مقالة منهجية

تصوير الرنين المغناطيسي للرئة الوظيفي ثلاثي الأبعاد

2.1K مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/66385

⸱

يونيو 21, 2024

 ,  ,  , 
1Institute of Diagnostic and Interventional Radiology, Hannover Medical School, 2Biomedical Research in Endstage and Obstructive Lung Disease Hannover (BREATH), Member of the German Centre for Lung Research (DZL)

في هذه المقالة

ملخص

الرئة الوظيفية ثلاثية الأبعاد (3D) التي تم حلها (PREFUL) هي تقنية تصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفية (MRI) تسمح بالقياس الكمي للتهوية الإقليمية لحجم الرئة البشرية بالكامل ، باستخدام التنفس المد والجزر والاكتساب المجاني لعامل التباين لمدة 8 دقائق. هنا ، نقدم بروتوكول MR لجمع وتحليل بيانات التصوير ثلاثي الأبعاد PREFUL.

الملخص

التصوير بالرنين المغناطيسي الرئوي (MRI) يقدم مجموعة متنوعة من التقنيات الخالية من الإشعاع المصممة لتقييم تهوية الرئة الإقليمية أو بدائلها. تشمل هذه التقنيات القياسات المباشرة ، والتي يتضح من التصوير بالرنين المغناطيسي بالغاز مفرط الاستقطاب والتصوير بالرنين المغناطيسي للغاز المفلور ، بالإضافة إلى القياسات غير المباشرة التي يسهلها التصوير بالرنين المغناطيسي المعزز بالأكسجين والتصوير بالرنين المغناطيسي لتحلل فورييه القائم على البروتون. في الآونة الأخيرة ، كان هناك تقدم كبير في مجال التصوير بالرنين المغناطيسي FD ، والذي تضمن تحسين الدقة المكانية / الزمانية ، وتحسين تصميم التسلسل والمعالجة اللاحقة ، وتطوير نهج شامل للرئة بأكملها.

يبرز التصوير بالرنين المغناطيسي للرئة الوظيفية ثنائية الأبعاد (2D) (PREFUL) كنهج قائم على FD تم تطويره للتقييم الشامل للتهوية الإقليمية وديناميكيات التروية ، كل ذلك في اكتساب MR واحد. في الآونة الأخيرة ، تم إحراز تقدم جديد مع تطوير 3D PREFUL لتقييم التهوية الديناميكية للرئة بأكملها باستخدام فحص مدته 8 دقائق مع تسلسل ذاتي البوابات.

يتضمن الاستحواذ ثلاثي الأبعاد PREFUL على استخدام كومة من النجوم مدللة تدرج صدى مع زيادة الزاوية الذهبية. بعد إعادة بناء صورة الاستشعار المضغوطة لما يقرب من 40 مرحلة تنفس ، تخضع جميع الصور التي تم حلها بواسطة الجهاز التنفسي المعاد بناؤها للتسجيل في مرحلة التنفس الثابتة. بعد ذلك ، يتم استخراج معلمات التهوية من الصور المسجلة.

في مجموعة دراسة تضم متطوعين أصحاء ومرضى يعانون من مرض الانسداد الرئوي المزمن ، أظهرت معلمات التهوية 3D PREFUL ارتباطات قوية مع القياسات التي تم الحصول عليها من اختبارات وظائف الرئة. بالإضافة إلى ذلك ، اعتبرت قابلية التكرار بين المسح الضوئي لتقنية 3D PREFUL مقبولة ، مما يشير إلى موثوقيتها للتقييمات المتكررة لنفس الأفراد.

باختصار ، يوفر التصوير بالرنين المغناطيسي للتهوية 3D PREFUL تغطية كاملة للرئة ويلتقط ديناميكيات التهوية بدقة مكانية محسنة مقارنة بتقنية 2D PREFUL. 3D PREFUL بديلا فعالا من حيث التكلفة للرنين المغناطيسي 129Xe مفرط الاستقطاب ، مما يجعله خيارا جذابا للتقييم الملائم للمريض للتهوية الرئوية.

المقدمة

وفقا لمنظمة الصحة العالمية (WHO) ، فإن أمراض الجهاز التنفسي المزمنة هي السبب الرئيسي الثالث للوفاة ، مما يضع عبئا كبيرا على الرعاية الصحية< sup class = "xref">1. يتضمن تشخيص ومراقبة العديد من أمراض الجهاز التنفسي اختبارات وظيفية رئوية ، والتي تفتقر إلى المعلومات المكانية وقد لا تكون مجدية في المرضى الصغار. توفر العديد من طرق الطب النووي الأخرى مقاييس مكانية للتهوية ، مثل التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) < فئة sup = "xref" >2 ، أو التصوير المقطعي المحوسب بإصدار فوتون واحد (SPECT) < فئة sup = "xref" >3 ، أو التصوير المقطعي المحوسب < فئة sup = "xref" >4. عيب كبير لهذه التقنيات هو استخدام الإشعاع المؤين للتصوير. لذلك ، فإن هذه القياسات غير مجدية في المجموعات السكانية الحساسة مثل الأطفال أو للقياسات المتكررة في الدراسات السريرية.

اكتسبت طرق التصوير بالرنين المغناطيسي < p class = "jove_content" >اهتماما في العقدين الماضيين لأنها توفر قياسا خاليا من الإشعاع لوظيفة الرئة. قبل كل شيء ، تم استخدام تقنيات التصوير بالرنين المغناطيسي بالغاز مفرط الاستقطاب < فئة الدعم = "xref" >5 لتقييم التهوية الرئوية في الضوابط الصحية والمرضى الذين يعانون من أمراض رئوية مع تحقيق نسبة إشارة إلى ضوضاء فائقة (SNR) عند مقارنتها ب 19F< sup class = "xref" >6 أو التصوير بالرنين المغناطيسي المعزز بالأكسجين < فئة sup = "xref" >7. تشمل العيوب الشائعة لتقنيات التصوير بالرنين المغناطيسي للغاز الحاجة إلى موظفين إضافيين أو تكاليف الأجهزة أو الحاجة إلى تعاون المريض أثناء قياس التنفس. لمعالجة هذه القيود ، تم تقديم طرق تعتمد على تحلل فورييه (FD) التصوير بالرنين المغناطيسي < فئة الدعم = "xref" >8 لتقييم التهوية الرئوية والتروية. كبديل للتصوير بالرنين المغناطيسي FD ، تم تطوير التصوير بالرنين المغناطيسي للرئة الوظيفية (PREFUL) < sup class = "xref" >9 ، والتحقق من صحتها < فئة الدعم = "xref" >10،11،12 ، وتم اختبارها في دراسات متعددة ، بما في ذلك الدراسات متعددة المراكز<فئة الدعم = "xref">13،14. ومع ذلك ، فإن الاستحواذ ثنائي الأبعاد يؤدي إلى أوقات اكتساب طويلة لتغطية الرئة الكاملة والدقة المكانية المحدودة. يتم تقديم حل أنيق من خلال عمليات الاستحواذ ثلاثية الأبعاد ذاتية البوابات ، وإن كان ذلك على حساب معلومات التروية < فئة الدعم = "xref" > 15 ، < sup class = "xref" > 16 ، < sup class = "xref" >17. تم تطوير إحدى هذه التقنيات ، 3D PREFUL MRI17 ، ليس فقط لتقييم التهوية الثابتة ولكن أيضا لديناميكيات التهوية أثناء اختبار التصوير بالرنين المغناطيسي لمدة 8 دقائق ، مما يوفر دقة صورة فائقة عند مقارنتها بطرق 2D.

بعد المنشور الأصلي الذي يصف الطريقة17 ، تم تقييم قابلية تكرار التقنية ومقارنتها بالقياسات التنفسية الراسخة سريريا < sup class = "xref" >18 ، ومؤخرا ، تم تقديم إطار عمل سريع لتسجيل الصور مع تحسين تكرار معلمات التهوية والحفاظ على جودة الصورة لخرائط التهوية< فئة الدعم = "xref">19. هذه التقنية الصديقة للمريض والقابلة للتطوير بسهولة ، والقادرة على رسم خرائط كمية للتهوية الإقليمية في الرئة البشرية ، لديها القدرة على المساهمة بشكل كبير في الكشف المبكر عن أمراض الجهاز التنفسي أو تشخيصها أو متابعة مراقبة تأثيرات العلاج< فئة الدعم = "xref">20. هذه التغييرات العلاجية في وظائف الرئة الإقليمية ، مثل تحسين حجم التهوية ، لديها القدرة على أن تصبح مؤشرات حيوية لتقييم تأثير العلاجات ويمكن أن تكون أداة مفيدة في الدراسات السريرية متعددة المراكز.

يهدف المقال إلى تقديم شرح شامل ومرئي لتقنية 3D PREFUL ، بهدف تعزيز ترجمة أوسع لهذه التقنية.

البروتوكول

حصلت هذه الدراسة على موافقة لجنة الأخلاقيات في مدرسة هانوفر الطبية، مما يضمن التزامها بمعايير أخلاقية صارمة طوال عملية البحث. وقد اتبع الاستقصاء بدقة الإرشادات الموضحة في إعلان هلسنكي، مع التأكيد على السلوك الأخلاقي للبحوث الطبية. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول بدقة على موافقة مستنيرة من جميع المشاركين في الدراسة (أو والديهم أو أوصيائهم القانونيين) قبل مشاركتهم في فحص MRI.

ملاحظة: تختلف معايير الاشتمال والاستبعاد للدراسات التي تتضمن تصوير الرنين المغناطيسي ثلاثي الأبعاد للرئة بملء الإلهام (3D PREFUL MRI) وتعتمد على تصميم الدراسة. عادةً، تتضمن معايير اشتمال المتطوعين الأصحاء في فحص 3D PREFUL MRI الأفراد الذين (أ) يخلوّن من أي حالات طبية كبيرة قد تؤثر على نتائج الدراسة، (ب) لا يتناولون أي أدوية قد تتدخل في نتائج الرنين المغناطيسي، (ج) لا يعانون من رهاب الأماكن المغلقة، أو القلق، أو وجود غرسات أو أجهزة معدنية، (د) يستوفون معايير محددة للعمر والجنس ذات صلة بأهداف الدراسة، (هـ) ليس لديهم تاريخ من التدخين، (و) لديهم نتائج طبيعية في قياس التنفس (FEV1/FVC > 0.7 وكل من FEV1 و FVC > 80% من القيمة التنبؤية). وقد تشمل معايير الاستبعاد لجميع المشاركين في الدراسة الذين يخضعون لفحص 3D PREFUL MRI ما يلي: (أ) الحمل، (ب) وجود أي حالة قد تخل بسلامة أو صحة فحص 3D PREFUL MRI، (ج) عدم تحمل عوامل التباين القائمة على الجادولينيوم عندما يتم تضمين التصوير بالرنين المغناطيسي الديناميكي المعزز بالتباين في بروتوكول الدراسة.

1. المقابلة التي تسبق التصوير بالرنين المغناطيسي

  1. يجب أن يقوم طبيب مختص بجمع المعلومات الهامة المتعلقة بالتاريخ الطبي للشخص الخاضع للدراسة.
  2. شرح موانع الاستعمال المحتملة، والمخاطر، وإجراءات التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI).
  3. الحصول على موافقة مستنيرة ومكتوبة من الشخص الخاضع للدراسة.
    ملاحظة: في حالة عدم توفر نتائج اختبار وظائف الرئة، يُطلب من الشخص الخاضع للدراسة إجراء اختبار وظائف الرئة قبل فحص التصوير بالرنين المغناطيسي، والتحقق من أن النتائج التي تم الحصول عليها تستوفي معايير الاشتمال.

2. تحضير فني الأشعة لفحص الرنين المغناطيسي

  1. قم بتسجيل الخاضع للدراسة في وحدة تحكم الرنين المغناطيسي واختيار بروتوكول الرنين المغناطيسي الخاص بالدراسة مع تقنية الحصول على الصور 3D PREFUL.
  2. تحقق من خلو الخاضع للدراسة وجيوبه وملابسه من أي قطع تحتوي على معادن.
  3. ضع الشراشف على طاولة الماسح الضوئي لضمان توفير بيئة معقمة.
  4. ادخل إلى غرفة الرنين المغناطيسي مع الخاضع للدراسة.

3. تحضير الخاضع للفحص لاختبار الرنين المغناطيسي

  1. يجب أن يستلقي الخاضع للفحص على طاولة التصوير بالرنين المغناطيسي MRI في وضعية الاستلقاء على الظهر (ومع ذلك، يمكن الاستلقاء في وضعية الانكباب على البطن).
  2. تأكد من أن ملف الجذع يوفر تغطية كافية لمنطقة الصدر، مع وضع العنصر العلوي من ملف الجذع بالقرب من ذقن الخاضع للفحص.
  3. زوّد الخاضع للفحص بسماعات رأس (أو سدادات أذن، أو كليهما) لحماية السمع من الضوضاء العالية الناتجة عن جهاز MRI.
  4. زوّد الخاضع للفحص بزر أمان (أو آلية أمان بديلة) بحيث يمكن الوصول إليه والضغط عليه بسهولة.
  5. ضع وسادة تحت رأس وساقي الخاضع للفحص لتعزيز الراحة أثناء فحص MR.
  6. أدخل الخاضع للفحص إلى ماسح MR، مع استخدام نظام الملاحة بالليزر للتأكد من أن المنطقة المراد تصويرها تقع في المركز المتساوي (isocentre) لفتحة الجهاز.

4. فحص التصوير بالرنين المغناطيسي

  1. تحديد الموقع (Localizer)
    1. أجرِ تسلسلاً لتحديد الموقع (بمعلمات مشابهة لتلك المدرجة في الجدول 1A) للحصول على صور تشريحية منخفضة الدقة في ثلاثة مستويات (بمجال رؤية واسع)، والتي ستُستخدم لتخطيط فحص 3D PREFUL.
  2. تصوير 3D PREFUL
    1. اضبط معلمات الاستحواذ وفقاً لـ الجدول 1B لعملية الاستحواذ التصويري.
    2. اضبط عدد الإسقاطات الشعاعية (radial projections) بحيث تستغرق عملية الاستحواذ 8 min تقريباً.
    3. اطلب من الخاضع للفحص التنفس بشكل طبيعي (تنفس مديّ حر) طوال فترة الاستحواذ.
    4. تحقق من شمول الصدر بالكامل في مجال الرؤية وابدأ عملية الاستحواذ.
  3. بعد اكتمال التصوير، أخرج الخاضع للفحص من الماسح الضوئي.

5. نقل البيانات الخام

  1. في المعتاد، لا يتم حفظ البيانات الخام المكتسبة على منصة الشركة المصنعة لجهاز الرنين المغناطيسي. قم بحفظ بيانات kspace ثلاثية الأبعاد لـ PREFUL الخام باستخدام الخطوات الخاصة بالشركة المصنعة على وحدة تحكم الرنين المغناطيسي.

6. تحليل البيانات والمعالجة اللاحقة

  1. ابدأ في تقييم البيانات المكتسبة باستخدام نص إعادة بناء الصور (جدول المواد) على محطة العمل المخصصة، على سبيل المثال في برنامج MATLAB، وذلك من خلال تعيين المسار المؤدي إلى البيانات الخام.
    ملاحظة: يجب أن تكون الحزم التالية مثبتة مسبقاً على محطة العمل المخصصة:
    (أ) مجموعة أدوات بيركلي لإعادة البناء المتقدم (BART)
    ​(ب) أدوات التسوية المتقدمة (ANTs)
  2. إعادة بناء الصورة
    1. تقدير تأخيرات التدرج المعتمدة على نظام الرنين المغناطيسي باستخدام مساقط المعايرة مع الـ تأخير التقدير الوظيفة المُطبقة في مجموعة أدوات بيركلي لإعادة البناء المتقدم (Berkeley advanced reconstruction toolbox)BART)21,22.
    2. قم بتطبيق إزاحة على كل مسقط وفقًا لتأخير التدرج المحسوب.
    3. تطبيق ترشيح هانينج (باستخدام الـ هان (دالة في MATLAB) إلى البيانات المصححة من تأخير التدرج باستخدام نافذة دورية في المستوى x-y والاتجاه z.
    4. إعادة بناء الصور منخفضة الدقة للتقسيم التنفسي
      1. اختر ثمن أو ربع بيانات الفضاء-k المتمركزة حول المؤشر الأوسط لبُعد القراءة/التقسيم.
        ملاحظة: اعتماداً على حجم الخاضع للدراسة، تؤدي هذه الخطوة إلى الحصول على مصفوفة بحجم 32 × 32 × (12-20).
      2. أعد تشكيل مصفوفات بيانات الفضاء-k والمسارات المقابلة لها لتشمل بُعداً زمنياً إضافياً، بحيث تتكون كل نقطة زمنية من 14 مسقطاً شعاعياً.
        ملاحظة: تتضمن كل نقطة زمنية لاحقة 13 مسقطاً شعاعياً من النقطة الزمنية السابقة، بالإضافة إلى مسقط شعاعي تالي جديد واحد.
      3. استخدام التصوير المتوازي والاستشعار المضغوط (صورالأمر () الذي تم تنفيذه في BART لإعادة بناء الصور.
        ملاحظة: طبق معيار L2 (λ = 0.1) والتباين الكلي (λ تنظيم في المجال المكاني (0.0001 = ) والتباين الكلي (λ تنظيم في النطاق الزمني (p = 0.01).
    5. استخلاص إشارة البوابة التنفسية
      1. قم بتجزئة متن الرئة في كل صورة ثلاثية الأبعاد معاد بناؤها منخفضة الدقة باستخدام عتبة أوتسو (Otsu's thresholding).23، وحساب حجم نسيج الرئة لكل نقطة زمنية.
      2. طَبِّق مرشح تمرير منخفض بتردد قطع قدره 0.7 هرتز على السلاسل الزمنية للحجم المستخلصة، ثم احسب تردد التنفس.
      3. استبعاد القيم المتطرفة الشديدة من السلسلة الزمنية (النقاط الزمنية التي تتجاوز المئوي 95th المئوية وأقل من 10th المئوية).
        ملاحظة: يتيح ترتيب السلاسل الزمنية وفقاً لسعتها وطورها إعادة بناء دورة تنفسية واحدة.
    6. إجراء تحويل فوريه السريع (FFT، تحويل فورييه السريع (دالة في MATLAB) على البيانات المُرشحة بمرشح هانينج (Hanning filter) على طول اتجاه الشريحة لتمكين إعادة بناء الصورة شريحة بشريحة.
    7. أعد تشكيل مصفوفة بيانات الفضاء k بناءً على السلاسل الزمنية المستخرجة، بحيث تحتوي كل حاوية تنفسية على 100 شعاع على الأقل.
    8. استخدم 20% من الإسقاطات من الحاويات المجاورة لتحسين نسبة الإشارة إلى الضجيج (SNR)24,25 لكل وعاء تنفسي.
    9. أعد تشكيل مصفوفة مسارات الفضاء k لتتطابق مع حجم بيانات الفضاء k.
    10. تنفيذ الـ صور أمر إعادة بناء الصورة لكل شريحة.
      ملاحظة: قم بتطبيق معيار L2 (λ = 0.1) والتباين الكلي (λ تنظيم في المجال المكاني ( = 0.0001) والتباين الكلي (λ تنظيم في النطاق الزمني (p = 0.01).
    11. احفظ المتغيرات، بما في ذلك الصور المعاد بناؤها لدورة تنفسية واحدة كاملة، وتردد التنفس، وأوقات الاستحواذ، في ملف بصيغة .mat.
  3. تسجيل الصور
    1. اعكس شدة الإشارات في الصور المعاد بناؤها.
    2. قم بمطابقة الصور مع حالة تنفسية مختارة، مثل الشهيق، باستخدام المطابقة غير الصلبة.
      ملاحظة: لتحسين دقة التسجيل، يتم اتباع نهج موجه نحو المجموعات26 يمكن استخدامها. كما يمكن تنفيذ عملية التسجيل على وحدة المعالجة المركزية (CPU) أو وحدة معالجة الرسوميات (GPU) باستخدام أدوات مثل أدوات التطبيع المتقدمة (ANTs).27 أو حزمة تسجيل Forsberg28.
  4. تجزئة برنشيمة الرئة
    1. قم بتجزئة متني الرئة في الصورة ثلاثية الأبعاد عند نهاية الشهيق باستخدام شبكة عصبية تلافيفية، مثل بنية nnUnet على سبيل المثال.29.
    2. استبعد الأوعية الرئوية باستخدام خوارزمية للتعرف على الأوعية، مثل تلك التي وصفها Wernz وآخرون.30.
      ملاحظة: خطوة التعرف على أوعية الرئة ليست إلزامية إذا لم يكن لديك إمكانية الوصول إلى خوارزمية كهذه. وقد تكون إعادة التجزئة اليدوية ضرورية في بعض الحالات.
  5. الترشيح
    1. تطبيق انحدار نواة نادارايا-واتسون (مع σ ( = 0.3) على الصور المسجلة والمعكوسة لاستيفاء 16 طوراً على شبكة زمنية متباعدة بشكل منتظم.
    2. اعزل تغيرات الإشارة غير المرتبطة بالتنفس من خلال تطبيق مرشح تمرير منخفض عند 0.7 هرتز على البيانات المستكملة في النطاق الزمني.
    3. إزالة الضجيج من الصور الممررة عبر مرشح تمرير منخفض باستخدام الترشيح الموجه بالصور31، مع استخدام الصورة المسجلة ذات المتوسط الزمني كصورة توجيهية. اضبط المعلمات التالية: حجم النافذة = [5, 5, 5], لامدا = 0.001.
  6. تحليل التهوية
    1. احسب خرائط التهوية الإقليمية (RVent) بـ مليليتر/مليليتر (mL/mL) لكل طور تنفسي N باستخدام الصيغة التالية32:
      figure-protocol-1     [1]
      ملاحظة: Sإلهام تمثل الصورة المستهدفة لتسجيل الصور، والتي تقابل مستوى نهاية الشهيق. Sتجارب تشير إلى صورة نهاية الزفير، بينما يشير Sن يمثل الحالة التنفسية رقم N.
    2. احسب عجز التهوية (VDRVentخريطة لـ RVent خريطة لـ 8th المرحلة التي تمثل أقصى تهوية.
      ​ملاحظة: لحساب VD، يتم استبعاد الفوكسلات التي تقل عن عتبة الـ 90th تُعتبر القيم التي تعادل القيمة المئوية مضروبة في عامل قدره 0.4 عيوباً33.
    3. احسب خريطة مقياس ارتباط حلقة التدفق والحجم (FVL-CM).
      1. احسب التدفق باعتباره المشتقة الأولى لـ RVent.
        ملاحظة: يتم قياس الحجم مباشرة بواسطة RVent.
      2. تحديد قيمة مرجعية لـ FVL لكل شريحة، يتم حسابها من منطقة سليمة تُحدد بقيم RVent تتراوح بين 75th و 95th المئوي.
      3. حدد مدى التشابه بين حجم الرئة الوظيفي (FVL) لكل فوكسل في متن الرئة ومرجع حجم الرئة الوظيفي (reference FVL) باستخدام الارتباط المتقاطع عند تأخر صفري.
    4. حساب حجم التوزيع (VD)FVL-CM خريطة، حيث تُحدد الفوكسلات التي تقل قيم FVL-CM فيها عن 0.9 على أنها فوكسلات تعاني من خلل في التهوية34.
    5. حساب خرائط زمن التهوية حتى الذروة (VTTP) كنسبة مئوية (%) من الدورة التنفسية.
      ملاحظة: من الناحية النظرية، تبدأ الدورة التنفسية المستنبطة وتنتهي عند ذروة الزفير، وتكون متماثلة حول ذروة الشهيق عند 50% من دورة التهوية بالنسبة للفكسل السليم. أما بالنسبة للفكسلات التي تعاني من ديناميكيات تهوية متقدمة أو متأخرة، فستظهر خريطة VTTP قيمة أقل أو أعلى من 50%.
    6. احسب انحراف قيمة VTTP (VTTPتطوير) من ذروة الشهيق بنسبة 50% على النحو التالي:
      figure-protocol-2    [2]
      ملاحظة: بالنسبة للمنطقة السليمة، فإن VTTPتطوير يجب أن تكون قريبة من 0%.
    7. الإحصاء
      1. صف إحصائياً المعلمات RVent وFVL-CM وVTTP وVTTPتطوير لكافة الشرائح، مع توفير قيم الوسيط، والمتوسط الحسابي، والانحراف المعياري، والمديات الربيعية.
      2. احسب قيم النسبة المئوية لقصور التهوية المستمدة من خرائط VD التي تم إنشاؤها.
      3. قم بتصدير جميع المعلمات المحسوبة إلى ملف جدول بيانات (راجع المثال الموضح في الجدول ٣).

النتائج

يتكون أبسط بروتوكول لتصوير 3D PREFUL من تسلسلين؛ أحدهما لتحديد الموقع التشريحي + قياس واحد أثناء التنفس الحر باستخدام تقنية اكتساب 3D stack-of-stars بزاوية ذهبية. يظهر مسار stack-of-stars في الشكل 1. يجمع هذا المسار بين أخذ العينات الشعاعي (داخل المستوى) وأخذ العينات الديكارتي الخطي (في اتجاه z). في البداية، يتم الحصول على العينات في اتجاه تقسيم kz، يلي ذلك تدوير الزاوية الذهبية لأخذ عينات من المستوى kx-ky. يعزز مخطط الاكتساب بالزاوية الذهبية عملية البوابة الذاتية (self-gating) مع تغطية موحدة لـ k-space، مما يسهل إعادة بناء الصورة باستخدام بيانات ناقصة العينات بشكل كبير. ولا يستغرق الفحص بأكمله أكثر من 10 دقائق. تتوفر تفاصيل إضافية حول اكتساب 3D PREFUL في جدول المواد.

figure-results-1
الشكل 1: مسار مجموعة النجوم المدوّرة وفق النسبة الذهبية. لاحظ تطبيق أخذ العينات الشعاعي على طول البعد الموجود في المستوى (kx-ky) وتطبيق أخذ العينات الديكارتي على طول اتجاه الشريحة (kz). يؤدي هذا المخطط إلى تغطية أسطوانية لـ k-space المكتسبة. في هذا المثال، تم تصوير ثلاثة أقسام، يتضمن كل قسم 32 مسقطاً شعاعياً. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

تظهر في الجدول 1B قائمة بمعايير التصوير بالرنين المغناطيسي التقليدية المستخدمة في تصوير 3D PREFUL على ماسح 1.5 T. أما بالنسبة للماسح 3T، فقد تم اقتراح معايير التسلسل المدرجة في الجدول 2.

بعد الانتهاء من عملية الحصول على البيانات ونقلها، تبدأ مرحلة إعادة بناء الصورة. يتم تنفيذ هذه الخطوة بواسطة كود MATLAB يندرج ضمن الملكية الفكرية (IP) لشركة (BioVisioneers GmbH) ولا يمكن مشاركته علنًا. يكون السكريبت مؤتمتًا بالكامل بمجرد تحديد المسار المؤدي إلى البيانات الخام. يوضح المخطط العام لإجراء إعادة البناء في الشكل 2.

figure-results-2
الشكل 2: نظرة عامة تخطيطية على طريقة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي للرئة ثلاثية الأبعاد والمحللة طورياً (PREFUL). في البداية، يتم الحصول على البيانات باستخدام عملية استحواذ بالرنين المغناطيسي لمدة 8 دقائق مع تنفس حر وبمسار stack-of-stars. وبعد نقل البيانات من ماسح الرنين المغناطيسي إلى وحدة الحوسبة، يتم إعادة بناء صور ثلاثية الأبعاد منخفضة الدقة بدقة زمنية تبلغ حوالي 100 ms. يتم تقسيم نسيج الرئة في كل صورة، وحساب حجم الرئة. وتُستخدم معلومات حجم الرئة لاحقاً كإشارة بوابية. وبناءً على سعة وطور الإشارة البوابية، يتم فرز الإسقاطات الشعاعية في حاويات تنفسية تغطي دورة تنفسية واحدة. ويلي جزء التصنيف عملية إعادة بناء ديناميكية لصور كاملة الدقة، والتي يتم تسجيلها لاحقاً عند مستوى نهاية الشهيق. وبعد عدة خطوات من المعالجة اللاحقة، يتم حساب دورة التهوية الإقليمية (RVent)، ويتم تنفيذ جزء تحليل الصور، بما في ذلك استخراج المعلمات. ويتم تقييم دورة RVent عن طريق حساب حلقة التدفق والحجم (FVL) لكل فوكسل. ويتم استخراج خرائط التهوية FVL-CM من خلال تقييم FVL لكل فوكسل مقابل FVL مرجعي صحي، مع تقييم التشابه باستخدام مقياس الارتباط المتبادل. وبالنسبة لكل من RVent وFVL-CM، يتم تحديد قيم النسبة المئوية للعجز الكلي في التهوية (VDP) العالمية. علاوة على ذلك، يتم تحليل ديناميكيات دورة RVent من خلال تحليل الوقت اللازم للوصول إلى الذروة، مما ينتج عنه خريطة معلمات الوقت اللازم لذروة التهوية (VTTP). بالإضافة إلى ذلك، يتم تحديد مقدار الانحراف في ذروة التهوية المتوقعة عند 50% من دورة RVent في خريطة VTTPDev. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

بعد إجراء إعادة بناء الصورة، يتم محاذاة جميع الصور مكانيًا إلى حالة ثابتة واحدة. يتم إجراء التسجيل (registration) نفسه على وحدة المعالجة المركزية (CPU) باستخدام أدوات التطبيع المتقدمة (ANTs27) أو حزمة تسجيل فورسبيرج (Forsberg registration package)28. وبينما تظل حزمة ANTs المعيار الذهبي لمهام تسجيل الصور في تصوير الرنين المغناطيسي (MRI) والتصوير المقطعي المحوسب (CT)، فإن تسجيل فورسبيرج يسهل عملية تسجيل أسرع بـ 10 أضعاف لتصل إلى 9 دقائق مع نتائج مماثلة19. ويمكن اختيار حزمة التسجيل بناءً على أولويات المستخدم ووحدات الحوسبة المتاحة. بعد إتمام عملية التسجيل، يتم عكس الصور المورفولوجية المسجلة مرة أخرى بحيث تظهر الرئة داكنة في الصورة ذات التدرج الرمادي.

يظهر في الشكل 3 الخطوة التالية من مسار العمل، والتي تتضمن تقسيم برنشيمة الرئة. أولاً، يتم تقسيم برنشيمة الرئة من صورة نهاية الشهيق باستخدام شبكة عصبونية تلافيفية ذات بنية nnUnet29. ويتبع تقسيم برنشيمة الرئة عملية التعرف على الأوعية الدموية30، والتي يتم استبعادها من قناع التقسيم النهائي.

figure-results-3
الشكل 3: نتائج نموذجية للتجزئة القائمة على التعلم العميق لخاضع للاختبار ذكر يبلغ من العمر 32 عاماً. يعرض الصف العلوي صوراً مورفولوجية لثماني مقاطع إكليلية ممثلة. وفي الصفين الثاني والثالث، يمكن ملاحظة قناع متن الرئة المقابل والقناع النهائي مع استبعاد الأوعية الدموية، على التوالي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

يظهر مثال على تقسيم غير صحيح لنسيج الرئة في الشكل 4. ومن الضروري فحص نتائج التقسيم القائمة على التعلم العميق بصرياً، وفي حال تبين أنها غير مرضية، يجب النظر في إجراء تصحيحات يدوية لتعزيز دقة قناع نسيج الرئة النهائي.

figure-results-4
الشكل 4: نتائج نموذجية لتقسيم غير صحيح يعتمد على التعلم العميق لمريض ذكر يبلغ من العمر 57 عاماً. يعرض الصف العلوي صوراً مورفولوجية لثماني شرائح إكليلية ممثلة. وفي الصفين الثاني والثالث، يمكن ملاحظة قناع متنه المكون من نسيج الرئة وقناع النهائي مع استبعاد الأوعية الدموية، على التوالي. وكما هو واضح، تم التعرف بشكل خاطئ على عدة مناطق تليفية على أنها أوعية دموية أو تراكيب غير رئوية. وقد تم تصحيح هذه الأخطاء يدوياً، كما هو موضح في الصف الرابع. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

بعد عدة خطوات من الترشيح الموضحة في البروتوكول، يتم حساب بدائل التهوية. يقوم تصوير الرنين المغناطيسي ثلاثي الأبعاد المسبق للشهيق (3D PREFUL MRI) بإنشاء خرائط كمية للتهوية الإقليمية الساكنة (RVent)، ومقاييس ارتباط التدفق بالحجم الديناميكية (FVL-CM)، ومعلمتين بناءً على تحليل وقت الوصول إلى ذروة التهوية (VTTP)، كما هو موضح في الشكل 5. يعرض هذا الشكل ثماني مقاطع إكليلية لرجل سليم يبلغ من العمر 32 عاماً. لاحظ التوزيع المتجانس المتوقع لجميع معلمات التهوية.

figure-results-5
الشكل 5: تصوير بالرنين المغناطيسي ثلاثي الأبعاد بتقنية PREFUL لمتطوع سليم (ذكر يبلغ من العمر 32 عاماً). خرائط تمثيلية للمورفولوجيا (الصف العلوي) ومعلمات التهوية بتصوير الرنين المغناطيسي ثلاثي الأبعاد بتقنية PREFUL (من الصف الثاني إلى الخامس) لمتطوع سليم (ذكر يبلغ من العمر 32 عاماً). يتم تمثيل التهوية الإقليمية الساكنة بواسطة التهوية الإقليمية (RVent)، بينما يتم تقييم ديناميكيات التهوية باستخدام مقياس ارتباط حلقة التدفق والحجم (FVL-CM)، وزمن التهوية للوصول إلى الذروة (VTTP)، ويمثل انحراف زمن التهوية للوصول إلى الذروة (VTTPDev) معلمات التهوية التي تقيم ديناميكيات التهوية. وكما هو متوقع، لوحظت قيم تهوية متجانسة في جميع خرائط معلمات التهوية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

لتبسيط خرائط التهوية، يتم اشتقاق خرائط عجز التهوية (VD) لكل من RVent وFVL-CM، مما يتيح تفسيراً أسرع للنتائج. تظهر خرائط VD النموذجية في الشكل 6. وبالنسبة لكل من VDRVent وVDFVL-CM، وُجد أن قيم VDP كانت 3.6% و3.0% على التوالي، وهي تقع ضمن النطاق الطبيعي الصحي. من الناحية المثالية، واعتماداً على عمر المتطوعين الأصحاء، يجب ألا تتجاوز قيمة VDP نسبة 10%. وقد تم التحقق من المعلمات المذكورة أعلاه (RVent وFVL-CM وخرائط VD الخاصة بهما) في عدة دراسات11,12,35,36، وهي حساسة في الكشف عن المرض وكذلك في الكشف عن التأثيرات الناجمة عن العلاج20,34,37,38,39.

figure-results-6
الشكل 6: خرائط تمثيلية لـ RVent و FVL-CM، بما في ذلك خرائط عجز التهوية الخاصة بها. تظهر خرائط RVent (الصف العلوي) و FVL-CM (الصف الثاني)، بما في ذلك خرائط عجز التهوية (الصف الثالث والرابع) المستمدة بواسطة 3D PREFUL MRI لمتطوع سليم (ذكر يبلغ من العمر 32 عامًا). في خرائط VD، تظهر المناطق السليمة باللون الأخضر، بينما تُميز مناطق عجز التهوية باللون الأحمر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

تم الإبلاغ عن العديد من دراسات التصوير بالرنين المغناطيسي للرئة عند شدة مجال مغناطيسي تبلغ 1.5 T و 3 T. ورغم وجود ميزة نظرية لـ 3T بسبب زيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)، إلا أن هذه الميزة قد تتضاءل أمام تأثيرات القابلية المغناطيسية الأكثر وضوحاً عند 3T. ولا يزال التأثير الدقيق لشدة المجال المغناطيسي على جودة صورة خرائط التهوية ثلاثية الأبعاد بتقنية PREFUL غير معروف حالياً. نقدم هنا نتائج الجدوى (الشكل 7) التي تم الحصول عليها لمتطوع سليم (ذكر يبلغ من العمر 35 عاماً) باستخدام ماسح رنين مغناطيسي بقوة 3 T. يُلاحظ المظهر الأكثر غير متجانس لمعايير التهوية عند 3 T مقارنة بـ 1.5T (الشكل 5).

figure-results-7
الشكل 7: تصوير الرنين المغناطيسي ثلاثي الأبعاد بتقنية PREFUL لمتطوع سليم (ذكر يبلغ من العمر 35 عاماً). خرائط تمثيلية للشكل المورفولوجي (الصف العلوي) ومعايير التهوية الخاصة بتصوير الرنين المغناطيسي ثلاثي الأبعاد بتقنية PREFUL (من الصف الثاني إلى الخامس) لمتطوع سليم (ذكر يبلغ من العمر 35 عاماً) عند 3T. يتم تمثيل التهوية الإقليمية الساكنة بواسطة التهوية الإقليمية (RVent)، بينما يتم تقييم ديناميكيات التهوية باستخدام مقياس ارتباط حلقة التدفق والحجم (FVL-CM)، وزمن التهوية للوصول إلى الذروة (VTTP)، ويمثل انحراف VTTP (VTTPDev) معايير التهوية التي تقيم ديناميكيات التهوية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

لم يتم نشر مقارنة أو تحقق من دقة PREFUL ثلاثي الأبعاد المشتق من قياسات أكثر مباشرة حتى الآن. هناك العديد من الدراسات التي تشير إلى وجود ارتباط إيجابي بين قيم VDP والتداخل المكاني لعيوب التهوية بين تقنية PREFUL ثنائية الأبعاد وكل من 129Xe11,12,14 والتصوير بالرنين المغناطيسي بـ 19F MRI35. وكشفت مقارنة حديثة بين التهوية المشتقة من PREFUL ثلاثي الأبعاد وقياسات التهوية المباشرة باستخدام 19F MRI لدى مرضى يعانون من مرض الانسداد الرئوي المزمن (COPD)، والربو، ومتطوعين أصحاء، عن وجود ارتباط متوسط إلى قوي على المستوى العام40. يظهر هنا مثال للمقارنة (الشكل 8) لمريضة شُخصت بمرض الانسداد الرئوي المزمن (أنثى تبلغ من العمر 54 عاماً، FEV1 = 42% من القيمة المتوقعة)، والتي تم فحصها باستخدام PREFUL ثلاثي الأبعاد و 19F wash-in MRI.

figure-results-8
الشكل 8: تصوير بالرنين المغناطيسي ثلاثي الأبعاد باستخدام تقنية PREFUL لمريضة تعاني من مرض الانسداد الرئوي المزمن (COPD) تبلغ من العمر 54 عاماً. تُعرض الصور المورفولوجية (الصف العلوي)، ومعايير التهوية، وخرائط عيوب التهوية المقابلة لمريضة تعاني من مرض الانسداد الرئوي المزمن (COPD) تبلغ من العمر 54 عاماً (FEV1 = 42 % pred.، FVC = 102% pred.) والتي تم الحصول عليها عبر تصوير 3D PREFUL MRI (الصفان الثاني والثالث) وتصوير 19F MRI (الصفان الرابع والخامس)، إلى جانب مقارنة لخرائط عيوب التهوية من كلتا الطريقتين (الصف الأخير). وبشكل عام، وعبر جميع المقاطع، بلغ معامل Sørensen-Dice نسبة 25.5% في المناطق المعيبة و80.6% في المناطق السليمة، مما أدى إلى تداخل مكاني إجمالي بنسبة 69.2%. ومن الملاحظ وجود ارتباط بصري بين مناطق التهوية المتطابقة في المناطق السليمة والمعيبة (الموضحة باللون الأخضر الداكن). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

يمكن استخدام تصوير الرنين المغناطيسي ثلاثي الأبعاد المعتمد على زمن الملء المسبق (3D PREFUL MRI) لقياس الاستجابات الإقليمية للعلاج20. وعلى سبيل المثال، يوضح الشكل 9 مقارنة لثلاث شرائح من رئة مريضة مصابة بالتليف الكيسي (أنثى تبلغ من العمر 43 عاماً) عند خط الأساس (على اليسار، FEV1 = 94% من القيمة المتوقعة) وبعد العلاج بمعدل CFTR (على اليمين، FEV1 = 112% من القيمة المتوقعة). ونظراً لأن القياسين متطابقان مكانياً، فإن تقنية 3D PREFUL تتيح تحليل الاستجابة الإقليمية للعلاج، كما هو موضح في أسفل الشكل 9. يرجى ملاحظة زيادة قيم مقياس ارتباط حلقة التدفق والحجم، بالإضافة إلى انخفاض عيوب التهوية بعد العلاج.

figure-results-9
الشكل 9: قياسات 3D PREFUL لمريضة تبلغ من العمر 43 عاماً تعاني من التليف الكيسي (CF). خرائط نموذجية لمؤشرات التهوية لقياسات 3D PREFUL عند الخط الأساسي (يساراً) وبعد العلاج (يميناً) لمريضة CF تبلغ من العمر 43 عاماً. انخفضت VDPFVL-CM من 18.0% (عند الخط الأساسي) إلى 3.6% (بعد العلاج). FEV1 % pred. عند الخط الأساسي: 94%، FEV1 % pred. بعد العلاج: 112%. LCI عند الخط الأساسي: 10.48، LCI بعد العلاج: 9.39. تظهر خرائط الاستجابة للعلاج المقابلة في الأسفل. يرجى ملاحظة المناطق الخضراء التي تشير إلى تحسن التهوية بعد العلاج. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الجدول 1: قائمة بمعاملات التصوير بالرنين المغناطيسي النموذجية المستخدمة في تحديد الموقع واكتساب صور 3D PREFUL على ماسح 1.5T. (أ) تحديد الموقع و (ب) اكتساب صور 3D PREFUL. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الجدول.

الجدول 2: معلمات التصوير بالرنين المغناطيسي المقترحة لاكتساب صور 3D PREFUL على ماسح 3T. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الجدول.

الجدول 3: تقرير إحصائي نموذجي لمعلمات 3D PREFUL لمتطوع سليم (ذكر يبلغ من العمر 35 عاماً) يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الجدول.

المناقشة

واحدة من أهم المزالق هي الاستحواذ نفسه. يجب توخي الحذر لضمان ضبط معلمات تسلسل MR بشكل صحيح. الأهم من ذلك ، أن وقت الصدى ووقت التكرار وعدد الشرائح وحجم المصفوفة وعرض النطاق الترددي للبكسل هي المعلمات الحاسمة. قد تؤدي الانحرافات عن الإعدادات الموصى بها إلى عدم كفاية الاستبانة الزمنية أو الاكتساب لفترات طويلة. أيضا ، يعد نقل البيانات أمرا مهما لضمان تسليم البيانات بالكامل إلى الكمبيوتر أو الخادم المحدد للتقييم. يستمر تقييم البيانات تلقائيا بالكامل بمجرد تعيين المسار إلى البيانات المكتسبة. تبدأ المعالجة اللاحقة بإعادة بناء الصورة ، حيث يلعب التجميع بأثر رجعي دورا حاسما. يوصى بالتحقق من إشارة binning لضمان تصوير واضح لنمط التنفس. بعد فحص إشارة binning ، لا توجد خطوات إضافية ضرورية ، حيث تتعامل الخوارزمية نفسها مع أنماط التنفس السيئة عن طريق استبعاد القيم المتطرفة (نقاط البيانات فوقالنسبة المئوية 95 وأقلمن النسبة المئوية 10). بعد إعادة بناء الصورة ، تحدث عملية تسجيل الصورة. يجب التحقق من هذه الخطوة على النحو التالي: يجب أن تكون الصور المسجلة خالية من التنفس وحركة القلب. على وجه التحديد ، يجب "تجميد" مواضع الحجاب الحاجز والقلب. تتضمن الخطوة التالية تجزئة حمة الرئة والأوعية الدموية القائمة على التعلم العميق. تستغرق عملية التجزئة هذه وقتا طويلا لحجم الرئة ثلاثي الأبعاد بأكمله. ومن ثم ، فإن استخدام الأدوات القائمة على الذكاء الاصطناعي مفيد. ومع ذلك ، في حالات معينة ، مثل حدوث عمليات دمج طرفية ، قد لا تسفر هذه الخوارزميات عن نتائج دقيقة. وبالتالي ، يجب فحص قناع التجزئة بدقة وتصحيحه يدويا إذا لزم الأمر. كل هذه الخطوات ضرورية لتقييم معلمات التهوية وقد تؤدي إلى حسابات غير دقيقة.

منذ النشر الأصلي17 ، تم إجراء العديد من التطورات في تقنية 3D PREFUL. تم أتمتة خوارزمية الفرز للإسقاطات الشعاعية المكتسبة بالكامل وتحسينها بحيث يتم تقسيم الرئة بأكملها باستخدام طريقة عتبة Otsu واستخدامها كإشارة ملاح لتجميع البيانات في مراحل الجهاز التنفسي. علاوة على ذلك ، تم استبدال حمة الرئة اليدوية وتجزئة الأوعية الدموية بخوارزميات أوتوماتيكية بالكامل قائمة على التعلم العميق لتقليل الإجراءات التي تستغرق وقتا طويلا. بالإضافة إلى ذلك ، قد يتم تقليل وقت معالجة جزء تسجيل الصورة حتى 10 دقائق إذا تم تنفيذ صندوق أدوات تسجيل Forsberg19. إلى جانب التطورات السابقة ، يتيح الكود المنفذ تسجيل صور لنقطتين زمنيتين (قياسات المتابعة) وتقييم تطور المرض أو تغيرات التهوية الناجمة عن العلاج20. لا يتطلب الإصدار الحالي من البرنامج النصي Matlab أي تفاعل من المستخدم ويمكن تنفيذه في خط أنابيب للمعالجة الآلية للبيانات ذات العلامات المحددة في المستقبل.

العيب الرئيسي ل 3D PREFUL هو أنه لا يوجد قياس موضعي لتدفق الدم ممكن حيث لا يمكن التقاط تأثير التدفق عند استخدام نبضة RF صلبة غير انتقائية للإثارة. ثانيا ، في الوقت الحالي ، تتطلب المعالجة اللاحقة بأكملها (بما في ذلك نقل البيانات وإعادة بناء الصور وتسجيل الصور وتحليل التهوية) ساعتين لكل موضوع. ثالثا ، في الوقت الحالي ، تم عرض مقارنة أولية فقط لمعلمات التهوية المشتقة من 3D PREFUL مع تقنيات أكثر التحقق من صحتها40. رابعا، يتم تقييم البيانات المكتسبة على حاسوب عالي الأداء؛ لذلك ، فإن النتائج ليست متاحة مباشرة للطبيب في وحدة التحكم. خامسا ، لا توجد دراسات جدوى ل 3D PREFUL على نقاط قوة المجال المختلفة وبائعي الماسحات الضوئية المختلفين.

يسمح التصوير بالرنين المغناطيسي للرئة الوظيفية 3D Resolved Phase (PREFUL) برسم خرائط كمية لديناميكيات التهوية الإقليمية للرئة البشرية بأكملها أثناء التنفس الحر17. هناك العديد من البدائل الفعالة من حيث التكلفة ل 3D PREFUL ، مثل قياس التنفس أو تقنيات غسل التنفس المتعددة. ومع ذلك ، فإن كلاهما يفتقر إلى المعلومات المكانية ويتطلب مناورات التنفس ، وبالتالي فهما غير ممكنين للأطفال الصغار أو حديثي الولادة. تعرض طرق التصوير البديلة المرضى للإشعاع المؤين ، مثل طرق الطب النووي CT ، أو غير متوفرة على نطاق واسع (تصوير الغاز مفرط الاستقطاب 129Xe أو 19F باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي). يوفر 3D PREFUL تقييما لديناميكيات التهوية ، ويمكن إجراؤه باستخدام ماسح ضوئي سريري قياسي ، ولا يتطلب عوامل تباين ، مما يجعله جذابا لترجمته إلى بيئة بحث سريري. حقيقة أن 3D PREFUL لا يتطلب استخدام الإشعاع أو عوامل التباين ويوفر اكتسابا صديقا للمريض وحرية التنفس يجعله مناسبا تماما للدراسات المتكررة أو الطولية التي تقيم الاستجابات الإقليمية للعلاج كميا. ثانيا ، قد يكون تقييم 3D PREFUL لتهوية الرئة ذا قيمة خاصة عند الأطفال الصغار ، حيث يجب تجنب التعرض للإشعاع.

إن قدرة 3D PREFUL على توليد صور تهوية وظيفية لرئة الإنسان تحمل إمكانية التشخيص المبكر. على وجه التحديد ، تسمح القدرة على إنتاج خرائط تهوية إقليمية قابلة للتكرار والكمية بإجراء دراسات طولية ، على سبيل المثال ، تطور المرض أو مراقبة تأثيرات العلاج. علاوة على ذلك ، يمكن أن توفر المعلومات الإقليمية حول ديناميكيات التهوية حساسية أكبر للتغيرات المبكرة المتعلقة بأمراض الرئة التي لا يمكن اكتشافها عن طريق اختبارات وظائف الرئة.

الإفصاحات

فيليب كليمش وأندرياس فوسكريبينزيف وينس فوغل كلاوسن هم مساهمون في شركة BioVisioneers GmbH ، وهي شركة مهتمة بطرق التصوير بالرنين المغناطيسي الرئوي.

شكر وتقدير

تم تمويل هذا العمل من قبل المركز الألماني لأبحاث الرئة (DZL). استفاد المؤلفون من عدد من المناقشات المفيدة مع الزملاء ، ولا سيما مع مارسيل جوتبيرليت ، وأجيلو كيرن ، وليا بيرندت ، وأرند أوبرت ، وجوليان جلاندورف ، وتيل كايريت ، وتوفيق موهير السادي ، وجيسا بولر ، وماكسيميليان زوبك ، وروبن مولر ، وماريوس فيرنز ، وكريستيان كريسوستو ، وميلان سبيث ، وجوليان شيلر ، وسونيا لوديجر. يقر المؤلفون بروبرت جريم (Siemens Healthineers) لكتابة تسلسل التصوير بالرنين المغناطيسي ، علاوة على ذلك ، يود المؤلفون أيضا أن يشكروا فرانك شرودر وسفين ثيل من قسم الأشعة (كلية الطب في هانوفر) للمساعدة الفنية المتميزة في إجراء فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
ANTsمجتمع أبحاث
BARTأدوات تصوير مفتوح المصدرBART https://www.opensourceimaging.org/project/berkeley-advanced-reconstruction-toolbox-bart/صندوق أدوات إعادة بناء الصورة
ملف الجسمSiemens / Philips / GE & nbsp;https://www.siemens-healthineers.com/en-us/magnetic-resonance-imaging/options-and-upgrades/coilsلفائف جسم 6 قنوات على الأقل ؛ Philips [https://www.usa.philips.com/healthcare/solutions/magnetic-resonance/coils-overview]
ForsbergImage تسجيل الأدواتhttps://github.com/fordanic/image-registrationصندوق أدوات تسجيل
الصور رمز إعادة بناء الصورةBioVisioneers GmbHwww.biovisioneers.comبرنامج لإعادة بناء وتحليل MR
MatlabMathworksبرنامج
التصوير بالرنين المغناطيسيSiemens / Philips / GE https://www.siemens-healthineers.com/magnetic-resonance-imagingPhilips [https://www.philips.co.in/healthcare/solutions/magnetic-resonance] ، GE [https://www.gehealthcare.com/products/magnetic-resonance-imaging] ؛ 1.5 T / 3 T
تسلسلSiemens / Philips / GEMRI ، تسلسل صدى متدرج ثلاثي الأبعاد مع مسار كومة من النجوم وزيادة الزاوية الذهبية ؛ 1. سيمنز Grasp-Vibe تسلسل - https://t.ly/P31kM ، 2. فيليبس Multi Vane XD Sequence https://t.ly/wMWZZ ، 3. جنرال إلكتريك لافا ستار ، ديسكو ستار - https://t.ly/vimm2
تحليل الصور الطبية مفتوح المصدر صندوق

المراجع

  1. Chronic respiratory diseases. World Health Organization. , Available from: https://www.who.int/health-topics/chronic-respiratory-diseases#tab=tab_1 (2021).
  2. Musch, G., et al. Topographical distribution of pulmonary perfusion and ventilation, assessed by PET in supine and prone humans. J Appl Physiol. 93 (5), 1841-1851 (2002).
  3. Petersson, J., Sánchez-Crespo, A., Larsson, S. A., Mure, M. Physiological imaging of the lung: single-photon-emission computed tomography (SPECT). J Appl Physiol. 102 (1), 468-476 (2007).
  4. Mistry, N. N., et al. Evaluation of fractional regional ventilation using 4D-CT and effects of breathing maneuvers on ventilation. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 87 (4), 825-831 (2013).
  5. Kirby, M., et al. Hyperpolarized 3 He and 129 Xe MR imaging in healthy volunteers and patients with chronic obstructive pulmonary disease. Radiology. 265 (2), 600-610 (2012).
  6. Kuethe, D. O., Caprihan, A., Fukushima, E., Waggoner, R. A. Imaging lungs using inert fluorinated gases. Magn Reson Med. 39 (1), 85-88 (1998).
  7. Ohno, Y., et al. Dynamic oxygen-enhanced MRI versus quantitative CT: Pulmonary functional loss assessment and clinical stage classification of smoking-related COPD. Am J Roentgenol. 190 (2), W93-W99 (2008).
  8. Bauman, G., et al. Non-contrast-enhanced perfusion and ventilation assessment of the human lung by means of fourier decomposition in proton MRI. Magn Reson Med. 62 (3), 656-664 (2009).
  9. Voskrebenzev, A., et al. Feasibility of quantitative regional ventilation and perfusion mapping with phase-resolved functional lung (PREFUL) MRI in healthy volunteers and COPD, CTEPH, and CF patients. Magn Reson Med. 79 (4), 2306-2314 (2018).
  10. Behrendt, L., et al. Validation of automated perfusion-weighted phase-resolved functional lung (PREFUL)-MRI in patients with pulmonary diseases. J Magn Reson Imaging. 52 (1), 103-114 (2020).
  11. Kaireit, T. F., et al. Flow volume loop and regional ventilation assessment using phase-resolved functional lung (PREFUL) MRI: Comparison with 129Xenon ventilation MRI and lung function testing. J Magn Reson Imaging. 53 (4), 1092-1105 (2021).
  12. Couch, M. J., et al. Comparison of functional free-breathing pulmonary 1H and hyperpolarized 129Xe magnetic resonance imaging in pediatric cystic fibrosis. Acad Radiol. 28 (8), e209-e218 (2020).
  13. Behrendt, L., et al. Validation of automated perfusion-weighted phase-resolved functional lung (PREFUL)-MRI in patients with pulmonary diseases. J Magn Reson Imaging. 52 (1), 103-114 (2019).
  14. Marshall, H., et al. 129Xe and free-breathing 1H ventilation MRI in patients with cystic fibrosis: A dual-center study. J Magn Reson Imaging. 57 (6), 1908-1921 (2022).
  15. Mendes Pereira, L., et al. UTE-SENCEFUL: first results for 3D high-resolution lung ventilation imaging. Magn Reson Med. 81 (4), 2464-2473 (2018).
  16. Boucneau, T., Fernandez, B., Larson, P., Darrasse, L., Maître, X. 3D magnetic resonance spirometry. Sci Rep. 10 (1), 16012(2020).
  17. Klimeš, F., et al. 3D phase-resolved functional lung ventilation MR imaging in healthy volunteers and patients with chronic pulmonary disease. Magn Reson Med. 85 (2), 912-925 (2021).
  18. Klimeš, F., et al. Repeatability of dynamic 3D phase-resolved functional lung (PREFUL) ventilation MR Imaging in patients with chronic obstructive pulmonary disease and healthy volunteers. J Magn Reson Imaging. 54 (2), 618-629 (2021).
  19. Klimeš, F., Voskrebenzev, A., Gutberlet, M., Grimm, R., Wacker, F., Vogel-Claussen, J. Evaluation of image registration algorithms for 3D phase-resolved functional lung ventilation magnetic resonance imaging in healthy volunteers and chronic obstructive pulmonary disease patients. NMR Biomed. 36 (3), e4860(2022).
  20. Klimeš, F., et al. Effect of CFTR modulator therapy with elexacaftor/tezacaftor/ivacaftor on pulmonary ventilation derived by 3D phase-resolved functional lung MRI in cystic fibrosis patients. Eur Radiol. 34 (1), 80-89 (2024).
  21. Rosenzweig, S., Holme, H. C. M., Uecker, M. Simple auto-calibrated gradient delay estimation from few spokes using Radial Intersections (RING). Magn Reson Med. 81 (1), 1898-1906 (2019).
  22. Uecker, M., et al. Berkeley advanced reconstruction toolbox. Proc Intl Soc Mag Reson Med. 23 (1), 2486(2015).
  23. Otsu, N. A threshold selection method from gray-level histograms. IEEE Trans Syst Man Cybern. 9 (1), 62-66 (1979).
  24. Song, H. K., Dougherty, L. k-Space weighted image contrast (KWIC) for contrast manipulation in projection reconstruction MRI. Magn Reson Med. 44 (6), 825-832 (2000).
  25. Song, H. K., Dougherty, L. Dynamic MRI with projection reconstruction and KWIC processing for simultaneous high spatial and temporal resolution. Magn Reson Med. 52 (4), 815-824 (2004).
  26. Voskrebenzev, A., Gutberlet, M., Kaireit, T. F., Wacker, F., Vogel-Claussen, J. Low-pass imaging of dynamic acquisitions (LIDA) with a group-oriented registration (GOREG) for proton MR imaging of lung ventilation. Magn Reson Med. 78 (4), 1496-1505 (2017).
  27. Avants, B. B., Tustison, N. J., Song, G., Cook, P. A., Klein, A., Gee, J. C. A reproducible evaluation of ANTs similarity metric performance in brain image registration. Neuroimage. 54 (3), 2033-2044 (2011).
  28. Forsberg, D. fordanicimage-registration. , Available from: https://github.com/fordanic/image-registration (2014).
  29. Isensee, F., Jaeger, P. F., Kohl, S. A. A., Petersen, J., Maier-Hein, K. H. nnU-Net: a self-configuring method for deep learning-based biomedical image segmentation. Nat Methods. 18 (2), 203-211 (2021).
  30. Wernz, M., et al. Influence of lung vessel segmentation on the reproducibility of PREFUL MRI. Proc IWPFI. 10 (1), 73(2022).
  31. He, K., Sun, J., Tang, X. Guided image filtering. IEEE Trans Pattern Anal Mach Intell. 35 (6), 1397-1409 (2013).
  32. Klimeš, F., et al. Free-breathing quantification of regional ventilation derived by phase-resolved functional lung (PREFUL) MRI. NMR Biomed. 32 (6), e4088(2019).
  33. Pöhler, G. H., et al. Repeatability of phase-resolved functional lung (PREFUL)-MRI ventilation and perfusion parameters in healthy subjects and COPD patients. J Magn Reson Imaging. 53 (3), 915-927 (2020).
  34. Moher Alsady, T., et al. MRI-derived regional flow-volume loop parameters detect early-stage chronic lung allograft dysfunction. J Magn Reson Imaging. 50 (6), 1873-1882 (2019).
  35. Kaireit, T. F., et al. Comparison of quantitative regional ventilation-weighted fourier decomposition MRI with dynamic fluorinated gas washout MRI and lung function testing in COPD patients. J Magn Reson Imaging. 47 (6), 1534-1541 (2018).
  36. Munidasa, S., et al. Inter- and intravisit repeatability of free-breathing MRI in pediatric cystic fibrosis lung disease. Magn Reson Med. 89 (5), 2048-2061 (2023).
  37. Lévy, S., et al. Free-breathing low-field MRI of the lungs detects functional alterations associated with persistent symptoms after COVID-19 infection. Invest Radiol. 57 (1), 742-751 (2022).
  38. Voskrebenzev, A., et al. Detection of chronic lung allograft dysfunction using ventilation-weighted Fourier decomposition MRI. Am J Transplant. 18 (8), 2050-2060 (2018).
  39. Voskrebenzev, A., et al. PREFUL MRI depicts dual bronchodilator changes in COPD: A Retrospective analysis of a randomized controlled trial. Radiol Cardiothorac Imaging. 4 (2), e210147(2022).
  40. Klimeš, F., et al. Comparison of free-breathing 3D phase-resolved functional lung (PREFUL) MRI with dynamic 19F ventilation MRI in patients with obstructive lung disease and healthy volunteers. J Magn Reson Imaging. , (2024).

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

PREFUL
تصوير الرنين المغناطيسي للرئة الوظيفي ثلاثي الأبعاد
اتصل بنا
أوصِ بها للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

2026 © حقوق الطبع والنشر MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.