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Das einfachste 3D-PREFUL-Bildgebungsprotokoll enthält zwei Sequenzen. Ein anatomischer Lokalisierer + eine Messung der freien Atmung mit 3D-Sternstapelerfassung im goldenen Winkel. Die Flugbahn des Sternenstapels ist in Abbildung 1 dargestellt. Diese Trajektorie kombiniert radiales Sampling (in der Ebene) mit linearem kartesischem Sampling (in z-Richtung). Zunächst werden Abtastungen ink-z-Partitionsrichtung erfasst, gefolgt von der Drehung des goldenen Winkels, um die k-x-k-y-Ebene abzutasten. Das Golden-Angle-Erfassungsschema fördert das Self-Gating mit gleichmäßiger Abdeckung des k-Raums und erleichtert die Bildrekonstruktion mit stark unterabgetasteten Daten. Die gesamte Prüfung dauert nicht länger als 10 Minuten. Weitere Details zur 3D PREFUL-Erfassung finden Sie in der Materialtabelle.

Abbildung 1: Goldener Schnitt gedrehter Stapel von Sternen. Beachten Sie, dass die radiale Abtastung entlang der Abmessung in der Ebene (kx-ky) und die kartesische Abtastung entlang der Schichtrichtung (kz) angewendet wird. Dieses Schema führt zu einer zylindrischen Abdeckung des erfassten k-Raums. In diesem Beispiel werden drei Partitionen mit 32 radialen Projektionen pro Partition dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Eine Liste typischer MRT-Parameter, die für die 3D-PREFUL-Bildgebung auf einem 1,5-T-Scanner verwendet werden, ist in Tabelle 1B dargestellt. Für den 3T-Scanner werden die in Tabelle 2 aufgeführten Sequenzparameter vorgeschlagen.
Nachdem die Datenerfassung und die Datenübertragung abgeschlossen sind, beginnt der Bildrekonstruktionsteil. Dieser Schritt erfolgt durch einen MATLAB-Code, der zum geistigen Eigentum (IP) eines Unternehmens (BioVisioneers GmbH) gehört und nicht offen geteilt werden kann. Das Skript ist vollständig automatisiert, sobald der Pfad zu den Rohdaten angegeben ist. Eine schematische Übersicht über das Rekonstruktionsverfahren ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Schematischer Überblick über die 3D-Phasenaufgelöste funktionelle Lunge (PREFUL) MRT-Methode. Zunächst werden die Daten mit einer 8-minütigen MRT-Erfassung mit freier Atmung und einer Flugbahn des Sternenstapels erfasst. Nach der Übertragung der Daten vom MRT-Scanner zu einer Recheneinheit werden niedrig aufgelöste 3D-Bilder mit einer zeitlichen Auflösung von ca. 100 ms rekonstruiert. Das Lungenparenchym jedes Bildes wird segmentiert und das Lungenvolumen berechnet. Die Lungenvolumeninformation wird weiterhin als Gating-Signal verwendet. Basierend auf der Amplitude und Phase des Gating-Signals werden die radialen Projektionen in Atembehälter sortiert, die einen Atemzyklus abdecken. Auf den Binning-Teil folgt die dynamische Rekonstruktion von Bildern in voller Auflösung, die anschließend bis zur endinspiratorischen Ebene registriert werden. Nach mehreren Nachbearbeitungsschritten wird der Zyklus der regionalen Lüftung (RVent) berechnet und der Bildanalyseteil einschließlich der Parameterextraktion durchgeführt. Der RVent-Zyklus wird durch Berechnung des Fluss-Volumen-Loops (FVL) für jedes Voxel bewertet. Die FVL-CM-Beatmungskarten werden durch eine Bewertung jedes Voxel-FVL im Vergleich zu gesunden Referenz-FVL extrahiert, wobei die Ähnlichkeit anhand einer Kreuzkorrelationsmetrik bewertet wird. Sowohl für RVent als auch für FVL-CM werden die globalen Werte für den Prozentsatz der gesamten Beatmungsdefekte (VDP) quantifiziert. Darüber hinaus wird die Dynamik des RVent-Zyklus durch eine Time-to-Peak-Analyse analysiert, was zu einer Beatmungs-Time-to-Peak-Parameterkarte (VTTP) führt. Darüber hinaus wird die Abweichung der erwarteten Spitzenventilation bei 50 % des RVent-Zyklus in der VTTP-Dev-Karte quantifiziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Nach der Bildrekonstruktion sind alle Bilder räumlich auf einen einzigen festen Zustand ausgerichtet. Die Registrierung selbst wird auf der CPU mit den Advanced Normalization Tools (ANTs27) oder Forsberg registration package28 durchgeführt. Während das ANTs-Paket nach wie vor ein Goldstandard für Bildregistrierungsaufgaben in der MRT- und CT-Bildgebung ist, ermöglicht die Forsberg-Registrierung ein 10-fach schnelleres Registrierungsverfahren von bis zu 9 Minuten bei vergleichbaren Ergebnissen19. Das Registrierungspaket kann in Abhängigkeit von den Prioritäten der Benutzer und den verfügbaren Recheneinheiten ausgewählt werden. Nachdem die Registrierung abgeschlossen ist, werden die registrierten morphologischen Bilder wieder revertiert, so dass die Lunge im Graustufenbild dunkel erscheint.
In Abbildung 3 ist der nächste Schritt der Pipeline, der die Segmentierung des Lungenparenchyms beinhaltet, dargestellt. Zunächst wird das Lungenparenchym aus dem endinspiratorischen Bild unter Verwendung eines konvolutionalen neuronalen Netzwerks mit nnUnet architecture29 segmentiert. Auf die Segmentierung des Lungenparenchyms folgt eine Gefäßerkennung30, die von der endgültigen Segmentierungsmaske ausgeschlossen wird.

Abbildung 3: Beispielhafte Ergebnisse der Deep-Learning-basierten Segmentierung für einen 32-jährigen männlichen Probanden. In der oberen Reihe sind morphologische Bilder von acht repräsentativen koronalen Schnitten zu sehen. In der zweiten und dritten Reihe kann man die entsprechende Lungenparenchymmaske bzw. die Schlussmaske unter Ausschluss der Gefäße beobachten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Ein Beispiel für eine falsche Segmentierung des Lungenparenchyms ist in Abbildung 4 dargestellt. Es ist wichtig, die Deep-Learning-basierten Segmentierungen visuell zu überprüfen, und wenn sie als unbefriedigend erachtet werden, sollten manuelle Korrekturen in Betracht gezogen werden, um die Genauigkeit der endgültigen Lungenparenchymmaske zu verbessern.

Abbildung 4: Beispielhafte Ergebnisse einer fehlerhaften Deep-Learning-basierten Segmentierung für einen 57-jährigen männlichen Probanden. In der oberen Reihe sind morphologische Bilder von acht repräsentativen koronalen Schnitten zu sehen. In der zweiten und dritten Reihe kann man die entsprechende Lungenparenchymmaske bzw. die Schlussmaske unter Ausschluss der Gefäße beobachten. Wie ersichtlich, werden mehrere fibrotische Regionen fälschlicherweise als Gefäße oder nicht-pulmonale Strukturen erkannt. Diese Ungenauigkeiten wurden manuell korrigiert, wie in der vierten Zeile zu sehen ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Nach mehreren Filterschritten, die im Protokoll beschrieben sind, werden Beatmungssurrogate calculated. 3D PREFUL MRT generiert quantitative Karten für die statische regionale Beatmung (RVent), dynamische Fluss-Volumen-Korrelationsmetriken (FVL-CM) und zwei Parameter, die auf der Analyse der Beatmungszeit bis zur Spitze (VTTP) basieren, wie in Abbildung 5 dargestellt. Diese Abbildung zeigt acht koronale Schnitte eines 32-jährigen gesunden Mannes. Beachten Sie die zu erwartende homogene Verteilung aller Lüftungsparameter.

Abbildung 5: 3D PREFUL MRT eines gesunden Freiwilligen (32-jähriger Mann). Repräsentative morphologische (obere Reihe) und 3D PREFUL MRT-Beatmungsparameter (zweite bis fünfte Reihe) für einen gesunden Probanden (32-jähriger Mann). Die statische regionale Ventilation wird durch die regionale Ventilation (RVent) repräsentiert, während die Ventilationsdynamik anhand der Flow-Volume-Loop-Correlation-Metrik (FVL-CM) bewertet wird, die Ventilation Time-to-Peak (VTTP) und die Abweichung von VTTP (VTTPDev) sind Ventilationsparameter, die die Ventilationsdynamik bewerten. Erwartungsgemäß werden für alle Lüftungsparameterkarten homogene Lüftungswerte beobachtet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Um die Beatmungskarten zu vereinfachen, werden Beatmungsdefektkarten (VD) für RVent und FVL-CM abgeleitet, die eine schnellere Interpretation der Ergebnisse ermöglichen. Die beispielhaften VD-Karten sind in Abbildung 6 dargestellt. Sowohl für VDRVent als auch für VDFVL-CM lagen die VDP-Werte bei 3,6 % bzw. 3,0 % und damit im gesunden Normbereich. Im Idealfall und abhängig vom Alter der gesunden Probanden sollte der VDP-Wert 10 % nicht überschreiten. Die oben genannten Parameter (RVent, FVL-CM und ihre VD-Karten) wurden in mehreren Studien validiert11,12,35,36 und sind sowohl bei der Erkennung von Krankheiten als auch bei der Detektion therapieinduzierter Effekte sensitiv20,34,37,38,39.

Abbildung 6: Repräsentative RVent- und FVL-CM-Karten, einschließlich ihrer Lüftungsdefektkarten. Dargestellt sind die Karten RVent (obere Reihe) und FVL-CM (zweite Reihe), einschließlich ihrer Beatmungsdefektkarten (dritte und vierte Reihe), die mittels 3D PREFUL MRT für einen gesunden Probanden (32-jähriger Mann) abgeleitet wurden. In VD-Karten sind gesunde Regionen grün und Gebiete mit Lüftungsdefizit rot markiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Mehrere Lungen-MRT-Studien wurden sowohl bei 1,5 T als auch bei 3 T Magnetfeldstärken berichtet. Während es den theoretischen Vorteil von 3T aufgrund des erhöhten Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) gibt, kann dieser Vorteil durch ausgeprägtere magnetische Suszeptibilitätseffekte bei 3T aufgewogen werden. Der genaue Einfluss der Magnetfeldstärken auf die Bildqualität von 3D-PREFUL-Beatmungskarten ist derzeit nicht bekannt. Hier präsentieren wir Machbarkeitsergebnisse (Abbildung 7), die für einen gesunden Freiwilligen (35-jähriger Mann) mit einem 3-T-MRT-Scanner erhalten wurden. Beachten Sie das heterogenere Erscheinungsbild der Lüftungsparameter bei 3 T im Vergleich zu 1,5 T (Abbildung 5).

Abbildung 7: 3D PREFUL MRT eines gesunden Freiwilligen (35-jähriger Mann). Repräsentative morphologische (obere Reihe) und 3D PREFUL MRT-Beatmungsparameter (zweite bis fünfte Reihe) für einen gesunden Probanden (35-jähriger Mann) bei 3T. Die statische regionale Ventilation wird durch die regionale Ventilation (RVent) repräsentiert, während die Ventilationsdynamik anhand der Flow-Volume-Loop-Correlation-Metrik (FVL-CM) bewertet wird, die Ventilation Time-to-Peak (VTTP) und die Abweichung von VTTP (VTTPDev) sind Ventilationsparameter, die die Ventilationsdynamik bewerten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Vergleich/Validierung von 3D PREFUL mit direkteren Messungen ist derzeit nicht veröffentlicht. Es gibt mehrere Studien, die über eine positive Korrelation zwischen VDP-Werten und räumlicher Überlappung von Beatmungsdefekten zwischen der 2D-PREFUL-Technik und 129berichten Xe11,12,14 und 19F MRT35. Ein kürzlich durchgeführter Vergleich zwischen 3D-PREFUL-abgeleiteter Beatmung und direkten Beatmungsmessungen mittels 19-F-MRT bei Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD), Asthma und gesunden Probanden ergab eine moderate bis starke Korrelation auf globaler Ebene40. Vorgestellt wird ein Beispielvergleich (Abbildung 8) für einen Patienten mit der Diagnose einer chronisch obstruktiven Lungenerkrankung (54-jährige Frau, FEV1 = 42% vorhergesagter Wert), der mittels 3D PREFUL und 19F Wash-in-MRT untersucht wurde.

Abbildung 8: 3D PREFUL MRT einer 54-jährigen COPD-Patientin. Es werden morphologische Bilder (obere Reihe), Beatmungsparameter und entsprechende Beatmungsdefektkarten einer 54-jährigen weiblichen COPD-Patientin (FEV1 = 42 % pred., FVC = 102 % pred.), die mittels 3D PREFUL MRT (2. und 3. Reihe) und 19F MRT (4. und 5. Reihe) aufgenommen wurden, sowie ein Vergleich der Beatmungsdefektkarten beider Methoden (letzte Reihe) vorgestellt. Insgesamt betrug der Sørensen-Würfel-Koeffizient über alle Schichten hinweg 25,5 % in defekten Bereichen und 80,6 % in gesunden Regionen, was zu einer räumlichen Gesamtüberlappung von 69,2 % führte. Bemerkenswert ist, dass es eine visuelle Korrelation zwischen übereinstimmenden Lüftungsbereichen in gesunden und defekten Bereichen gibt (dunkelgrün dargestellt). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
3D PREFUL MRT kann verwendet werden, um regionale Reaktionen auf die Therapie zu messen20. Als Beispiel zeigt Abbildung 9 einen Vergleich von drei Schnitten aus der Lunge eines Mukoviszidose-Probanden (43-jährige Frau) zu Studienbeginn (links, FEV1 = 94% vorhergesagter Wert) und nach CFTR-Modulator-Therapie (rechts, FEV1 = 112% vorhergesagter Wert). Da beide Messungen räumlich aufeinander abgestimmt sind, ermöglicht 3D PREFUL eine regionale Analyse des Ansprechens auf die Behandlung, wie am unteren Rand von Abbildung 9 dargestellt. Bitte beachten Sie die erhöhten Werte der Flow-Volume-Loop-Korrelationsmetrik sowie die Reduktion von Beatmungsdefekten nach der Therapie.

Abbildung 9: 3D-PREFUL-Messungen einer 43-jährigen weiblichen Mukoviszidose-Patientin. Exemplarische Beatmungsmarkerkarten von 3D-PREFUL-Messungen zu Studienbeginn (links) und nach der Behandlung (rechts) einer 43-jährigen CF-Patientin. Die VDPFVL-CM sank von 18,0 % (Ausgangswert) auf 3,6 % (nach der Behandlung). FEV1 % präd. Ausgangswert: 94%, FEV1 % präd. Nachbehandlung: 112%. LCI-Ausgangswert: 10,48, LCI-Nachbehandlung: 9,39. Die entsprechenden Treatment-Response-Maps sind unten dargestellt. Bitte beachten Sie die grünen Bereiche, die die abgeklungene Beatmung nach der Therapie anzeigen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Tabelle 1: Liste typischer MRT-Parameter, die für die Lokalisierung und 3D-PREFUL-Erfassung auf einem 1,5T-Scanner verwendet werden. (A) Localizer und (B) 3D PREFUL-Erfassung. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.
Tabelle 2: Vorgeschlagene MRT-Parameter für die 3D PREFUL-Erfassung auf einem 3T-Scanner. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.
Tabelle 3: Beispielhafter statistischer Bericht der 3D PREFUL Parameter für einen gesunden Freiwilligen (35-jähriger Mann) Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.