اتجاهات التطبيق :

التصوير الفائقة الطيفية ( التصوير ) وقد تم تطبيقها على نطاق واسع في مجال التشخيص الطبي . التصوير الفائقة الطيفية يمكن الحصول على المعلومات المكانية و الطيفية من الأنسجة في صورة واحدة في وقت واحد ، تكشف عن الخصائص البصرية المجهرية من الخلايا والأنسجة في نطاقات ترددية مختلفة ، وتحقيق غير الغازية ، وتحديد كمية من الأنسجة المريضة . اتجاه التطبيق في مجال التشخيص الطبي ويشمل أساسا : البصرية تشخيص الاورام الحميدة القولون و آفات سرطانية . أثناء العملية ، يمكن أن تساعد الأطباء على إزالة الآفات بدقة . قسم علم الأمراض والتحليل التلقائي تصنيف .

معلومات أساسية

سرطان القولون والمستقيم هو ثاني أكبر سبب للوفاة بالسرطان في جميع أنحاء العالم . مفتاح الوقاية والعلاج يكمن في الكشف المبكر عن استئصال الاورام الحميدة في القولون والمستقيم . في الوقت الحاضر ، تنظير القولون يعتبر أول طريقة لمنع سرطان القولون والمستقيم المتقدم وخفض معدل الوفيات . ومع ذلك ، في الفحص الفعلي ، معظم الاورام الحميدة وجدت صغيرة الحجم ( 6-9 ملم في القطر ) أو الحد الأدنى ( 1-5 ملم ) ، مع نسبة منخفضة جدا من الخصائص المرضية المتقدمة أو canceration المحتملة . الطريقة التقليدية هي استئصال جميع الاورام الحميدة مع الفحص الباثولوجي ، ولكن هذا الأسلوب يزيد من التكاليف وعبء العمل . ولذلك ، فإن استراتيجية " الختان والتخلي عن " على أساس التشخيص البصري هو المقترح ، الذي يستخدم تقنية التصوير بالمنظار عالية الدقة لتحديد بدقة الاورام الحميدة تحت المنظار ، وبالتالي القضاء على بعض الأمراض الكشف .

ومع ذلك ، لا تزال هناك بعض القيود في الممارسة السريرية في تقنيات التشخيص البصرية القائمة ( مثل ضيقة النطاق NBI ، بلو راي ، الخ . )سوء الاتساق في التشخيص للمبتدئين . وفي الوقت نفسه ، على الرغم من أن الذكاء الاصطناعي قد استخدمت بالفعل في المساعدة على تحديد الاورام الحميدة ، فإنه لا يزال يعاني من بعض المشاكل ، مثل عدم التحديد ، سوء تفسير النموذج ، وعدم التجانس في بيانات التدريب ، وهلم جرا .

من أجل التغلب على هذه الصعوبات ، التصوير الطيفي هو عرض . هذا الأسلوب يجمع بين التصوير الرقمي مع التحليل الطيفي ، والتي يمكن التقاط التشكل و الخصائص الطيفية من الأنسجة في وقت واحد على كل مستوى بكسل ، والحصول على وفرة المعلومات الطيفية التي يمكن أن تعكس التغيرات المرضية في التركيب الكيميائي للأنسجة . بالمقارنة مع التقليدية RGB الصور ، الصور الفائقة الطيفية يمكن أن تكشف عن الاختلافات في الأنسجة غير مرئية للعين المجردة ، وتوفير أساس جديد لتحديد الخصائص النسيجية والمرضية الدرجات .

معلومات الكاتب :بنغ تشنغ تشيلو مستشفى جامعة شاندونغ

المصادر الدورية :طب السرطان

محتوى البحث

الهدف من هذه الدراسة هو تطوير والتحقق من خوارزمية تصنيف الاورام الحميدة القولون على أساس التصوير الطيفي و عمق التعلم ( بقايا الشبكة ، والهجرة ، والتعلم ) التي يمكن أن تميز بسرعة بين الأورام وغير الأورام اللحمية في التنظير .

تصميم التجربة

في عملية تنظير القولون ، جميع الاورام الحميدة كانت مقطوعة مع فخ الباردة ( CSP ) أولا . من أجل الحد الأدنى من الآفات التي قطرها أقل من 3 ملم ، والطاقة الشمسية المركزة التكنولوجيا من الصعب جدا ، خزعة كماشة كماشة إزالة تماما . في هذه الدراسة ، تم جمع عينات من الغشاء المخاطي الطازج مع الاورام الحميدة أقل من 1 سم . من أجل الحصول على أعلى ترتيب الخصائص المرضية ، خزعة الورم المتقدمة تم جمعها في وقت واحد . الاورام الحميدة أو الآفات التي تم إزالتها أو إزالتها من قبل ملقط ، ثم يتم تصويرها من قبل النظام المنسق الكاميرا مع عملية موحدة ، انظر الشكل 1 .

التصوير الفائقة الطيفية البيانات التي تم الحصول عليها باستخدام gaiamicro-v10 e-hr جهاز مزدوج مع الجمع بين الطيف ، بما في ذلك gaiamicro سلسلة من الكاميرات الفائقة الطيفية ، المجاهر ، معايرة ألواح الكتابة ، نظام التجنيب ، المجهر عدسة الهدف . غايا مايكرو سلسلة تحتوي على المدمج في دفع تجتاح الكاميرات الفائقة الطيفية التي يمكن أن تدفع الفضاء للحصول على البيانات الفائقة الطيفية مكعب . الصور التي تم جمعها مع حجم 1101 خطوط توليد 960 × 1101 × 360 ( خطوط × خطوط × الفرقة ) .

جميع عينات من الاورام الحميدة القولون كانت ثابتة مع الفورمالين ، البارافين جزءا لا يتجزأ من شرائح و الملون مع ح و ه . اثنين من الخبراء ذوي الخبرة في علم الأمراض بشكل مستقل قراءة وتقديم التشخيص النهائي وفقا لمعايير منظمة الصحة العالمية لتصنيف أورام القولون والمستقيم . استنادا إلى توافق في الآراء من الجمعية الأمريكية متعددة سرطان القولون والمستقيم العامل ، تم تقسيم العينة إلى فئتين رئيسيتين : nontumoral الآفات و الآفات السرطانية ، والتي تنقسم إلى nonprogressive أورام أورام التدريجي .

طرق البحث

من أجل تحقيق التوازن بين عدد العينات مع مختلف العلامات النسيجية ، ونحن تنفيذ تحسين البيانات لكل فئة : كل عينة تم اختيارها عشوائيا من قبل العديد من الصور الفائقة الطيفية المجال البصري لتضخيم . من أجل حل مشكلة ارتفاع البعد و حساب كمية كبيرة من البيانات الفائقة الطيفية ، ونحن استخراج المعلومات الطيفية والمكانية من الأصل فوق مكعب ، وإعادة بنائها في صورة ثنائية الأبعاد ( 2D ) . الشكل 1 باء يوضح العلاقة بين طيف أحادي البعد و 2D الصورة . كل صورة يمكن أن تنتج 900 HS 2D الصور بعد تخفيض الأبعاد . . .

في هذه الدراسة ، على أساس 2D convolutional الشبكة العصبية ( 2D سي ان ان ) نموذج التدريب المستخدمة لتحقيق التصنيف التلقائي من آفات القولون والمستقيم الصور . هذه الشبكة يمكن أن تدمج المعلومات الطيفية و المعلومات المكانية من العينات في وقت واحد لتحليل الخصائص التنظيمية . من أجل التغلب على مشكلة انحطاط و انحطاط الانحدار التي تحدث بسهولة في عمق طبقة الشبكة التقليدية convolutional الشبكات العصبية ، وتحسين أداء النموذج ، بقايا شبكة ( resnet ) هو المعتمد . هو الأسلوب الذي يمكن أن تتكيف مع المهام الجديدة أو بيانات جديدة من خلال تعديل معالم النموذج الحالي . في هذه الدراسة ، ونحن استخدام استراتيجية التعلم الهجرة ، وتحميل المعلمات من قبل المدربين resnet النموذج الأولي الأوزان ، ثم إضافة طبقة وصلة كاملة في نهاية النموذج ، وإعادة بناء جميع طبقات الشبكة لتعزيز القدرة على التعرف على أنواع مختلفة من الاورام الحميدة القولون ( الشكل 1 باء ) .

fig.1 التصميم التجريبي و سير العمل ( أ ) في الموقع التصوير والتحليل الطيفي من الاورام الحميدة الطازجة في تنظير القولون . ( ب ) الطيفية والمكانية خصائص المكعبات الفائقة الطيفية ، والتحول من المكعبات إلى صور ثنائية الأبعاد ، و رسم تخطيطي من بقايا نموذج الشبكة العصبية . ( ج ) تقييم قدرة المنظار على التشخيص البصري بعد أسبوعين من التشخيص بمساعدة ضوء أبيض التنظير و هسي - منظمة العفو الدولية .

من أجل تقييم قدرة المنظار في تشخيص الاورام الحميدة الصغيرة والصغرى القولون ، أربعة من كبار المنظار ( المجموع التراكمي أكثر من 2000 حالة فحص تنظير القولون ) وستة من صغار المنظار ( المجموع التراكمي 200-400 حالة ) تم اختيارهم . تم استخدام الاستبيان للحكم على أساس الصور من الضوء الأبيض التنظير . من أجل تقييم كفاءة التشخيص بمساعدة المنظار الأولية والخبراء المنظار ، تم فحص الصور مرتين على التوالي . أولا ، المنظار تم اختباره بشكل مستقل ، ثم توقع نتائج hsi-ai نموذج أبلغ قبل المنظار جعل التشخيص النهائي .

تشخيص أداء النموذج تم تقييمها من قبل الخلط بين المصفوفة . دقة ( accuracy ) يمثل نسبة التصنيف الصحيح في جميع العينات . حساسية وخصوصية إيجابية القيمة التنبؤية ( PPV ) و القيمة التنبؤية السلبية ( صافي القيمة الحالية ) حسبت لتقييم أداء النموذج ، و القدرة على التشخيص من نموذج يمكن أن تنعكس من خلال عمل منحنى المميزة ( ROC ) و المنطقة تحت المنحنى ( AUC ) . وتشمل مؤشرات التقييم الثانوية الابتدائية والمتخصصة المنظار تشخيص الأداء ، و فوق الذكاء الاصطناعي ( hsi-ai ) نموذج لتشخيص الإيدز الكفاءة . جميع المؤشرات التشخيصية من المنظار عن متوسط ( متوسط ) و quantile بالجو ( IQR ) . مان ويتني u-test استخدمت لمقارنة الفرق بين التشخيص المستقل و hsi-ai بمساعدة التشخيص .بقيمة أقل من 0.05 تعتبر ذات دلالة إحصائية .

نتيجة

ما مجموعه 94 عينات الأنسجة من 73 مريضا ( 64 من استئصال الاورام الحميدة و 30 من الخزعة ) . وأظهرت النتائج أن 53 مريضا مع انخفاض درجة خلل التنسج أنبوبي غدي ( غير ورم غدي التدريجي ، ناه ) ، 28 مريضا مع nontumoral * اللحوم ( NP ) ، 13 مريضا مع الورم التدريجي ( أ ) ، بما في ذلك 6 مرضى مع درجة عالية من خلل التنسج أنبوبي غدي ، 3 مرضى ورم غدي زغبي و 4 مرضى غدية . بعد تحسين البيانات ، 144 ، 900 الصور ثنائية الأبعاد التي تم إنشاؤها من 161 الصور الفائقة الطيفية ، وتنقسم إلى مجموعات التدريب والاختبار والتحقق من مجموعات حسب نسبة 6 : 3 : 1 .

من خلال مقارنة منحنيات طيفية نموذجية من أنواع مختلفة من الأنسجة ، وجد أن هناك فرق كبير في الشكل و قيمة الذروة من ثلاثة أنواع من الأنسجة ( nnp ناه , و ) في نطاق الطول الموجي 406.9-662.1 نانومتر . وأظهرت النتائج أن هناك فرق كبير في الانعكاس بين ثلاثة أنواع من الأنسجة في الطول الموجي 575 نانومتر ( ف < 0.001 ) .

من أجل التحقق من موثوقية البيانات واستكشاف العلاقة بين بيانات الصورة ثنائية الأبعاد ، مجموعتين من التجارب النموذجية التي أجريت . في المجموعة الأولى من النماذج ، تم تدريب الباحثين على صورة ثنائية الأبعاد بشكل عشوائي دون النظر في الفروق الفردية بين العينات . وتظهر النتائج أن النموذج يمكن الحصول على دقة عالية في كل مجموعة ، الجامعة الأمريكية بالقاهرة في تدريب واختبار مجموعة 0.97 و 0.96 ، على التوالي ، مما يدل على أن هناك علاقة جيدة والاتساق بين الصور الطيفية من مناطق مختلفة من نفس العينة ( الشكل 2 ) .

الشكل 2 التشخيص التلقائي المتبقية على أساس الصور الفائقة الطيفية ( أ ، ب ) تدريب الشبكة العصبية ، والتحقق من نتائج الاختبار في ثلاثة أنواع من المهام غير الاورام الحميدة / غير متقدمة غدي / الأورام المتقدمة . ( ج ) مقارنة أداء مختلف نماذج الشبكات العصبية في مهام التصنيف الآلي .

في المجموعة الثانية ، استخدم الباحثون المرضى المستقلين كمجموعة للتحقق من صحة البيانات التي تم جمعها من قبل مجموعة من العينات ، على التوالي ، وتعطيل توليد الصور ثنائية الأبعاد . إذا كان أكثر من 80 ٪ من الصور ثنائية الأبعاد التي تم إنشاؤها بواسطة نفس العينة يتم تصنيفها بشكل صحيح ، ثم يتم تحديد العينة كما تنبأ بشكل صحيح . نتائج تصنيف ثلاثة أنواع من الأنسجة ( nnp ناه , و ) مع دقة 95.8 في المائة و 0.97 في المائة في الجامعة الأمريكية بالقاهرة . من بينها ، حساسية وخصوصية التنبؤ الآفات السرطانية ( بما في ذلك ناه و 96 في المائة ) 99.0 في المائة ، مما يدل على أن هذا النموذج لديه إمكانات عالية في تشخيص الأورام وغير الأورام .

من خلال تقييم النتائج التشخيصية من الضوء الأبيض التنظير ، قارنا الفرق بين المنظار قبل وبعد منظمة العفو الدولية في التمييز بين الأورام وغير الأورام . في مرحلة التشخيص المستقل ، من ذوي الخبرة المنظار كان 91.1 في المائة من متوسط دقة التشخيص في صورة واحدة من الأورام * اللحوم ، مقارنة مع 71.4 في المائة فقط من الأطباء المبتدئين . في مجموعة الاختبار ، hsi-ai نموذج تصنيف كل ورم * اللحوم ، مع حالة واحدة فقط من nonprogressive غدي ( NAA ) أخطأ كما تقدم الورم ( أ ) . مع مساعدة من hsiai نموذج متوسط دقة المنظار الأولية ارتفع إلى 94.7 في المائة ، وهو ما يقرب من مستوى كبار الأطباء . في المقابل ، هناك فرق كبير في التشخيص قبل وبعد منظمة العفو الدولية ( ع ＜ 0.01 ) ، ولكن لا يوجد فرق كبير في كبار السن ( ع = 0.63 ) . من حيث القيمة التنبؤية السلبية ( صافي القيمة الحالية ) ، أكثر من 90 ٪ من الأطباء المبتدئين في منظمة العفو الدولية بعد المساعدة ، وفقا PIVI " الختان - تجاهل " استراتيجية . متوسط صافي القيمة الحالية قفزت من 50 ٪ إلى 88.2 في المائة ( ع = 0.013 ) . جميع المؤشرات التشخيصية الأخرى تحسنت أيضا . انظر الشكل 3 للحصول على بيانات محددة من الأطباء المبتدئين .

الشكل 3 مقارنة الأداء التشخيصي بين الأورام و nontumoral الاورام الحميدة في القولون والمستقيم من قبل أطباء المناظير الأولية

الاستنتاج

هذه الدراسة تؤكد أن التصوير الطيفي ( هسي ) يمكن أن تميز الاورام الحميدة القولون والمستقيم غدي من nonadenoma في أنسجة القولون الطازجة مع دقة عالية . هذه الأداة يمكن أن تحسن بشكل كبير من مستوى التشخيص الأولية المنظار ، مما يدل على إمكانية في الوقت الحقيقي التزامن بين منظمة العفو الدولية بمساعدة التشخيص تنظير القولون .