Präzise nicht-invasive Quantifizierung der Leberzirrhose mittels multimodaler Steifigkeits-Strukturfusionsbildgebung

Zusammenfassung

Bei der herkömmlichen Magnetresonanz-Elastographie werden Steifigkeits- und Strukturbilder getrennt, was eine manuelle ROI-Abgrenzung und die Eingabe eines Radiologen erfordert. In dieser Studie wird eine multimodale Fusionsmethode vorgestellt, die beide Bildtypen kombiniert, um Steifigkeits-Strukturfusionsbilder und Statistiken zur Lebersteifigkeitsverteilung zu erstellen, was ein genaues Zirrhose-Staging unterstützt und eine radiomische Analyse auf der Grundlage der Lebersteifigkeitsverteilung ermöglicht.

Zusammenfassung

Bei der herkömmlichen Magnetresonanz-Elastographie (MRE) werden Steifigkeits- und Strukturbilder getrennt dargestellt, sodass für die Beurteilung der Lebersteifigkeit eine manuelle ROI-Abgrenzung erforderlich ist. Dies führt zu einer Variabilität des Beobachters und kann signifikante Läsionen übersehen, da die Steifigkeitsverteilungsmuster der gesamten Leber nicht genau dargestellt werden. In der vorliegenden Studie wurde eine multimodale Bildfusion implementiert, bei der Steifigkeitskarten mit Strukturbildern integriert wurden: (1) Erfassung auf einem 3,0-T-MRT mit optimierter T1-gewichteter Bildgebung (TR/TE = 157,62/1,17 ms) und MRE (60 Hz Vibrationen); (2) rechnerische Vorverarbeitung von DICOM-Daten in 3D-Volumes; (3) genaue Berechnung der Mitregistrierung und Fusion; und (4) quantitative Analyse der Verteilung der Lebersteifigkeit über verschiedene Zirrhosestadien. Die Stiffness-Structural Fusion Imaging Technique integrierte anatomische Strukturen mit Steifigkeitsmustern in einer einzigen Visualisierung und ermöglichte so die gleichzeitige Beurteilung der Lebermorphologie und der Steifigkeitsverteilung. Die vergleichende Analyse ergab eine klare Unterscheidung zwischen zirrhotischen Patienten und gesunden Kontrollen, wobei die Leberzirrhose einen signifikant höheren Anteil an fortgeschrittener Fibrose aufwies. Diese Technik eliminierte die Variabilität aufgrund der manuellen ROI-Platzierung und etablierte einen standardisierten Rahmen für eine umfassende Beurteilung der gesamten Leber. Die Steifigkeits-Strukturfusions-Bildgebung bietet eine umfassende Visualisierung der Lebersteifigkeit mit präziser anatomischer Korrelation und verbessert so möglicherweise die diagnostische Genauigkeit im Vergleich zur herkömmlichen MRE. Dieser Ansatz eliminiert die Variabilität des Beobachters, ermöglicht eine standardisierte Beurteilung der gesamten Leber und schafft einen quantitativen Rahmen für die Überwachung des Krankheitsverlaufs und des Ansprechens auf die Behandlung, während er gleichzeitig eine verbesserte Kommunikation zwischen Arzt und Patient ermöglicht und eine Grundlage für fortschrittliche Radiomik im Leberzirrhose-Staging bietet.

Einleitung

Leberzirrhose stellt eine bedeutende globale Herausforderung für die Gesundheit dar, wobei ein genaues Staging für ein optimales Patientenmanagement und eine optimale Behandlungsplanung von entscheidender Bedeutung ist ^1,2. Die Magnetresonanz-Elastographie (MRE) hat sich als wertvolle nicht-invasive Technik zur Beurteilung der Leberzirrhose erwiesen und bietet Vorteile gegenüber invasiven Biopsieverfahren, die inhärente Risiken bei der Probenahme und Beschwerden für den Patienten bergen ^3,4,5. Herkömmliche MRE-Ansätze weisen jedoch erhebliche Einschränkungen in der klinischen Praxis auf, die sich auf die diagnostische Genauigkeit und die Effizienz des Arbeitsablaufs auswirken.

Traditionelle MRE-Methoden stellen Steifigkeitskarten und Strukturbilder in der Regel als separate Einheiten dar, so dass Ärzte anatomische Merkmale mit Steifigkeitsmustern über verschiedene Bildreihen hinweg mental korrelieren^{müssen 5,6}. Dieser Ansatz erfordert eine manuelle Platzierung der Region of Interest (ROI) für die Quantifizierung der Lebersteifigkeit, was zu einer erheblichen Variabilität zwischen den Beobachtern und einer potenziellen Stichprobenverzerrung führt ^7,8. Darüber hinaus erfasst der konventionelle ROI-basierte Ansatz nicht die heterogene Natur der Lebersteifigkeitsverteilung, wie in der neueren Literatur hervorgehoben wird, die die prognostische Bedeutung der parenchymalen Heterogenität für das Fortschreiten der chronischen Lebererkrankung betont ^9,10. Die Unfähigkeit, die Steifigkeitsverteilung der gesamten Leber umfassend zu visualisieren und zu quantifizieren, stellt ein erhebliches Hindernis für eine fortschrittliche radiomische Analyse und eine präzise Krankheitscharakterisierung dar.

Alternative nicht-invasive Techniken zur Beurteilung der Leberzirrhose umfassen Ultraschall-Elastographie und Serum-Biomarker-Panels^11,12. Die transiente Elastographie bietet zwar Punktmessungen der Lebersteifigkeit, aber es fehlen die umfassenden räumlichen Kartierungsmöglichkeiten von MRE ¹³. Serum-Biomarker-Panels liefern indirekte Schätzungen der Fibrose, können aber die räumliche Verteilung von Parenchymveränderungen nicht visualisieren¹¹. Neuere Vergleichsstudien haben durchweg eine überlegene diagnostische Genauigkeit der MRE für mittlere und fortgeschrittene Fibrosestadien im Vergleich zu diesen Alternativen gezeigt^13,14.

Um diese Einschränkungen zu beheben, haben wir eine neuartige multimodale Steifigkeits-Strukturfusions-Bildgebungstechnik entwickelt, die quantitative Steifigkeitskarten nahtlos mit hochauflösenden Strukturbildern integriert. Dieser Ansatz ermöglicht die gleichzeitige Visualisierung von anatomischen Orientierungspunkten und Steifigkeitsmustern in einer einzigen integrierten Darstellung, wodurch die Notwendigkeit einer mentalen Koregistrierung entfällt und die kognitive Belastung während der Interpretation reduziert^{wird 15,16}. Die Technik bietet eine umfassende Analyse der Steifigkeitsverteilung der gesamten Leber und überwindet die Einschränkungen der Probenahme durch herkömmliche ROI-basierte Methoden.

In dieser Studie wurden 3,0-Tesla-MRT-Systeme mit Elastographie-Funktionen, eine Standard-Patientenvorbereitung einschließlich 4-6 Stunden Fasten und MATLAB mit Image Processing Toolbox für die computergestützte Analyse verwendet. Diese Anforderungen sind zunehmend in akademischen medizinischen Zentren und spezialisierten bildgebenden Einrichtungen verfügbar.

Dieses Protokoll bietet eine detaillierte Methodik für die Implementierung der Steifigkeits-Struktur-Fusionstechnik in klinischen und Forschungsumgebungen. Der Ansatz ist besonders wertvoll für Zentren mit Zugang zu MRE-Funktionen, die die diagnostische Präzision erhöhen, die Effizienz klinischer Arbeitsabläufe verbessern und quantitative Rahmenbedingungen für die longitudinale Überwachung chronischer Lebererkrankungen etablieren möchten. Die Technik ist auf verschiedene Ätiologien chronischer Lebererkrankungen anwendbar und kann mit minimaler zusätzlicher Nachbearbeitungszeit unter Verwendung des bereitgestellten Berechnungsrahmens implementiert werden.

Protokoll

Das Protokoll wurde mit Genehmigung des institutionellen IRB durchgeführt. Ein Patient des Dongzhimen Krankenhauses der Beijing University of Chinese Medicine unterzog sich mit Einverständniserklärung einer routinemäßigen Magnetresonanztomographie und MRE des Oberbauchs im YouAn Hospital. Dieser Fall wurde aufgrund des bestätigten Fortschreitens von Fibrose zu Zirrhose für die Forschungsmethodik ausgewählt, was den Wert des Ansatzes bei der Diagnose der Grenze zwischen Leberfibrose und Leberzirrhose unterstreicht. Die Studie bietet auch einen quantitativen Vergleich zwischen der Lebersteifigkeitsverteilung (LSD) dieses Patienten und der einer gesunden Leber. Alle Geräte und Softwaretools, die in dieser Studie verwendet wurden, sind in der Materialtabelle aufgeführt.

1. MRT-Scan-Strategien

1. Bereiten Sie den Patienten vor, indem Sie eine Fastenperiode von 4-6 Stunden vor der Untersuchung sicherstellen, um die physiologische Variabilität zu reduzieren.
2. Positionieren Sie den Patienten auf dem 3,0-Tesla-MRT-System mit einer Kombination aus einem 16-Kanal-Abdominal-Array und einer 32-Kanal-Posterior-Array-Spule.
3. Aufnahme von strukturellen Bildern
   1. Führen Sie eine anatomische Bildgebung mit einer axialen 2D-2D-T1-gewichteten Dual-Echo-Gradienten-Echosequenz mit den folgenden Parametern durch:
      HINWEIS: TR/TE = 157,62/1,17 ms; Flip-Winkel = 60°; Sichtfeld = 400 × 400 mm²; Akquisitionsmatrix = 512 × 512; Scheibenstärke = 7 mm.
   2. Stellen Sie sicher, dass die Sequenz hochauflösende Strukturinformationen (In-Plane-Auflösung von 0,78 × 0,78 mm²) mit inhärenter Fett-Wasser-Trennfähigkeit liefert.
4. MR Elastographie-Aufnahme
   1. Platzieren Sie den pneumatischen Treiber über der rechten vorderen Leber, um mechanische Schwingungen mit 60 Hz zu erzeugen.
   2. Führen Sie eine Kartierung der Lebersteifigkeit mit einer 2D-Echoplanar-Bildgebung (EPI)-basierten Erfassung mit den folgenden Parametern durch:
      HINWEIS: TR/TE = 1050,3/63,4 ms; Flip-Winkel = 90°; Sehfeld = 420 × 420 mm²; Erwerbsmatrix = 256 × 256 (rekonstruiert in 256 × 256); Scheibenstärke = 10 mm; Bandbreite = 1953,1 Hz/Pixel.
   3. Erfassen Sie acht Phasen-Offsets, um die Wellenausbreitung zu berechnen und quantitative Steifigkeitskarten (Elastogramme) mit Werten zu erstellen, die in Kilopascal (kPa) ausgedrückt werden.
5. Strategie für die Co-Registrierung von Bildern
   1. Stellen Sie eine genaue räumliche Ausrichtung zwischen Strukturbildern und Elastogrammen sicher, indem Sie die identische Patientenpositionierung und konsistente Anweisungen zum Atemanhalten beibehalten.
   2. Führen Sie alle Bildgebungen in der axialen Ebene mit passender Schnittabdeckung der Leber durch.
   3. Planen Sie die MRE-Sequenz anhand der anatomischen T1-gewichteten Bilder als Referenz, um eine optimale Abdeckung des Leberparenchyms zu gewährleisten.
   4. Stellen Sie sicher, dass beide Sequenzen denselben Referenzrahmen verwenden, um die automatische Co-Registrierung im nachfolgenden Fusionsprozess zu erleichtern.

2. Datenerhebung und -aufbereitung

1. Umbenennen des Ordners jeder Sequenz
   HINWEIS: Fügen Sie für jede Sequenz explizite Namen hinzu, da DICOM-Daten, die vom Gerät exportiert werden, keine Sequenzidentifikation haben. Dies erleichtert die anschließende Analyse und Verarbeitung.
   1. Führen Sie die Funktion Description_Name aus, um den Ordnern für jede Sequenz beschreibende Namen hinzuzufügen.
   2. Kopieren Sie alle DICOM-Daten in ein benutzerdefiniertes Arbeitsverzeichnis.
   3. Navigieren Sie zu dem Verzeichnis, das die Daten im Arbeitsverzeichnis von MATLAB enthält.
2. Schnelle Überprüfung von Bildern des Strukturablaufs
   HINWEIS: Untersuchen Sie Strukturbilder, die aus der T1-Bildgebung abgeleitet wurden, die das gleiche Koordinatensystem wie Steifigkeitskarten verwenden und eine klare Visualisierung der Leberkontur bieten, die für nachfolgende Berechnungen der Steifigkeitsverteilung unerlässlich ist.
   1. Generieren Sie eine 3D-Volumenmatrix aus den DICOM-Dateien der MRT-Sequenzen mit dem folgenden MATLAB-Code:
      f=Verzeichnis('*.dcm');
      für i=1:length(f)
      V(:,:,i)=dicomread(fullfile(f(i).folder,f(i).name));
      Ende
   2. Visualisieren Sie die Bildsequenz mit der sliceViewer-Funktion von MATLAB für die interaktive Untersuchung:
      Abbildung;
      H=SliceViewer(V); colormap(grau(1024));
      set(gcf, 'Symbolleiste', 'Figur');
   3. Interagieren Sie mit der sliceViewer-GUI . Verwenden Sie die Bildlaufleiste, um durch verschiedene Slices zu blättern. Stellen Sie sicher, dass die Lebergrenzen klar abgegrenzt sind und sich stark vom umgebenden Gewebe abheben.
      HINWEIS: Akzeptable Bilder sollten ein kontinuierliches Leberparenchym ohne Bewegungsartefakte oder Unschärfen zeigen (Abbildung 1). Dieser interaktive Viewer ermöglicht eine schnelle Beurteilung der Bildqualität und der Lebermorphologie.
   4. Die Symbole zum Vergrößern, Verkleinern und Zurückkehren zur globalen Ansicht finden Sie in der oberen rechten Ecke der GUI. Verwenden Sie das Datentipp-Symbol , um die Koordinaten bestimmter Leberregionen für die weitere Analyse zu markieren.
   5. Beachten Sie, dass in der standardmäßigen grauen Farbtabelle Werte von niedrig (schwarz) bis hoch (weiß) angezeigt werden. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Farbleiste im Popup-Menü, um verschiedene Farbzuordnungsoptionen für eine optimale Visualisierung des Lebergewebes auszuwählen.
   6. Wenn der Kontrast nicht zufriedenstellend ist, ziehen Sie mit der linken Maustaste in der Mitte der Figur nach oben und unten, um die Fensterebene anzupassen. Ziehen Sie nach links und rechts, um die Fensterbreite anzupassen. Der entsprechende genaue Kontrastbereich wird auf der Farbleiste angezeigt.
      HINWEIS: Verwenden Sie diese interaktiven Steuerelemente, um die Merkmale der MRT-Struktursequenz über Intensitäts- und räumliche Dimensionen hinweg zu untersuchen. Beurteilen Sie die Integrität der anatomischen Kontur der Leber und die Bildqualität, bevor Sie mit dem nächsten Schritt fortfahren.
3. Schnelle Überprüfung von MRE-Steifigkeitskarten
   HINWEIS: Untersuchen Sie MRE-Steifigkeitskarten für quantitative Leberelastizitätsmessungen, bei denen verschiedene Farben unterschiedliche Steifigkeitsgrade darstellen, was für die Identifizierung fibrotischer oder zirrhotischer Bereiche unerlässlich ist.
   1. Generieren Sie eine 3D-Volumenmatrix aus den DICOM-Dateien der MRE-Sequenzen mit dem folgenden MATLAB-Code:
      f=Verzeichnis('*.dcm');
      für i=1:length(f)
      V_LSD(:,:,i)=dicomread(fullfile(f(i).folder,f(i).name));
      Ende
   2. Visualisieren Sie die MRE-Steifigkeitskarten mit der sliceViewer-Funktion von MATLAB für interaktive Untersuchungen:
      Abbildung; H=SliceViewer(V_LSD); colormap(jet(1024)); set(gcf, 'Symbolleiste', 'Figur');
   3. Interagieren Sie mit der sliceViewer-GUI . Verwenden Sie die Bildlaufleiste am unteren Rand der grafischen Benutzeroberfläche (GUI), um durch die verschiedenen Segmente in der Sequenz zu blättern (Abbildung 2). Beachten Sie, dass dieser interaktive Viewer eine schnelle Beurteilung der Steifigkeitsverteilung und der Leberelastizitätsmuster ermöglicht.
   4. Die Symbole zum Vergrößern, Verkleinern und Zurückkehren zur globalen Ansicht finden Sie in der oberen rechten Ecke der GUI. Verwenden Sie das Symbol Datentipp , um die Koordinaten bestimmter Leberregionen mit bemerkenswerten Steifigkeitswerten für die weitere Analyse zu markieren.
   5. Beachten Sie, dass die Standard-Düsenfarbzuordnung Steifigkeitswerte von niedrig (blau) bis hoch (rot) darstellt. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Farbleiste im Popup-Menü, um den Farbmap-Bereich für eine optimale Visualisierung der Lebersteifigkeitsgradienten anzupassen.
   6. Wenn der Kontrast nicht zufriedenstellend ist, ziehen Sie mit der linken Maustaste in der Mitte der Figur nach oben und unten, um die Fensterebene anzupassen. Ziehen Sie nach links und rechts, um die Fensterbreite anzupassen. Der entsprechende genaue Steifigkeitsbereich wird in der Farbleiste angezeigt.
   7. Vergewissern Sie sich, dass Steifigkeits-Maps glatte Farbübergänge innerhalb des Leberparenchyms anzeigen. Ein akzeptables Steifigkeitsmapping sollte minimale Rauschartefakte und eine klare Unterscheidung zwischen Lebergewebe (typischerweise im Bereich von 1-8 kPa) und Hintergrundregionen aufweisen.
      HINWEIS: Diese interaktiven Kontrollen ermöglichen eine flexible Inspektion von MRE-Steifigkeitskarten sowohl über den Intensitätsraum als auch über die Sequenzposition und ermöglichen eine schnelle Beurteilung der Lebersteifigkeitsverteilung und potenzieller Fibrosebereiche.

3. Steifigkeit-Struktur-Verschmelzung

HINWEIS: Integrieren Sie beide Modalitäten, da Steifigkeitskarten allein Läsionen ohne strukturelle Bildkorrelation nicht genau lokalisieren können.

1. Definieren Sie Pfadvariablen sowohl für Strukturbilder als auch für Steifigkeits-Maps und scannen Sie Dateien an ungefähr denselben axialen Positionen.
2. Wählen Sie die Funktion Struct_Stiffness_Fusion (I_fusion = Struct_Stiffness_Fusion(I_structural, I_stiffness)), um Steifigkeits-Struktur-Fusionsbilder im aktuellen Verzeichnis zu erzeugen.
3. Suchen Sie die Fusionsbilddateien im Dateibrowser und öffnen Sie sie mit der Standardbildanzeige. Stellen Sie sicher, dass die anatomischen Strukturen und Steifigkeitsmuster richtig ausgerichtet sind.
   HINWEIS: Akzeptable Fusionsbilder sollten eine präzise Überlagerung ohne räumliche Fehlregistrierung zwischen Struktur- und Elastographiedaten aufweisen. Wenn Sie die obigen Schritte ausführen, geben ausgerichtete axiale Scanpositionen automatisch die Fusionsbildsequenz aus, die mit gängigen RGB-Bildbetrachtern angezeigt werden kann.

4. Die Verteilung der Lebersteifigkeit

HINWEIS: Ergänzend zur in Abbildung 3 gezeigten Fusionsbildanalyse generieren Sie Statistiken zur Verteilung der Lebersteifigkeit, wie in Abbildung 4 gezeigt.

1. Wiederholen Sie die Schritte 1-3, um Patienten mit unterschiedlichen Stadien der Leberzirrhose zu untersuchen.
2. Wählen Sie die Funktion LSD_compute ([LSD_distribution, LSD_stats] = LSD_compute(V_stiffness, liver_mask)), um die LSD-Werte (Lebersteifigkeitsverteilung) des Patienten über verschiedene Steifigkeitsstufen^{zu berechnen 15} (Abbildung 4).
   HINWEIS: Der in Abbildung 3 gezeigte Patient befindet sich in einer Leberfibrose im Spätstadium, die bereits zu einer Zirrhose fortgeschritten ist, wobei die durchschnittliche Steifigkeit der gesamten Leber 5 kPa erreicht. Daher liegt in der quantitativen Verteilung in Abbildung 4 die Mehrzahl der Steifigkeitswerte des Lebergewebes über dem F4-Stadium.

5. Abschließende Überprüfung und Datenarchivierung

1. Stellen Sie sicher, dass alle Fusionsbilder erfolgreich generiert und im Arbeitsverzeichnis gespeichert wurden.
2. Vergewissern Sie sich, dass die Ergebnisse der LSD-Analyse für die klinische Interpretation berechnet und dokumentiert wurden.
3. Archivieren Sie alle verarbeiteten Daten, einschließlich Strukturbilder, Steifigkeitskarten, Fusionsbilder und quantitative LSD-Metriken, für zukünftige Referenzen und Längsschnittvergleiche.
   HINWEIS: Das Bildgebungsprotokoll für die multimodale Steifigkeits-Strukturfusion ist nun abgeschlossen. Die generierten Fusionsbilder und die quantitative LSD-Analyse liefern umfassende Daten zur Leberbewertung, die für die klinische Interpretation und Patientenkommunikation bereit sind.

Ergebnisse

Der in dieser Studie vorgestellte Visualisierungsansatz bietet umfassende Einblicke in die Leberstruktur und Steifigkeitsverteilung und ermöglicht so eine präzise Beurteilung der Leberzirrhose. Durch die in Abbildung 1 dargestellte GUI können Ärzte die strukturelle Anatomie der Leber über mehrere Querschnitte hinweg besser verstehen, wobei sie in erster Linie ihre anatomische Integrität bewerten können. Die Untersuchung von Abbildung 2 zeigt eine kritische Einsc...

Diskussion

Kritische Schritte
Mehrere kritische Schritte im Protokoll erfordern besondere Aufmerksamkeit, um die erfolgreiche Implementierung der multimodalen Steifigkeits-Strukturfusions-Bildgebungstechnik zu gewährleisten. Erstens gewährleistet die Planung der MRE-Sequenz unter Verwendung anatomischer T1-gewichteter Bilder als Referenz eine optimale Abdeckung des Leberparenchyms und ermöglicht die anschließende automatisierte Co-Registrierung¹⁵. Zweiten...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
MATLAB	GE Medical Systems	SIGNA Pioneer	3.0 Tesla
MRT-System	Intelligente Entropie	LSD-Fusion V1.0	Beijing Intelligente Entropie Wissenschaft & Technology Co Ltd. Modellierung für CT/MRT-Fusion
Tools für die Modellierung	von MathWorks	2022B	Computing und Visualisierung