Quantification précise et non invasive de la cirrhose du foie par imagerie de rigidité multimodale-fusion structurelle

Résumé

L’élastographie par résonance magnétique traditionnelle sépare la rigidité et les images structurelles, ce qui nécessite une délimitation manuelle du retour sur investissement et une intervention du radilogue. Cette étude présente une méthode de fusion multimodale qui combine les deux types d’images pour produire des images de fusion structurel de rigidité et des statistiques de distribution de la rigidité hépatique, ce qui permet une stadification précise de la cirrhose et une analyse radiomique basée sur la distribution de la rigidité hépatique.

Résumé

L’élastographie par résonance magnétique (MRE) traditionnelle présente séparément la rigidité et les images structurelles, ce qui nécessite une délimitation manuelle du retour sur investissement pour l’évaluation de la rigidité hépatique. Cela introduit une variabilité chez l’observateur et peut négliger des lésions importantes, ne parvenant pas à représenter avec précision les schémas de distribution de la rigidité du foie entier. La présente étude a mis en œuvre une fusion d’images multimodale intégrant des cartes de rigidité avec des images structurelles en utilisant : (1) l’acquisition sur une IRM 3,0T avec une imagerie pondérée T1 optimisée (TR/TE = 157,62/1,17 ms) et MRE (vibrations 60 Hz) ; (2) prétraitement informatique des données DICOM en volumes 3D ; (3) le calcul précis du co-enregistrement et de la fusion ; et (4) l’analyse quantitative de la distribution de la rigidité hépatique à différents stades de la cirrhose. La technique d’imagerie par fusion structurelle a intégré des structures anatomiques avec des motifs de rigidité dans une seule visualisation, permettant une évaluation simultanée de la morphologie du foie et de la distribution de la rigidité. L’analyse comparative a révélé une nette différenciation entre les patients cirrhotiques et les témoins sains, les foies cirrhotiques présentant des proportions significativement plus élevées de fibrose avancée. Cette technique a éliminé la variabilité due au placement manuel du retour sur investissement et a établi un cadre normalisé pour l’évaluation complète du foie entier. La technique d’imagerie par fusion structurelle fournit une visualisation complète de la rigidité hépatique avec une corrélation anatomique précise, améliorant potentiellement la précision du diagnostic par rapport à l’ERM conventionnelle. Cette approche élimine la variabilité de l’observateur, permet une évaluation standardisée de l’ensemble du foie et établit un cadre quantitatif pour le suivi de la progression de la maladie et de la réponse au traitement, tout en facilitant l’amélioration de la communication clinicien-patient et en offrant une base pour la radiomique avancée dans la stadification de la cirrhose du foie.

Introduction

La cirrhose du foie représente un défi de santé mondial important, une stadification précise étant cruciale pour une prise en charge optimale des patients et une planification du traitement ^1,2. L’élastographie par résonance magnétique (EMR) est devenue une technique non invasive précieuse pour l’évaluation de la cirrhose du foie, offrant des avantages par rapport aux procédures de biopsie invasives qui comportent des risques inhérents d’erreur d’échantillonnage et d’inconfort pour le patient ^3,4,5. Cependant, les approches conventionnelles d’ERM présentent des limites importantes dans la pratique clinique qui ont un impact sur la précision du diagnostic et l’efficacité du flux de travail.

Les méthodologies MRE traditionnelles présentent généralement des cartes de rigidité et des images structurelles comme des entités distinctes, ce qui oblige les cliniciens à corréler mentalement les caractéristiques anatomiques avec les modèles de rigidité dans différentes séries d’images ^5,6. Cette approche nécessite le placement manuel de la région d’intérêt (ROI) pour la quantification de la rigidité hépatique, ce qui introduit une variabilité inter-observateurs considérable et un biais d’échantillonnage potentiel ^7,8. De plus, l’approche conventionnelle basée sur le retour sur investissement ne parvient pas à saisir la nature hétérogène de la distribution de la rigidité hépatique, comme le souligne la littérature récente soulignant l’importance pronostique de l’hétérogénéité parenchymateuse dans la progression de la maladie hépatique chronique ^9,10. L’incapacité à visualiser et à quantifier de manière exhaustive la distribution de la rigidité hépatique dans son ensemble représente un obstacle important à l’analyse radiomique avancée et à la caractérisation précise de la maladie.

D’autres techniques non invasives d’évaluation de la cirrhose du foie comprennent l’élastographie par ultrasons et les panels de biomarqueurs sériques^11,12. Bien que l’élastographie transitoire offre des mesures ponctuelles de la rigidité hépatique, elle ne dispose pas des capacités de cartographie spatiale complète de MRE ¹³. Les panels de biomarqueurs sériques fournissent des estimations indirectes de la fibrose mais ne peuvent pas visualiser la distribution spatiale des changements parenchymateux¹¹. Des études comparatives récentes ont systématiquement démontré une précision diagnostique supérieure de l’ERM pour les stades intermédiaires et avancés de la fibrose par rapport à ces alternatives^13,14.

Pour remédier à ces limitations, nous avons développé une nouvelle technique d’imagerie multimodale de rigidité-fusion structurelle qui intègre de manière transparente des cartes quantitatives de rigidité avec des images structurelles à haute résolution. Cette approche permet la visualisation simultanée des repères anatomiques et des motifs de rigidité dans une seule représentation intégrée, éliminant ainsi le besoin de co-enregistrement mental et réduisant la charge cognitive lors de l’interprétation^15,16. La technique fournit une analyse complète de la distribution de la rigidité du foie entier, surmontant les limites d’échantillonnage des méthodes conventionnelles basées sur le retour sur investissement.

Cette étude a utilisé des systèmes IRM 3,0 Tesla avec des capacités d’élastographie, une préparation standard du patient comprenant un jeûne de 4 à 6 heures, et MATLAB avec Image Processing Toolbox pour l’analyse informatique. Ces exigences sont de plus en plus disponibles dans les centres médicaux universitaires et les établissements d’imagerie spécialisés.

Ce protocole fournit une méthodologie détaillée pour la mise en œuvre de la technique de fusion rigidité-structure dans des contextes cliniques et de recherche. Cette approche est particulièrement précieuse pour les centres ayant accès aux capacités d’ERM qui cherchent à améliorer la précision du diagnostic, à améliorer l’efficacité du flux de travail clinique et à établir des cadres quantitatifs pour la surveillance longitudinale des maladies hépatiques chroniques. La technique est applicable à diverses étiologies de maladies hépatiques chroniques et peut être mise en œuvre avec un minimum de temps de post-traitement supplémentaire à l’aide du cadre de calcul fourni.

Protocole

Le protocole a été mis en œuvre avec l’approbation de l’IRB de l’établissement. Un patient de l’hôpital Dongzhimen de l’Université de médecine chinoise de Pékin a subi une imagerie par résonance magnétique et une ERM de routine à l’hôpital YouAn avec un consentement éclairé. Ce cas a été sélectionné pour la méthodologie de recherche en raison de la progression confirmée de la fibrose à la cirrhose, soulignant la valeur de l’approche dans le diagnostic de la limite entre la fibrose hépatique et la cirrhose. L’étude fournit également une comparaison quantitative entre la distribution de la rigidité hépatique (LSD) de ce patient et celle d’un foie sain. Tout l’équipement et les outils logiciels utilisés dans cette étude sont énumérés dans la table des matériaux.

1. Stratégies d’IRM

1. Préparez le patient en assurant une période de jeûne de 4 à 6 h avant l’examen afin de réduire la variabilité physiologique.
2. Positionnez le patient sur le système d’IRM 3,0 Tesla à l’aide d’une combinaison d’un réseau abdominal à 16 canaux et d’une bobine postérieure à 32 canaux.
3. Acquisition d’imagerie structurelle
   1. Effectuez une imagerie anatomique à l’aide d’une séquence d’écho axiale axiale pondérée en T1 à double écho rappelé avec les paramètres suivants :
      NOTA : TR/TE = 157,62/1,17 ms ; Angle de retournement = 60° ; Champ de vision = 400 × 400 mm² ; Matrice d’acquisition = 512 × 512 ; Épaisseur de la tranche = 7 mm.
   2. Vérifiez que la séquence fournit des informations structurelles à haute résolution (résolution dans le plan de 0,78 × 0,78 mm²) avec une capacité inhérente de séparation graisse-eau.
4. Acquisition d’élastographie MR
   1. Placez le pilote pneumatique sur la partie antérieure droite du foie pour appliquer des vibrations mécaniques à 60 Hz.
   2. Effectuez une cartographie de la rigidité hépatique à l’aide d’une acquisition basée sur l’imagerie échoplanaire 2D (EPI) avec les paramètres suivants :
      NOTA : TR/TE = 1050,3/63,4 ms ; Angle de retournement = 90° ; Champ de vision = 420 × 420 mm² ; Matrice d’acquisition = 256 × 256 (reconstruite à 256 × 256) ; Épaisseur de la tranche = 10 mm ; Bande passante = 1953,1 Hz/pixel.
   3. Acquérez huit décalages de phase pour calculer la propagation des ondes et générez des cartes quantitatives de rigidité (élastogrammes) avec des valeurs exprimées en kilopascals (kPa).
5. Stratégie de co-enregistrement des images
   1. Assurez un alignement spatial précis entre les images structurelles et les élastogrammes en maintenant un positionnement identique du patient et des instructions cohérentes d’apnée.
   2. Effectuez toutes les images dans le plan axial avec une couverture de coupe correspondante du foie.
   3. Planifier la séquence ERM en utilisant les images anatomiques pondérées en T1 comme référence pour assurer une couverture optimale du parenchyme hépatique.
   4. Vérifiez que les deux séquences utilisent le même cadre de référence pour faciliter le co-enregistrement automatisé dans le processus de fusion ultérieur.

2. Collecte et préparation des données

1. Renommer le dossier de chaque séquence
   REMARQUE : Ajoutez des noms explicites pour chaque séquence, car les données DICOM exportées de l’équipement ne sont pas identifiées par séquence. Cela facilite l’analyse et le traitement ultérieurs.
   1. Exécutez la fonction Description_Name pour ajouter des noms descriptifs aux dossiers de chaque séquence.
   2. Copiez toutes les données DICOM dans un répertoire de travail personnalisé.
   3. Accédez au répertoire contenant les données dans le répertoire de travail de MATLAB.
2. Vérification rapide des images de la séquence structurelle
   REMARQUE : Examinez les images structurelles dérivées de l’imagerie T1, qui partagent le même système de coordonnées avec les cartes de rigidité et fournissent une visualisation claire des contours du foie, essentielle pour les calculs ultérieurs de distribution de la rigidité.
   1. Générez une matrice volumique 3D à partir des fichiers DICOM des séquences IRM à l’aide du code MATLAB suivant :
      f=dir('*.dcm') ;
      pour i=1 :longueur(f)
      V( :, :,i)=dicomread(fichiercomplet(f(i).dossier,f(i).nom)) ;
      Fin
   2. Visualisez la séquence d’images à l’aide de la fonction sliceViewer de MATLAB pour un examen interactif :
      figure;
      H=sliceViewer(V) ; colormap(gris(1024)) ;
      set(gcf, 'Barre d’outils', 'figure') ;
   3. Interagissez avec l’interface graphique sliceViewer . Utilisez la barre de défilement pour parcourir les différentes tranches. Vérifiez que les limites du foie sont clairement délimitées avec un contraste net avec les tissus environnants.
      REMARQUE : Les images acceptables doivent montrer un parenchyme hépatique continu sans artefacts de mouvement ni flou (Figure 1). Cette visionneuse interactive permet une évaluation rapide de la qualité de l’image et de la morphologie du foie.
   4. Recherchez les icônes permettant d’effectuer un zoom avant, un zoom arrière et de revenir à la vue globale dans le coin supérieur droit de l’interface graphique. Utilisez l’icône de l’info-bulle pour marquer les coordonnées de régions hépatiques spécifiques afin d’une analyse plus approfondie.
   5. Notez que la palette de couleurs grise par défaut affiche les valeurs de faible (noir) à élevée (blanc). Faites un clic droit sur la barre de couleurs dans le menu contextuel pour sélectionner différentes options de palette de couleurs pour une visualisation optimale du tissu hépatique.
   6. Si le contraste n’est pas satisfaisant, utilisez le bouton gauche de la souris pour faire glisser le curseur vers le haut ou vers le bas au milieu de la figure afin d’ajuster le niveau de la fenêtre. Faites glisser le pointeur vers la gauche et la droite pour ajuster la largeur de la fenêtre. La plage de contraste précise correspondante sera affichée sur la barre de couleur.
      REMARQUE : Utilisez ces commandes interactives pour inspecter les caractéristiques de la séquence structurelle de l’IRM en fonction de l’intensité et des dimensions spatiales. Évaluez l’intégrité des contours anatomiques du foie et la qualité de l’image avant de passer à l’étape suivante.
3. Vérification rapide des cartes de rigidité MRE
   REMARQUE : Examinez les cartes de rigidité MRE pour des mesures quantitatives de l’élasticité du foie, où différentes couleurs représentent différents degrés de rigidité, ce qui est essentiel pour identifier les zones fibrotiques ou cirrhotiques.
   1. Générez une matrice volumique 3D à partir des fichiers DICOM des séquences MRE à l’aide du code MATLAB suivant :
      f=dir('*.dcm') ;
      pour i=1 :longueur(f)
      V_LSD( :, :,i)=dicomread(fullfile(f(i).folder,f(i).name)) ;
      Fin
   2. Visualisez les cartes de rigidité MRE à l’aide de la fonction sliceViewer de MATLAB pour un examen interactif :
      figure; H=sliceViewer(V_LSD) ; colormap(jet(1024)) ; set(gcf, 'Barre d’outils', 'figure') ;
   3. Interagissez avec l’interface graphique sliceViewer . Utilisez la barre de défilement située au bas de l’interface utilisateur graphique (GUI) pour parcourir les différentes tranches de la séquence (Figure 2). Notez que cette visionneuse interactive permet une évaluation rapide de la distribution de la rigidité et des modèles d’élasticité du foie.
   4. Recherchez les icônes permettant d’effectuer un zoom avant, un zoom arrière et de revenir à la vue globale dans le coin supérieur droit de l’interface graphique. Utilisez l’icône Data Tip pour marquer les coordonnées de régions hépatiques spécifiques avec des valeurs de rigidité notables pour une analyse plus approfondie.
   5. Observez que la palette de couleurs du jet par défaut représente les valeurs de rigidité de faible (bleu) à élevée (rouge). Faites un clic droit sur la barre de couleur dans le menu contextuel pour ajuster la plage de la palette de couleurs afin de visualiser de manière optimale les gradients de rigidité hépatique.
   6. Si le contraste n’est pas satisfaisant, utilisez le bouton gauche de la souris pour faire glisser le curseur vers le haut ou vers le bas au milieu de la figure afin d’ajuster le niveau de la fenêtre. Faites glisser le pointeur vers la gauche et la droite pour ajuster la largeur de la fenêtre. La plage de rigidité précise correspondante sera affichée sur la barre de couleur.
   7. Vérifiez que les cartes de rigidité affichent des transitions de couleurs fluides dans le parenchyme hépatique. Une cartographie de rigidité acceptable doit montrer des artefacts de bruit minimaux et une différenciation claire entre le tissu hépatique (généralement dans la gamme de 1 à 8 kPa) et les régions de fond.
      REMARQUE : Ces commandes interactives permettent une inspection flexible des cartes de rigidité MRE à la fois dans l’espace d’intensité et à l’emplacement de la séquence, facilitant ainsi l’évaluation rapide de la distribution de la rigidité hépatique et des zones potentielles de fibrose.

3. Rigidité-fusion structurelle

REMARQUE : Intégrez les deux modalités car les cartes de rigidité seules ne peuvent pas localiser avec précision les lésions sans corrélation d’image structurelle.

1. Définissez des variables de trajectoire pour les images structurelles et les cartes de rigidité, ainsi que des fichiers de balayage à peu près aux mêmes positions axiales.
2. Sélectionnez la fonction Struct_Stiffness_Fusion (I_fusion = Struct_Stiffness_Fusion(I_structural, I_stiffness)) pour générer des images de fusion structurelle de rigidité dans le répertoire courant.
3. Localisez les fichiers d’image de fusion dans le navigateur de fichiers et ouvrez-les à l’aide de la visionneuse d’images par défaut. Vérifiez que les structures anatomiques et les motifs de rigidité sont correctement alignés.
   REMARQUE : Les images de fusion acceptables doivent démontrer une superposition précise sans erreur de recalage spatial entre les données structurelles et élastographiques. En suivant les étapes ci-dessus, les positions axiales de balayage alignées produisent automatiquement la séquence d’images de fusion, qui peut être visualisée à l’aide des visionneuses d’images RVB courantes.

4. La répartition de la rigidité hépatique

REMARQUE : Pour compléter l’analyse d’image de fusion illustrée à la figure 3, générez des statistiques de distribution de la rigidité hépatique comme illustré à la figure 4.

1. Répétez les étapes 1 à 3 pour examiner les patients atteints de différents stades de la cirrhose du foie.
2. Sélectionnez la fonction LSD_compute ([LSD_distribution, LSD_stats] = LSD_compute(V_stiffness, liver_mask)) pour calculer les valeurs de LSD (Liver Stiffness Distribution) du patient à différents stades de rigidité¹⁵ (Figure 4).
   REMARQUE : Le patient représenté sur la figure 3 est dans une fibrose hépatique à un stade avancé qui a déjà évolué vers la cirrhose, avec une rigidité moyenne du foie entier atteignant 5 kPa. Par conséquent, dans la distribution quantitative de la figure 4, la majorité des valeurs de rigidité du tissu hépatique sont supérieures au stade F4.

5. Vérification finale et archivage des données

1. Vérifiez que toutes les images de fusion ont été générées et enregistrées dans le répertoire de travail.
2. Confirmer que les résultats de l’analyse de la LSD ont été calculés et documentés à des fins d’interprétation clinique.
3. Archivez toutes les données traitées, y compris les images structurelles, les cartes de rigidité, les images de fusion et les mesures quantitatives LSD, à des fins de référence future et de comparaison longitudinale.
   REMARQUE : Le protocole d’imagerie multimodale de rigidité-fusion structurelle est maintenant terminé. Les images de fusion générées et l’analyse quantitative du LSD fournissent des données complètes d’évaluation du foie, prêtes pour l’interprétation clinique et la communication avec les patients.

Résultats

L’approche de visualisation présentée dans cette étude offre des informations complètes sur la structure du foie et la distribution de la rigidité, permettant une évaluation précise de la cirrhose du foie. Grâce à l’interface graphique illustrée à la figure 1, les cliniciens peuvent mieux comprendre l’anatomie structurelle du foie à travers plusieurs sections transversales, en évaluant principalement son intégrité anatomique. L’examen de la figure 2 révèle une l...

Discussion

Étapes critiques
Plusieurs étapes critiques du protocole nécessitent une attention particulière pour assurer la mise en œuvre réussie de la technique d’imagerie multimodale de rigidité-fusion structurelle. Tout d’abord, la planification de la séquence MRE à l’aide d’images anatomiques pondérées en T1 comme référence assure une couverture optimale du parenchyme hépatique et facilite le co-enregistrement automatisé ultérieur¹⁵. Deuxièmement, le p...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
SIGNA Pioneer	3.0 Tesla	MATLAB	GE Medical Systems
.	Entropie intelligente	LSD-Fusion V1.0	Pékin Entropie intelligente Science & Technology Co Ltd. Modélisation pour la fusion CT/IRM
Outils pour la modélisation	MathWorks  ;	2022B	Informatique et visualisation  ;