a 1 Gy, AIEA raccomanda un minimo di 100 DCs essere rilevato. Esame di 250-500 immagini di metafase è pratica comune nei laboratori di citogenetica biodosimetry. Per campioni con esposizioni &#60; 1 Gy, 3.000-5.000 immagini sono suggeriti dovuto la probabilità inferiore di formazione DC. In entrambi i casi, è un'attività intensa di lavoro.
Laboratori di citogenetica biodosimetry creano proprio in vitro le curve di calibrazione biodosimetry di radiazione prima di valutare le dosi biologiche in campioni di prova. I campioni di sangue da individui di controllo normali, sono esposti a radiazioni e linfociti sono quindi colta e preparati per l'analisi del cromosoma di metafase. Utilizzando questi campioni, hanno ricevute le dosi biologiche sono tarate per il note fisiche dosi emesse da una sorgente di radiazione standard. Dopo immagini delle cellule di metafase sono stati registrati, esperti esaminare immagini, contano DCs e calcolare le frequenze DC per ogni campione. Una curva di calibrazione è costruita montando una curva lineare-quadratica per le frequenze di DC a tutte le dosi. Quindi, l'esposizione in esempio di test da individui possono essere dedotte abbinando le frequenze DC per le dosi calibrate sulla curva o specificandoli nella formula quadratica lineare corrispondente.
Ci hanno automatizzato sia il rilevamento dei controller di dominio e determinazione per accelerare questa procedura utilizzando il software della dose. Identificatore di cromosoma dicentrico automatizzati e Dose Estimator (ADCI) utilizza immagine di macchina basata su apprendimento tecniche di lavorazione per rilevare e discriminare i cromosomi dicentrici (DCs) da monocentric cromosomi (MCs) e altri oggetti e automatizza radiazione stima della dose. Il software mira a significativamente ridurre o eliminare la necessità per la verifica manuale dei conteggi di DC e ad accelerare la stima della dose tramite l'automazione. Esso è stato sviluppato con il coinvolgimento dei laboratori di riferimento biodosimetry a salute Canada (HC) e laboratori nucleari canadesi (CNL). Loro feedback farà in modo che le prestazioni continuerà a soddisfare criteri di AIEA per questo test.
Il software svolge le seguenti funzioni: 1) filtro DCs e selezionando immagini cellulare ottimale metafase per analisi, riconoscimento 2) cromosoma, rilevamento di DC e DC frequenza determinazione e 3) stimare la dose di radiazioni da dose-calibrato, dati relativi alla radiazione citogenetica. Questo software elabora gruppi di immagini di metafase da stesso individuo (definiti un campione), conta il numero di controller di dominio in ogni utilizzo immagine tecniche di lavorazione e restituisce la dose di radiazione stimato ricevuta da ciascun campione in unità di grigi (Gy).
Il software è stato progettato per gestire una gamma di strutture cromosomiche, conteggi e densità. Tuttavia, l'algoritmo esegue in modo ottimale nelle immagini di metafase che contiene un complemento completo nei pressi di cromosomi ben separati, lineare4. Immagini che contengono altamente sovrapposti set di cromosomi, più cellule, cellule in metafase incompleta, sorella cromatidio della separazione, i nuclei, oggetti non-cromosomici e altri difetti possono ridurre la precisione dell'algoritmo. Modelli di selezione immagine e altri segmentazione oggetto soglie possono filtrare la maggior parte delle immagini sub-ottimale e falsi positivi DCs dedicati.
Cromosoma dicentrico rilevamento viene eseguito quando viene elaborata un'immagine. L'algoritmo tenta di determinare quali oggetti in un'immagine sono i cromosomi e quindi individua le due regioni più probabile di essere centromeri su ogni cromosoma. Quindi, una serie di supporto differenti Vector Machine (SVM) modelli di apprendimento distinguere cromosomi come DCs o normale, monocentric cromosomi. I modelli SVM differiscono nella sensibilità e specificità di rilevazione DC (Vedi punto 3.1.4 qui sotto), che può interessare le frequenze di DC che sono determinate in un campione.
ADCI elabora set di Giemsa - (o DAPI-) tinto immagini digitali di metafase (in formato TIFF o JPG) per uno o più campioni. Il software analizza DCs in entrambi esempi di taratura e prova. Le dosi di fisiche (in Gy) dei campioni di calibrazione sono noti e sono utilizzate nella generazione di una curva di calibrazione. Le dosi fisiche e biologiche degli individui con le esposizioni sconosciute vengono dedotti dal software dalla curva di calibrazione generato dal computer. Anche se laboratori utilizzano tecniche comparabili, le curve di calibrazione da diversi laboratori variano spesso3. Entrambi esempi di curva e test di calibrazione dal laboratorio stesso devono essere elaborati per la stima della dose esatta in campioni di prova.
Questo software offre velocità, precisione e scalabilità quali indirizzi la produttività necessaria per gestire un evento in cui molti individui contemporaneamente devono essere testati. E ' stato sviluppato dal 2008-20174,5,6,7,8,9,10,11,12 ,13. Utilizzando hardware computer recente, questo desktopSoftware per PC in grado di elaborare e dose di radiazioni di stima in un campione di 500 equivalenti di genoma di metafase in 10-20 min 4. Il codice è basato su un insieme di segmentazione di immagini proprietarie e machine learning algoritmi per l'analisi del cromosoma. Esperto di analisi di ogni cromosoma 3 Gy radiazioni ha dato esattezze paragonabili a ADCI. In una serie di 6 campioni di esposizioni sconosciute (precedentemente utilizzate in un esercizio di competenza internazionale), il software stimato dosi entro 0,5 Gy dei valori ottenuti da revisione manuale dei dati stessi di HC e CNL, che soddisfi i requisiti dell'AIEA per triage biodosimetry. Inoltre, standardizzazione interlaboratorio e, infine, la riproducibilità della dose stima beneficio dall'avere un controller di dominio comune, automatizzato, segnando algoritmo. Tuttavia, il software permette personalizzazione dell'immagine di filtraggio e criteri di selezione, che consente differenze nei metodi di preparazione del cromosoma e sorgenti di taratura di radiazione per essere presi in considerazione.
Questo software è un'interfaccia di utente grafica (GUI) - basati su sistema che analizza set di immagini di cromosoma contenente Giemsa (o DAPI) - macchiato cellule in metafase per le anomalie che derivano dall'esposizione a radiazioni ionizzanti. I set di immagine sono fotografati digitalmente con un sistema di microscopio luce (o epifluorescente) e ogni insieme corrisponde a un campione diverso. Il software utilizza tecniche per rilevare e discriminare le DCs da MCs e altri oggetti di elaborazione delle immagini. Empiricamente derivati segmentazione filtri eliminano quindi automaticamente i falsi positivi DCs senza intaccare il vero DCs. Infine, il software automaticamente filtra indesiderati immagini basati su varie strutture di immagine trovate immagini di metafase di scarsa qualità con modelli di selezione immagine pre-calcolate (o specificato dall'utente). Queste immagini includono quelli contenenti eccessiva o insufficiente numero di oggetti "rumorosi", più cromosomi sovrapposti, immagini mancanti cromosomi in metafase, un numero eccessivo di sorella cromatidi4. I dati di immagine automaticamente a cura vengono utilizzati per generare la curva di calibrazione di dose da campioni della dose di radiazione noti e sono utilizzati per stimare le esposizioni di prova campioni esposti a dosi sconosciute.
Output del software possono essere visualizzati e salvati come: 1) basato su testo output visualizzato nella console, 2) trame che possono essere salvati come immagini e 3) di report in formato HTML. Molti aspetti del software sono personalizzabili per soddisfare le esigenze specifiche dei diversi laboratori. Laboratori individuali forniscono solitamente i campioni di test e calibrazione preparato e raccolti basata sul protocollo citogenetico convalidato in quel laboratorio. Questo mantiene l'uniformità della preparazione del campione e permette curve di calibrazione generate dai campioni di calibrazione chiaramente da applicare per testare campioni derivati usando lo stesso protocollo. Curve di calibrazione possono essere create anche da coefficienti di curva o frequenze DC alle dosi definite. Le stime più accurate di dose sono ottenute filtrando immagini di qualità inferiore e falsi positivi DCs (FPs). Selezione dei sottoinsiemi di immagine ottimale all'interno di ogni campione viene eseguita utilizzando 'Modelli di immagine selezione' che eliminano immagini scadente che tendono a introdurre FPs. Una serie di modelli pre-convalidate sono inclusi con il software, tuttavia ulteriori modelli con soglie personalizzate e filtri possono essere creati e salvati dall'utente.
Una volta che il software viene caricato correttamente, la principale interfaccia grafica (GUI) è presentato (Vedi Figura 1). Da questa interfaccia, campioni, ciascuno composto da una cartella di file immagine di metafase cella, possono essere selezionate e lavorate per identificare controller di dominio, curve di calibrazione possono essere create e confrontate e dose di esposizione di radiazioni di campioni può essere determinata.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56245/56245fig1.jpg"> 
Figura 1: The settori principali dell'interfaccia di utente grafica includono: un elenco di campioni (1), un elenco di calibrazione delle curve (2), il processo di coda (3), che controlla lo stato del rilevamento di DC in ogni set di immagini di ogni campione, una trama display (4), che riassume le statistiche o altre proprietà quantitativa di un set di immagini nei campioni o curve di calibrazione e una console (5) che contiene un testo descrittivo come uscite di ogni operazione eseguita dal programma. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56245/56245fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>

<table><tbody><tr><td>Identificatore Automatico del Cromosoma Dicentrico e Stima della Dose (ADCI)</td>Il software <td>CytoGnomix</td><td>NA</td><td>ADCI è rilasciato in un file di pacchetto di installazione binario per Microsoft Windows 7, 8, 8.1 e 10; 235 Mb di memoria su disco sono necessari per un'installazione tipica. Il software è stato testato con processori Intel o AMD x86-64; si consiglia almeno 1 Gb di RAM. Le analisi sono state confrontate su un computer configurato con un processore Intel I7 e 16 Gb di RAM. Il funzionamento di ADCI richiede una licenza attiva e un dongle hardware basato su USB, che deve rimanere collegato durante l'esecuzione del software. Il dongle codifica la data di scadenza del software. Ogni volta che il software viene avviato, viene letta questa data. Il software consentirà l'accesso al programma se la data e l'ora correnti precedono il timbro ora-data di scadenza. L'estensione di una licenza software scaduta può essere ottenuta ottenendo un nuovo dongle o rinnovando la licenza con una chiave aggiornata all'avvio.</td></tr><tr><td>Immagini digitali di nuclei cellulari in metafase</td><td>Esempi: Metasystems, software Leica Microsystems</td><td>M-Search (Metasystems), Cytovision (Leica)</td><td>Formato TIFF ad alta risoluzione; tipicamente >250 immagini digitali generate con un sistema di acquisizione di immagini al microscopio (obiettivo con ingrandimento minimo 63X, oculare con ingrandimento 10X).</td></tr><tr><td>MSI Leopard Pro (consigliato, opzionale)</td><td>Micro-Star International</td><td>MSI GP62 6QF 480CA Leopard Pro</td><td>Workstation multi-core ad alte prestazioni.</td></tr></tbody></table>

accelerato radiazione biodosimetry automatizzato di identificazione del cromosoma dicentrico (adci) e stima della dose

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

Dose di radiazione biologica può essere stimato da frequenze di cromosoma dicentrico in cellule di metafase. L'esecuzione di queste analisi citogenetica del cromosoma dicentrico è tradizionalmente un processo manuale e laborioso, non adatto per gestire il volume di campioni che possono richiedere l'esame a seguito di un evento di massa dell'incidente. Software automatizzato di identificatore di cromosoma dicentrico e Dose Estimator (ADCI) automatizza questo processo esaminando insiemi di immagini di metafase utilizzando tecniche di elaborazione immagine basata su apprendimento di macchina. Il Seleziona software immagini appropriate per analisi rimuovendo immagini inadatti, classifica ogni oggetto come un centromero-contenenti del cromosoma o non-cromosoma, più ulteriormente contraddistingue i cromosomi come monocentric cromosomi (MCs) o dicentrico cromosomi (DCs), determina la frequenza DC all'interno di un campione e le stime di dose di radiazione biologica confrontando la frequenza di campionamento DC con curve di calibrazione calcolate utilizzando campioni di calibrazione. Questo protocollo viene descritto l'utilizzo del software ADCI. In genere, sia calibrazione (dose nota) e insiemi di test (sconosciuto dose) di immagini di metafase sono importati per eseguire la stima accurata dose. Immagini ottimali per l'analisi possono essere trovati automaticamente utilizzando filtri di immagine preimpostati o possono anche essere filtrati attraverso ispezione manuale. Il software elabora le immagini all'interno di ogni campione e frequenze DC vengono calcolate a diversi livelli di rigore per la chiamata a controller di dominio, utilizzando un'approccio di apprendimento della macchina. Curve di taratura lineare-quadratica vengono generate in base sulle frequenze di DC in campioni di calibrazione esposti a dosi fisiche conosciute. Dosi di campioni esposti a livelli di radiazioni incerto sono stimate da loro frequenze DC utilizzando queste curve di calibrazione. Rapporti possono essere generati su richiesta e forniscono la sintesi dei risultati di uno o più campioni, di una o più curve di calibrazione o di stima di dose.

L'analisi citogenetica del cromosoma dicentrico (DC) quantifica l'esposizione a radiazioni ionizzanti. Il software automatizzato di identificatore di cromosoma dicentrico e l'estimatore di Dose con precisione e rapidamente stima dose biologica da DCs in cellule di metafase. Esso distingue monocentric cromosomi e altri oggetti da DCs e le stime di dose di radiazione biologica dalla frequenza di DCs.

Accelerato radiazione Biodosimetry automatizzato di identificazione del cromosoma dicentrico (ADCI) e stima della Dose

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

L'obiettivo generale di questo protocollo basato su software è stimare in modo accurato e rapido la dose biologica di radiazioni sull'intero organismo a partire dai cromosomi dicentrici individuati in serie di immagini di cellule in metafase filtrate automaticamente, mediante tecniche di elaborazione delle immagini basate sull'apprendimento automatico. Questo metodo può contribuire a rispondere a domande fondamentali riguardo la risposta a un evento di esposizione di massa alle radiazioni. Sarà necessario esaminare tempestivamente un elevato numero di campioni per determinare la dose di radiazione.Il principale vantaggio di questo software è l'automazione della filtrazione delle immagini, della generazione della curva di calibrazione, della rilevazione dei cromosomi dicentrici e della stima della dose di radiazione. Queste sono operazioni tradizionalmente lunghe e laboriose. Sebbene questo metodo possa fornire informazioni sulla biodosimetria citogenetica da radiazioni, potrebbe essere applicato per selezionare le migliori immagini cromosomiche per le analisi diagnostiche delle malattie genetiche ereditarie e acquisite.L'idea iniziale di questo metodo è nata quando abbiamo iniziato a sviluppare metodi di analisi delle immagini cromosomiche per quantificare automaticamente la fluorescenza all'interno di due immagini di ibridazione. Colleghi avevano indicato che l'attuale capacità di testare più individui esposti era anch'essa molto limitata. Aprire il software e creare un nuovo campione dal menu.Quindi selezionare la cartella contenente le immagini di metafasi da analizzare. Quando richiesto, fornire un ID univoco per identificare il campione. È possibile utilizzare solo caratteri alfanumerici, trattini bassi e trattini.Quindi, se lo si desidera, fornire una descrizione del campione. Ripetere questo processo per aggiungere ulteriori set di immagini di campioni. Per l'analisi sono richiesti almeno tre set di campioni di calibrazione, ma per ottenere buoni risultati utilizzarne sette o più.Dovrebbero coprire un'esposizione alle radiazioni compresa tra zero e cinque gray. Una volta caricati tutti i campioni, selezionarli nell'elenco dei campioni e aggiungerli alla coda di elaborazione. Quindi elaborare tutti i campioni per identificare diverse proprietà all'interno di ciascuna immagine.Viene visualizzato lo stato di avanzamento dell'elaborazione. Al termine dell'elaborazione, fare clic sul segno di spunta verde e salvare i campioni elaborati come file di campione. Prima di procedere, è consigliabile visualizzare le immagini elaborate nel Visualizzatore di immagini di metafase.Evidenziare i campioni dall'elenco e aprire il visualizzatore. Quindi navigare attraverso le immagini. All'interno del visualizzatore di immagini, è possibile applicare filtri.Sono inclusi diversi modelli di selezione delle immagini nel software. Il filtraggio esaminerà le proprietà identificate durante l'elaborazione. Se desiderato, è possibile creare un modello personalizzato da zero e salvarlo per un uso ripetuto.Se si utilizza la Procedura guidata per la calibrazione della curva descritta nella prossima sezione, il modello viene applicato durante tale fase. Utilizzare la Procedura guidata per la calibrazione della curva per analizzare i file dei campioni del processo. Per un buon adattamento della curva, includere almeno sette campioni di calibrazione compresi tra zero e cinque grigi.Nella prima pagina della macro Wizard, selezionare ogni campione di calibrazione desiderato. Per ciascun campione di calibrazione, specificare la dose di radiazione nel campo di testo adiacente. Nella pagina successiva, selezionare un modello preimpostato di selezione delle immagini.Nella pagina successiva, selezionare un valore Sigma SVM dall'apposita casella a discesa. Si raccomanda un valore di 1,4 o 1,5 per stime della dose superiori a un gray. In caso contrario, utilizzare un valore di 1,0.Nell'ultima pagina, esaminare tutte le opzioni selezionate. Se risultano corrette, completare il processo di selezione. A questo punto apparirà una finestra di dialogo precompilata per la creazione di una curva.Specificare un'identità univoca per la curva nella casella di testo, quindi premere Convalida dati per assicurarsi che il contenuto dell'elenco delle dosi di risposta sia formattato correttamente. Verificare che tutti i campi nell'elenco delle dosi di risposta siano evidenziati in verde, il che indica dati validi. Quindi inviare i dati per l'analisi utilizzando il pulsante OK e seguire le istruzioni per salvare i risultati.Per eseguire l'analisi della stima della dose, avviare la macro guidata presente nel menu Stima della dose. In primo luogo, selezionare una curva di calibrazione precedentemente creata dal menu a discesa. Le sue proprietà verranno visualizzate di seguito.Nella pagina successiva, attiva i campioni di test con esposizione sconosciuta per includerli nella stima della dose. Nella pagina successiva, esamina la descrizione e le proprietà del modello di selezione delle immagini applicato durante la generazione della curva di calibrazione. Ogni campione deve essere analizzato utilizzando lo stesso modello.Quando si stima la dose di un campione esposto a una quantità sconosciuta di radiazioni, si raccomanda vivamente di applicare a questi dati lo stesso modello di selezione delle immagini utilizzato per generare la curva di calibrazione della dose. Nella pagina successiva, assicurarsi che il valore SVM Sigma utilizzato durante la generazione della curva di calibrazione venga inserito nei campi previsti. Apportare le correzioni necessarie, se richiesto.Nell'ultima pagina, esaminare tutte le opzioni selezionate. Se risultano corrette, completare il processo di selezione e premere OK nella finestra di dialogo del calcolatore di dose precompilata per eseguire la stima della dose. I risultati della stima della dose vengono visualizzati nella console in formato tabellare per ogni campione di prova in gray.Insieme ai dati tabellari verranno visualizzati grafici dei dati mostrati nell'area del grafico. Dopo aver inserito un campione, preparato la curva di calibrazione o stimato una dose, è consigliabile generare un rapporto del campione, della curva o della dose per creare un documento completo della propria analisi. Ora genera un rapporto di stima della dose.Quando richiesto, fornire un nome per il rapporto oppure utilizzare l'opzione di navigazione per modificare una cartella di rapporto esistente. Le funzionalità di verifica, i problemi relativi all'integrità del file di registro e le opzioni statistiche sono descritte nel protocollo testuale. Il software è stato testato utilizzando campioni di immagini citogenetiche esposte a radiazioni ionizzanti, ottenuti dai laboratori di biodosimetria di Health Canada e dei Canadian Nuclear Laboratories.Questi campioni sono stati generati e analizzati manualmente da esperti in entrambi i laboratori. Il software ha utilizzato filtri automatizzati di selezione delle immagini sui campioni per eliminare una vasta gamma di immagini non utilizzabili. Nell'esempio attuale, le migliori 250 immagini sono state selezionate automaticamente per ciascun campione.C è stato escluso perché conteneva tropi cromosomi sovrapposti, e D presenta un numero eccessivo di cromatidi fratelli separati. Il software potrebbe erroneamente identificare alcuni oggetti come cromosomi dicentrici, come l'oggetto due. Ciò aumenta i conteggi di cromosomi dicentrici nei campioni.I filtri per i falsi positivi escludono questi oggetti dai calcoli della frequenza di dicentrici. Dopo il filtraggio, le occorrenze di cromosomi dicentrici in una popolazione di cellule provenienti da un campione irradiato seguono una distribuzione di Poisson, rispetto al set di dati non filtrato. Le statistiche del test del chi-quadro per la bontà dell'adattamento hanno mostrato che i risultati ottenuti dai dati filtrati sono molto più affidabili.In definitiva, le misurazioni automatizzate erano entro 0,3 grigi dalle dosi valutate manualmente, con alcune eccezioni. Un campione che presentava una scarsa aderenza al modello di distribuzione di Poisson non era accurato. Si trattava di un campione di qualità inferiore.Conteneva troppe immagini con cromosomi dicentrici classificati in modo errato a causa della separazione delle cromatidi sorelle. Tuttavia, i risultati dell'analisi automatica rientravano ancora nei limiti di triage specificati dall'IAEA. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come utilizzare il software per selezionare automaticamente le immagini ottimali mediante modelli di selezione delle immagini, creare curve di calibrazione, eseguire il rilevamento automatico di cromosomi dicentrici nella stima della dose di radiazione e generare rapporti.Una volta padroneggiata, questa tecnica può stimare la dose di un campione contenente 500 immagini di metafasi in 10-20 minuti a partire da un insieme esistente di immagini di cellule in metafase. È importante ricordare di sfruttare le funzionalità automatiche fornite dal software. È possibile anche la selezione manuale delle immagini.Tuttavia, questo approccio riduce l'efficienza e potrebbe non essere riproducibile quanto le procedure automatizzate. Questa tecnica permetterà ai ricercatori nel campo della biodosimetria di esplorare nuove domande nella ricerca sulle radiazioni, relative a studi su popolazioni che in passato non sarebbero stati praticamente realizzabili.

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Scopri come stimare rapidamente la dose biologica di radiazione utilizzando tecniche di elaborazione delle immagini basate sul machine learning. Questo software automatizza l'identificazione dei cromosomi dicentrici nelle cellule in metafase.

Accelerato radiazione Biodosimetry automatizzato di identificazione del cromosoma dicentrico (ADCI) e stima della Dose

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