00 CAMPUS ARISTÓTELES CALAZANS SIMÕES (CAMPUS A. C. SIMÕES) IC - INSTITUTO DE COMPUTAÇÃO Dissertações e Teses defendidas na UFAL - IC
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Tipo: Dissertação
Título: Aprendizado profundo aplicado à quantificação automática de variáveis morfométricas depodócitos em imagens de imuno-histoquímica
Título(s) alternativo(s): Deep learning applied to the automatic quantification of morphometric variables. Podocytes in immunohistochemical images
Autor(es): Vasco, Rafael Fernandes Vanderlei
Primeiro Orientador: Oliveira, Michelle Jacintha Cavalcante
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Queiroz, Fabiane da Silva
metadata.dc.contributor.referee1: Machado, Aydano Pamponet
metadata.dc.contributor.referee2: Pinheiro, Maria Eliete
Resumo: Entre os diversos tipos celulares que constituem o tecido renal destacam-se os podócitos, células altamente especializadas do glomérulo que envolvem os capilares e as células vizinhas da cápsula de Bowman. O comprometimento genético ou adquirido dos podócitos pode levar ao desenvolvimento de várias doenças proteinúricas. A hipótese da depleção de podócitos ganhou considerável atenção na última década, principalmente porque representa um conceito unificador na patologia renal o qual associa esta condição ao desenvolvimento de diversas doenças glomerulares, especialmente àquelas caracterizadas por glomerulosclerose, que evoluem para doença renal crônica. Portanto, vem-se desenvolvendo diversas metodologias de avaliação quantitativa dos podócitos por meios mais simples e amplamente disponíveis. Os objetivos do presente estudo foram: 1) verificar o uso da imuno-histoquímica (IH) como marcação alternativa à imunofluorescência (IF) para quantificação de parâmetros morfométricos, principalmente a densidade de podócitos, em biopsias renais pelo método do Fator de Correção (VENKATAREDDY et al., 2014) e 2) apresentar uma avaliação automatizada para quantificação destes atributos a partir de uma Rede Neural Convolucional. Foram estudados 16 casos de biópsias renais pré-transplante de doadores falecidos no período de 2016 a 2018. As amostras foram marcadas com IH através de anticorpo nuclear anti-WT1 (tumor de wilm’s tipo 1). Esta marcação mostrou-se capaz de apresentar resultados de densidade podocitária semelhantes aos referidos pela literatura através da IF, com Coeficiente de Variação entre os estudos de 14%. Verificou-se que a IH com anticorpo anti-WT1 demonstrou uma marcação com amplo espectro de apresentação dos pixels pertencentes às imagens dos núcleos, caracterizada por grandes variabilida-des de pigmentação entre indivíduos, entre glomérulos do mesmo indivíduo e dentro de um mesmo glomérulo. Este fator acrescentou dificuldade e mais tempo ao processo de reconhecimento pelo profissional. No desenvolvimento da Rede Neural Convolucional (U-net: Convolutional Networks for BiomedicalImageSegmentation) foram utilizadas 122 imagens glomerulares com 2.977 imagens de núcleos de podócitos. Onde vetores de características foram extraídos de 80% das imagens selecionadas aleatoriamente para treinamento do modelo de Aprendizado de Máquina e os 20% restantes foram utilizados na Rede Neural para obter as métricas desejadas. A construção da Rede Neural foi baseada nos critérios de melhor desempenho observados em relação à sensibilidade e precisão no reconhecimento de pixels pertencentes às imagens de núcleos podócitos. Todas as 6 variáveis morfológicas testadas de forma pareada não apresentaram diferenças estatísticas entre o processo de podometria manual e o uso da Rede Neural. A similaridade entre as máscaras binárias da marcação manual e da rede neural foi de 89%, medida pelo Coeficiente de Jaccard. Conclui-se que a Rede Neural apresentou um desempenho relevante para identificação e contagem de núcleos de podócitos, assim como para a medida dos diâmetros nucleares. Além disso, houve vantagem significativa na otimização do processo manual pela redução de tempo e esforço gasto nesta atividade. Considerando que o processo de Aprendizado de Máquina pode ser progressivamente melhorado com inserção de mais informações à Rede Neural, observa-se um grande potencial deste modelo à medida que for alimentado com maior número de imagens e/ou utilização de biomarcadores mais específicos.
Abstract: Among the various cell types that make up renal tissue are podocytes, highly specialized glomerulus cells that surround the capillaries and neighboring Bowman capsule cells. Genetic or acquired involvement of podocytes can lead to the development of various proteinuric diseases. The hypothesis of podocyte depletion has gained considerable attention in the last decade, mainly because it represents a unifying concept in renal pathology which associates this condition with the development of several glomerular diseases, especially those characterized by glomerulosclerosis, which evolve to chronic kidney disease. Therefore, several methodologies for quantitative evaluation of podocytes by simpler and widely available means have been developed. The objectives of the present study were: 1) to verify the use of immunohistochemistry (IH) as an alternative marker to immunofluorescence (IF) to quantify morphometric parameters, especially podocyte density, in renal biopsies by the correction factor method (VENKATAREDDY et al., 2014) and 2) present an automated evaluation for quantification of these attributes from a Convolutional Neural Network. Sixteen pre-transplant renal biopsy cases from deceased donors from 2016 to 2018 were studied. Samples were labeled with IH by anti-WT1 nuclear antibody (wilm’s tumor type 1). This marking was able to present podocyte density results similar to those reported in the literature through IF, with a coefficient of variation between studies of 14%. IH with anti-WT1 antibody was found to have a broad spectrum labeling of the pixels belonging to the nucleus images, characterized by large pigmentation variability between individuals, between glomeruli of the same individual and within the same glomerulus. This factor added difficulty and more time to the process of recognition by the professional. In the development of the Convolutional Neural Network (U-net: Convolutional Networks for Biomedical Image Segmentation), 122 glomerular images with 2,977 podocyte nucleus images were used. Where feature vectors were extracted from 80% of the randomly selected images for Machine Learning model training and the remaining 20% were used in the Neural Network to obtain the desired metrics. The construction of the Neural Network was based on the best performance criteria observed regarding the sensitivity and precision in the recognition of pixels belonging to podocyte nucleus images. All 6 morphological variables tested pairwise showed no statistical differences between the manual podometry process and the use of the Neural Network. The similarity between binary markers and neural network masks was 89%, as measured by the Jaccard Coefficient. It was concluded that the Neural Network presented a relevant performance for podocyte nucleus identification and counting, as well as for the measurement of nuclear diameters. In addition, there was a significant advantage in optimizing the manual process by reducing the time and effort spent on this activity. Considering that the Machine Learning process can be progressively improved by inserting more information into the Neural Network, a great potential of this model is observed as it is fed with more images and / or use of more specific biomarkers.
Palavras-chave: Podócitos
Aprendizado profundo
Imuno-histoquímica
Podocytes
Immunohistochemistry
Glomerulonrphritis
Deep Learning
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Alagoas
Sigla da Instituição: UFAL
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional de Conhecimento
Citação: VASCO, Rafael Fernandes Vanderlei. Aprendizado profundo aplicado à quantificação automática de variáveis morfométricas depodócitos em imagens de imuno-histoquímica. 2019. 81 f. Dissertação (Mestrado em Modelagem Computacional de Conhecimento) – Instituto de Computação, Programa de Pós Graduação em Modelagem Computacional de Conhecimento, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2019.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.repositorio.ufal.br/handle/riufal/6461
Data do documento: 5-jun-2019
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