CT 与 129Xe MRI 可提供互补的肺部结构-功能信息，可通过图像配准用于区域性分析。本文提供了一种基于现有文献的协议，利用开源平台实现 129Xe MR 与 CT 图像的配准。
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本文内容
摘要
摘要
超极化129Xe气体磁共振成像是评估和测量肺部区域功能（包括肺内气体分布和气体交换）的一种新兴技术。尽管如此，胸部计算机断层扫描（CT）目前仍是肺部成像的临床金标准，部分原因在于其快速的扫描方案可在数秒内获取高分辨率图像，且CT扫描仪广泛可用。定量分析方法已能够从胸部CT图像中提取肺实质、气道和血管的结构测量参数，并已在多项临床研究中得到评估。CT与129Xe MRI相结合可提供互补信息，用于评估肺部区域结构与功能，从而加深对肺部健康与疾病的理解。129Xe MRI-CT图像配准可用于测量肺部区域的结构-功能关系，以更好地理解肺部疾病的病理生理机制，并实现影像引导下的肺部干预。本文概述了一种129Xe MRI-CT配准方法，以支持其在科研或临床环境中的实施。同时总结了迄今文献中已采用的配准方法及其应用，并对未来发展方向提出建议，以进一步克服与129Xe MRI-CT图像配准相关的技术挑战，推动肺部区域结构-功能评估的更广泛应用。
引言
超极化气体磁共振成像（MRI）作为一种新型功能性肺部成像技术，最早在近三十年前出现，用于评估肺通气分布1自那时以来，利用超极化气体磁共振成像开展的研究已揭示了哮喘、慢性阻塞性肺疾病（COPD）和囊性纤维化等慢性肺部疾病患者肺功能特征的大量信息2,3,4,5,6两者均呈超极化 3他和 129历史上曾使用过Xe气体；然而， 129由于可用性有限，氙气（Xe）现已成为主要的吸入性麻醉剂 3He 气体 129氙气也能自由扩散通过肺泡膜，并被肺毛细血管中的红细胞吸收；在这一所谓的“溶解相”中， 129Xe 在特定频率下发生共振，可在一次屏气扫描中测量局部气体交换情况4,7,8. 用于定量分析时，需匹配解剖结构的体积 1
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方案
本研究所示成像案例已获不列颠哥伦比亚大学普罗维登斯医疗保健研究伦理委员会（REB# H21-01237、H21-02149、H22-01264）批准。参与者在完成成像前均签署了书面知情同意书。从图像采集到配准的整体流程见图2，本文所述方案细节仅聚焦于MR与CT图像的配准。图像采集与分割步骤取决于可用或偏好的成像设备、成像协议以及图像分析软件工具，因此由读者根据实际情况自行选择。本方案设计为对前述步骤保持无关性，仅需在图像分割后使用单标签肺部分割掩膜即可。
1. 软件设置
- 下载并安装 ANTsPy（参见材料表），即 Advanced Normalization Tools 图像处理库的 Python 封装程序47,48,49。在“教程”标签下的链接中可获取相关教程。如有需要，ANTsPy 也可通过 Docker 安装。
注意：ANTsPy 需要基于 Linux 的操作系统或运行环境。在本示例中，ANTsPy 安装并运行于本地工作站的虚拟高性能计算环境中。根据作者的经验，使用虚拟计算环境通常能使本方案获得更好的运行效果。
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结果
本研究在研究环境中前瞻性地获取了多种肺部疾病和状态下配对的CT与129Xe MRI图像，用于区域性肺结构-功能表征及图像引导下的支气管镜检查。图3展示了四位代表性受试者在冠状面和矢状面上配准后的129Xe MRI通气图像与CT图像（这些受试者与图1中的相同）。配准后的129Xe MRI标签掩膜显示了从通气缺损或信号缺失到高信号强度的129Xe信号强度聚类，并与CT标签掩膜相乘以去除气管和主气道。目视检查显示，健康受试者（图3A）的肺边界整体对齐良好，通气均匀，仅右肺肋膈角区域存在轻微偏差。该差异可能源于两种模态之间的分辨率差异或129Xe/1H MRI中的几何畸变；然而，其占肺总体积的比例很小。在三位慢性阻塞性肺疾病（COPD）受试者中，肺边界在可识别区域也表现出良好的对齐。本研究中的COPD示例涵盖了弥漫性通气异常（
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讨论
CT 与 129Xe MRI 可提供互补信息，用于评估区域性肺结构与功能，而通过图像配准可最佳实现该评估。多模态图像配准的实现可能并不简单，因此本文提供的方案旨在为读者提供将 129Xe MRI 与 CT 进行配准的工具。本方案采用 ANTsPy，使具有不同图像处理经验的用户能更便捷地使用 Python（而非传统 ANTs 所用的 C++）实现操作。总体而言，ANTs 提供了一个开源的图像配准框架，减少了针对不同度量标准和/或图像对进行参数调优的需求，并支持可重复的研究实践49。ANTs 通常采用三个连续的算法以实现最佳配准：（1）仅使用旋转和平移的刚性配准；（2）在旋转和平移基础上增加缩放和剪切的仿射配准；（3）可变形的非线性配准。更深入地，本文为 CT-MR 配准所提供的默认方案包含以下三个步骤：（1）初始相似性（刚性）变换，用于捕捉 CT 与 MR 图像之间的整体相似性，为后续更精细的变换做好准备。该步骤采用 Mattes 互信息相似性度量49，设置 32 个直方图区间，以 0.2% 的像素进.......
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披露
RLE 收到了来自 VIDA Diagnostics Inc. 的个人咨询费，该费用与本次提交的研究无关。JAL 收到了来自 GE Healthcare 的机构资助，以及来自 Philips 和 GE Healthcare 的讲课酬金，这些均与本次提交的研究无关。
致谢
本研究部分得益于英属哥伦比亚大学先进研究计算中心提供的计算资源与服务，以及英属哥伦比亚大学放射学系人工智能资助项目的支持。RLE 获得了英属哥伦比亚健康研究 Michael Smith 培训奖的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3D Slicer | Brigham and Women's Hospital (BWH) | https://www.slicer.org/ | 图像分析/可视化软件；开源 |
| ANTsPy | NA | https://github.com/ANTsX/ANTsPy | 编程基础设施；开源 |
| ITK-SNAP | NA | http://www.itksnap.org/pmwiki/pmwiki.php | 图像分析/可视化软件；开源 |
| MAGNETOM Vida 3.0T MRI | Siemens Healthineers | NA | 可使用任何具备宽带成像功能的1.5 T或3.0 T磁共振扫描仪 |
| MATLAB | Mathworks | https://www.mathworks.com/products/matlab.html | 通用软件，适用于图像分析；需订阅使用 |
| reg.py | NA | NA | 配准脚本（补充文件1） |
| Revolution HD CT scanner | GE Healthcare | NA | 可使用任何具备≥64个探测器的CT扫描仪 |
| VIDA Insights | VIDA Diagnostics Inc. | NA | CT分析软件；可使用任意能生成掩膜的软件 |
参考文献
- Albert, M. S., et al. Biological magnetic resonance imaging using laser-polarized 129Xe. Nature. 370 (6486), 199-201 (1994).
- Sheikh, K., Coxson, H. O., Parraga, G. This is what COPD looks like. Respirology. 21 (2), 224-236 (2016).
- Ebner, L., et al.
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重印与许可
