Erosion Identification in Metacarpophalangeal Joints in Rheumatoid Arthritis using High-Resolution Peripheral Quantitative Computed Tomography

Yousif Al-Khoury; Stephanie Finzel; Camille Figueiredo; Andrew J. Burghardt; Kathryn S. Stok; Lai-Shan Tam; Isaac Cheng; Justin J. Tse; Sarah L. Manske

doi:10.3791/65802

JoVE Journal > Medicine

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Medicine

تحديد التآكل في المفاصل المشطية الوعائية في التهاب المفاصل الروماتويدي باستخدام التصوير المقطعي المحوسب الكمي المحيطي عالي الدقة

Published: October 06, 2023

doi:

10.3791/65802

Yousif Al-Khoury^1,2, Stephanie Finzel³, Camille Figueiredo⁴, Andrew J. Burghardt⁵, Kathryn S. Stok⁶, Lai-Shan Tam⁷, Isaac Cheng⁷, Justin J. Tse¹, Sarah L. Manske¹

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

Summary

تآكل العظام هي سمة مرضية مهمة لالتهاب المفاصل الروماتويدي. الغرض من هذا العمل هو تقديم أداة تدريبية لتزويد المستخدمين بإرشادات حول تحديد الفواصل القشرية المرضية على صور التصوير المقطعي المحوسب الكمي المحيطي عالية الدقة لتحليل التآكل.

Abstract

تآكل العظام هي سمة مرضية لعدة أشكال من التهاب المفاصل الالتهابي بما في ذلك التهاب المفاصل الروماتويدي (RA). يرتبط الوجود المتزايد للتآكل وحجمه بنتائج سيئة ووظيفة مشتركة وتطور المرض. يوفر التصوير المقطعي المحوسب الكمي المحيطي عالي الدقة (HR-pQCT) تصورا لا مثيل له في الجسم الحي لتآكل العظام. ومع ذلك ، في هذا القرار ، تظهر أيضا الانقطاعات في القشرة القشرية (الفواصل القشرية) المرتبطة بالعمليات الفسيولوجية الطبيعية وعلم الأمراض. استخدمت دراسة grouP للتصوير المقطعي المحوسب xtrEme في التهاب المفاصل الروماتويدي سابقا عملية إجماع لتطوير تعريف للتآكل المرضي في HR-pQCT: كسر قشري تم اكتشافه في شريحتين متتاليتين على الأقل ، في مستويين عموديين على الأقل ، غير خطي الشكل ، مع فقدان العظام التربيقية الكامنة. ومع ذلك ، على الرغم من توفر تعريف توافقي ، فإن تحديد التآكل مهمة شاقة مع تحديات في التباين بين المقيمين. الغرض من هذا العمل هو تقديم أداة تدريبية لتزويد المستخدمين بإرشادات حول تحديد الفواصل القشرية المرضية على صور HR-pQCT لتحليل التعرية. يستخدم البروتوكول المقدم هنا وحدة مصممة خصيصا (وحدة تحليل العظام (BAM) – التدريب) ، يتم تنفيذها كامتداد لبرنامج معالجة الصور مفتوح المصدر (3D Slicer). باستخدام هذه الوحدة ، يمكن للمستخدمين التدرب على تحديد التآكل ومقارنة نتائجهم بالتآكل المشروح من قبل أطباء الروماتيزم الخبراء.

Introduction

يحدث تآكل العظام عندما يتسبب الالتهاب في فقدان العظام الموضعي على سطح العظم القشري. تمتد هذه التآكل إلى منطقة العظام التربيقية الأساسية. إنها سمة مرضية لعدة أشكال من التهاب المفاصل الالتهابي ، بما في ذلك التهاب المفاصل الروماتويدي (RA) ¹. يرتبط وجود التآكل وحجمه بالنتائج السيئة ووظيفة المريض وتطور المرض²^،³^،⁴^،⁵. في حين أن التصوير الشعاعي العادي لا يزال المعيار السريري لتقييم التآكل ، فإن التصوير المقطعي المحوسب الكمي المحيطي عالي الدقة (HR-pQCT) يوفر صورا ثلاثية الأبعاد وحساسية فائقة وخصوصية للكشف عن التآكل ^6,7. بالنسبة لالتهاب المفاصل الالتهابي ، مثل التهاب المفاصل الروماتويدي ، يتم إجراء HR-pQCT بشكل شائع على المفاصل^{المشطية} ^{2 و 3} الثالثة – المفاصل الأكثر تضررا في اليد⁸. نظرا لأن صور HR-pQCT تتمتع بدقة مكانية عالية ، فقد لوحظت أيضا انقطاعات فسيولوجية في السطح القشري لدى الأفراد الأصحاء الذين لا يستخدمون RA⁹. غالبا ما ترتبط هذه الانقطاعات القشرية بالقنوات الوعائية أو الثقبة المغذية التي تمر عبر العظام¹⁰. وبالتالي ، فإن التحدي هو التمييز بين الانقطاعات القشرية المرتبطة بعملية المرض (أي التآكل المرضي) من السمات غير المرضية.

تم نشر التعريف الإجماعي لتآكل العظام المرضي من قبل دراسة grouP للتصوير المقطعي المحوسب xtrEme في التهاب المفاصل الروماتويدي (SPECTRA) كوجود انقطاع واضح في الطبقة القشرية للعظم يمتد على شريحتين متتاليتين على الأقل ويمكن اكتشافه في مستويين عموديين أو أكثر¹¹. علاوة على ذلك ، يجب أن يكون الانقطاع غير خطي الشكل ومصحوبا بخسارة في المنطقة التربيقية . يتم عرض أمثلة مرئية للانقطاعات القشرية التي تفي ولا تفي بمعايير التآكل في Klose-Jensen et ^al.12.

ومع ذلك ، لا يتم تصنيف جميع الانقطاعات القشرية التي تفي بالمعايير المذكورة أعلاه على أنها تآكل. تحدث الانقطاعات أحيانا بسبب العمليات الفسيولوجية مثل القنوات الوعائية (الشكل 1). يمكن تحديدها وتمييزها عن التعرية بسبب مواقعها التشريحية التي يمكن التنبؤ بها ، والهوامش المتوازية والمستقيمة والحجم دون المليمترية¹³. الخراجات هي شكل آخر من أشكال الانقطاع القشري الذي لا يعتبر تآكلا. غالبا ما يكون لديهم هيكل تربيقي مستدير مع جدار كيسي واضح ¹³. على النقيض من الحواف الحادة والبنية التربيقية المفتوحة التي تعرضها التعريات. ومع ذلك ، فمن الممكن أن تتشكل التآكل داخل المواقع الكيسية ، مما يجعل من الغامض تحديد حجم فقدان العظام الناجم عن التآكل وليس الخراجات. في حين أن حل هذا الغموض بمعايير أخرى ليس هو الغرض من هذه الدراسة ، إلا أن هناك حاجة لتقديم أمثلة شاملة للتآكل المرضي والانقطاعات القشرية الفسيولوجية.

الشكل 1: مثال على الانقطاعات القشرية التي لم تكن ناتجة عن التآكل فقط. أ: رسم يوضح الموقع المشترك للقنوات الوعائية عند قاعدة رأس المشط الرسغي. أمثلة على القنوات الوعائية في (ب) الإكليلي و(ج) السهمي و(د) و(ه) المستويات المحورية. (و) مثال على انقطاع قشري ناتج عن كيس. (ز) مثال على حجم فراغ داخل المنطقة التربيقية من العظم يشمل كلا من الخراجات والتعريات. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

على الرغم من التحديات في تحديد التعرية، لا توجد حاليا أدوات تدريب لتزويد المستخدمين الأقل خبرة بإرشادات حول تفسير صور HR-pQCT لتحليل التعرية. في الآونة الأخيرة ، تم تطوير وحدة مفتوحة المصدر لتحليل التآكل تسمى وحدة تحليل العظام (BAM) – حجم التآكل ، وتم تنفيذها كامتداد لبرنامج معالجة الصور مفتوح المصدر لتمكين تصور التآكل والتحليلات الحجمية¹⁴. يصف البروتوكول المقدم هنا استخدام وحدة تدريبية تمت إضافتها إلى BAM (BAM – التدريب) ، والتي تقارن محاولات تحديد التآكل للمستخدمين من خلال مقارنة تحديد التآكل مع التآكل الموضح من قبل أطباء الروماتيزم الخبراء. توفر أداة التدريب هذه للمستخدمين تعليقات حول تحديد التعرية من أجل توجيه التحسينات في تحليل التعرية. يتم توفير إرشادات تثبيت البرنامج في الخطوة 1. للحصول على بيانات جديدة، راجع الخطوات من 3 إلى 5.3. لاستخدام وحدة التدريب فقط، راجع الخطوة 2.

Protocol

تتبع جميع الطرق في هذا البروتوكول الإرشادات التي وضعها مجلس أخلاقيات البحوث الصحية المشترك في جامعة كالجاري (REB19-0387). 1. تثبيت 3D القطاعة 15 ووحدات تحليل العظام قم بتنزيل ملف التثبيت للحصول على إصدار ثابت من 3D Slicer ذي الصلة بنظام التشغيل المستخدم من https://download.slicer.org/. قم بتشغيل ملف التثبيت الذي تم تنزيله واتبع الإرشادات المتوفرة في المعالج. بمجرد اكتمال التثبيت ، تابع تثبيت وحدات تحليل العظام.قم بتنزيل وحدات تحليل العظام من https://doi.org/10.5281/zenodo.7943007 كملف مضغوط واستخراج المجلد المضغوط. يرجى ملاحظة الدليل حيث يوجد المجلد المستخرج. إطلاق 3D القطاعة. قم بتحميل الوحدات على 3D Slicer بالنقر فوق تحرير في الزاوية العلوية اليسرى من نافذة 3D Slicer. انقر فوق تحرير > إعدادات التطبيق لفتح نافذة جديدة. انقر فوق الوحدات النمطية وهي علامة تبويب موجودة على اليسار في نافذة الإعدادات المفتوحة مؤخرا. أضف المسارات إلى وحدات تحليل العظام ضمن مسارات الوحدة الإضافية: (الشكل 2).للقيام بذلك ، اسحب قائمة المجلدات التالية وأفلتها في المربع الموجود ضمن مسارات الوحدة النمطية الإضافية:. توجد هذه المجلدات داخل المجلد الذي تم تنزيله في الخطوة 1.3.1: AutoMask و CorticalBreakDetection و ErosionCompare و ErosionVolume و FileConverter و ImageRegistration و Training. يجب أن تشبه نافذة الإعدادات الشكل 2. اضغط على موافق في أسفل يمين نافذة الإعدادات. يلزم إعادة التشغيل لتأكيد تثبيت الوحدات. قم بذلك عن طريق إغلاق 3D Slicer وإعادة تشغيله.ملاحظة: يتم تحميل الوحدات مرة واحدة فقط لكل تثبيت ل 3D Slicer. عند إجراء مزيد من التحديثات على مستودع GitHub لتحليل العظام ، سيقوم أمر git pull الطرفي البسيط (أو سطر الأوامر) في الدليل الذي يحتوي على تنزيل BAM السابق بتحديث جميع الوحدات تلقائيا. مرة أخرى ، بدلا من ذلك ، يمكن تنزيل المستودع ، وتبادل الوحدات القديمة مع الوحدات الجديدة يدويا. الشكل 2: مثال على نافذة الإعدادات بعد إضافة وحدات تحليل العظام إلى تثبيت 3D Slicer. تعرض الصورة لقطة شاشة لنافذة الإعدادات مع تمييز الوحدات في المربع الأحمر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. 2. وحدة التدريب قم بتشغيل وحدة تدريب BAM.انقر فوق القائمة المنسدلة الموجودة على شريط أدوات 3D Slicer. ابحث عن وحدات تحليل العظام وحوم الماوس فوقها (الشكل 3). انقر فوق التدريب. تحميل الملفات في الوحدة.عند بدء تشغيل وحدة تدريب BAM ، سيتم تحميل جميع الملفات المطلوبة (الصور ذات التدرج الرمادي ، والأقنعة ، وتجزئة التآكل المرجعية) تلقائيا بالنقر فوق متابعة ، بافتراض تنزيل مستودع BAM github كما هو مذكور أعلاه. اختر نوع فحص للملفات.اختر واحدا عن طريق التمرير فوق القائمة المنسدلة المسماة حجم الإدخال: حدد وحدة تخزين ، وهذا يمثل صورة التدرج الرمادي الرئيسية. اختر القناع (أي الملف الذي يحدد وحدة التخزين داخل سطح السمحاق) في القائمة المنسدلة المسماة قناع الإدخال: حدد وحدة تخزين. تأكد من أن هذا القناع يتوافق مع حجم الإدخال أعلاه عن طريق التحقق من معرف القياس وأن مفصل MCP هو نفسه في كلا الاختيارين. إذا كانت هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تشغيل وحدة التدريب على هذه الصورة مع إطلاق 3D Slicer ، فقم بإنشاء تجزئة إخراج جديدة في القائمة المنسدلة المسماة تآكل الإخراج: حدد تجزئة. للقيام بذلك ، انقر فوق القائمة المنسدلة وحدد إنشاء تجزئة جديدة. سيؤدي هذا إلى إنشاء عقدة تجزئة إخراج جديدة تسمى بعد تسمية قناع الإدخال + _ER. لإعطاء الإخراج تسمية مختلفة، حدد إنشاء تجزئة جديدة ك … بدلا من ذلك وأدخل التسمية المطلوبة.ملاحظة: في 3D Slicer وهذا المستند ، يحدد القناع والتجزئة الحجم داخل سطح السمحاق للعظام. يتم تصور القناع كصورة ثنائية ، بينما يشير التقسيم إلى تصور الصورة الثنائية المتراكبة مع صورة المقياس الرمادي. يتم إجراء هذه الفروق بواسطة 3D القطاعة. مثال موضح في الشكل 4. ضع نقاط البذور كما هو موضح أدناه.للبدء، قم بإنشاء قائمة نقاط أولية جديدة لإضافة نقاط أولية. للقيام بذلك ، انقر فوق القائمة المنسدلة المسماة نقاط البذور: لا شيء وأنشئ قائمة جديدة عن طريق تحديد إنشاء قائمة نقاط جديدة. مرة أخرى ، معيار التسمية الافتراضي هو تسمية صورة الإدخال + _SEEDS. لتوفير التسمية الخاصة بك، حدد إنشاء قائمة نقاط جديدة…. قم بالتمرير خلال الشرائح وحدد مواقع التآكل عن طريق وضع نقطة بذرة في المنطقة المعنية. اضغط على زر إسقاط النقطة الحمراء والزرقاء الموضح في الشكل 5 أ لإضافة نقطة أولية جديدة.ضع نقطة البذور عميقة (إلى الداخل في العظم التربيقي) في حجم التآكل قدر الإمكان. تأكد من وضع نقطة البذور على أحلك منطقة من المجلد. لتغيير حجم النقطة الأولية، قم بتعديل حجم النسبة المئوية في مربع النص المسمى حجم النقطة الأولية:. الحقول الأخرى في جدول نقاط البذور ، مثل انقطاع العظام والقشرية ، مخصصة لسجلات المستخدم ولا تؤثر على خوارزمية حساب التآكل. احصل على التعليقات كما هو موضح أدناه.بمجرد وضع نقاط البذور. اضغط على الزر المسمى Get Erosions ، المميز في الشكل 5B ، لتشغيل خوارزمية قياس التآكل على المدخلات المحددة. عند الانتهاء من قياسات التعرية ، ستوفر الوحدة ملاحظات حول وضع نقطة البذور. تتم مقارنة موقع كل نقطة بذرة مع موقع التآكل المرجعي لمطابقة نقاط البذور مع التآكل الذي تحاول قياسه. الحصول على التعرية المرجعية عن طريق حساب حجم التعرية باستخدام نقاط البذور التي وضعها أطباء الروماتيزم مع التدريب وسجلات النشر واسعة النطاق وأكثر من 10 سنوات من الخبرة باستخدام التصوير HR-pQCT وتحليل التآكل (SF و CF). الشكل 3: القائمة المنسدلة ل 3D Slicer. القائمة المنسدلة للعثور على وحدات تحليل العظام وتحديد وحدة التدريب. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 4: تحديد الحجم داخل سطح السمحاق بالعظم. (أ) مثال على قناع. يتم تصور القناع كصورة ثنائية. (ب) مثال على التجزئة. يشير التقسيم إلى تصور الصورة الثنائية المتراكبة مع صورة المقياس الرمادي. يتم إجراء هذه الفروق بواسطة 3D القطاعة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 5: مثال لقطة شاشة لوحدة التدريب داخل 3D Slicer. (أ) انقر لإضافة نقاط أولية جديدة. (B) انقر لحساب أحجام التعرية. (ج) انقر لاستيراد الصور. (د) انقر للكشف عن نقاط البذور التي وضعها الخبراء. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. 3. الحصول على الصور وتصديرها لاستخدامها في أداة تحليل التآكل احصل على صور HR-pQCT باستخدام ماسح ضوئي HR-pQCT من الجيل الأول أو الثاني. تم استخدام ماسح ضوئي تجاري للحصول على الصور لهذه الدراسة (انظر جدول المواد).ملاحظة: الصور المستخدمة في هذه الدراسة هي لمفاصلالمشط 2 و 3 الثالثة وتم الحصول عليها باستخدام البروتوكول الموصوف في Barnabe et al.8 ، ومع ذلك فإن صور أي مفاصل ذات تآكل متوافقة مع BAM. افحص الصور بحثا عن قطعة أثرية متحركة16,17. لا تستخدم الصور ذات درجات الحركة > 3 لتحليل التآكل. تصدير AIM (تنسيق صورة الملكية) أو ملفات التصوير الرقمي والاتصالات في الطب (DICOM) لكل مفصل إلى قرص محلي باستخدام بروتوكول نقل الملفات (FTP). يمكن إنشاء ملفات المفاصل الفردية باستخدام خط أنابيب تحليل عرض مساحة المفصل (JSW) الذي توفره الشركة المصنعة18. إعادة تسمية الملفات من تنسيق الأرقام الافتراضي لتسهيل الاستخدام. 4. تحويل الملفات وتوليد قناع العظام ملاحظة: وفقا لتنسيق الصورة، اتبع الخطوة 4.1 ل AIM (تنسيق الصورة الخاصة ب HR-pQCT) أو MHA (تنسيق ITK MetaImage) أو NII (NIfTI – مبادرة تكنولوجيا معلوماتية التصوير العصبي) أو صور NRRD (البيانات النقطية الخام تقريبا) أو الخطوة 4.2 لصور DICOM. لاستيراد الصور بأي من تنسيقات ملفات الصور التالية: MHA أو nii أو AIM أو NRRD ، اتبع الخطوات الموضحة أدناه.انقر فوق الزر المسمى DATA الموجود في الزاوية اليسرى العليا من نافذة 3D Slicer (الشكل 5C). لإضافة ملفات الصور ، انقر فوق اختيار ملف (ملفات) لإضافة الصور وتحديد موقعها وإضافتها. لإضافة دليل كامل للصور ، انقر فوق اختيار الدليل لإضافة الدليل وتحديد موقعه وإضافته. سيؤدي هذا إلى تحميل جميع الصور في هذا الدليل. إذا احتاج قناع الصورة إلى الاستيراد كتجزئة 3D Slicer لأي سبب من الأسباب ، فقم أولا بالتحويل إلى ملف NRRD أو nii. يمكن إجراء هذا التحويل تلقائيا ، راجع الخطوة 4.4.1 للحصول على التفاصيل. استيراد ملف (ملفات) DICOM في 3D Slicer كما هو موضح أدناه.انقر فوق الزر المسمى DCM الموجود في الزاوية اليسرى العليا من نافذة 3D Slicer. انقر فوق استيراد ملفات DICOM ، وحدد موقع الدليل الذي يحتوي على ملفات DICOM وأضفه (الامتداد .dcm). انقر فوق الزر المسمى تحميل الموجود على الجانب الأيمن من النافذة. احصل على قناع الصورة باستخدام الخطوة 2 – القناع التلقائي في BAM – وحدة القناع التلقائي.انقر فوق القائمة المنسدلة الموجودة على شريط أدوات 3D Slicer. ابحث عن وحدات تحليل العظام وحرك مؤشر الماوس فوقها. انقر فوق قناع تلقائي. ضمن علامة التبويب الخطوة 2 – قناع تلقائي، حدد وحدة تخزين إدخال باستخدام القائمة المنسدلة المسماة حجم الإدخال:. هذا هو فحص الإدخال. قم بإنشاء إخراج جديد في القائمة المنسدلة المسماة تجزئة الإخراج: وحدد إنشاء LabelMapVolume جديد. سيؤدي هذا إلى إنشاء عقدة إخراج جديدة تسمى بعد تسمية قناع الإدخال + _MASK. لإعطاء الإخراج تسمية مختلفة، بدلا من ذلك حدد إنشاء LabelMapVolume جديد ك … وأدخل التسمية المطلوبة. أدخل عدد العظام المراد إخفاؤها في مربع النص بهذه التسمية. حدد Ormir في القائمة المنسدلة المسماة خوارزمية للتجزئة المثلى لهذا التحليل19.ملاحظة: تتوفر خيارات أخرى لتوليد هذه الأقنعة ويمكن إضافتها في المستقبل. انقر فوق الحصول على قناع. سيؤدي هذا إلى تشغيل الخوارزمية (~ 2-3 دقائق) وإخراج النتيجة في نفس دليل صورة الإدخال. سيوفر أيضا قناعا منفصلا لكل عظمة إذا كانت الصورة تحتوي على عظام متعددة. قم بإجراء التصحيح اليدوي لقناع العظام باستخدام الخطوة 3 – التصحيح اليدوي في وحدة BAM. غالبا ما يكون القناع الذي تم إنشاؤه غير دقيق. قم بإجراء تصحيح يدوي لإضافة مكونات معينة من الأجزاء أو حذفها أو تحريرها.لتحرير قناع تم إنشاؤه من خلال وسائل أخرى أو تم إنشاؤه في تشغيل سابق ل 3D Slicer، استخدم هذه الوحدة لتحميل هذه الأقنعة إلى 3D Slicer من ملف. يمكن أن يكون امتداد الملف أيا مما يلي ، MHA ، nii ، NRRD ، AIM.انسخ الصور إلى دليل LOAD_MASKS الموجود في مجلد BAM الذي تم تنزيله في الخطوة 1.3. ارجع إلى 3D Slicer واضغط على الزر المسمى تحميل في مرحلة التصحيح اليدوي. حدد التجزئة المراد تصحيحها في القائمة المنسدلة المسماة قناع ليتم تصحيحه:”. حدد الصورة الأصلية ذات التدرج الرمادي التي تنتمي إلى تجزئة التآكل هذه في القائمة المنسدلة المسماة Master Volume:. اضغط على تهيئة. يجب أن يكون لكل تجزئة إدخال خاص بها في الجدول أدناه. حدد التجزئة التي سيتم تصحيحها بناء على لون التجزئة. للإضافة إلى تجزئة ، انقر فوق الزر الثاني في الصف الأول. هذا يستخدم وظيفة الطلاء. قم بإجراء إضافات إلى وحدات التخزين عن طريق الرسم على الصور (اضغط مع الاستمرار على زر الماوس الأيسر لأسفل وحرك الماوس). لإزالة جزء من التجزئة ، انقر فوق الزر الموجود أسفل الجدول المسمى مسح بين الشرائح. هذه هي وظيفة المسح وتعمل مثل وظيفة الطلاء ولكنها تمحو بدلا من ذلك. ارسم الإضافات حسب الحاجة على كل 10-25 شريحة تقريبا ، ولكن تأكد من تضمين الشريحة الأولى والشريحة الأخيرة حيث كانت هناك حاجة إلى إضافة. إذا تم استخدام وظيفة الطلاء ، فيمكن استيفاء التغييرات بالنقر فوق الزر الأول من الصف الخامس المسمى ملء بين الشرائح وظيفة. انقر فوق الأزرار تهيئة > تطبيق. إذا تم استخدام وظيفة المسح ، فما عليك سوى النقر فوق الزر الموجود أسفل الجدول المسمى Apply Erase. لا تستخدم وظيفتي الطلاء والمسح في نفس الوقت. قم بتطبيق وظيفة واحدة أولا ثم قم بتطبيق الأخرى. بعد اكتمال التعديلات، اضغط على تطبيق. 5. تحديد التآكل استخدم الخطوة 4 – التآكل في BAM – وحدة حجم التآكل لتحديد التآكل. وحدة حجم التآكل هي الأداة المسؤولة عن تحديد وقياس التآكل داخل المسح.ملاحظة: هذه الوحدة هي محور أداة التدريب المفصلة أعلاه ولها سير عمل متطابق تقريبا. الاختلافات هي أن التآكل المحسوب لا يقارن بالتآكل المشروح بخبرة ، وتصدير إحصاءات التعرية والتصحيح اليدوي للأحجام بعد تحديدها ممكن هنا. ضع نقاط البذور واحصل على التآكل كما هو الحال في الخطوة 2.4. في النهاية لن يتم تقديم أي ملاحظات. التصحيح اليدويإذا كان حجم وشكل أحجام التآكل المكتشفة تلقائيا غير مرضيين ، فقم بتحريرها ضمن علامات التبويب المسماة الخطوة 5 – التصحيح اليدوي وتجزئة التصدير. اتبع الخطوات الموضحة في الخطوة 4.4. ومع ذلك ، لا يوجد خيار لتحميل أحجام التآكل الخارجية. لا تضغط على تطبيق بعد الانتهاء من التصحيحات حيث تم حفظ التغييرات بالفعل. 6. إحصاءات التآكل تصدير البيانات المحسوبة إلى ملف جدول بيانات (تنسيق CSV) باستخدام علامة التبويب المسماة الخطوة 6 – الإحصاءات. قم بتوفير حجم التآكل المحسوب في الخطوة 4 والمصحح اختياريا في الخطوة 5 ضمن القائمة المنسدلة المسماة تآكل المدخلات. قم بتوفير الصورة ذات التدرج الرمادي ضمن القائمة المنسدلة المسماة Master Volume. قم بتوفير عرض voxel ، بالملليمتر ، للصورة في مربع النص. اضغط على الحصول على إحصائيات. تم إنشاء ملف جدول البيانات في الدليل المسمى EROSIONS_OUTPUT_DATA الموجود في مجلد BAM الذي تم تنزيله في الخطوة 1.3. انظر الجدول 1 للحصول على مثال لجدول الإخراج.

Representative Results

باستخدام أداة التدريب ، يمكن للمستخدمين التدرب على تحديد مواقع التآكل أثناء تلقي التعليقات على نتائجهم. يمكن أن تعمل حلقة التغذية الراجعة هذه على تحسين قدرة المستخدم على تحديد التآكل وربما استخدام وحدات BAM لتحديد التآكل على صورهم الخاصة. تعتمد التعليقات بعد وضع نقطة البذور على المعايير التالية. 1) إذا كان عدد نقاط البذور الموضوعة لا يتطابق مع عدد التآكل المرجعي ، فسيطلب من المستخدم حذف أو إضافة العدد المناسب من نقاط البذور. 2) إذا تعذر مطابقة موقع نقطة البذور مع تآكل مرجعي ، يتم عرض التعليقات التي تفيد بعدم وجود تآكل في موقع نقطة البذور هذه. 3) إذا تمت مطابقة نقطة البذور مع انقطاع قشري مرضي / فسيولوجي مرجعي مثل كيس أو قناة وعائية ، يتم إبلاغ المستخدم بنوع الانقطاع القشري الذي حاول تحديده على أنه تآكل ويطلب منه إزالة نقطة البذور. 4) إذا تداخل موقع نقطة البذور مع تآكل مرجعي ، فقد لا تكتشف الخوارزمية التآكل. قد يحدث هذا عندما لا تتمركز نقطة البذور في التآكل. في هذه الحالات ، يطلب من المستخدم ضبط موضع نقطة البذور. 5) إذا تم وضع نقطة البذور بعيدا جدا عن أي تآكل ، يتم إبلاغ المستخدم بوضعها غير الصحيح ويتم تشجيعه على المحاولة مرة أخرى. 6) عندما يتطابق موقع نقطة البذور مع التآكل المرجعي ، يتم عرض مطالبة لإعلام المستخدم بمحاولته الناجحة لتحديد التآكل في نقطة البذور المحددة هذه. يوضح القسم التالي أمثلة على كيفية عمل الوحدة بناء على مدخلات مختلفة. سيتم عرض المدخلات الصحيحة وغير الصحيحة في الأمثلة التالية. يوضح الشكل 6 أ موقع نقطة البذور الذي يقع داخل التعرية. يوجد تآكل واحد فقط داخل هذه الصورة ، وبالتالي فإن حساب التآكل مع نقطة البذور سيؤدي إلى النتائج المتوقعة. يوضح الشكل 6B المطالبة المعروضة للمستخدمين عندما تتطابق محاولتهم لتحديد التآكل مع الصورة المشروحة بخبرة. تعرض الوحدة أيضا النتائج كتقسيمات على الصورة ذات التدرج الرمادي (الشكل 6C). إذا وضع المستخدم نقطة أولية في موقع خال من التآكل ، مثل الشكل 7 أ ، فستعرض الوحدة مطالبة خطأ (الشكل 7 ب) تفيد بعدم وجود تآكل في هذا الموقع وتقترح أن يقوم المستخدم بنقل / إزالة نقاط البذور. الشكل 6: مثال على التحديد الصحيح للتآكل. (أ) مثال لمستخدم يضع نقطة بذرة بشكل صحيح داخل موقع التعرية. (ب) مثال على التغذية الراجعة عندما يتم تحديد جميع التآكل بشكل صحيح. (ج) مثال على تجزئة التعرية المعروضة عند حساب التعرية بشكل صحيح. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 7: مثال على تحديد التآكل بشكل غير صحيح. (أ) مثال لنقطة بذرة موضوعة لا يوجد فيها تآكل. (ب) مثال على مطالبة خطأ عند وضع نقطة بذرة في موقع لا يوجد به تآكل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. تم تحديد مواقع جميع الخراجات والقنوات الوعائية على صور التدريب المقدمة من قبل خبير. لذلك ، من الممكن اكتشاف متى يحاول المستخدم تحديد كيس أو قناة وعائية بشكل غير صحيح. يوضح الشكل 8 أ محاولة التعرف على الكيس عن طريق وضع نقطة بذور عليه. الشكل 8B هو موجه الخطأ المعروض اللاحق. الشكل 8: مثال على تحديد الكيس. أ: مثال على نقطة بذرة موضوعة على كيس. ب: مثال على موجه خطأ عند وضع نقطة بذرة على كيس. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. ستقوم الوحدة أيضا بإبلاغ المستخدم إذا كان لديه الكمية المناسبة من نقاط البذور. إذا وضع المستخدم عددا غير صحيح من نقاط البذور ، فستقوم الوحدة بإبلاغ المستخدم بالمقدار الدقيق لنقاط البذور المفقودة أو الإضافية لتحديد جميع التآكل على الصورة. تقدم الوحدة أيضا ملاحظات لكل نقطة بذرة موضوعة. لذلك ، يعرف المستخدم الإجراءات التي يجب اتخاذها لكل نقطة بذرة فردية. يوضح الشكل 9 مثالا حيث وضع المستخدم نقطة أولية واحدة فقط عندما كان من المتوقع نقطتين. الشكل 9: مثال على التآكل المحسوب أثناء فقدان نقطة بذرة واحدة. يوضح المثال مثالا حيث وضع المستخدم نقطة أولية واحدة فقط عندما كان من المتوقع نقطتين. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. إذا واجه المستخدم مشكلة في العثور على أي من عمليات التآكل أو جميعها ، فلديه خيار للكشف عن المواقع المشروحة بخبرة عن طريق الضغط على زر يسمى الكشف عن نقاط البذور الصحيحة (الشكل 5 د). عند الضغط عليه ، سيقوم هذا الزر بتحميل نقاط البذور الصحيحة إلى نافذة 3D Slicer الحالية. باختصار ، يوضح هذا أن وحدة البرنامج يمكنها تقييم صحة محاولة المستخدم لتحديد التآكل في الصور المحددة من خلال مقارنة التآكل المحسوب مع التآكل المشروح بخبرة. بالإضافة إلى ذلك ، توفر الوحدة تعليقات بناء على كل نقطة أولية يضعها المستخدم لتوجيههم نحو موقع نقطة البذور المتوقع ومعلمات الإدخال. معرف المسح الضوئي الانقطاع القشري عظم تسميه موقع سنترويد الحجم (مم3) مساحة السطح (مم2) استداره عدد الفوكسل (فوكسل) 3_Training.nii انجراف مشط القدم SEEDS_28-1 210, 108, 242 3.321668853 14.46818378 0.74411491 14853 3_Training.nii انجراف مشط القدم SEEDS_28-3 179, 100, 241 1.100739562 7.121231239 0.7239659 4922 الجدول 1: مثال على ملف إخراج تم إنشاؤه (تنسيق csv) يصف التآكل المحسوب وإحصاءاتها.

Discussion

توفر أداة التدريب هذه فرصة لتعلم كيفية تحديد التآكل باستخدام وحدة تحليل العظام. يتطلب الاستخدام الإضافي لأداة تحليل التآكل هذه بعد التدريب الوصول إلى صور عالية الجودة ، مع القليل من القطع الأثرية المتحركة أو بدونها. يصف تعريف تآكل HR-pQCT المستند إلى الأدبيات السمات التشريحية المرتبطة بالتآكل المرضي الذي يمكن الإبلاغ عنه مع قابلية استنساخ معقولة^11,20. ومع ذلك ، فإن هذا التعريف لا يفسر المواقع التشريحية الشائعة للقنوات الوعائية ، مما قد يؤدي إلى سوء تصنيفها على أنها تآكل العظام¹⁰.

الخطوات الحاسمة في هذا البروتوكول هي توليد قناع العظام ، ووضع نقاط البذور ، وتوليد حجم التآكل. بينما يتم تنفيذ الطرق الآلية لتوليد الأقنعة وحجم التآكل ، غالبا ما تتطلب الأقنعة تصحيحا يدويا لضمان نتائج مرضية. يتم توفير وصف شامل للأدوات المتاحة لإجراء التصحيحات اليدوية. يسترشد وضع النقاط الأولية بأمثلة التدريب التي توفرها وحدة BAM-Training.

استنادا إلى البيانات المستخدمة حتى الآن ، يقدم هذا البروتوكول اقتراحات لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها عندما لا تؤدي وحدة تحليل التآكل إلى النتائج المتوقعة. وفي الأعمال المقبلة، ستتاح إمكانية الحصول على بيانات إضافية عن التدريب. أظهرت دراسة سابقة أن أحجام التعرية التي تم تقييمها بهذه الطريقة قابلة للمقارنة مع الطرق الحالية¹⁴^،²¹^،²². سيسمح توفير بيانات التدريب بإجراء مقارنة بأدوات تحليل التعرية الأحدث عند تطويرها²³.

تساعد أداة التدريب المقدمة هنا في المقام الأول في تحديد التعرية. ومع ذلك ، فإن الطريقة محدودة حاليا بسبب عدم وجود توافق في الآراء حول تحديد مدى تآكل العظم التربيقي. ومع ذلك ، فإن وحدات BAM مفتوحة المصدر ، وبالتالي ، مع تغير التعريفات المستقبلية لمدى التآكل ، يمكن للباحثين الآخرين الوصول إلى تعديل الوحدات لتلبية احتياجاتهم.

مع توسع استخدام HR-pQCT في أبحاث الروماتيزم ، توفر أداة التدريب للمستخدمين عديمي الخبرة إرشادات حول تحديد الانقطاعات القشرية المرضية على صور HR-pQCT لتحليل التآكل. ستكون هذه الأداة قابلة للتطبيق على الباحثين بغض النظر عن الطريقة المختارة لتحليل التآكل. في حين أن تحديد التآكل الآلي بالكامل أمر مرغوب فيه لتحسين قابلية التكرار وسرعة التحليل ، إلا أن مجموعات البيانات المرجعية / المعيارية الكبيرة مع التعليقات التوضيحية الدقيقة مطلوبة لتدريب نماذج التعلم الآلي. كأداة مفتوحة المصدر ، توفر هذه الوحدة فرصة لتطوير مجموعات بيانات كبيرة مشروحة بشكل جماعي لاستخدامها في المستقبل في التعلم الآلي. سيمكن استخدام هذه الأداة التدريبية المزيد من الباحثين من تضمين تحليل التآكل في أبحاثهم حول الموارد البشرية.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

يود المؤلفون أن يشكروا وكالات التمويل التالية التي دعمت هذا العمل. يتم تمويل SLM من خلال جمعية التهاب المفاصل (STAR-18-0189) ومنحة المعاهد الكندية لتخطيط ونشر البحوث الصحية. JJT حاصل على جائزة زمالة CIHR.

Materials

3DSlicer	Open Source	N/A	Download at https://www.slicer.org/
BAM Erosion Analysis Modules	Open Source	N/A	Version used in manuscript: download at https://doi.org/10.5281/zenodo.7943007
XtremeCTII	Scanco Medical	N/A

References

Schett, G., Gravallese, E. Bone erosion in rheumatoid arthritis: mechanisms, diagnosis and treatment. Nature Reviews Rheumatology. 8 (11), 656-664 (2012).
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).
Scott, D. L., et al. The links between joint damage and disability in rheumatoid arthritis. Rheumatology. 39 (2), 122-132 (2000).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
Scharmga, A., et al. Vascular channels in metacarpophalangeal joints: a comparative histologic and high-resolution imaging study. Scientific reports. 7 (1), 8966-8968 (2017).
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).
Klose-Jensen, R., et al. High-Resolution Peripheral Quantitative Computed Tomography for Bone Evaluation in Inflammatory Rheumatic Disease. Frontiers in Medicine. 7, 337 (2020).
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).
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).
Fedorov, A., et al. 3D Slicer as an image computing platform for the Quantitative Imaging Network. Magnetic Resonance Imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).
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).
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).
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).
. Open and Reproducible Musculoskeletal Imaging Research Available from: https://github.com/SpectraCollab/ORMIR_XCT (2023)
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).
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).
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).
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).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Al-Khoury, Y., Finzel, S., Figueiredo, C., Burghardt, A. J., Stok, K. S., Tam, L., Cheng, I., Tse, J. J., Manske, S. L. Erosion Identification in Metacarpophalangeal Joints in Rheumatoid Arthritis using High-Resolution Peripheral Quantitative Computed Tomography. J. Vis. Exp. (200), e65802, doi:10.3791/65802 (2023).

Automatically Generated