Assay цитогенетических dicentric хромосомы (DC) дает количественную оценку воздействия ионизирующего излучения. Программное обеспечение автоматизированных Dicentric хромосомы идентификатор и доза оценщик точно и быстро оценки биологических дозы от РСУ в клетках метафаза. Это отличает моноцентральные хромосом и других объектов от РСУ и оценки дозы облучения биологических от частоты DCs.
Доза излучения биологических можно оценить от частот dicentric хромосом метафазы клеток. Выполнение этих анализов цитогенетических dicentric хромосомы традиционно является ручной, трудоемкий процесс, не хорошо подходит для обработки количества образцов, которые могут потребовать рассмотрения в результате массовых жертв событий. Автоматизированная Dicentric хромосомы идентификатор и доза оценщик (ADCI) программное обеспечение автоматизирует этот процесс путем изучения наборы метафаза изображений с использованием методов обработки изображений на основе обучения машины. Программное обеспечение выбирает соответствующие изображения для анализа путем удаления непригодных изображений, классифицирует каждый объект как содержащие центромер хромосомы или не хромосома, дальнейшего отличает хромосом как моноцентральные хромосом (MCs) или dicentric хромосомы (DCs), определяет частоту DC в образец и оценки дозы облучения биологических путем сравнения частоты выборки DC с калибровочных кривых, рассчитываются с использованием калибровочных образцов. Этот протокол описывает использование ADCI программного обеспечения. Как правило калибровки (известный дозы) и наборы тестов (неизвестный доза) метафаза изображения импортируются для выполнения точной дозы оценки. Оптимального изображения для анализа автоматически с помощью фильтров предустановленных изображений можно найти или также можно фильтровать путем ручного досмотра. Программное обеспечение обрабатывает изображения в пределах каждого образца и DC частоты рассчитываются на различных уровнях жесткости для вызова DCs, с использованием машинного обучения подход. Линейно квадратической калибровочные кривые формируются на основании частоты постоянного тока в калибровочных образцов известных физических дозы. Дозы испытательные образцы подвергаются неопределенной радиационного оцениваются от их частоты постоянного тока, используя эти калибровочных кривых. Отчеты могут быть получены по запросу и предоставлять резюме результатов из одного или более образцов, одного или нескольких калибровочных кривых или оценки дозы.
Биодозиметрические излучения использует биологических маркеров, главным образом хромосомных аберраций как dicentric хромосом (DCs) и хромосомные транслокации для измерения доз радиации, которые люди подвергаются воздействию. Биологически поглощенной дозы может отличаться от физических дозы, измеряется приборами вследствие изменчивости между людьми. Аналогичным образом излучение определенной физической дозы может производить различные биологические воздействия за счет основных физиологических или экологических условий. Знания о биологическом дозы имеет особое значение для диагностики и лечения.
DC assay является золотым стандартом Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) и Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) для оценки биологических облучения людей. Это был первый assay, рекомендованным МАГАТЭ и ВОЗ для оценки дозы радиации. Постоянного тока частота является относительно стабильным для примерно через 4 недели после радиационного облучения1 и их количественные корреляции с испускаемого излучения дозы является точной, которые делают DCs идеально подходит биомаркёра. Отношения между дозы излучения (ссылка в единицах Грей [гр]) и постоянного тока частотой (упоминается как количество контроллеров домена в ячейке) может выражаться как линейный квадратичной функции.
Цитогенетического анализа DC является отраслевым стандартом для около 55 лет2. Она была выполнена вручную, требующих 1-2 дня для анализа данных Микроскоп из одной крови. Нескольких сотен до нескольких тысяч изображений необходимо точно оценить радиационного облучения в зависимости от дозы3. При дозах, превышающих 1 гр МАГАТЭ рекомендует, как минимум 100 DCs быть обнаружены. Экспертиза по 250-500 метафаза изображений является обычной практикой в цитогенетических лабораториях Биодозиметрические. Для образцов с экспозицией < 1 гр, 3000-5000 изображения предлагаются из-за нижней вероятности формирования DC. В любом случае это труд интенсивных задач.
Цитогенетические Биодозиметрические лаборатории создавать свои собственные в vitro излучения Биодозиметрические калибровочные кривые перед оценки биологических доз в испытательных образцов. Образцы крови от нормального, управления лиц подвергаются воздействию радиации и лимфоцитов затем культивировали и готовы для анализа хромосом метафазы. С помощью этих образцов, биологические доз, полученных калибруются на известных физических доз, излучаемый источником излучения стандартного. После того, как метафаза ячейки изображения записываются, эксперты изучают изображения, рассчитывать DCs и вычисления частоты постоянного тока для каждого образца. Калибровочная кривая строится путем установки линейной квадратичной кривой на DC частоты при всех дозах. Затем облучения образца от физических лиц могут быть получены путем сопоставления DC частоты на калиброванных доз на кривой или указав их в соответствующей формулы квадратного уравнения линейной.
Мы автоматизировали обе обнаружения контроллеров домена и доза решимости ускорить эту процедуру, с помощью программного обеспечения. Автоматизированная Dicentric хромосомы идентификатор и доза оценщик (ADCI) использует методы обработки изображений на основе обучения машины для обнаружения и дискриминацию dicentric хромосом (DCs) от моноцентральные хромосом (MCs) и другие объекты и автоматизирует излучения Оценка дозы. Программное обеспечение цель значительно сократить или устранить необходимость для ручной проверки DC графов и ускорить оценки дозы через средство автоматизации. Она была разработана с участием Биодозиметрические эталонных лабораторий в области здравоохранения Канады (HC) и канадской ядерной лаборатории (CNL). Их отзывы обеспечит, что производительность будет продолжать соответствовать критериям МАГАТЭ для этот assay.
Программное обеспечение выполняет следующие функции: 1) фильтрации DCs и выбора оптимального метафаза ячейки изображения для анализа, 2) хромосомы признание, обнаружения DC и DC определение частоты и 3) оценки дозы облучения от дозы калиброванные, Цитогенетические излучения данных. Это программное обеспечение обрабатывает группы метафаза изображений из того же индивидуальных (называемых образец), рассчитывает количество контроллеров домена в каждом с использованием изображений методы обработки и возвращает оценкам лучевая полученных каждого образца в единицах Грейс (Gy).
Программа была разработана для обработки ряда структур хромосомы, графов и плотности. Однако алгоритм выполняет оптимально в метафаза изображений, содержащих почти полное дополнение четко отделенные, линейных хромосом4. Изображения, содержащие весьма перекрывающегося наборы хромосом, несколько ячеек, неполной метафаза клетки, сестра хроматиды разделения, ядер, не хромосомных объекты и другие дефекты можно уменьшить точность алгоритма. Посвященный модели выбора изображений и других объектов сегментации, что пороги можно отфильтровать большинство югу оптимального изображения и ложных положительных DCs.
Dicentric хромосомы обнаружение выполняется при обработке изображения. Алгоритм пытается определить, какие объекты в изображении хромосом и затем определяет местонахождение двух регионов, скорее всего, быть центромеры на каждой хромосомы. Затем серию различных поддержки вектор машин (SVM) обучения модели отличают хромосом как DCs или нормальный, моноцентральные хромосом. SVM модели отличаются чувствительность и специфичность обнаружения DC (см. шаг 3.1.4 ниже), которые могут повлиять на DC частоты, которые определяются в образце.
ADCI обрабатывает наборы Гимза – (или DAPI-) окрашенных метафаза цифровых изображений (в формате TIFF или JPG) для одного или более образцов. Программное обеспечение анализирует РСУ в калибровочных образцов и образцов. Физические дозы (в Gy) калибровочных образцов известны и используются в поколение калибровочной кривой. Физических и биологических доз лица с неизвестным воздействия выводятся на программное обеспечение от машины генерируемые калибровочной кривой. Хотя лаборатории использовать сопоставимые методы, калибровочных кривых из разных лабораторий часто различаются3. Для оценки точной дозы в испытательных образцов должны быть обработаны обе калибровки кривой и испытаний образцов из той же лаборатории.
Это программное обеспечение предлагает скорость, точность и масштабируемость какие адреса, производительности, необходимый для обработки события, в котором многие люди должны испытываться одновременно. Он был разработан с 2008-20174,5,6,,78,9,10,11,12 ,13. Используя последние компьютеры, это ОбоиПрограммное обеспечение PC может обрабатывать и оценки дозы облучения в пробе пациента 500 метафаза генома эквивалентов в 10-20 мин. 4. Код основан на наборе сегментации несвободных изображений и машинного обучения алгоритмов для анализа хромосом. Экспертный анализ каждой хромосомы, 3 гр облучении дал сопоставимой точности ADCI. В наборе 6 образцов неизвестных воздействия (ранее использовался в международной квалификации упражнения) программное обеспечение оценкам дозы в течение 0.5 Gy значений, полученных путем ручной обзор тех же данных HC и CNL, выполняя требования МАГАТЭ для рассмотрения Биодозиметрические. Кроме того межлабораторных стандартизации и, в конечном счете, воспроизводимость дозы оценки выгод от того общего, автоматизированных DC, забив алгоритм. Тем не менее программное обеспечение позволяет настройки изображения фильтрации и критерии отбора, позволяя различия в методах подготовки хромосомы и калибровки источников излучения следует принимать во внимание.
Это программное обеспечение является графический интерфейс пользователя (GUI) – на основе системы, которая анализирует наборов хромосом изображений, содержащих Гимзы (или DAPI) – окрашенные клетки метафаза отклонений, которые в результате воздействия ионизирующего излучения. Наборы изображений цифровой фотографируется с системой Микроскоп свет (или epifluorescent), и каждый набор соответствует другой образец. Программное обеспечение использует методы для обнаружения и дискриминацию DCs от MCs и другие объекты обработки изображений. Эмпирически полученных сегментации фильтры автоматически устранить ложные положительные DCs не затрагивая истинный DCs. Наконец программное обеспечение автоматически отфильтровывает нежелательные изображения, основанные на различных свойств изображения найдены метафаза изображения низкого качества с предварительно вычисленными (или указанной пользователем) изображения выбор модели. Эти изображения включают те, которые содержат чрезмерного или недостаточного числа «шумные» объектов, несколько перекрывающихся хромосом, изображения не хватает метафаза хромосом, чрезмерное количество сестра chromatids4. Изображения автоматически курированные данные используются для создания Калибровочная кривая доза от образцов известных лучевая и используются для оценки воздействия испытательных образцов, неизвестные дозы.
Вывод программного обеспечения может быть просмотрен и сохранен как: выход 1) на основе текста, отображаемого в консоли, 2) участков, которые могут быть сохранены как изображения и 3) отчеты в формате HTML. Многие аспекты программного обеспечения настраиваются с учетом конкретных потребностей различных лабораторий. Отдельные лаборатории обычно предоставляют, поверочные и испытательные образцы подготовлены и собраны на основе цитогенетических протокола проверки в этой лаборатории. Это обеспечивает единообразие пробоподготовки и калибровочные кривые, созданные из калибровочных образцов конструктивно применяться для тестирования образцов, полученных, используя тот же протокол. Могут также создаваться калибровочных кривых кривой коэффициенты или частоты постоянного тока в определенных дозах. Наиболее точные оценки дозы получаются путем фильтрации ниже качество изображения и ложных положительных DCs (FPs). Выбор оптимального изображения подмножеств в пределах каждого образца осуществляется с помощью «Изображение выбор модели», которые устраняют подпаритета изображения, которые склонны вводить FPs. Серия предварительно проверенные модели включены в программное обеспечение, однако дополнительные модели с заказной пороговых значений и фильтров может быть создан и сохранен, пользователь.
После того, как успешно загружает программное обеспечение, основной графический интерфейс пользователя (GUI) представлены (см. Рисунок 1). От этого интерфейса, образцы, состоящих из папки метафаза ячейки файлов изображений, могут быть выбраны и обработаны для выявления DCs, калибровочные кривые могут быть созданы и сравнении и экспозиционной дозы излучения образцов может быть определено.
Рисунок 1: Основных секторов графического пользовательского интерфейса включают: список образцов (1), список калибровочных кривых (2), процесс очереди (3), который контролирует состояние обнаружения DC в каждом наборе изображений каждого образца, участок дисплей (4), который суммирует статистических или других количественных свойств набора изображений образцов или калибровочных кривых и консоли (5) , который содержит описательный текст в качестве мероприятий каждой операции, выполняемой программы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Возможности и ограничения программного обеспечения
Протокол, описанные в настоящем документе представляет типичный поэтапный процедура, используемая в ADCI для импорта и обработки изображений цитогенетических метафаза, создания излучения калибровочных кривых и оценки биологических дозы в отдельных лиц или образцы подвергаются неизвестно уровни радиации. Однако нет необходимости выполнять эти инструкции последовательно. Например многие опытные образцы неизвестных дозы могут быть обработаны и проанализированы с использованием той же вычисляемых калибровочной кривой. Кроме того после завершения обработки выбора изображения и фильтрации модели DC может быть повторен до пользователем. Применение соответствующего изображения выбор модели зависит от характеристик и качества данных метафаза изображения, которая в свою очередь опирается как на лабораторных протокол, используемый для подготовки клетки и жесткости критериев, используемых для выделения ячеек с автоматизированной метафаза захвата систем. Хромосома морфологии будут отличаться между Биодозиметрические и цитогенетического лаборатории, и таким образом, выбор моделей изображения должны быть оценены пользователю определить, будет ли достаточным для предопределенный выбор модели поставляются с программным обеспечением производить оценки точной дозы, или ли пользовательские модели с пользователем пороговые значения должны быть созданы. Основываясь на нашем опыте, эффективность изображения выбор модели зависит от источника и качества изображения клетки. Пользователи могут разрабатывать свои собственные критерии выбора изображения, используя различные комбинации фильтров для ликвидации ложных положительных DCs и изображения выбор моделей и соответствующие пороговые значения, чтобы выбрать нужные изображения. Существует гибкость в калибровочных кривых и оценки дозы, как коэффициентов линейной квадратичной кривой и частоты постоянного тока может быть изменено или вручную вводятся.
Хотя программное обеспечение полностью автоматизирован, изображения можно вручную обзор и выбран. Эта возможность доступна включить или удалить индивидуально обработанные изображения через функцию просмотра микроскопа в основной графический интерфейс пользователя. Тем не менее за счет автоматизации, программное обеспечение является значительно более эффективным по сравнению с ручным скоринга метафаза изображений и подсчета DCs. Образец, состоящий из 1000 изображения могут быть обработаны в 20 (tiff) 40 мин (jpg) на рабочей станции производительность многоядерных процессоров. Это программное обеспечение будет особенно полезным в врем критически или трудоемких ситуациях, например, события в которой несколько лиц стали жертвами или были предположительно подверглись воздействию радиации, или где срочных диагностику и лечение решения имеют решающее значение.
Точного и аккуратного высокой пропускной способности обнаружения контроллеров домена, а также дозы оценки необходимы для оценки без присмотра излучения. Другие доступные альтернативы для программного обеспечения не выполняют оба эти требования. При содействии пользователя, на основе образа цитогенетического анализа (DCScore, метасистемной17) системы требует ручной проверки кандидата DCs, ошибкой высокий показатель объясняется нескорректированной перекрытий между хромосом, и система не определить доза радиации. DCScore не будет столь эффективным, как ADCI в событии излучения с участием большого числа потенциально облучаемых лиц. Большой апертурой микроскопа можно собирать образы нескольких метафаза клетки18, однако, они не анализировать их. 19 «CABAS» и «Дозы оценивают» программное обеспечение20 может генерировать калибровочных кривых и оценки дозы, но не забиваешь DCs. Другие Биодозиметрические анализов, которые не основаны на анализе DC включают H2AX флуоресценции, флуоресценции в situ гибридизация ДНК зонды ориентированы на конкретные хромосом, экспрессии генов, пробирного микроядро и мочи и дыхательных биомаркеров. Эти методы являются конкретными и чувствительных для ионизирующего излучения, могут быть более дорогостоящими, в некоторых случаях, больше времени и обычно не были стандартизированы через несколько эталонных лабораторий. Большинство из этих методов не обнаруживать стабильные излучения ответы, поэтому они не могут использоваться для оценки долгосрочной перспективе (> 7 дней после контакта) дозы излучения. Напротив это можно оценить лиц до 90 дней после воздействия и может обрабатывать данные из любого цитогенетика лабораторный Микроскоп изображений системы. Однако если выборка > 4 недель после контакта, чувствительность снижается из-за распада dicentric аберраций1,2,3 и программное обеспечение в настоящее время не исправить DC частот для задержек в выборки облучаемых лиц.
Это программное обеспечение имеет некоторые ограничения. Существующие модели выбора изображения выберите основном приемлемым метафаза изображения, но в некоторых случаях не ликвидации неудовлетворительного изображений, которые могут уменьшить точность обнаружения DC. Это по-прежнему открытым вопрос как разработать удовлетворительное изображение выбор модель, которая устраняет все непригодные метафаза клетки. Программное обеспечение предоставляет точные оценки для образцов, подвержены более высокие дозы облучения (≥ 2 гр). Несмотря на значительный прогресс в деле сокращения числа ложных положительных DCs16эти объекты не были устранены. Снижение качества метафаза клетки в дозе радиации низкого (особенно < 1 гр) являются более склонными к ложных положительных обнаружения DC. Таким образом низкие дозы образцы не были включены, при генерации калибровочной кривой, используемых для оценки дозы HC испытательных образцов. Однако, если желательно кривой, содержащие образцы низкой дозы, меньшее значение SVM Сигма снижает ложных положительных графов в образцах низкой дозы может привести к снижению урожайности DC в высокой дозе образцы. Рисунок 8 сравнивает кривой HC, используемых для оценки дозы (Сигма = 1,5) с калибровочной кривой подходят с образцами дополнительные низкой дозы на меньшее значение Сигма SVM (1.0). В образцах с недостаточным количеством метафаза клеток и/или низкого качества метафаза изображения может оказаться невозможным точно оценить биологические воздействия низких доз, потенциально приводит к отклонениям от физической дозе, превышающей 0,5 гр.
Программное обеспечение не может точно оценить типы излучения, если их доза реакция кривых наиболее подходят линейной или вблизи линейная модель. До настоящего времени он был протестирован только с образцами, подвергается X – и гамма-лучей. Если рассматривается другой источник излучения, пользователи должны убедиться, поверочные и испытательные образцы подвергаются воздействию того же типа излучения. Программное обеспечение использует максимального правдоподобия или наименьших квадратов, арматура для построения кривой доза ответ с помощью линейной квадратичной модели. Существует в настоящее время отсутствует возможность налагать строгие линейной кривой, соответствующие воздействия частиц высоких энергий, однако такие функциональные возможности будут доступны в будущем.
Будущее развитие
Наши постоянные усилия направлены на улучшение изображения выбор модели и точной дозы измерения, в частности, воздействию низких доз облучения образцы. Последующие версии будет предоставлять стандартная ошибка измерения дозы оценки и доверительные интервалы на калибровочных кривых. Кроме того высокой производительности вычислений версии программного обеспечения для суперкомпьютера Голубой Ген (BG/Q, IBM) находится в стадии разработки для своевременной оценки лиц, подвергающихся в событии массовые жертвы излучения. Некоторые компоненты программного обеспечения уже были испытаны и развернуты на этой платформеЛасс = «внешней» > 11.
The authors have nothing to disclose.
Мы признательны д-р Рут Уилкинс, радиобиологии и Отдел охраны в Министерство здравоохранения Канады и Фарра Флегалом, канадский ядерных лабораторий и их персонал лаборатории для доступа к данным изображения метафазы от их цитогенетических Биодозиметрические лаборатории. Этот документ был поддержан контракт от построения в Канаде инновационной программы CytoGnomix (серийный номер EN579-172270/001/SC). В первоначальной версии ADCI и разработка алгоритмов были поддержаны в Западной инновационный фонд; Естественных наук и инженерии исследовательский совет Канады (СЕНТИ обнаружения Грант 371758-2009); Служба общественного здравоохранения США (DART-доза CMCR, 5U01AI091173-0); Канадский фонд для инновационной деятельности; Канада исследований стульев и CytoGnomix Inc.
Automated Dicentric Chromosome Identifier and Dose Estimator (ADCI) | CytoGnomix | NA | ADCI software is released in a binary installation package file for Microsoft Windows 7, 8, 8.1 and 10; 235 Mb of disk storage are required for a typical installation. The software has been tested with Intel or AMD x86-64 processors; at least 1 Gb RAM is recommended. Analyses have been benchmarked on a computer configured with an Intel I7 processor and 16 Gb RAM. Operation of ADCI requires an active license and a USB-based hardware dongle, which must remain plugged in while the software is executing. The dongle encodes the software expiry date. Each time the software is started, this date is read. The software will allow access to the program if the current date and time precedes the expiration time-date stamp. Extending an expired software license can be accomplished by obtaining a new dongle or by renewing the license with an updated key at startup. |
Digital images of metaphase cell nuclei | Examples: Metasystems, Leica Microsystems | M-Search (Metasystems), Cytovision (Leica) software | High resolution TIFF format; typically >250 digital images generated with a microscope imaging capture system (minimum 63x magnification objective, 10x magnification ocular). |
MSI Leopard Pro (recommended, optional) | Micro-Star International | MSI GP62 6QF 480CA Leopard Pro | Multi-core performance workstation. |