基于磁共振弹性成像的肝纤维化早期诊断三维数字模型

摘要

本研究的目的是开发一种用于肝纤维化早期诊断的新型三维数字模型，该模型包含患者肝脏中每个体素的硬度信息，因此可用于计算患者肝脏在不同纤维化阶段的分布比例。

摘要

肝纤维化是肝硬化的早期阶段，目前尚无更优的无创且便捷的方法用于该疾病的检测与评估。尽管基于磁共振弹性成像（MRE）的肝脏硬度图（LSM）已取得良好进展，但仍存在一些需要克服的局限性，包括手动确定焦点、手动选择感兴趣区域（ROIs），以及缺乏结构信息的不连续LSM数据，这使得无法对肝脏整体进行评估。在本研究中，我们提出了一种基于磁共振弹性成像（MRE）的新型三维（3D）数字模型，用于肝纤维化的早期诊断。

磁共振弹性成像（MRE）是一种无创成像技术，利用磁共振成像（MRI）通过人机交互方式测量扫描部位的肝脏硬度。研究表明，通过MRE获得的肝脏硬度测量值（LSM）与肝纤维化程度之间存在显著的正相关关系。然而，出于临床需要，必须对肝纤维化程度进行全面且精确的量化。为解决这一问题，本研究提出了肝脏硬度分布（LSD）的概念，该概念指通过三维肝脏组织图像与MRE指标配准后，获取每个肝脏体素的三维硬度体积。这为肝纤维化的诊断与治疗提供了更为有效的临床工具。

引言

肝纤维化是指肝脏中形成过量的瘢痕组织，通常由肝脏损伤或疾病引起^1,2,3,4。它常继发于慢性肝损伤，常见于慢性病毒性肝炎、非酒精性脂肪性肝病和酒精性肝病等肝脏疾病。若不及时治疗，肝纤维化可进展为肝硬化，后者是一种可能危及生命的情况，与显著的发病率和死亡率相关。

该领域的活跃研究旨在阐明肝纤维化发病机制中的细胞与分子机制，并开发新型诊断和治疗策略，以改善患者的预后。另一项目标是实现肝纤维化分期的无创检测，这是与疾病诊断、治疗方案选择及预后评估直接相关的关键环节。尽管准确诊断和监测肝纤维化至关重要，传统的诊断方法（如肝活检）具有侵入性，并伴随显著风险。相比之下，磁共振弹性成像^5,6（MRE）是一种有前景的无创影像技术，已显示出在肝纤维化诊断与监测中的潜力，其通过量化肝脏硬度来实现评估。

近年来，大量研究集中于评估磁共振弹性成像（MRE）在肝纤维化诊断中的准确性与可靠性，以及其相较于传统诊断方法的潜在优势。MRE的肝脏硬度指标已获得美国食品药品监督管理局（F....

方案

本研究采用三维数字肝窦结构（3D-digital LSD）建模技术，重建了一名经临床确诊为肝纤维化的典型患者的肝脏结构。该患者来自中国北京著名的肝病治疗机构"You An Hospital"，在签署知情同意书后，接受了常规上腹部磁共振成像（MRI）及磁共振弹性成像（MRE）。该患者被选为本研究方法的案例，因其肝纤维化分期已通过病理学检查确认，且无明显临床症状，突显了本研究在早期肝纤维化患者诊断中的适用性与临床价值。本文还对该患者的肝脏与健康肝脏进行了定量比较。本研究中使用的软件工具列于材料表中。

1. 数据收集与准备

注意：参数差异对研究方法不敏感。

1. MRI 扫描策略
   注意：本研究使用了从 GE 公司制造的磁共振成像（MRI）设备临床影像中获取的实际 DICOM 数据。数据内容包括 IDEAL（通过回波不对称性和最小二乘估计进行水脂分离的迭代分解）水脂分离成像和磁共振弹性成像（MRE）。
   1. 确保 IDEAL 数据的横向分辨率为 256 像素 × 256 像素，像素间距为 1.5625 mm，层厚为 10 mm。
      注意：扫描策略可进一步优化，但本研究所采用的方法适用于更高精度的医学成像。
2. 重命名每个序列的文件夹。

结果

通过利用 DICOM 文件中 Description_Name 字段的信息，可对原始 MRI 文件夹进行重命名，以便在影像组的分析过程中快速定位所需的成像序列。MRI-IDEAL 反相位序列是一种用于更清晰显示肝组织边界的 MRI 成像序列，因为该序列能够通过特定的图像处理技术，更好地分辨不同组织的磁化强度和磁化角度。

MRI-IDEAL反相位序列通过使用梯度回波序列（GREs）生成图像，并在图像采集过程中利用反相位控制，从而减少成像时组织间的磁场不均匀性，提高组织结构的图像分辨率和对比度。此外，MRI-IDEAL反相位序列还可抑制脂肪信号，减少脂肪对成像的干扰，更清晰地显示邻近的组织结构。总之，MRI-IDEAL反相位序列通过磁场控制和脂肪信号抑制等技术，可提高成像的分辨率与对比度，使组织边界更加清晰。

尽管深度学习工具可用于提取肝脏的三维解剖结构，但该方法存在一定程度的机器学习误差。本研究的重点是肝纤维化的精确定量，因此采用MIMICS工具提取肝脏组织的三维区域，并结合专家经验，以获得相对.......

讨论

在临床实践中，准确量化和追踪早期肝纤维化患者的病情具有挑战性。图9所示的对比充分反映了患者肝纤维化的程度，相较于健康肝脏；当然，该图像也可用于同一患者在两个不同时期的比较，以评估治疗效果。这种精确的量化方法是本研究的核心关键步骤。此外，图5和图6所示的LSD三维体积计算方法，能够精确定位患者肝脏中纤维化病灶的空间位置和大小，为早期肝纤维化的准确诊断提供坚实的定量依据。同时，也可为基于三维数字模型的精准引导肝穿刺提供科学支持。

本研究提出了肝纤维化不同阶段中三维肝表面结节（3D LSD）的概念及其精确定量方法。结果表明，该方法可有效定量评估早期肝纤维化患者的疾病进展。可能的进一步改进与发展方向包括：提高磁共振弹性成像（MRE）扫描的精度，特别是横向扫描间隔；提升肝脏磁共振结构图像的成像精度；引入深度学习技术以辅助快速提取肝脏的三维区域；积累更多健康肝脏的LSD数据，以建立诊断比较的基线标准；以及积累肝纤维化.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
MATLAB	MathWorks	2022B	计算与可视化
Mimics	Materialise	Mimics Research V20	模型格式转换
3D_LSD 工具	智能 熵	肝纤维化 V1.0	北京智熵科技 & Technology Co Ltd. CT/MRI 融合建模