Artykuł metodologiczny

Identyfikacja erozji w stawach śródręczno-paliczkowych w reumatoidalnym zapaleniu stawów za pomocą obwodowej ilościowej tomografii komputerowej o wysokiej rozdzielczości

4.2K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/65802

⸱

6 października 2023

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Radiology, McCaig Institute for Bone and Joint Health, University of Calgary, 2Department of Biomedical Engineering, University of Calgary, 3University Medical Center Freiburg, 4Department of Rheumatology, University of São Paulo, 5Department of Radiology and Biomedical Imaging, University of California, San Francisco, 6Department of Biomedical Engineering, University of Melbourne, 7Department of Medicine and Therapeutics, The Chinese University of Hong Kong

W tym artykule

Podsumowanie

Nadżerki kostne są ważną patologiczną cechą reumatoidalnego zapalenia stawów. Celem tej pracy jest wprowadzenie narzędzia szkoleniowego, które dostarczy użytkownikom wskazówek dotyczących identyfikacji patologicznych pęknięć kory mózgowej na obrazach obwodowej ilościowej tomografii komputerowej o wysokiej rozdzielczości do analizy erozji.

Streszczenie

Nadżerki kostne są patologiczną cechą kilku form zapalnego zapalenia stawów, w tym reumatoidalnego zapalenia stawów (RZS). Zwiększona obecność i rozmiar nadżerek wiąże się ze słabymi wynikami, funkcjonowaniem stawów i postępem choroby. Obwodowa ilościowa tomografia komputerowa o wysokiej rozdzielczości (HR-pQCT) zapewnia niezrównaną wizualizację in vivo nadżerek kostnych. Jednak przy tej rozdzielczości widoczne są również nieciągłości w powłoce korowej (pęknięcia kory), które są związane z normalnymi procesami fizjologicznymi i patologią. W badaniu dotyczącym tomografii komputerowej xtrEme w reumatoidalnym zapaleniu stawów wcześniej wykorzystano proces konsensusu w celu opracowania definicji patologicznej erozji w HR-pQCT: pęknięcie kory mózgowej wykryte w co najmniej dwóch kolejnych warstwach, w co najmniej dwóch prostopadłych płaszczyznach, o nieliniowym kształcie, z leżącą u podstaw utratą kości beleczkowej. Jednak pomimo dostępności definicji opartej na konsensusie, identyfikacja erozji jest wymagającym zadaniem, które wiąże się z wyzwaniami związanymi ze zmiennością między oceniającymi. Celem tej pracy jest wprowadzenie narzędzia szkoleniowego, które dostarczy użytkownikom wskazówek dotyczących identyfikacji patologicznych pęknięć kory mózgowej na obrazach HR-pQCT do analizy erozji. Prezentowany tutaj protokół wykorzystuje niestandardowy moduł (Bone Analysis Module (BAM) - Training), zaimplementowany jako rozszerzenie do oprogramowania do przetwarzania obrazów o otwartym kodzie źródłowym (3D Slicer). Korzystając z tego modułu, użytkownicy mogą ćwiczyć rozpoznawanie nadżerek i porównywać ich wyniki z nadżerkami opisanymi przez ekspertów reumatologów.

Wprowadzenie

Erozje kostne występują, gdy stan zapalny powoduje miejscową utratę tkanki kostnej na powierzchni kości korowej. Erozje te rozprzestrzeniają się do leżącego poniżej obszaru kości beleczkowej. Stanowią one cechę patologiczną wielu postaci zapalnego zapalenia stawów, w tym reumatoidalnego zapalenia stawów (RA)1. Obecność i wielkość erozji są powiązane z niekorzystnymi rokowaniami, sprawnością pacjenta oraz progresją choroby2,3,4,5. Choć zwykła radiografia pozostaje standardem klinicznym w ocenie erozji, wysokorozdzielcza obwodowa ilościowa tomografia komputerowa (HR-pQCT) dostarcza obrazów 3D oraz zapewnia wyższą czułość i swoistość w wykrywaniu erozji6,7. W przypadku zapalnego zapalenia stawów, takiego jak RA, badanie HR-pQCT jest zazwyczaj wykonywane w obrębie 2nd i 3rd stawów śródmetakarpalnych – najbardziej dotkniętych stawów dłoni8. Ze względu na wysoką rozdzielczość przestrzenną obrazów HR-pQCT, fizjologiczne przerwy w powierzchni korowej obserwuje się również u zdrowych osób bez RA9. Przerwy korowe te są często powiązane z kanałami naczyniowymi lub otworami odżywczymi przebiegającymi przez kość10. Wyzwaniem jest zatem odróżnienie przerw korowych związanych z procesem chorobowym (tj. erozji patologicznych) od cech niepatologicznych.

Konsensusowa definicja patologicznej erozji kostnej została opublikowana przez Grupę Badawczą ds. ekstremalnej tomografii komputerowej w reumatoidalnym zapaleniu stawów (SPECTRA) jako obecność wyraźnego przerwania warstwy korowej kości, które obejmuje co najmniej dwa kolejne przekroje i jest wykrywalne w dwóch lub więcej płaszczyznach prostopadłych11. Ponadto przerwanie to musi mieć kształt nieliniowy i być powiązane z ubytkiem w obszarze beleczkowym. Przykłady wizualne przerwń korowych, które spełniają i nie spełniają kryteriów erozji, przedstawiono w pracy Klose-Jensen i wsp.12.

Jednak nie wszystkie przerwy w korze spełniające powyższe kryteria są klasyfikowane jako nadżerki. Przerwy są czasami spowodowane procesami fizjologicznymi, takimi jak kanały naczyniowe (Rysunek 1). Można je zidentyfikować i odróżnić od nadżerek ze względu na ich przewidywalną lokalizację anatomiczną, równoległe i proste krawędzie oraz rozmiar poniżej 1 mm13. Torbiele stanowią kolejną formę przerwy w korze, która nie jest uważana za nadżerkę. Często mają one zaokrągloną strukturę beleczkową z wyraźną ścianą torbieli 13, w przeciwieństwie do ostrych krawędzi i otwartej struktury beleczkowej charakterystycznej dla nadżerek. Niemniej jednak możliwe jest tworzenie się nadżerek w obrębie torbieli, co utrudnia precyzyjne określenie objętości ubytku kostnego spowodowanego nadżerkami, a nie torbielami. Choć rozstrzygnięcie tej niejednoznaczności za pomocą dodatkowych kryteriów nie jest celem niniejszego badania, istnieje potrzeba przedstawienia wyczerpujących przykładów nadżerek patologicznych i fizjologicznych przerw w korze.

Przekroje poprzeczne CT, analiza mikrostruktury kości, strzałki wskazujące linie złamań, obrazowanie diagnostyczne.
Figura 1: Przykład przerw w ciągłości kory, które nie zostały spowodowane wyłącznie erozjami. (A) Rysunek ilustrujący typową lokalizację kanałów naczyniowych u podstawy głowy kości śródręcza. Przykłady kanałów naczyniowych w płaszczyznach (B) czołowej, (C) strzałkowej, (D) i (E) osiowej. (F) Przykład przerwy w ciągłości kory spowodowanej torbielą. (G) Przykład wolnej objętości w obszarze beleczkowym kości, obejmujący zarówno torbiele, jak i erozje. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

Mimo trudności w identyfikacji erozji, obecnie nie istnieją narzędzia szkoleniowe, które zapewniałyby mniej doświadczonym użytkownikom wskazówki dotyczące interpretacji obrazów HR-pQCT w celu analizy erozji. Niedawno opracowano otwartoźródłowy moduł do analizy erozji o nazwie bone analysis module (BAM) - Erosion Volume, zaimplementowany jako rozszerzenie otwartoźródłowego oprogramowania do przetwarzania obrazów, aby umożliwić wizualizację erozji oraz analizy wolumetryczne14. Przedstawiony tutaj protokół opisuje zastosowanie modułu szkoleniowego dodanego do BAM (BAM - Training), który weryfikuje próby identyfikacji erozji przez użytkownika, porównując je z erozjami naniesionymi przez doświadczonych reumatologów. To narzędzie szkoleniowe dostarcza użytkownikom informacji zwrotnych na temat identyfikacji erozji, aby pomóc w udoskonaleniu analizy erozji. Instrukcje instalacji oprogramowania znajdują się w kroku 1. W celu pozyskania nowych danych należy przejść do kroków 3 – 5.3. W przypadku korzystania wyłącznie z modułu szkoleniowego należy przejść do kroku 2.

Protokół

Wszystkie metody opisane w tym protokole są zgodne z wytycznymi ustalonymi przez Radę Etyki Badań nad Zdrowiem (Conjoint Health Research Ethics Board) na Uniwersytecie w Calgary (REB19-0387).

1. Instalacja programu 3D Slicer 15 oraz modułów do analizy kości

  1. Pobierz plik instalacyjny stabilnej wersji programu 3D Slicer, odpowiedni dla używanego systemu operacyjnego, ze strony https://download.slicer.org/.
  2. Uruchom pobrany plik instalacyjny i postępuj zgodnie z instrukcjami wyświetlanymi przez kreator.
  3. Po zakończeniu instalacji przejdź do instalacji modułów analizy kości.
    1. Pobierz moduły analizy kości z adresu https://doi.org/10.5281/zenodo.7943007 w formie skompresowanego pliku zip, a następnie wypakuj folder. Zapamiętaj ścieżkę do katalogu, w którym znajduje się wypakowany folder.
    2. Uruchom program 3D Slicer. Załaduj moduły do 3D Slicer, klikając Edit w lewym górnym rogu okna programu. Wybierz Edit > Application Settings, aby otworzyć nowe okno.
    3. Kliknij zakładkę Modules znajdującą się po lewej stronie nowo otwartego okna Settings. Dodaj ścieżki do modułów analizy kości w sekcji Additional module paths: (Rysunek 2).
      1. Aby to zrobić, przeciągnij i upuść poniższą listę folderów do pola znajdującego się pod Additional module paths:. Foldery te znajdują się wewnątrz pobranego w kroku 1.3.1 folderu: AutoMask, CorticalBreakDetection, ErosionComparison, ErosionVolume, FileConverter, ImageRegistration, Training. Okno Settings powinno wyglądać jak na Rysunku 2.
      2. Kliknij OK w prawym dolnym rogu okna Settings. Wymagany jest restart programu, aby zatwierdzić instalację modułów. Zrób to, zamykając program 3D Slicer i uruchamiając go ponownie.
        UWAGA: Ładowanie modułów wykonuje się tylko raz podczas instalacji 3D Slicer. W przypadku dalszych aktualizacji repozytorium GitHub analizy kości, proste polecenie git pull w terminalu (lub wierszu poleceń) w katalogu zawierającym wcześniej pobrany BAM automatycznie zaktualizuje wszystkie moduły. Alternatywnie repozytorium można pobrać ponownie i ręcznie zastąpić stare moduły nowymi.

Ekran ustawień konfiguracji modułów podczas konfiguracji oprogramowania, przedstawiający ścieżki do plików i opcje.
Rycina 2: Przykład okna ustawień po dodaniu modułów analizy kości do instalacji 3D Slicer. Na obrazie widoczny jest zrzut ekranu okna ustawień z zaznaczonymi modułami w czerwonej ramce. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

2. Moduł szkoleniowy

  1. Uruchom moduł BAM-Training.
    1. Kliknij w Menu rozwijane znajdujące się na pasku narzędzi programu 3D Slicer. Odnaleźć moduły analizy kości i najechać na nie kursorem myszy (Rysunek 3). Kliknij w Szkolenie.
  2. Wczytaj pliki w module.
    1. Po uruchomieniu modułu szkoleniowego BAM wszystkie wymagane pliki (obrazy w skali szarości, maski, referencyjne segmentacje erozji) zostaną wczytane automatycznie po kliknięciu Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia.zakładając, że repozytorium BAM z serwisu GitHub zostało pobrane zgodnie z powyższymi instrukcjami.
  3. Wybierz typ skanowania dla plików.
    1. Wybierz jedną opcję, najeżdżając kursorem na menu rozwijane oznaczone jako Objętość wejściowa: wybierz objętośćobraz ten stanowi główny obraz w skali szarości.
    2. Wybierz maskę (tj. plik identyfikujący objętość w obrębie powierzchni okostnej) z menu rozwijanego opisanego jako Maska wprowadzania: wybierz tomUpewnij się, że ta maska odpowiada powyższej objętości wejściowej, weryfikując, czy identyfikator pomiaru oraz staw MCP są takie same w obu zaznaczeniach.
    3. Jeśli jest to pierwsze uruchomienie modułu treningowego dla tego obrazu przy obecnej sesji programu 3D Slicer, należy utworzyć nową segmentację wyjściową w menu rozwijanym opisanym jako Erozje wyjścia: wybór segmentacjiAby to zrobić, należy kliknąć menu rozwijane i wybrać Utwórz nową segmentacjęW ten sposób zostanie utworzony nowy węzeł segmentacji wyjściowej z etykietą odpowiadającą etykiecie maski wejściowej z dodatkiem przyrostka _ER. Aby nadać wyjściu inną etykietę, należy wybrać Utwórz nową segmentację jako… zamiast tego wprowadź pożądaną etykietę.
      UWAGA: W programie 3D Slicer oraz w niniejszym dokumencie terminy „maska” (mask) i „segmentacja” (segmentation) określają objętość znajdującą się wewnątrz powierzchni okostnej kości. Maska jest wizualizowana jako obraz binarny, natomiast segmentacja odnosi się do wizualizacji obrazu binarnego nałożonego na obraz w skali szarości. Rozróżnienia te są wprowadzone przez program 3D Slicer. Przykład przedstawiono w Rycina 4.
  4. Należy umieścić punkty startowe (seed points) zgodnie z poniższym opisem.
    1. Aby rozpocząć, należy utworzyć nową listę punktów startowych (seed points), aby dodać punkty startowe. W tym celu należy kliknąć menu rozwijane oznaczone jako Punkty inicjujące: Brak orutwórz nową listę poprzez wybranie Utwórz nową listę punktówPonownie, domyślnym standardem etykietowania jest etykieta obrazu wejściowego + _SEEDS. Aby wprowadzić własną etykietę, należy wybrać Utwórz nową listę punktów….
    2. Przewiń przez kolejne przekroje i zidentyfikuj miejsca erozji, umieszczając punkt startowy w obszarze zainteresowania. Naciśnij przycisk Czerwona kropka-niebieska kropla przycisk pokazany na Rysunek 5A aby dodać nowy punkt startowy.
      1. Umieść punkt początkowy (seed point) tak głęboko wewnątrz objętości erozji (w głąb kości beleczkowej), jak to możliwe. Upewnij się, że punkt początkowy znajduje się w najciemniejszym obszarze objętości.
      2. Aby zmienić rozmiar punktu startowego, zmodyfikuj wartość procentową w polu tekstowym oznaczonym jako Rozmiar punktu startowego:Pozostałe pola w tabeli punktów początkowych (seed points), takie jak kość i przerwanie kory, służą do celów dokumentacyjnych użytkownika i nie wpływają na algorytm obliczania erozji.
  5. Uzyskaj informacje zwrotne zgodnie z poniższym opisem.
    1. Po umieszczeniu punktów startowych należy nacisnąć przycisk z napisem Uzyskiwanie nadżerek, wyróżnione w Rysunek 5Bw celu uruchomienia algorytmu pomiaru erozji dla podanych danych wejściowych. Po zakończeniu pomiarów erozji moduł dostarczy informacji zwrotnych na temat rozmieszczenia punktów startowych. Położenie każdego punktu startowego jest porównywane z położeniem erozji referencyjnych, aby dopasować punkty startowe do erozji, którą mają zmierzyć.
    2. Wyznaczyć erozje referencyjne poprzez obliczenie objętości erozji przy użyciu punktów inicjujących (seed points) umieszczonych przez reumatologów przeszkolonych, z bogatym dorobkiem publikacyjnym oraz ponad 10-letnim doświadczeniem w obrazowaniu HR-pQCT i analizie erozji (SF i CF).

Interfejs Slicer pokazujący moduł analizy kości do obrazowania; zawiera narzędzia do segmentacji i rejestracji.
Rysunek 3: Menu rozwijane programu 3D Slicer. Menu rozwijane służące do wyszukiwania modułów analizy kości i wyboru modułu szkoleniowego. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Analiza obrazów mikroskopowych; schemat przedstawiający proces segmentacji i różnicowania tekstury.
Rycina 4: Identyfikacja objętości wewnątrz okostnej kości. (A) Przykład maski. Maska jest zwizualizowana jako obraz binarny. (B) Przykład segmentacji. Segmentacja odnosi się do wizualizacji obrazu binarnego nałożonego na obraz w skali szarości. Rozróżnienia te zostały wykonane za pomocą programu 3D Slicer. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Interfejs oprogramowania 3D Slicer do przetwarzania obrazów medycznych, wybór punktów startowych, analiza erozji.
Rycina 5: Przykładowy zrzut ekranu modułu szkoleniowego w programie 3D Slicer. (A) Kliknij, aby dodać nowe punkty startowe. (B) Kliknij, aby obliczyć objętość erozji. (C) Kliknij, aby zaimportować obrazy. (D) Kliknij, aby wyświetlić punkty startowe wyznaczone przez ekspertów. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

3. Pozyskiwanie obrazów i eksport do narzędzia analizy erozji

  1. Należy pozyskać obrazy HR-pQCT, korzystając ze skanera HR-pQCT pierwszej lub drugiej generacji. Do pozyskania obrazów na potrzeby niniejszego badania wykorzystano skaner komercyjny (patrz Tabela materiałów).
    UWAGA: Obrazy wykorzystane w niniejszym badaniu przedstawiają 2nd i 3rd stawy śródręczno-paliczkowe, a dane pozyskano zgodnie z protokołem opisanym przez Barnabe et al.8jednak obrazy wszelkich stawów z nadżerkami są zgodne z BAM.
  2. Sprawdzić obrazy pod kątem artefaktów ruchowych16,17Nie należy używać obrazów z przypisanymi wynikami ruchu. > 3 do analizy erozji.
  3. Wyeksportuj pliki każdego stawu w formacie AIM (własnościowy format obrazu) lub DICOM (digital imaging and communications in medicine) na dysk lokalny za pomocą protokołu przesyłania plików (FTP). Pliki poszczególnych stawów mogą zostać wygenerowane przy użyciu potoku analizy szerokości szczeliny stawowej (JSW) dostarczonego przez producenta.18Zmień nazwy plików z domyślnego formatu numerycznego, aby ułatwić ich użytkowanie.

4. Konwersja plików i generowanie maski kostnej

UWAGA: W zależności od formatu obrazu, należy wykonać krok 4.1 w przypadku obrazów AIM (właściwy format obrazu HR-pQCT), MHA (format ITK MetaImage), nii (NIfTI - Neuroimaging Informatics Technology Initiative), NRRD (Nearly Raw Raster Data) lub krok 4.2 w przypadku obrazów DICOM.

  1. Aby zaimportować obrazy w jednym z następujących formatów plików: MHA, nii, AIM lub NRRD, należy wykonać poniższe kroki.
    1. Kliknij przycisk oznaczony etykietą DATA znajdujący się w lewym górnym rogu okna 3D Slicer (Rysunek 5C).
    2. Aby dodać pliki obrazów, kliknij Choose File(s) to Add, zlokalizuj i dodaj obrazy.
    3. Aby dodać cały katalog obrazów, kliknij Choose Directory to Add, zlokalizuj i dodaj katalog. Spowoduje to załadowanie wszystkich obrazów znajdujących się w tym katalogu.
    4. Jeśli z jakiegokolwiek powodu maska obrazu musi zostać zaimportowana jako segmentacja 3D Slicer, najpierw przekonwertuj ją do pliku NRRD lub nii. Konwersja ta może zostać wykonana automatycznie, szczegóły znajdują się w kroku 4.4.1.
  2. Zaimportuj pliki DICOM w programie 3D Slicer zgodnie z poniższym opisem.
    1. Kliknij przycisk oznaczony etykietą DCM znajdujący się w lewym górnym rogu okna 3D Slicer.
    2. Kliknij Import DICOM Files, zlokalizuj i dodaj katalog zawierający pliki DICOM (rozszerzenie .dcm).
    3. Kliknij przycisk oznaczony etykietą Load znajdujący się po prawej stronie okna.
  3. Uzyskaj maskę obrazu, korzystając z funkcji Step 2 - Automatic Mask w module BAM - Automatic Mask.
    1. Kliknij menu rozwijane znajdujące się na pasku narzędzi 3D Slicer. Znajdź Bone Analysis Modules i najeźdź na nie kursorem myszy. Kliknij Automatic Mask.
    2. W karcie Step 2 - Automatic Mask wybierz wolumen wejściowy z menu rozwijanego oznaczonego jako Input Volume:. Jest to skan wejściowy.
    3. Utwórz nowy wynik w menu rozwijanym oznaczonym jako output segmentation: i wybierz Create New LabelMapVolume. Utworzy to nowy węzeł wyjściowy nazwany zgodnie z etykietą maski wejściowej + _MASK. Aby nadać wynikowi inną etykietę, wybierz zamiast tego Create New LabelMapVolume as… i wpisz żądaną etykietę.
    4. Wprowadź liczbę kości do zamaskowania w polu tekstowym o tej etykiecie. W menu rozwijanym Algorithm wybierz Ormir, aby uzyskać optymalną segmentację dla tej analizy19.
      UWAGA: Dostępne są inne opcje generowania tych masek i mogą one zostać dodane w przyszłości.
    5. Kliknij Get Mask. Uruchomi to algorytm (~2-3 min) i zapisze wynik w tym samym katalogu co obraz wejściowy. Jeśli obraz zawierał wiele kości, zostanie również zapisana oddzielna maska dla każdej z nich.
  4. Wykonaj ręczną korektę maski kości, korzystając z funkcji Step 3 - Manual Correction w module BAM. Często generowana maska nie jest dokładna. Wykonaj ręczną korektę, aby dodać, usunąć lub edytować konkretne elementy segmentacji.
    1. Aby edytować maskę wygenerowaną w inny sposób lub w poprzedniej sesji programu 3D Slicer, użyj tego modułu, aby załadować te maski do 3D Slicer z pliku. Rozszerzenie pliku może być jednym z następujących: MHA, nii, NRRD, AIM.
      1. Skopiuj obrazy do katalogu LOAD_MASKS znajdującego się w folderze BAM pobranym w kroku 1.3.
      2. Wróć do programu 3D Slicer i naciśnij przycisk oznaczony etykietą Load na etapie ręcznej korekty.
    2. Wybierz segmentację do korekty w menu rozwijanym oznaczonym jako Mask To Be Corrected:".
    3. W menu rozwijanym Master Volume: wybierz oryginalny obraz w skali szarości należący do tej segmentacji erozyjnej. Naciśnij Initialize.
    4. Każda segmentacja musi mieć własny wpis w poniższej tabeli. Wybierz segmentację do korekty na podstawie koloru segmentacji.
    5. Aby dodać element do segmentacji, kliknij drugi przycisk w pierwszym rzędzie. Uruchamia to funkcję malowania. Dodawaj elementy do wolumenów, rysując na obrazach (przytrzymaj lewy przycisk myszy i przesuń mysz).
    6. Aby usunąć część segmentacji, kliknij przycisk pod tabelą oznaczony jako Erase Between Slices. Jest to funkcja ścierania, która działa podobnie do funkcji malowania, ale usuwa elementy.
    7. Rysuj dodatki w razie potrzeby mniej więcej co 10-25 warstw, upewniając się, że uwzględniono pierwszą i ostatnią warstwę, w której dodanie było konieczne.
    8. Jeśli użyto funkcji malowania, zmiany można interpolować, klikając pierwszy przycisk w piątym rzędzie oznaczony jako funkcja Fill in Between Slices. Kliknij przyciski Initialize > Apply.
    9. Jeśli użyto funkcji ścierania, po prostu kliknij przycisk pod tabelą oznaczony jako Apply Erase. Nie używaj funkcji malowania i ścierania jednocześnie. Najpierw zastosuj jedną funkcję, a następnie drugą.
    10. Po zakończeniu edycji naciśnij Apply.

5. Identyfikacja nadżerek

  1. W celu identyfikacji nadżerek należy użyć sekcji Step 4 - Erosions w module BAM - Erosion Volume. Moduł ten jest narzędziem odpowiedzialnym za identyfikację i pomiar objętości nadżerek w obrębie skanu.
    UWAGA: Moduł ten jest głównym przedmiotem narzędzia szkoleniowego opisanego powyżej i posiada niemal identyczny przebieg pracy. Różnica polega na tym, że obliczone nadżerki nie są porównywane z tymi naniesionymi przez ekspertów; w tym przypadku możliwy jest eksport statystyk nadżerek oraz ręczna korekta objętości po ich identyfikacji.
  2. Należy umieścić punkty startowe (seed points) i wyznaczyć nadżerki w sposób opisany w kroku 2.4. Na koniec nie zostanie wyświetlona żadna informacja zwrotna.
  3. Korekta ręczna
    1. Jeśli rozmiar i kształt automatycznie wykrytych objętości nadżerek są niesatysfakcjonujące, należy je edytować w zakładkach oznaczonych jako Step 5 - Manual Correction and Export Segmentation. Należy postępować zgodnie z instrukcjami zawartymi w kroku 4.4. Brak jest jednak opcji wczytania zewnętrznych objętości nadżerek. Po zakończeniu korekty nie należy naciskać przycisku Apply, ponieważ zmiany zostały już zapisane.

6. Statystyki erozji

  1. Wyeksportuj obliczone dane do pliku arkusza kalkulacyjnego (format CSV), korzystając z karty oznaczonej jako Step 6 - Statistics.
  2. W menu rozwijanym Input Erosions podaj objętość erozji obliczoną w kroku 4 i opcjonalnie skorygowaną w kroku 5.
  3. W menu rozwijanym Master Volume podaj obraz w skali szarości. W polu tekstowym wpisz szerokość woksela obrazu w mm. Naciśnij Get Statistics.
  4. Plik arkusza kalkulacyjnego został wygenerowany w katalogu EROSIONS_OUTPUT_DATA znajdującym się w folderze BAM pobranym w kroku 1.3. Przykład tabeli wynikowej przedstawiono w Table 1 .

Wyniki

Korzystając z narzędzia treningowego, użytkownicy mogą ćwiczyć identyfikację miejsc erozji, otrzymując jednocześnie informację zwrotną na temat swoich wyników. Taka pętla sprzężenia zwrotnego może poprawić zdolność użytkownika do rozpoznawania erozji i potencjalnie umożliwić samodzielne wykorzystanie modułów BAM do identyfikacji erozji na własnych obrazach. Informacja zwrotna po umieszczeniu punktu początkowego (seed point) opiera się na następujących kryteriach. 1) Jeśli liczba umieszczonych punktów początkowych nie zgadza się z liczbą erozji referencyjnych, użytkownik zostaje poproszony o usunięcie lub dodanie odpowiedniej liczby punktów początkowych. 2) Jeśli lokalizacja punktu początkowego nie pokrywa się z erozją referencyjną, wyświetlana jest informacja, że w miejscu tego punktu nie występuje erozja. 3) Jeśli punkt początkowy zostanie dopasowany do referencyjnego patologicznego/fizjologicznego przerwania kory, takiego jak torbiel lub kanał naczyniowy, użytkownik zostaje poinformowany o rodzaju przerwania kory, które próbował zidentyfikować jako erozję, i zostaje poproszony o usunięcie punktu początkowego. 4) Jeśli lokalizacja punktu początkowego pokrywa się z erozją referencyjną, algorytm może mimo to nie wykryć erozji. Może się to zdarzyć, gdy punkt początkowy nie został wycentrowany w obrębie erozji. W takich przypadkach użytkownik jest proszony o skorygowanie pozycji punktu początkowego. 5) Jeśli punkt początkowy zostanie umieszczony zbyt daleko od jakiejkolwiek erozji, użytkownik zostaje poinformowany o błędnym umieszczeniu i zachęcony do ponownej próby. 6) Gdy lokalizacja punktu początkowego zgadza się z erozją referencyjną, wyświetlany jest komunikat informujący użytkownika o pomyślnej próbie zidentyfikowania erozji w tym konkretnym punkcie początkowym.

Poniższa sekcja przedstawia przykłady działania modułu w zależności od różnych danych wejściowych. W następnych przykładach zaprezentowano poprawne i niepoprawne dane wejściowe. Rysunek 6A przedstawia położenie punktu inicjującego (seed point) znajdującego się w obrębie erozji. Na tym obrazie występuje tylko jedna erozja, zatem obliczenie obszarów erozji z wykorzystaniem punktu inicjującego przyniesie oczekiwane wyniki. Rysunek 6B pokazuje komunikat wyświetlany użytkownikom, gdy ich próba zidentyfikowania erozji jest zgodna z obrazem naniesionym przez eksperta. Moduł wyświetla również wyniki w formie segmentacji na obrazie w skali szarości (Rysunek 6C). Jeśli użytkownik umieści punkt inicjujący w miejscu pozbawionym erozji, jak na Rysunku 7A, moduł wyświetli komunikat o błędzie (Rysunek 7B) stwierdzający, że w tej lokalizacji nie występuje żadna erozja, oraz zasugeruje użytkownikowi zmianę położenia lub usunięcie punktów inicjujących.

Proces wykrywania erozji; obejmuje analizę obrazów CT oraz wyniki informacji zwrotnej z 100% dokładnością.
Rycina 6: Przykład prawidłowej identyfikacji erozji. (A) Przykład użytkownika prawidłowo umieszczającego punkt startowy (seed point) w miejscu erozji. (B) Przykład komunikatu zwrotnego w przypadku prawidłowej identyfikacji wszystkich erozji. (C) Przykład wyświetlonej segmentacji erozji po jej prawidłowym obliczeniu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Błąd analizy erozji; obraz mikroskopowy w skali szarości A, okno dialogowe błędu B wskazuje problemy z punktem początkowym.
Rycina 7: Przykład błędnej identyfikacji erozji. (A) Przykład punktu początkowego umieszczonego w miejscu, w którym nie występuje erozja. (B) Przykład komunikatu o błędzie, gdy punkt początkowy zostanie umieszczony w lokalizacji pozbawionej erozji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Lokalizacje wszystkich cyst i kanałów naczyniowych na dostarczonych obrazach treningowych zostały zidentyfikowane przez eksperta. Dzięki temu możliwe jest wykrycie sytuacji, w której użytkownik próbuje błędnie zidentyfikować cystę lub kanał naczyniowy. Rycina 8A przedstawia próbę zidentyfikowania cysty poprzez umieszczenie na niej punktu startowego. Rycina 8B przedstawia wyświetlony następnie komunikat o błędzie.

Statyczna analiza tomografii komputerowej; sprzężenie zwrotne o błędach; identyfikacja erozji kości; walidacja analizy wizualnej.
Rysunek 8: Przykład identyfikacji torbieli. (A) Przykład punktu startowego umieszczonego na torbieli. (B) Przykład komunikatu o błędzie podczas umieszczania punktu startowego na torbieli. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Moduł poinformuje również użytkownika, czy liczba punktów startowych (seed points) jest prawidłowa. Jeśli użytkownik umieścił niewłaściwą liczbę punktów startowych, moduł powiadomi go o dokładnej liczbie brakujących lub nadmiarowych punktów niezbędnych do zidentyfikowania wszystkich obszarów nadżerowych na obrazie. Moduł zapewnia także informację zwrotną dla każdego umieszczonego punktu startowego. Dzięki temu użytkownik wie, jakie działania należy podjąć w odniesieniu do każdego poszczególnego punktu. Rysunek 9 przedstawia przykład, w którym użytkownik umieścił tylko jeden punkt startowy, podczas gdy oczekiwano dwóch.

Okno dialogowe błędu nieprawidłowej analizy erozji; informacja zwrotna dotycząca punktów nasienia dla analizy obrazowej.
Rysunek 9: Przykład erozji obliczonych przy braku jednego punktu nasienia. Na przykładzie przedstawiono sytuację, w której użytkownik umieścił tylko jeden punkt nasienia, podczas gdy oczekiwano dwóch. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Jeśli użytkownik ma trudności z odnalezieniem niektórych lub wszystkich nadżerek, ma możliwość wyświetlenia lokalizacji naniesionych przez eksperta poprzez naciśnięcie przycisku o nazwie Reveal Correct Seed Points (Rycina 5D). Po naciśnięciu przycisk ten załaduje poprawne punkty startowe do bieżącego okna programu 3D Slicer.

Podsumowując, wykazuje to, że moduł oprogramowania może oceniać poprawność próby zidentyfikowania przez użytkownika nadżerek na wybranych obrazach poprzez porównanie obliczonej nadżerki z nadżerkami naniesionymi przez ekspertów. Ponadto moduł dostarcza informacji zwrotnych na podstawie każdego punktu początkowego (seed point) umieszczonego przez użytkownika, aby pokierować go w stronę oczekiwanej lokalizacji punktu początkowego oraz odpowiednich parametrów wejściowych.

Identyfikator skanuPrzerwanie kory kostnejKośćEtykietaLokalizacja centroiduObjętość (mm³)3)Powierzchnia (mm²)2)OkrągłośćLiczba wokseli (voxels)
3_Trenowanie.niiErozjaKość śródręczaSEEDS_28-1210, 108, 2423.32166885314.468183780.7441149114853
3_Trening.niiErozjaKość śródręczaSEEDS_28-3179, 100, 2411.1007395627.1212312390.72396594922

Tabela 1: Przykład wygenerowanego pliku wyjściowego (format csv) opisującego obliczone erozje i ich statystyki.

Dyskusja

To narzędzie szkoleniowe daje możliwość nauczenia się rozpoznawania nadżerek za pomocą modułu analizy kości. Dalsze korzystanie z tego narzędzia do analizy erozji poza szkoleniem wymaga dostępu do obrazów dobrej jakości, z niewielkimi lub żadnymi artefaktami ruchu. Definicja erozji HR-pQCT oparta na literaturze opisuje cechy anatomiczne związane z nadżerkami patologicznymi, które można zgłaszać z rozsądną odtwarzalnością 11,20. Definicja ta nie uwzględnia jednak typowych lokalizacji anatomicznych kanałów naczyniowych, co może prowadzić do ich błędnej klasyfikacji jako nadżerek kostnych10.

Krytycznymi etapami w tym protokole są generowanie maski kostnej, umieszczanie punktów nasiennych i generowanie objętości erozji. Chociaż wdrażane są zautomatyzowane metody generowania masek i objętości erozji, maski często wymagają ręcznej korekty, aby zapewnić zadowalające wyniki. Znajduje się tam obszerny opis dostępnych narzędzi do wykonywania ręcznych korekt. Rozmieszczenie punktów wysiewu odbywa się na podstawie przykładów szkoleniowych dostarczonych przez moduł BAM-Training.

Opierając się na dotychczas wykorzystanych danych, protokół ten zawiera sugestie dotyczące rozwiązywania problemów, gdy moduł analizy erozji nie daje oczekiwanych wyników. W przyszłych pracach zapewniony zostanie dostęp do dodatkowych danych szkoleniowych. Poprzednie badanie wykazało, że objętości erozji oceniane tą metodą są porównywalne z istniejącymi metodami 14,21,22. Dostarczenie danych szkoleniowych umożliwi porównanie z nowszymi narzędziami do analizy erozji w miarę ich opracowywania23.

Przedstawione tutaj narzędzie szkoleniowe pomaga przede wszystkim w identyfikacji erozji; Metoda ta jest jednak obecnie ograniczona ze względu na brak konsensusu co do określenia zakresu erozji kości beleczkowej. Niemniej jednak moduły BAM są open source, więc w miarę jak zmieniają się przyszłe definicje zakresu erozji, inni badacze mają dostęp do modyfikowania modułów zgodnie ze swoimi potrzebami.

Wraz z rozwojem wykorzystania HR-pQCT w badaniach reumatologicznych, narzędzie szkoleniowe zapewnia niedoświadczonym użytkownikom wskazówki dotyczące identyfikacji patologicznych zakłóceń korowych na obrazach HR-pQCT do analizy erozji. Narzędzie to będzie miało zastosowanie dla badaczy niezależnie od wybranej metody analizy erozji. Chociaż w pełni zautomatyzowana identyfikacja erozji jest pożądana w celu poprawy odtwarzalności i szybkości analizy, do trenowania modeli uczenia maszynowego wymagane są duże zestawy danych referencyjnych/porównawczych z dokładnymi adnotacjami. Jako narzędzie typu open source, moduł ten daje możliwość wspólnego opracowywania dużych, opatrzonych adnotacjami zestawów danych do wykorzystania w przyszłości w uczeniu maszynowym. Wykorzystanie tego narzędzia szkoleniowego umożliwi większej liczbie badaczy włączenie analizy erozji do swoich badań nad HR-pQCT.

Oświadczenia

Wszyscy autorzy nie mają konfliktu interesów, który mogliby zgłaszać.

Podziękowania

Autorzy chcieliby podziękować następującym agencjom finansującym, które wsparły tę pracę. SLM jest finansowany przez The Arthritis Society (STAR-18-0189) oraz Canadian Institutes of Health Research Planning and Dissemination Grant. JJT posiada stypendium CIHR Fellowship

.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
3DSlicerOpen SourceN/A Pobierzz https://www.slicer.org/
BAM Moduły analizy erozjiOpen SourceN/AWersja użyta w rękopisie: pobierz pod adresem https://doi.org/10.5281/zenodo.7943007
XtremeCTIIScanco Medical N/a

Bibliografia

  1. Schett, G., Gravallese, E. Bone erosion in rheumatoid arthritis: mechanisms, diagnosis and treatment. Nature Reviews Rheumatology. 8 (11), 656-664 (2012).
  2. Ødegård, S., et al. Association of early radiographic damage with impaired physical function in rheumatoid arthritis: A ten-year, longitudinal observational study in 238 patients. Arthritis & Rheumatism. 54 (1), 68-75 (2006).
  3. Scott, D. L., et al. The links between joint damage and disability in rheumatoid arthritis. Rheumatology. 39 (2), 122-132 (2000).
  4. van Nies, J. A. B., et al. Evaluating processes underlying the predictive value of baseline erosions for future radiological damage in early rheumatoid arthritis. Annals of Rheumatic Diseases. 74 (5), 883-889 (2015).
  5. Versteeg, G. A., et al. Early radiological progression remains associated with long-term joint damage in real-world rheumatoid arthritis patients treated to the target of remission. Scandinavian Journal of Rheumatology. , (2021).
  6. Brunet, S. C., et al. Bone changes in early inflammatory arthritis assessed with High-Resolution peripheral Quantitative Computed Tomography (HR-pQCT): A 12-month cohort study. Joint Bone Spine. 88 (1), 105065(2021).
  7. Finzel, S., et al. Repair of bone erosions in rheumatoid arthritis treated with tumour necrosis factor inhibitors is based on bone apposition at the base of the erosion. Annals of Rheumatic Diseases. 70 (9), 1587-1593 (2011).
  8. Barnabe, C., Feehan, L. High-resolution peripheral quantitative computed tomography imaging protocol for metacarpophalangeal joints in inflammatory arthritis: the SPECTRA collaboration. The Journal of Rheumatology. 39 (7), 1494-1495 (2012).
  9. Peters, M., et al. Assessment of Cortical Interruptions in the Finger Joints of Patients With Rheumatoid Arthritis Using HR-pQCT, Radiography, and MRI. Journal of Bone and Mineral Research. 33 (9), 1676-1685 (2018).
  10. Scharmga, A., et al. Vascular channels in metacarpophalangeal joints: a comparative histologic and high-resolution imaging study. Scientific reports. 7 (1), 8966-8968 (2017).
  11. Barnabe, C., et al. Definition for Rheumatoid Arthritis Erosions Imaged with High Resolution Peripheral Quantitative Computed Tomography and Interreader Reliability for Detection and Measurement. The Journal of Rheumatology. 43 (10), 1935-1940 (2016).
  12. Klose-Jensen, R., et al. High-Resolution Peripheral Quantitative Computed Tomography for Bone Evaluation in Inflammatory Rheumatic Disease. Frontiers in Medicine. 7, 337(2020).
  13. Blavnsfeldt, A. G., et al. Effect of radiographic disease severity in high-resolution quantitative computed tomography assessment of metacarpophalangeal joint erosion and cysts. International Journal of Rheumatic Diseases. 24 (1), 112-119 (2021).
  14. Zhao, M., et al. Open-source image analysis tool for the identification and quantification of cortical interruptions and bone erosions in high-resolution peripheral quantitative computed tomography images of patients with rheumatoid arthritis. Bone. 165, 116571(2022).
  15. Fedorov, A., et al. 3D Slicer as an image computing platform for the Quantitative Imaging Network. Magnetic Resonance Imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).
  16. Pauchard, Y., Liphardt, A. -M., Macdonald, H. M., Hanley, D. A., Boyd, S. K. Quality control for bone quality parameters affected by subject motion in high-resolution peripheral quantitative computed tomography. Bone. 50 (6), 1304-1310 (2012).
  17. Sode, M., Burghardt, A. J., Pialat, J. -B., Link, T. M., Majumdar, S. Quantitative characterization of subject motion in HR-pQCT images of the distal radius and tibia. Bone. 48 (6), 1291-1297 (2011).
  18. Stok, K. S., et al. Consensus approach for 3D joint space width of metacarpophalangeal joints of rheumatoid arthritis patients using high-resolution peripheral quantitative computed tomography. Quantitative imaging in medicine and surgery. 10 (2), 314-325 (2020).
  19. Open and Reproducible Musculoskeletal Imaging Research. , https://github.com/SpectraCollab/ORMIR_XCT (2023).
  20. Finzel, S., et al. Reliability and Change in Erosion Measurements by High-resolution Peripheral Quantitative Computed Tomography in a Longitudinal Dataset of Rheumatoid Arthritis Patients. The Journal of Rheumatology. 48 (3), 348-351 (2021).
  21. Töpfer, D., Finzel, S., Museyko, O., Schett, G., Engelke, K. Segmentation and quantification of bone erosions in high-resolution peripheral quantitative computed tomography datasets of the metacarpophalangeal joints of patients with rheumatoid arthritis. Rheumatology (Oxford). 53 (1), 65-71 (2014).
  22. Peters, M., et al. The Reliability of a Semi-automated Algorithm for Detection of Cortical Interruptions in Finger Joints on High Resolution CT Compared to MicroCT. Calcified tissue international. , 1-9 (2017).
  23. Zhang, X., et al. Automatic 3D joint erosion detection for the diagnosis and monitoring of rheumatoid arthritis using hand HR-pQCT images. Computerized Medical Imaging and Graphics. 106, 102200(2023).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Erozje kostnetomografia komputerowa wysokiej rozdzielczo cimodu analizy ko ci3D Slicerprzerwy w korze kostnejsegmentacja obrazupomiar erozji
Identyfikacja erozji w stawach śródręczno-paliczkowych w reumatoidalnym zapaleniu stawów za pomocą obwodowej ilościowej tomografii komputerowej o wysokiej rozdzielczości
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.