뼈 미란은 류마티스 관절염의 중요한 병리학적 특징입니다. 이 작업의 목적은 침식 분석을 위한 고해상도 주변 정량 컴퓨터 단층 촬영 이미지에서 병리학적 피질 절단을 식별하는 방법에 대한 지침을 사용자에게 제공하는 교육 도구를 소개하는 것입니다.
뼈 미란은 류마티스 관절염(RA)을 포함한 여러 형태의 염증성 관절염의 병리학적 특징입니다. 침식의 존재와 크기가 증가하면 좋지 않은 결과, 관절 기능 및 질병 진행과 관련이 있습니다. 고해상도 말초 정량 컴퓨터 단층 촬영(HR-pQCT)은 뼈 미란에 대한 탁월한 생체 내 시각화를 제공합니다. 그러나 이 해상도에서는 정상적인 생리적 과정 및 병리와 관련된 피질 껍질의 불연속성(피질 절단)도 볼 수 있습니다. 류마티스 관절염의 xtrEme 컴퓨터 단층 촬영에 대한 연구 grouP는 이전에 HR-pQCT의 병리학적 침식에 대한 정의를 개발하기 위해 합의 프로세스를 사용했습니다: 기저 섬유주 뼈 손실이 있는 최소 두 개의 연속적인 조각, 최소 두 개의 수직 평면에서 감지된 피질 절단. 그러나 합의된 정의가 있음에도 불구하고 침식 식별은 평가자 간 변동성에 문제가 있는 까다로운 작업입니다. 이 작업의 목적은 침식 분석을 위해 HR-pQCT 이미지에서 병리학적 피질 절단을 식별하는 방법에 대한 지침을 사용자에게 제공하는 교육 도구를 소개하는 것입니다. 여기에 제시된 프로토콜은 오픈 소스 이미지 처리 소프트웨어(3D 슬라이서)의 확장으로 구현된 맞춤형 모듈(BAM(Bone Analysis Module) – Training)을 사용합니다. 이 모듈을 사용하여 사용자는 침식 식별을 연습하고 전문 류마티스 전문의가 주석을 단 침식과 결과를 비교할 수 있습니다.
뼈 미란은 염증으로 인해 피질 뼈 표면에서 국소적인 뼈 손실이 발생할 때 발생합니다. 이러한 침식은 밑에 있는 섬유주 뼈 영역으로 확장됩니다. 이는 류마티스 관절염(RA)을 포함한 여러 형태의 염증성 관절염의 병리학적 특징입니다.1 침식의 존재 여부와 크기는 나쁜 결과, 환자 기능 및 질병 진행과 관련이 있습니다 2,3,4,5. 일반 방사선 촬영이 침식 평가의 임상 표준으로 남아 있지만, 고해상도 말초 정량 컴퓨터 단층 촬영(HR-pQCT)은 침식 검출을 위한 3D 이미지와 우수한 감도 및 특이성을 제공합니다 6,7. 류마티스 관절염과 같은 염증성 관절염의 경우, HR-pQCT는 일반적으로 손에서 가장 많이 영향을 받는 관절인 2차 및 3차 중수골 관절에 시행된다8. HR-pQCT 이미지는 공간 해상도가 높기 때문에 RA9가 없는 건강한 사람에서도 피질 표면의 생리적 중단이 관찰됩니다. 이러한 대뇌 피질 중단은 종종 뼈를 통과하는 혈관 채널 또는 영양 구멍과 관련이 있다10. 따라서 문제는 질병 과정(즉, 병리학적 침식)과 관련된 대뇌 피질 중단을 비병리학적 특징과 구별하는 것입니다.
병리학적 골 침식에 대한 합의된 정의는 류마티스 관절염의 xtrEme 컴퓨터 단층 촬영(SPECTRA)에 대한 연구 grouP에 의해 적어도 두 개의 연속적인 절편에 걸쳐 확장되고 두 개 이상의 수직면에서 검출될 수 있는 뼈의 피질층에 명확한 중단이 있는 것으로 발표되었습니다11. 또한, 중단은 모양이 비선형적이어야 하며 섬유주 영역의 손실을 동반해야 합니다. 침식의 기준을 충족하거나 충족하지 않는 피질 중단의 시각적 예는 Klose-Jensen et al.12에 나와 있습니다.
그러나 위의 기준을 충족하는 모든 피질 중단이 미란으로 분류되는 것은 아닙니다. 혈관 차단은 때때로 혈관 채널과 같은 생리적 과정에 의해 발생합니다(그림 1). 이들은 예측 가능한 해부학적 위치, 평행 및 직선 여백, 밀리미터 미만 크기13로 인해 침식과 구별되고 구별될 수 있다. 낭종은 미란으로 간주되지 않는 또 다른 형태의 피질 중단입니다. 그들은 종종 투명한 낭포성 벽(cystic wall)을 가진 둥근 섬유주 구조를 가지고 있다 13. 침식에 의해 나타나는 날카로운 모서리와 열린 섬유주 구조와는 대조적입니다. 그러나 낭포성 부위 내에서 미란이 형성될 수 있으므로 낭종이 아닌 미란으로 인한 뼈 손실의 양을 설명하는 것이 모호합니다. 추가 기준으로 이러한 모호성을 해결하는 것이 이 연구의 목적은 아니지만, 병리학적 침식과 생리적 피질 중단에 대한 포괄적인 예를 제공할 필요가 있습니다.
그림 1: 침식에 의해서만 발생하지 않은 피질 중단의 예. (A) 중수골 머리의 기저부에 있는 혈관 채널의 공통 위치를 나타내는 도면. (B) 관상면, (C) 시상면, (D) 및 (E) 축면의 혈관 채널의 예. (F) 낭종으로 인한 피질 중단의 예. (G) 낭종과 미란을 모두 포함하는 뼈의 섬유주 영역 내 공극 부피의 예. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
침식 식별의 어려움에도 불구하고 현재 경험이 부족한 사용자에게 침식 분석을 위한 HR-pQCT 이미지 해석에 대한 지침을 제공하는 교육 도구가 없습니다. 최근에는 침식 시각화 및 체적 분석을 가능하게 하는 오픈 소스 이미지 처리 소프트웨어의 확장으로 구현된 뼈 분석 모듈(BAM) – 침식 볼륨(Erosion Volume)이라는 침식 분석을 위한 오픈 소스 모듈이 개발되었다14. 여기에 제시된 프로토콜은 BAM(BAM – 교육)에 추가된 교육 모듈의 사용을 설명하며, 이는 전문 류마티스 전문의가 주석을 단 침식 식별과 침식 식별을 비교하여 사용자의 침식 식별 시도를 비교합니다. 이 교육 도구는 침식 분석의 개선을 안내하기 위해 침식 식별에 대한 피드백을 사용자에게 제공합니다. 소프트웨어 설치 지침은 1단계에서 제공됩니다. 새로운 데이터 수집에 대해서는 3 – 5.3단계를 참조하십시오. 교육 모듈에서만 사용하는 경우 2단계를 참조하십시오.
이 교육 도구는 뼈 분석 모듈을 사용하여 침식을 식별하는 방법을 배울 수 있는 기회를 제공합니다. 교육 이외에 이 침식 분석 도구를 추가로 사용하려면 모션 아티팩트가 거의 또는 전혀 없는 고품질 이미지에 액세스해야 합니다. 문헌에 근거한 HR-pQCT 침식 정의는 합리적인 재현성으로 보고될 수 있는 병리학적 침식과 관련된 해부학적 특징을 기술한다11,20. 그러나, 이 정의는 혈관 채널의 일반적인 해부학적 위치를 설명하지 못하며, 잠재적으로 골미란으로 오분류되는 결과를 초래할 수 있다10.
이 프로토콜에서 중요한 단계는 본 마스크의 생성, 시드 포인트의 배치, 침식 볼륨의 생성입니다. 마스크와 침식량을 생성하는 자동화된 방법이 구현되어 있지만, 만족스러운 결과를 보장하기 위해 마스크를 수동으로 수정해야 하는 경우가 많습니다. 수동 수정을 수행하는 데 사용할 수 있는 도구에 대한 포괄적인 설명이 제공됩니다. 시드 지점의 배치는 BAM-Training 모듈에서 제공하는 교육 예제에 따라 안내됩니다.
현재까지 사용된 데이터를 기반으로 이 프로토콜은 침식 분석 모듈이 예상한 결과를 생성하지 않을 때 문제 해결을 위한 제안을 제공합니다. 향후 작업에서는 추가 학습 데이터에 대한 액세스가 제공될 예정입니다. 이전 연구는 이 방법으로 평가된 침식량이 기존 방법과 비슷하다는 것을 보여주었다 14,21,22. 학습 데이터를 제공하면 개발된 최신 침식 분석 도구와 비교할 수 있습니다23.
여기에 소개된 훈련 도구는 주로 침식 식별에 도움이 됩니다. 그러나 이 방법은 현재 섬유주 뼈의 침식 정도를 정의하는 데 대한 합의가 부족하여 제한되어 있습니다. 그럼에도 불구하고 BAM 모듈은 오픈 소스이므로 침식 범위에 대한 향후 정의가 변경됨에 따라 다른 연구원은 필요에 맞게 모듈을 수정할 수 있습니다.
류마티스 연구에서 HR-pQCT의 사용이 확대됨에 따라 교육 도구는 경험이 없는 사용자에게 침식 분석을 위한 HR-pQCT 이미지에서 병리학적 피질 중단을 식별하는 방법에 대한 지침을 제공합니다. 이 도구는 침식 분석을 위해 선택한 방법에 관계없이 연구원에게 적용할 수 있습니다. 재현성과 분석 속도를 개선하려면 완전히 자동화된 침식 식별이 바람직하지만, 기계 학습 모델을 훈련하려면 정확한 주석이 있는 대규모 참조/벤치마크 데이터 세트가 필요합니다. 오픈 소스 도구인 이 모듈은 나중에 기계 학습에서 사용할 수 있도록 주석이 달린 대규모 데이터 세트를 집합적으로 개발할 수 있는 기회를 제공합니다. 이 교육 도구를 사용하면 더 많은 연구자가 HR-pQCT 연구에 침식 분석을 포함할 수 있습니다.
The authors have nothing to disclose.
저자들은 이 작업을 지원한 다음 자금 지원 기관에 감사를 표하고자 합니다. SLM은 관절염 학회(STAR-18-0189)와 캐나다 보건 연구소 연구 계획 및 보급 보조금을 통해 자금을 지원합니다. JJT는 CIHR 펠로우십 상을 수상했습니다.
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 |