$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Wszystkie eksperymenty na zwierzętach zostały zatwierdzone przez Komitet ds. Opieki nad Zwierzętami i Wykorzystania Uniwersytetu Medycznego w Kantonie. Eksperymenty przeprowadzono na 6-8-tygodniowych samcach myszy C57BL/6 o wadze 25-30 g. Myszy trzymano w 12-godzinnym cyklu światło/ciemność (światło: 25 luksów) z dostępem ad libitum do pożywienia i wody i losowo przydzielono do grup kontrolnych i BLM.
1. Jednostronne wkraplanie dotchawicze płuc
- Znieczulenie C57BL/6 samców myszy (6-8 tygodni, 25-30 g) za pomocą dootrzewnowego wstrzyknięcia 1% pentobarbitalu sodu (50 mg/kg).
- Monitoruj poziom znieczulenia, obserwując częstość oddechów i odruch wycofania kończyn.
- Zabezpiecz mysz w pozycji leżącej na plastikowej desce ustawionej pod kątem 70°-90°, przytrzymując siekacze i kończyny.
- Użyj sterylnych kleszczy z końcami, aby delikatnie cofnąć język.
- Włóż niestandardową igłę 22 G do tchawicy za pomocą laryngoskopu dla małych zwierząt, aby uwidocznić strukturę nagłośni i jamy ustnej gardła. Obróć deskę w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara do -70°, aby wyrównać lewe oskrzela główne równolegle do oskrzela głównego. Przesuwać igłę, aż poczujesz opór.
UWAGA: Wstępnie zmierz długość cewnika za pomocą myszy ćwiczebnej o podobnym rozmiarze, aby zapewnić optymalną długość wprowadzenia.
- Obróć szybko pod kątem 30° i wlej 40 μl roztworu bleomycyny (0,02 mg). Wyjąć igłę.
- Przytrzymaj mysz w tej pozycji przez co najmniej 30 sekund, aby zapewnić prawidłową dystrybucję leku.
- Pozwól myszy dojść do siebie w pozycji leżącej na rozgrzewającym kocu.
2. Skanowanie mikrotomografią komputerową (mikro-CT)
UWAGA: Myszy zostały zeskanowane za pomocą systemu micro-CT zgodnie z instrukcjami producenta.
- Wykonaj mikrotomografię komputerową na myszach przez 3 tygodnie po wkropleniu bleomycyny.
- Dodaj odpowiednią ilość izofluranu do parownika urządzenia do znieczulania gazem dla małych zwierząt, włącz parownik, dostosuj stężenie indukcji do 3% i umieść myszy w pudełku indukcyjnym, aż stracą odruch przerzutnika i będą wykazywać powolny, głęboki oddech.
- Wyjmij myszy z pudełka indukcyjnego i umieść je na wznak na stole do skanowania, tak aby myszy miały wyprostowane kończyny i ciała wyrównane wzdłuż linii środkowej.
- Ustawić stężenie podtrzymujące izofluranu w tabeli skanowania na 1%.
- Ustaw tryb skanowania Micro-CT: poprzeczne pole widzenia 43 mm, rozdzielczość 2K x 2K, rozmiar piksela 0,042 mm, grubość warstwy 0,042 mm.
- Po zeskanowaniu umieść myszy na ocieplającym kocu, aż się obudzą.
3. Przetwarzanie końcowe mikro-CT: Jednostronna selektywna segmentacja płuc i analiza objętości
UWAGA: Przetwarzanie obrazu i analiza ilościowa zostały wykonane za pomocą darmowego, otwartego oprogramowania 3D Slicer (http://www.slicer.org), zgodnie z instrukcjami producenta. Zakresy kliniczne Hounsfield Unit (HU) dla okna płuc zastosowano w celu normalizacji obrazów HU, segmentując miąższ płuc na regiony normonapowietrzone ([-1000, -350] HU), jak wcześniej informowano 8,9,11. Procedura przetwarzania obrazu jest opisana w następujący sposób:
- Otwórz fragmentator 3D. Interfejs operacyjny przedstawiono na rysunku 1.
- Kliknij przycisk Załaduj , aby zaimportować dane obrazowania w formacie DICOM. Obrazy osiowe, czołowe i strzałkowe będą wyświetlane w głównym interfejsie (rysunek 2).
- Dostosuj parametry związane z widokiem strzałkowym, jak pokazano na rysunku 3 (opcjonalnie). (1: pokaż ukryte opcje; 2: wybierz Zmień nazwę bieżącego woluminu; 3: Wprowadź nową nazwę).
- W module Edytor segmentów kliknij przycisk Dodaj , aby utworzyć segmentację do selektywnej analizy płuc (prawe płuco) (Rysunek 4) (1: Objętości; 2: Edytor segmentów; 3: Dodaj segment; 4: Ustaw próg; 5: Dostosuj zakres progu; 6: Użyj do maskowania; 7: Ustaw pędzel sferyczny).
- Dostosuj zakres progowy do [-1000, -350] HU i włącz opcję Użyj do maskowania .
- Użyj narzędzia Malowanie z pędzlem sferycznym, aby podzielić żądane obszary płuc na segmenty.
- Wybierz narzędzie Wyspa i wybierz opcję Zachowaj wybraną wyspę. Podświetl prawe płuco, a następnie kliknij Pokaż 3D , aby wyświetlić model 3D w panelu wizualizacji (Rysunek 5) (1: Edytuj wyspy (połączone komponenty); 2: Wybierz opcję "Zachowaj wybraną wyspę"; 3: Pokaż model 3D).
- W panelu Terminologia zmień kolor modelu 3D na niebieski (opcjonalnie).
- Powtórz kroki 3.4-3.6 dla lewego płuca. Przetwarzaj osiowe obrazy CT klatki piersiowej warstwa po warstwie, aby obliczyć wentylowaną objętość lewego płuca i utworzyć model 3D (ryc. 6).
- Zmień kolor modelu 3D lewego płuca na żółty (opcjonalnie).
- Ustaw nieprzezroczystość segmentacji prawego płuca na 0,2.
- Wyeksportuj model 3D zgodnie z wymaganiami (Rysunek 7).
- Zrób zrzuty ekranu z widoku 3D lub pokrój obrazy na plasterki i zapisz je (Rysunek 8) (1: Zrzut ekranu z adnotacją; 2: Wybierz format obrazu; 3: Zmodyfikuj ścieżkę zapisywania).
- Moduł Statystyka segmentu służy do obliczania objętości płuc (mm3) dla każdego segmentu i przeprowadzania analizy ilościowej regionów napowietrzonych normo (ryc. 9).

Rysunek 1: Interfejs oprogramowania 3D Slicer. Rysunek przedstawia główny interfejs operacyjny oprogramowania 3D Slicer. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 2: Obrazy CT zwłóknienia płuc wywołanego jednostronnym wkraplaniem dotchawiczym u myszy. Widok osiowy, czołowy i strzałkowy wraz z rekonstrukcją 3D płuc po wkropleniu bleomycyny. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Regulacja parametrów widoku strzałkowego. Rysunek ilustruje regulację parametrów, umożliwiając precyzyjną wizualizację i analizę. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Edycja segmentacji i korekty parametrów. Rysunek przedstawia proces edycji segmentacji i odpowiednich korekt parametrów. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 5: Segmentacja 3D prawego płuca. Proces składa się z trzech sekwencyjnych kroków: edycji połączonych komponentów do segmentacji płuc (krok 1), wybrania opcji Zachowaj wybraną wyspę , aby wyizolować prawe płuco (krok 2) i kliknięcia Pokaż 3D , aby wyrenderować model w panelu wizualizacji (krok 3). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 6: Rekonstrukcja 3D lewego płuca na podstawie analizy mikrotomografii komputerowej. Obrazy osiowej tomografii komputerowej klatki piersiowej zostały przetworzone warstwa po warstwie w celu segmentacji napowietrzonych obszarów, ilościowego określenia objętości wentylowanej i zrekonstruowania modelu 3D. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 7: Rekonstrukcja 3D płuc na podstawie analizy mikrotomografii komputerowej wentylowanej objętości płuc w modelu jednostronnego zwłóknienia płuc. Zrekonstruowane modele zostały wyeksportowane w określonych formatach do predefiniowanych katalogów. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 8: Przewodnik po zapisywaniu obrazów. Rysunek przedstawia sekwencyjne kroki zapisywania obrazów, począwszy od zainicjowania funkcji zapisywania za pomocą menu Adnotacja Zrzut ekranu do wyboru formatów i zdefiniowania ścieżek przechowywania. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 9: Analiza statystyczna oparta na mikrotomografii komputerowej w modelu jednostronnego zwłóknienia płuc. Przeanalizowano dane ilościowe pochodzące z regionów normo-napowietrzonych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
4. Barwienie trichomów Massona
- Utrwalić próbkę płuc za pomocą 4% paraformaldehydu w temperaturze pokojowej (RT) przez noc, odwodnić za pomocą sortowanej serii etanoli i zatopić w parafinie. Przygotuj plastry o grubości 5 μm za pomocą obrotowego mikrotomu.
- Wykonaj barwienie trichromowe Massona na sekcjach w następujący sposób.
- Przepłukać odparafinowane i ponownie uwodnione skrawki w wodzie destylowanej, a następnie poddać działaniu zaprawy w podgrzanym płynie Bouin w temperaturze 56-60 °C przez 1 godzinę lub przez noc w temperaturze pokojowej.
- Po umyciu wybarwić skrawki roztworem żelaza hematoksyliny Weigerta na 10 min, spłukać pod bieżącą ciepłą wodą z kranu przez 10 min i zanurzyć w roztworze szkarłatnej fuksyny Biebricha na 10-15 min.
- Osiągnij różnicowanie za pomocą roztworu kwasu fosfomolibdenowo-fosfatungstycznego przez 10-15 minut i monitoruj, aż obszary bogate w kolagen zmienią kolor z czerwonego na przezroczysty.
- Następnie bezpośrednio przenieś szkiełka do roztworu błękitu anilinowego na 5-10 minut, spłucz w wodzie destylowanej i rozróżnicuj w 1% roztworze kwasu octowego przez 2-5 minut.
- Po odwodnieniu za pomocą sortowanego etanolu (95% do alkoholu bezwzględnego) i oczyszczeniu z ksylenu, zamontuj sekcje za pomocą żywicznego medium.
5. Analiza uczenia maszynowego barwienia trychromowego Massona
- Histopatologiczna ocena analizy składu kolagenu w płucach kontrolnych i leczonych bleomycyną przy użyciu barwienia trichromowego Massona.
- Aby zmniejszyć odchylenia zależne od obserwatora, uzyskaj cyfrowe obrazy o wysokiej rozdzielczości barwionych odcinków płuc za pomocą skanera obrazów całych slajdów.
- Następnie przeanalizuj ilościowo obszary kolagenu za pomocą zautomatyzowanej analizy obrazu orbity za pomocą oprogramowania 8,9,12. Proces szkolenia został pokrótce opisany poniżej.
- Ręcznie narysuj kilka reprezentatywnych adnotacji dla każdej kategorii tkanki (np. kolagen, normalna tkanka i tkanka zwłóknieniowa). Użyj wyodrębnionych funkcji pikselowych z regionów treningowych z adnotacjami, aby skonstruować zestaw treningowy dla maszyny wektorów nośnych (SVM).
- W przypadku skrawków barwionych Massonem zdefiniuj klasyfikację tkanek na trzy kategorie: kolagen, normalna tkanka i tło.
UWAGA: Model uczenia maszynowego jest poddawany iteracyjnemu trenowaniu na całych obrazach slajdów (WSI) poprzez wielokrotne adnotacje i udoskonalenia, aż oceny zatwierdzone przez patologa potwierdzą dokładną kategoryzację tkanek. Po osiągnięciu zadowalającej dokładności klasyfikacji, proces staje się w pełni zautomatyzowany: cechy są wyodrębniane z każdego piksela w prawidłowych obszarach zainteresowania (ROI), a następnie SVM z dużą precyzją przewiduje odpowiednią kategorię tkanki.