Ανάπτυξη και επικύρωση ενός μοντέλου βαθιάς μάθησης για τον ποσοτικό προσδιορισμό της σπειραματοσκλήρυνσης σε δείγματα βιοψίας νεφρού

Επαφή:joanna.jia@wecistanche.com/ WhatsApp: 008618081934791

ΕισαγωγήΠερισσότεροι από 100.000 ασθενείς περιμένουν σήμερα μιαμεταμόσχευση νεφρού.1 Παρά την αυξανόμενη ανάγκη, μεταξύ 17% και 20% των νεφρών που ανακτήθηκαν για μεταμόσχευση απορρίπτονται.2-4 Με την έλλειψη οργάνων και την αυξανόμενη ζήτηση γιαμεταμοσχεύσεις νεφρού, υπάρχει επείγουσα ανάγκη να μειωθεί η περιττή απόρριψη οργάνων.3

Το αποτέλεσμα της βιοψίας αναφέρεται ως ο πιο σημαντικός παράγοντας στην απόφαση χρήσης ή απόρριψης του νεφρού ενός δότη.5 Πολυάριθμες έρευνες έχουν συνδέσει τη χρόνια βλάβη στον δότηδείγματα βιοψίας νεφρούμε αποτελέσματα μεταμοσχεύσεων.6-12 Επίπεδο 20%παγκόσμια σπειραματοσκλήρυνσηχρησιμοποιείται συχνά ως σημείο αποκοπής στην απόφαση για μεταμόσχευση και είναι ένας σημαντικός παράγοντας στον οποίο βασίζεται ο λόγος για τον οποίο το αποτέλεσμα της βιοψίας είναι ο πιο συνηθισμένος λόγος απόρριψης ενός οργάνου για μεταμόσχευση στις Ηνωμένες Πολιτείες.4

Πρόσφατες μελέτες δείχνουν ότι οι αποδεκτοί νεφροί απορρίπτονται λόγω της μεταβλητής και ασυνεπούς ερμηνείας του δείγματος βιοψίας δότη.3,13,14 Ακόμη και μια φαινομενικά απλή μέτρηση όπως το ποσοστόπαγκόσμια σπειραματοσκλήρυνσηυπόκειται σε σημαντικές ανθρώπινες διακυμάνσεις.15-17 Το πάγωμα των τεχνουργημάτων, η έλλειψη εμπειρογνωμοσύνης υποειδικότητας, η ανεπαρκής δειγματοληψία και η ευαίσθητη στο χρόνο φύση αυτών των αξιολογήσεων συμβάλλουν όλα σε ανθρώπινα λάθη.

Πρόσφατα, η βαθιά μάθηση (DL) έδειξε τη δυνατότητα βελτίωσης της αναπαραγωγιμότητας και της ακρίβειας στην ιστοπαθολογική εξέταση.18-26 Προηγούμενες μελέτες από άλλα εργαστήρια έχουν χρησιμοποιήσει προσεγγίσεις DL για την αυτοματοποιημένη ανίχνευση μη κληματωτικών και παγκοσμίως σκληρωτικών σπειραμάτων.27-31Ωστόσο, αυτές οι τεχνικές βασίζονται σε ειδικούς λεκέδες, όπως οι περιοδικοί τρίχρωμοι λεκέδες οξέος-Schiff ή Masson, που δεν είναι πρακτικοί στο ευαίσθητο στο χρόνο περιβάλλον των κατεψυγμένων τμημάτων. Προηγούμενες εργασίες από μέλη της ομάδας μας περιγράφουν τα μόνα αναφερόμενα αποτελέσματα, εξ όσων γνωρίζουμε, που δείχνουν υψηλή απόδοση για αυτοματοποιημένη ποσοτικοποίηση του ποσοστούπαγκόσμια σπειραματοσκλήρυνσηχρησιμοποιώντας εικόνες ολικής ολίσθησης (WSIs) από παγωμένα τμήματα αιματοξυλιν-ηωσίνης- χρωματισμένα.

cistanche καλό bodybuilding: για την ενίσχυση των νεφρών

Υποθέτουμε ότι μια προσέγγιση DL στην εξέταση του δότηδείγματα βιοψίας νεφρούθα ξεπεράσουν τους ανθρώπινους παθολογοανατόμους στην αξιολόγηση του ποσοστούπαγκόσμια σπειραματοσκλήρυνσηκαι ότι η περαιτέρω βελτίωση θα καταστεί δυνατή με την εξέταση πολλαπλών επιπέδων της ενότητας. Αυτή η αυξημένη δειγματοληψία ιστών υποτίθεται ότι μειώνει την πιθανότητα περιττής απόρριψης οργάνων και θα αντιμετωπίσει το ερώτημα εάν οι τεχνικές DL σχετίζονται με την ουσιαστική αύξηση της διαθέσιμης δεξαμενής οργάνων δότη.

Λέξεις κλειδιά:Σπειραματοσκλήρυνση,νεφρός, Δείγματα βιοψίας νεφρού, μεταμόσχευση νεφρού, παγκόσμια σπειραματοσκλήρυνση

ΜεθόδουςΑυτή η μελέτη ακολούθησε την οδηγία για τη διαφανή αναφορά ενός πολυμεταβλητής μοντέλου πρόβλεψης για ατομική πρόγνωση ή διάγνωση (TRIPOD) για διαγνωστικές και προγνωστικές μελέτες. Αυτή η μελέτη αναθεωρήθηκε και εγκρίθηκε από το θεσμικό συμβούλιο αναθεώρησης του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον, το οποίο επίσης παραιτήθηκε από την ανάγκη λήψης ενημερωμένης συγκατάθεσης ασθενούς, επειδή αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε μόνο μη αναγνωρίσιμους biospecimens από ένα υπάρχον σύνολο δεδομένων.

Συλλογή δεδομένωνΤα WSI αποκτήθηκαν από δείγματα βιοψίας νεκρού δότη — 98 κατεψυγμένα τμήματα με αιματοξυλινίνη-ηωσίνη και 51 μόνιμα τμήματα — που ανακτήθηκαν από συνολικά 83Νεφράμε τη χρήση δειγμάτων σφήνας και βελόνας. Δείγματα βιοψίας κατεψυγμένου τμήματος και δείγματα βιοψίας μόνιμου τμήματος ελήφθησαν από διαφορετικούς νεφρούς. Από τα 83 δείγματα, τα 62 είχαν τουλάχιστον 2 επίπεδα τομής. Οι εικόνες δειγμάτων βιοψίας από τη βάση δεδομένων του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον προέρχονται από το Gift of Life Michigan (ανακτήθηκε μεταξύ Αυγούστου 2015 και Νοεμβρίου 2016 χρησιμοποιώντας σαρωτή Sakura, μεγέθυνση, ×20) και το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον (ανακτήθηκε μεταξύ Ιουνίου 2015 και Ιουνίου 2017 μέσω μεταμόσχευσης Μέσης Αμερικής χρησιμοποιώντας σαρωτή CS Aperio Scanscope, μεγέθυνση, ×20). Κάθε νεκρός δωρητής οργάνων που παρουσιάστηκε μεταξύ αυτών των ημερομηνιών και υποβλήθηκε σεβιοψία νεφρούγια ψηφιακή διεγχειρητική παθολογική εξέταση ήταν επιλέξιμη για αυτή τη μελέτη. Τα δημογραφικά χαρακτηριστικά και τα κλινικά χαρακτηριστικά των δοτών ήταν άγνωστα στους ερευνητές. Όλες οι σαρώσεις μετατράπηκαν από SVS σε μορφή TIFF σε πλήρη ανάλυση (0,5 μm/pixel). Τα μεγέθη εικόνας κυμαίνονταν από 105 megapixel έως 1448 megapixel.

Σχολιασμός δεδομένωνΟι διαφάνειες σχολιάστηκαν για πρώτη φορά για μη σκληρωτικά και σκληρωτικά σπειράματα από έναν εμπειρογνώμονα πιστοποιημένο από το διοικητικό συμβούλιονεφρόςπαθολόγος (P.W. ή J.P.G.), αναθεωρημένος από δεύτερο παθολόγο πιστοποιημένο από το διοικητικό συμβούλιο (T.C.L.) με εμπειρία στη διερμηνεία δότηδείγματα βιοψίας νεφρού, και ακολουθεί τελική αναθεώρηση από άλλον εμπειρογνώμονα πιστοποιημένο από το διοικητικό συμβούλιονεφρόςπαθολόγος (P.C.W. ή J.P.G.). Οι τελικοί αναθεωρημένοι σχολιασμοί χρησίμευσαν ως βασική αλήθεια (δηλαδή, το χρυσό πρότυπο) για την εκπαίδευση και την αξιολόγηση μοντέλων. Η τυπική μεταβλητότητα στις μετρήσεις σπειραμάτων με κάθε αναθεώρηση απεικονίζεται στην ηλεκτρονική εικόνα 1 του Συμπληρώματος. Μια εσωτερική προσθήκη γραμμένη για τα Φίτζι32 χρησιμοποιήθηκε για να περιγράψει και να ταξινομήσει χειροκίνητα τα σπειράματα σε κάθε WSI για να δημιουργήσει μάσκες ετικετών από pixel των περιοχών σπειράματος στην ίδια ανάλυση με το γονικό WSI. Τα σπειράματα ταξινομήθηκαν είτε ως παγκοσμίως σκληρωτικά (που ορίζονται ως σκλήρυνση που περιλαμβάνει ολόκληρη τη σπειραματική τούφα, συμπεριλαμβανομένων των απαρχαιωμένων, στερεοποιημένων και εξαφανισμένωνπαγκόσμια σπειραματοσκλήρυνση)ή μη σφαιρικά σκληρωτικά. Όλες οι άλλες περιοχές ομαδοποιήθηκαν και χαρακτηρίστηκαν ως σωληναριοδιαμεταστολή. Συνολικά 1544 παγκοσμίως σκληρυμένα και 6914 μη σφαιρικά σκληρυμένα σπειράματα επισημάνθηκαν σε 149 ξεχωριστές εικόνες. Τα δείγματα βιοψίας παρουσίασαν ένα ευρύ φάσμα τοις εκατόπαγκόσμια σπειραματοσκλήρυνση(0%-77%). Ο μέσος (SD) αριθμός σπειραμάτων ανά ολίσθηση ήταν 57 (31).

Αρχιτεκτονική μοντέλου DLΤο μοντέλο DL που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή τη μελέτη ήταν ένα πλήρως συνελικτικό νευρωνικό δίκτυο βασισμένο στην αρχιτεκτονική VGG1633 που περιγράφηκε σε προηγούμενη εργασία, η οποία περιελάμβανε ένα μέλος της ομάδας μας.34 Εν συντομία, τα δεδομένα εισήχθησαν στο προ-εκπαιδευμένο δίκτυο που βασίζεται στο VGG16 με βάρη παγωμένα κάτω από το σημείο συμφόρησης (δηλαδή, αμέσως πριν από τα πυκνά συνδεδεμένα επίπεδα ταξινόμησης). Τα πυκνά συνδεδεμένα στρώματα ταξινόμησης VGG16 αντικαταστάθηκαν με 5 πλήρως συνελικτικά στρώματα με εκπαιδευτικά βάρη. Η χρήση μιας πλήρως συνελικτικής αρχιτεκτονικής σε ολόκληρο το δίκτυο επέτρεψε έναν μετασχηματισμό "από εικόνα σε εικόνα", αντί για μετασχηματισμό "image to label", για κάθε patch εικόνας εισόδου, ο τελευταίος από τους οποίους είναι μια προσέγγιση που είναι λιγότερο ακριβής και πολύ πιο υπολογιστικά δαπανηρή.34 Το πλήρως συνελικτικό μοντέλο που δημιούργησε χάρτες εικονοστοιχείων προς τα κάτω που καταχωρήθηκαν στο patch εικόνας εισόδου, δίνοντας την πιθανότητα ότι κάθε εικονοστοιχείο εξόδου ήταν σωληναριοδιαμεσοστό, μη σφαιρικά σκληρυμένο σπειράμα ή καθολικά σκληρυμένο σπειράμα.

Παράμετροι προπόνησηςΟι εικόνες τέθηκαν σε κύβους σε 2048 × 2048 pixel (1024 × 1024 μm) μερικώς επικαλυπτόμενα μπαλώματα εικόνας (διασκελισμός, 1664 pixels ή 838 μm) για είσοδο προπόνησης. Τα patches επιλέχθηκαν για προπόνηση με τυχαία δειγματοληψία από ολόκληρη την ομάδα των ενημερώσεων κώδικα εικόνας (περίπου 6500 μπαλώματα σε κάθε σύνολο εκπαίδευσης διασταυρούμενης επικύρωσης, το μήκος μιας μόνο εποχής). Τα επιθέματα εισόδου ανατράπηκαν ή περιστράφηκαν τυχαία (κατά 0°, 90°, 180° ή 270°), δίνοντας 8 φορές αύξηση των δεδομένων προπόνησης για συνολικά περίπου 52 000 πιθανά επιθέματα εκπαίδευσης στο απόθεμα δειγματοληψίας. Η εκπαίδευση πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας το TensorFlow ελαχιστοποιώντας την κατηγορηματική απώλεια διασταυρούμενης εντροπίας, σταθμισμένη ταξινομικά χρησιμοποιώντας μια αναλογία για σκληρυμένες προς μη σκληρυμένες προς σωληνοειδείς διασταυρούμενες κατηγορίες 10:5:1 για να αντισταθμιστεί η ταξική ανισορροπία. Η βελτιστοποίηση καθόδου στοχαστικής κλίσης χρησιμοποιήθηκε με ρυθμό κυκλικής μάθησης μεταξύ 1e−4 και 1e−2 και μέγεθος παρτίδας 4 για 15 εποχές.

Διασταυρούμενη επικύρωσηΤο μοντέλο εκπαιδεύτηκε και δοκιμάστηκε σε 10 φορές διασταυρούμενη επικύρωση, όπου το 10% των WSIs παρακρατήθηκαν από την εκπαίδευση σε κάθε πτυχή και το μοντέλο που προέκυψε (εκπαιδευμένο στο υπόλοιπο 90% των δεδομένων) χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία προβλέψεων σχετικά με τα παρακρατηθέντα WSI. Εικόνες από διαφορετικά επίπεδα του ίδιουνεφρόςκρατήθηκαν πάντα μαζί. Δεν χρησιμοποιήθηκαν πληροφορίες από ένα σύνολο δοκιμών μιας πτυχής διασταυρούμενης επικύρωσης για την ενημέρωση της εκπαίδευσης της αντίστοιχης πτυχής. Οι προβλέψεις για τις διαφάνειες που παρακρατήθηκαν δημιουργήθηκαν αποσπασματικά σύμφωνα με το σχήμα τεμαχισμού εικόνας που περιγράφηκε παραπάνω (δηλαδή, 2048 × ενημερώσεις κώδικα 2048-pixel με διασκελισμό 1664 pixel) και τα αποτελέσματα επανασυναρμολογήθηκαν για να παράγουν χάρτες πιθανοτήτων εξόδου για ολόκληρα WSIs.

ΜεταδιεργασίαΈνα πρότυπο laplacian αλγορίθμου ανίχνευσης γκαουσιανής κηλίδας, κατάλληλο για τον εντοπισμό κυκλικών περιοχών υψηλής έντασης εικόνας σε πολλαπλές κλίμακες,35 χρησιμοποιήθηκε για τον εντοπισμό μεμονωμένων σπειραμάτων από τους χάρτες πιθανοτήτων. Τοις εκατόπαγκόσμια σπειραματοσκλήρυνσηυπολογίστηκε από τον τύπο 100 × S/N, όπου S είναι ο αριθμός των παγκοσμίως σκληρυμένων σπειραμάτων και N είναι ο συνολικός αριθμός σπειραμάτων.

Στατιστική ανάλυσηΗ συμφωνία pixelwise μεταξύ των χαρτών πιθανότητας σχολιασμού και πρόβλεψης ποσοτικοποιήθηκε μέσω του συντελεστή Ζάρια και της τομής πάνω από τη μέτρηση ένωσης, που υπολογίστηκε συγκεντρωτικά για όλα τα εικονοστοιχεία σε κάθε ετικέτα εξόδου. Οι αριθμοί σπειραμάτων ελήφθησαν μετά από επεξεργασία ανίχνευσης κηλίδων σε σκληρυμένα και μη σκληρυμένα κανάλια χάρτη πιθανοτήτων. Τοις εκατόπαγκόσμια σπειραματοσκλήρυνσηυπολογίστηκε από αυτές τις καταμετρήσεις για μεμονωμένες εικόνες και για μεμονωμένες εικόνεςΝεφρά, συγκεντρώνοντας μετρήσεις για όλα τα επίπεδα (συνήθως 2) που σχετίζονται με το καθένανεφρός.Οι αριθμοί σπειραμάτων συγκρίθηκαν με την αλήθεια του εδάφους σχολιασμού, με την ακρίβεια να εκτιμάται από τον συντελεστή συσχέτισης Pearson r και το σφάλμα ρίζας-μέσου όρου-τετραγώνου (RMSE). Αντίστοιχες ποσότητες για το ποσοστόπαγκόσμια σπειραματοσκλήρυνσηυπολογίστηκαν για τις εκτιμήσεις των παθολόγων εφημερίας και αυτές οι τιμές συγκρίθηκαν με την απόδοση του μοντέλου.

Κατηγοριοποίηση τωνΝεφράως «αποδεκτό» για μεταμόσχευση ή «απορρίφθηκε» καθορίστηκε στο 20%παγκόσμια σπειραματοσκλήρυνση, ένα κοινώς χρησιμοποιούμενο σημείο κοπής στην τρέχουσα κλινική πρακτική που βασίζεται σε ιστορικά δεδομένα. Μια βαθμολογία F1 υπολογίστηκε ως συνάρτηση της σωστής διάκρισης του κατά πόσον ένα δείγμα ήταν πάνω ή κάτω από το σημείο κοπής 20% σε σχέση με τους σχολιασμούς αλήθειας εδάφους. Ο συντελεστής Cohen κ (ένας δείκτης συμφωνίας μεταξύ των βαθμολογητών) υπολογίστηκε επίσης για τις διακρίσεις του μοντέλου και των παθολόγων εφημερίας στο σημείο κοπής 20%, σε σύγκριση με τον σχολιασμό της αλήθειας του εδάφους και μεταξύ τους.

Επειδή ο ορισμός τουπαγκόσμια σπειραματοσκλήρυνσηεκφράζεται φυσικά ως ο μέσος όρος μιας κατανομής βήτα που δίνεται από τις παραμέτρους S (αριθμός καθολικά σκληρυμένων σπειραμάτων) και (N − S) (αριθμός μη σπειραματοποιημένων σπειραμάτων), χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό διαστημάτων πρόβλεψης 95% που χρησιμεύουν ως δείκτης ακρίβειας εξόδου. Ένα P 2 όψεων< .05="" was="" considered="" statistically="" significant.="" all="" statistical="" analyses="" were="" conducted="" from="" march="" 2018="" to="" august="" 2020="" with="" the="" python="" packages="" scikit-learn,="" version="" 0.22.1,="" and="" scipy.stats,="" version="">

Αποτελέσματα

Οπτικοποίηση εξόδουΤα προβλεπόμενα αποτελέσματα εικόνας για WSI κατεψυγμένου τμήματος και μόνιμου τμήματος έδειξαν ποιοτική συμφωνία με τους χάρτες σχολιασμού στόχου (Σχήμα 1). Οι συνολικοί συντελεστές ζαριών ήταν 0,784 για τα μη σφαιρικά σκληρυμένα σπειράματα και 0,600 για τα σφαιρικά σκληρυμένα σπειράματα. Η συνολική τομή πάνω από τις μετρήσεις ένωσης για τις ίδιες ομάδες ήταν 0,645 για τα μη σφαιρικά σκληρυμένα σπειράματα και 0,429 για τα παγκοσμίως σκληρυμένα σπειράματα. Συγκεκριμένα, ακόμη και παγωμένα τμήματα με σημαντικά τεχνουργήματα έδειξαν ποιοτική οπτική συμφωνία μεταξύ της αλήθειας του εδάφους σχολιασμού και των προβλέψεων (παράδειγμα που φαίνεται στο Σχήμα 1Α).

Αξιολόγηση του ποσοστού της παγκόσμιας σπειραματοσκλήρυνσης με βάση μεμονωμένες διαφάνειεςΔιασταυρούμενη επικυρωμένησπειραματοσκλήρυνσηοι προβλέψεις σε μεμονωμένες διαφάνειες παρουσίαζαν επίσης συσχέτιση με σχολιασμούς (r = 0,916, 95% CI, 0,886-0,939 και RMSE = 5,631, 95% CI, 4,735-6,517; P< .001)="" (figure="" 2a).="" separating="" the="" results="" by="" slide="" preparation="" technique="" indicated="" that="" predictions="" on="" frozen="" sections="" showed="" similar="" correlation="" with="" ground="" truth="" (r="0.918;" 95%="" ci,="" 0.879-0.944;="" rmse="6.20;" p="">< .001)="" (efigure="" 3a="" in="" the="" supplement),="" whereas="" the="" permanent="" group="" showed="" higher="" performance="" (r="0.940;" 95%="" ci,="" 0.896-0.965;="" rmse="4.32;" p="">< .001)="" (efigure="" 3d="" in="" the="" supplement).="" the="" total="" numbers="" of="" glomeruli="" detected="" by="" the="" model="" are="" shown="" in="" figure="" 3a="" and="" b,="" illustrating="" the="" correlations="" of="" nonglobally="" sclerosed="" glomeruli="" with="" ground="" truth="" (r="0.955;" 95%="" ci,="" 0.938-0.967;="" rmse="8.383;" p="">< .001)="" and="" globally="" sclerosed="" glomeruli="" with="" ground="" truth="" (r="0.934;" 95%="" ci,="" 0.909-0.952;="" rmse="4.718;" p="">< .001).="" the="" mean="" (sd)="" glomeruli="" count="" differences="" between="" annotation="" and="" prediction="" were="" 3.1="" (7.8)="" for="" nonglobally="" sclerosed="" glomeruli="" and="" 0.2="" (4.7)="" for="" globally="" sclerosed="" glomeruli.="" similar="" positive="" results="" for="" predicted="" glomeruli="" counts="" were="" observed="" when="" separating="" slides="" by="" treatment="" (efigure="" 2a,="" b,="" e,="" and="" f="" in="" the="">

Αξιολόγηση της ποσοστιαίας παγκόσμιας σπειραματοσκλήρυνσης με βάση τα επίπεδα συγκέντρωσης συγκεντρωτικών ολισθήσεων βελτίωσε την απόδοση του αριθμού σπειραμάτων του μοντέλου (Σχήμα 3C και D, eFigure 2C, D, G και H στο Συμπλήρωμα) καθώς και τη συσχέτιση σπειραματοσκλήρωσης με σχολιασμούς, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2B (r = 0,933, 95% CI, 0,898-0,956, και RMSE = 5,094, 95% CI, 3,972-6,301; P< .001,="" for="" combined="" frozen="" and="" permanent="" sections),="" bettering="" on-call="" pathologists’="" performance="" on="" the="" same="" cases="" (r="0.884;" 95%="" ci,="" 0.825-0.923;="" and="" rmse="6.523;" 95%="" ci,="" 5.191-7.783;="" p="">< .001)="" (figure="" 2c).="" global="" glomerulosclerosis="" error="" as="" measured="" by="" rmse="" was="" 22%="" lower="" for="" the="" model="" than="" for="" on-call="" pathologists.="" concordance="" between="" the="" model’s="" predictions="" of="" global="" glomerulosclerosis="" for="" individual="" and="" pooled="" levels="" is="" shown="" in="" efigure="" 4="" in="" the="" supplement="" as="" a="" residual="" with="" respect="" to="" annotation="" ground="">

θεραπεία νεφρικής διαταραχής φύλου

Αξιολόγηση του κινδύνου εσφαλμένου χαρακτηρισμού των νεφρών Τα συγκεντρωτικά αποτελέσματα της παγκόσμιας σπειραματοσκλήρωσης για τους σχολιασμούς, τις προβλέψεις μοντέλων και τους παθολογοανατόμους σε εφημερία ταξινομήθηκαν και σχεδιάστηκαν κατά σειρά αυξανόμενου ποσοστού παγκόσμιας σπειραματοσκλήρωσης για όλα τα 83 νεφρά που περιλαμβάνονται στη μελέτη, μαζί με τα αντίστοιχα διαστήματα πρόβλεψης 95% και το σημείο κοπής 20% για την αποδοχή ή την απόρριψη μεταμόσχευσης οργάνων δότη (Σχήμα 4B-F). Επειδή όλα τα επίπεδα του τμήματος αξιολογούνται από τους εφημερεύοντες παθολογοανατόμους κατά τη στιγμή της βιοψίας, τα αποτελέσματά τους θεωρούνται συγκεντρωτικές αξιολογήσεις. Οι νεφροί με διαστήματα πρόβλεψης που επικαλύπτουν τη γραμμή του σημείου κοπής 20% κινδυνεύουν περισσότερο για εσφαλμένη αποδοχή ή απόρριψη εάν οι αριθμοί σπειραμάτων εκτιμηθούν εσφαλμένα. Η πιθανότητα εσφαλμένης κατηγοριοποίησης ενός νεφρού με μεγαλύτερη από 20% παγκόσμια σπειραματοσκλήρυνση φαίνεται στην Εικόνα 4Α. Χρησιμοποιώντας μεμονωμένες διαφάνειες, το προβλεπόμενο ποσοστό σφάλματος του μοντέλου DL ήταν 15% χαμηλότερο από ό, τι για τους παθολογοανατόμους εφημερίας και σχεδόν πανομοιότυπο με τους σχολιασμούς αλήθειας εδάφους (δηλαδή, η ιδανική περίπτωση). Με συγκεντρωτικά επίπεδα, το προβλεπόμενο ποσοστό σφάλματος του μοντέλου DL μειώθηκε στο 37% χαμηλότερο από αυτό για τους παθολογοανατόμους που εφημερεύουν. Ομοίως, το προβλεπόμενο ποσοστό σφάλματος του μοντέλου DL για εσφαλμένη αποδοχή οργάνων χρησιμοποιώντας μεμονωμένα επίπεδα ήταν 21% χαμηλότερο από αυτό για τους παθολογοανατόμους σε εφημερία και 34% χαμηλότερο κατά τη χρήση συγκεντρωτικών επιπέδων.

Η βαθμολογία F1 και ο Cohen κ έδειξαν παρόμοια αποτελέσματα. Η βαθμολογία F1 του μοντέλου DL για μεμονωμένα επίπεδα που έχουνπαγκόσμια σπειραματοσκλήρυνσηκάτω από το 20% ήταν 0,896 και 0,950 για τα επιμέρους επίπεδα πάνω από το 20%. Αυτές οι μετρήσεις βελτιώθηκαν κατά τη συγκέντρωση επιπέδων στο 0,926 για όσους βρίσκονται κάτω από το 20% και στο 0,964 για όσους βρίσκονται πάνω από το 20%. Αυτό συγκρίνεται ευνοϊκά με τις βαθμολογίες F1 για τους παθολογοανατόμους σε εφημερία 0,852 για εκείνους κάτω από το 20% και 0,929 για εκείνους που βρίσκονται πάνω από 20%. Cohen κ για τις προβλέψεις του μοντέλου σε μεμονωμένα επίπεδα σε σχέση με την αλήθεια εδάφους ήταν 0,847, βελτιώνοντας σε 0,891 για συγκεντρωτικά επίπεδα. Κοέν κ για

οι παθολογοανατόμοι σε σχέση με τους συγκεντρωτικούς σχολιασμούς ήταν χαμηλότεροι, στην τιμή του 0,781, και ήταν 0,714 σε σύγκριση με τις προβλέψεις συγκεντρωτικού επιπέδου του μοντέλου. Η συμφωνία μεταξύ του παθολογοανατόμου και των αποτελεσμάτων του μοντέλου για συγκεντρωτικά αποτελέσματα επιπέδου παρουσιάζεται στο eFigure 5 στο Συμπλήρωμα ως κατάλοιπο σε σχέση με την αλήθεια του εδάφους, ταξινομημένο κατά αλήθεια εδάφουςπαγκόσμια σπειραματοσκλήρυνσηποσοστό και συνολικός αριθμός σπειραμάτων. Η τιμή της πολυεπίπεδης εξέτασης παρουσιάζεται με την αξιολόγηση των διαστημάτων πρόβλεψης από την κατανομή βήτα. Μια απεικόνιση της κατανομής βήτα για ένα υποθετικό δείγμα βιοψίας με 15%παγκόσμια σπειραματοσκλήρυνσηφαίνεται στο Σχήμα 5Α για ομάδες των 1, 2, 3 και 4 επιπέδων, υποθέτοντας ότι κάθε επίπεδο έχει 58 παρατηρούμενα σπειράματα (ο μέσος αριθμός για αυτή τη μελέτη). Το ύψος κάθε καμπύλης σε μια δεδομένη τιμή στον οριζόντιο άξονα μπορεί να ερμηνευτεί ως η σχετική πιθανότητα εκτίμησης του ποσοστούπαγκόσμια σπειραματοσκλήρυνσηνα είναι αυτή η τιμή, δεδομένης της πραγματικής κατανομής των σκληρυμένων και φυσιολογικών σπειραμάτων. Έτσι, η περιοχή κάτω από την καμπύλη δίνει μια εκτίμηση της πιθανότητας απόκτησηςπαγκόσμια σπειραματοσκλήρυνσηεκτιμήσεις εντός των ορίων της ολοκλήρωσης. Η κατανομή μειώθηκε με αυξημένη συγκέντρωση. Το πιο σημαντικό, η κανονικοποιημένη περιοχή κάτω από την καμπύλη πέρα από το ονομαστικό σημείο αποκοπής απόρριψης 20% μειώθηκε από 14% χρησιμοποιώντας μόνο ένα επίπεδο σε 2% κατά τη συγκέντρωση 4 επιπέδων (Σχήμα 5Β), μια 7πλάσια μείωση της πιθανότητας εσφαλμένης υπερεκτίμησηςπαγκόσμια σπειραματοσκλήρυνσηκαι απορρίπτοντας εσφαλμένα αυτό που θα έπρεπε να είναι ένα χρησιμοποιήσιμο όργανο. Για να απεικονιστούν περαιτέρω τα οφέλη της συγκέντρωσης επιπέδων, τα σπειράματα υπολογίζονται για 1000 τυχαία επιλεγμένες αξιολογήσεις δειγμάτων βιοψίας δότη (από την ίδια βάση δεδομένων με τις 83δείγματα βιοψίας νεφρούχρησιμοποιήθηκαν σε αυτή τη μελέτη) χρησιμοποιήθηκαν για να προσομοιώσουν τις επιπτώσεις της συγκέντρωσης επιπέδων για μεγάλο πληθυσμό. Ο

Οι εκτιμήσεις των παθολόγων εφημερίας χρησιμοποιήθηκαν ως υποκατάστατα για τους αριθμούς σπειράματος αλήθειας εδάφους και η συγκέντρωση δεδομένων προσομοιώθηκε πολλαπλασιάζοντας τις αναφερόμενες μετρήσεις ανά επίπεδο με τον αριθμό των προσομοιωμένων επιπέδων στην ομάδα. Εφαρμόζοντας την ανάλυση που περιγράφεται παραπάνω σε αυτό το σενάριο, ο αριθμός των εσφαλμένων απορρίψεων οργάνων για κάθε 1000Νεφράθα μειωνόταν από 31 σε 13 αυξάνοντας τον αριθμό των επιπέδων που αξιολογήθηκαν από 1 σε 4 (Σχήμα 5Γ). Ως απόδειξη της πιθανής κλινικής ροής εργασίας με την ενσωμάτωση τεχνικών DL, οι προβλεπόμενοι σχολιασμοί του μοντέλου DL για 25 περιπτώσεις από το σύνολο δεδομένων της μελέτης επιλέχθηκαν τυχαία (5 η καθεμία με 0%-5%, 6%-10%, 11%-15%, 16%-20% και >20% παγκόσμια σπειραματοσκλήρωση) και υποβλήθηκαν σε έναν παθολογοανατόμο, ο οποίος αξιολόγησε τις εικόνες ιστολογίας με επικαλύψεις ταξινομήσεις σπειραμάτων που παράγονται από μοντέλα. Στη συνέχεια, ο παθολογοανατόμος διόρθωσε τυχόν χαμένα ή ανακριβώς επισημασμένα σπειράματα με τρόπο και χρονικό πλαίσιο που συνάδει με την τρέχουσα κλινική πρακτική. Η παθολογοανατομική τροποποιημένη αξιολόγηση συσχετίστηκε καλύτερα με την αλήθεια του εδάφους (r = 0,958) και είχε χαμηλότερο σφάλμα (RMSE = 4,352) από οποιονδήποτε από τον εφημερεύοντα παθολόγο (r = 0,613; RMSE = 0,898) ή μόνο το μοντέλο DL (r = 0,847; RMSE = 7.535) (eFigure 7 στο Συμπλήρωμα).

Συζήτηση

Το μοντέλο DL παρήγαγε ενθαρρυντικά αποτελέσματα, τόσο σε ποιοτικά (οπτικά) όσο και σε ποσοτικά ευρήματα, και ανακεφαλαιωμένα αποτελέσματα που περιγράφηκαν σε προηγούμενες εργασίες μελών της ομάδας μας σε ένα μικρότερο εκπαιδευτικό σύνολο.34 Το μοντέλο είχε καλή απόδοση χρησιμοποιώντας είτε κατεψυγμένα τμήματα είτε μόνιμα τμήματα, βελτιώνοντας την απόδοση των παθολόγων εφημερίας. Ο χρόνος για το μοντέλο να επεξεργαστεί ένα μεμονωμένο WSI ήταν περίπου 5 λεπτά, καλά μέσα στους τυπικούς περιορισμούς μιας διεγχειρητικής διαβούλευσης παθολογίας.

Η μεγέθυνση των σφαλμάτων καταμέτρησης κατά τη χρήση ενός μικρού δείγματος επισημαίνει την τιμή που προκύπτει από τη συγκέντρωση αποτελεσμάτων από πολλά επίπεδα που λαμβάνονται από ένα μεμονωμένο δείγμαβιοψία νεφρού.Το τυπικό πάχος ενός δότηβιοψία νεφρούτο δείγμα είναι 1 mm. Ο παθολογοανατόμος εξετάζει μόνο ένα αντιπροσωπευτικό τμήμα αυτού του ιστού πάχους 5-μm, αφήνοντας ένα σημαντικό μέρος των μη αξιολογημένωννεφρόςανεξέταστος. Παρόλο που τα σπειράματα από τα οποία λαμβάνονται δείγματα σε επόμενα τμήματα μπορεί να μην είναι ανεξάρτητα, η διαδικασία προετοιμασίας της αντικειμενοφόρου πλάκας μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική μεταβλητότητα μεταξύ τομής στην παγκόσμια σπειραματοσκλήρυνση, ανεξάρτητα από τη μεταβλητότητα του παρατηρητή (eFigure 6 στο Συμπλήρωμα). Με την αξιολόγηση περισσότερων τμημάτων ιστών, η επίδραση αυτής της μεταβλητότητας μπορεί να ελαχιστοποιηθεί και η αξιοπιστία της αξιολόγησης του δείγματος βιοψίας να ενισχυθεί. Αυτό το όφελος παρατηρείται σαφώς στην παρούσα μελέτη για κάθε μέτρηση (Σχήματα 2-4), η οποία παρουσίασε βελτίωση με την εξέταση πρόσθετων ιστών.

Το τρέχον πρότυπο φροντίδας απαιτεί αξιολόγηση μόνο 25 σπειραμάτων και 1 έως 2 επιπέδων τομής, επειδή περισσότερες αξιολογήσεις δεν είναι πρακτικά εφικτές από τους ανθρώπινους παθολογοανατόμους στο ευαίσθητο στο χρόνο πλαίσιο της μεταμόσχευσης οργάνων. Η χρήση τεχνικών DL για την αύξηση της ανθρώπινης ικανότητας σε αυτό το περιβάλλον θα μπορούσε να προσθέσει ζωτικά απαραίτητα όργανα στην ομάδα δωρητών. Μια πιθανή κλινική ροή εργασίας με την ενσωμάτωση τεχνικών DL θα μπορούσε να είναι η εξής: ένα δείγμα φτάνει στο εργαστήριο κατεψυγμένης τομής, όπου προετοιμάζεται και σαρώνεται μια διαφάνεια κατεψυγμένης τομής. Στη συνέχεια, το WSI αποστέλλεται σε μια ασφαλή θέση για ανάλυση χρησιμοποιώντας το μοντέλο DL. Ενώ το μοντέλο DL αναλύεται, ο παθολογοανατόμος μπορεί να συνδεθεί και να εξετάσει το δείγμα για άλλα σχετικά ευρήματα. Το αποτέλεσμα του μοντέλου DL θα ήταν διαθέσιμο εντός 5 έως 10 λεπτών, θα παρουσιαζόταν στον παθολογοανατόμο ως γραφική επικάλυψη των ταξινομήσεων σπειραμάτων στην ιστολογική εικόνα, στη συνέχεια θα επαληθεύτηκε (και θα τροποποιηθεί εάν είναι απαραίτητο) από τον παθολογοανατόμο και θα ενσωματωθεί στην έκθεση. Η πραγματική έκθεση θα διασυνδέεται άμεσα με τον κλινικό ηλεκτρονικό φάκελο υγείας.

ΠεριορισμούςΥπάρχουν ορισμένοι περιορισμοί σε αυτή τη μελέτη. Ήταν μια μελέτη ενός κέντρου. Παρόλο που τα WSI δημιουργήθηκαν χρησιμοποιώντας 2 σαρωτές σε 2 ιδρύματα, το σύνολο δεδομένων κατεψυγμένου τμήματος δημιουργήθηκε εξ ολοκλήρου σε 1 ίδρυμα, ενώ το σύνολο δεδομένων μόνιμης ενότητας δημιουργήθηκε από άλλο. Αν και ένα μικρό προκαταρκτικό σύνολο δεδομένων (n = 17) πρότεινε ότι οι προβλέψεις μοντέλων σε κατεψυγμένα τμήματα παρουσίαζαν εύλογη αντιστοιχία με τα σχετικά μόνιμα τμήματα και ότι το μοντέλο ξεπερνούσε τους παθολογοανατόμους σε εφημερίες σε αυτά τα κατεψυγμένα τμήματα (eFigure 8 στο Συμπλήρωμα), αυτή η μελέτη δεν ασχολήθηκε άμεσα με το πόσο στενά τα κατεψυγμένα τμήματα (καθώς και οι παθολογοανατομικοί αξιολογήσεις τους) αντιστοιχούσαν σε μόνιμα τμήματα που στη συνέχεια αποκτήθηκαν και υποβλήθηκαν σε επεξεργασία από το ίδιο δείγμα βιοψίας.

Το σύνολο δεδομένων ήταν μικρό σε σύγκριση με άλλες μελέτες DL. Ωστόσο, εξετάστηκαν συνολικά σχεδόν 8500 σπειράματα, ένας σχετικά υψηλός αριθμός. Ο περιορισμός στην αξιολόγηση μεγαλύτερου αριθμού περιπτώσεων έγκειται στη χρονοβόρα διαδικασία του σειριακού σχολιασμού των WSI. Για την περαιτέρω αξιολόγηση της ευρωστίας αυτού του μοντέλου, θα απαιτηθούν πρόσθετες μελέτες όπου το μοντέλο δοκιμάζεται χρησιμοποιώντας WSIs που παράγονται από πρόσθετα εργαστήρια και σαρωτές.

ΣυμπεράσματαΑυτή η προγνωστική μελέτη βρήκε καλύτερη απόδοση για την ποσοτικοποίηση του ποσοστούπαγκόσμια σπειραματοσκλήρυνσηαπό WSIs κατεψυγμένου και μόνιμου μοσχεύματος δότη με αιματοξυλινίνη-ηωσίνηδείγματα βιοψίας νεφρούαπό ένα μοντέλο DL παρά από παθολογοανατόμους με πιστοποίηση πίνακα εφημερίας. Η απόδοση βελτιώθηκε περαιτέρω με την εξέταση πρόσθετων τμημάτων ιστών, μια διαδικασία που είναι πέρα από την ικανότητα των παθολόγων στην ευαίσθητη στο χρόνο φύση της αξιολόγησης δειγμάτων βιοψίας δότη. Τα αποτελέσματα έδειξαν μειωμένη πιθανότητα εσφαλμένου χαρακτηρισμού του ποσοστούπαγκόσμια σπειραματοσκλήρυνσηκατά τη χρήση του μοντέλου DL, μειώνοντας έτσι την πιθανότητα ακατάλληλης απόρριψης οργάνων δότη ή χρήσης οργάνου που δεν είναι το βέλτιστο. Τα ευρήματα απεικονίζουν τα σημαντικά κέρδη που θα μπορούσαν να πραγματοποιηθούν χρησιμοποιώντας μεθόδους DL στην κλινική πρακτική της χειρουργικής παθολογίας.