דימות ריאתי רב-מודאלי: שימוש במידע משלים מ-CT ו-MRI 129Xe היפרפולרי להערכת מבנה הריאות

Summary

CT ו- ¹²⁹Xe MRI מספקים מידע משלים על מבנה הריאות שניתן לנצל לניתוח אזורי באמצעות רישום תמונה. כאן, אנו מספקים פרוטוקול הבונה מהספרות הקיימת עבור רישום תמונה ¹²⁹Xe MR ל- CT באמצעות פלטפורמות קוד פתוח.

Abstract

MRI גז ¹²⁹Xe היפרפולרי היא טכניקה מתפתחת להערכה ומדידה של תפקודי ריאות אזוריים, כולל פיזור גז ריאתי וחילופי גזים. טומוגרפיה ממוחשבת בחזה (CT) עדיין נותרה תקן הזהב הקליני להדמיית הריאות, בין היתר בשל פרוטוקולי ה- CT המהירים הרוכשים תמונות ברזולוציה גבוהה תוך שניות והזמינות הנרחבת של סורקי CT. גישות כמותיות אפשרו מיצוי מדידות פרנכימליות ריאתיות, דרכי נשימה וכלי דם מבניות מ-CT חזה שהוערכו במחקרים קליניים רבים. יחד, CT ו- ¹²⁹Xe MRI מספקים מידע משלים שניתן להשתמש בו כדי להעריך את מבנה הריאות ותפקודן האזורי, וכתוצאה מכך תובנות חדשות על בריאות הריאות ומחלות. ¹²⁹ניתן לבצע רישום תמונה Xe MR-CT כדי למדוד את תפקוד מבנה הריאה האזורי כדי להבין טוב יותר את הפתופיזיולוגיה של מחלות ריאה, ולבצע התערבויות ריאתיות מונחות דמיון. כאן, מתוארת שיטה לרישום ¹²⁹Xe MRI-CT לתמיכה ביישום במחקר או במסגרות קליניות. שיטות רישום ויישומים שהופעלו עד כה בספרות מסוכמים גם הם, וניתנות הצעות לכיוונים עתידיים שעשויים להתגבר עוד יותר על אתגרים טכניים הקשורים לרישום תמונה ¹²⁹Xe MR-CT ולהקל על יישום רחב יותר של הערכת מבנה ריאה אזורית ותפקוד.

Introduction

דימות תהודה מגנטית של גז היפרפולרי (MRI) הופיע לראשונה כשיטת דימות ריאתי תפקודית חדשנית להערכת התפלגות אוורור ריאתי לפני כמעט שלושה עשורים¹. מאז, מחקרים שהשתמשו ב-MRI גז היפרפולרי חשפו תובנות רבות לגבי אופי תפקוד הריאות בחולים עם מחלות ריאה כרוניות כגון אסטמה, מחלת ריאות חסימתית כרונית (COPD) וסיסטיק פיברוזיס 2,3,4,5,6. הן גז היפרפולריזציה ³He והן ¹²⁹Xe שימשו לאורך ההיסטוריה; עם זאת, ¹²⁹Xe הוא כעת הגורם העיקרי בשאיפה בגלל הזמינות המוגבלת ^{של 3}גז He. ¹²⁹Xe גם מתפזר בחופשיות על פני קרום הנאדיות ונספג על ידי תאי דם אדומים בנימי הריאה; במה שמכונה "הפאזה המומסת", ¹²⁹Xe מהדהד בתדרים ייחודיים המאפשרים מדידה של חילופי גזים אזוריים בסריקה אחת של עצירת נשימה ^4,7,8. לצורך כימות, תמונות ^{אנטומיות}1H MR תואמות נפח נרכשות בדרך כלל במקביל לרישום משותף עם ¹²⁹Xe כדי לתחום את גבולות חלל בית החזה. MRI קונבנציונלי ^{של 1}H, עם זאת, אינו מספק מידע מבני נוסף על הריאות. התנופה לתרגום קליני של MRI ¹²⁹Xe היפרפולרי גדלה בשנים האחרונות עם אישור ה-NHS הבריטי ב-2015 ואישור ה-FDA האמריקאי בסוף 2022 ^5,9, אך אפיון מבני מתקדם עדיין חסר ברובו בארסנל ה-MRI הריאתי.

טומוגרפיה ממוחשבת בחזה (CT) נותרה עמוד התווך של הערכת הדמיה קלינית של הריאות, ומספקת תמונות תלת ממדיות ברזולוציה גבוהה של מבנה הריאות באמצעות פרוטוקולי הדמיה קונבנציונליים. גישות כמותיות אפשרו מדידה מהירה וחוזרת של שלמות פרנכימלית, כגון אמפיזמה והפרעות ריאה אינטרסטיציאליות, מורפולוגיה של דרכי נשימה גדולות וכלי דם ריאתיים, ואפיון אנטומי אזורי על ידי זיהוי ופילוח של אונות ריאה^10,11. בתחום המחקר, CT כמותי נמצא בשימוש נרחב כדי להבין טוב יותר שינויים מבניים ואת הקשרים שלהם עם תוצאות חולים באסתמה ו- COPD במחקרים תצפיתיים גדולים כגון תוכנית המחקר לאסתמה חמורה (SARP)¹², אפידמיולוגיה גנטית של COPD (COPDGene)¹³, תת-אוכלוסיות ותוצאי ביניים במחקר COPD (SPIROMICS)¹⁴, הערכה של COPD לאורך לזיהוי נקודות קצה חלופיות מנבאות (ECLIPSE)¹⁵והקבוצה הקנדית של מחלת ריאות חסימתית (CanCOLD)¹⁶., שיטות CT חלופיות כגון הדמיה פגת תוקף^17,18 או מודלים חישוביים¹⁹ עשויות להפיק מידע תפקודי, אך שיטות אלה הן עקיפות, ו- CT קונבנציונלי אינו מספק הרבה לאפיון פונקציונלי של הריאות.

יחד, CT ו- ¹²⁹Xe MRI מספקים מידע משלים על מבנה הריאות שניתן לנצל לניתוח אזורי באמצעות רישום תמונה. אונות ריאה שזוהו ב-CT אפשרו אפיון לובארי של דפוסי אוורור MRI באסתמה^20,21,22, COPD^23,24, ברונכיאקטזיס²⁵ וסרטן ריאות^26,27. הפרעות אוורור MRI באסתמה הותאמו גם באופן מרחבי ישירות לדרכי נשימה גדולות 28,29,30,31 ומלכודות אוויר המצביעות על תפקוד לקוי של דרכי הנשימה הקטנות ^20,32 שנמדדו ב- CT, וכדי לבחון תגובות טיפול אזוריות לאחר תרמופלסטיקה של סימפונות ריאות שלמות³³. ב- COPD, הפרעות אוורור MRI נקשרו לתפקוד לקוי של דרכי הנשימה הקטנות במחלות קלות יותר ונפחת במחלות חמורות יותר 34,35,36. מעבר להדמיית הנשמה במחלת ריאות חסימתית, הודגמו גם קשרים מרחביים הטרוגניים בין הפרעות ריאה אינטרסטיציאליות של CT לבין דפוסי חילופי גזי MRI ¹²⁹Xe בפיברוזיס ריאתי אידיופתי³⁷. מחקרים כאלה סיפקו הבנה מעמיקה יותר של תפקוד מבנה הריאה האזורי במגוון מחלות ריאה שניתן להשתמש בהן כדי ליידע התערבויות מונחות דמיון עתידיות.

רישום ישיר של CT אנטומי ו- MRI גז היפרפולרי פונקציונלי הוא מאתגר, עם זאת, בשל ניגודיות הדמיה שונה באופן מהותי בין שתי השיטות, היעדר אות גז היפרפולרי באזורים של הפרעות אוורור, ונפחי ריאות שונים פוטנציאלית. איור 1 מראה ארבע דוגמאות של ¹²⁹Xe ו-MRI ו-CT אנטומיים ^{של 1}H במתנדב בריא (איור 1A) ובשלושה משתתפים עם מחלת ריאות חסימתית כרונית (COPD; איור 1B-D), המדגיש דפוסי אוורור הטרוגניים ^{של 129}Xe וגבולות ריאה חסרים משתנים במקרי COPD. המפתח להתגברות על אתגרים אלה היה שימוש ב- MRI אנטומי ^{של 1}H שנרכש במקביל ל- MRI גז היפרפולרי כשלב ביניים לרישום MRI גז היפרפולרי ל- CT בעקיפין^34,38. העבודה המוקדמת השתמשה בהשוואה חזותית זה לצד זה ובסגמנטציה ידנית של מבני CT, כגון אונות ריאה, על שטח MRI²⁰. התקדמות במשאבים חישוביים וכלי עיבוד תמונה בקוד פתוח אפשרו רישום תלת-ממדי של CT ו-MRI גז היפרפולרי, לדוגמה, באמצעות תיאור שכונה עצמאי מודאלי (MIND)23,30,34,39,40,41 או רישום ערכת כלים מתקדמת לנורמליזציה (ANT) 21,22,27 ^,31,32,37,38,42,43, שניהם היו בעלי הביצועים הטובים ביותר באתגר רישום תמונות ריאתי⁴⁴. שיטה חדשנית אחת חיברה בין שני הרישומים במקום לטפל בהם באופן עצמאי⁴⁵, שיושמה בצנרת ניתוח מלא של תמונות ריאה המיועדת לפנוטיפ מחלות ריאה⁴⁶. בסך הכל, דיוק הרישום של MRI ל-CT של גז היפרפולרי השתפר באמצעות שלב ביניים ¹H³⁸ ושימוש בגישות מעוותות על פני גישות אפיניות בלבד^38,45.

המטרה כאן היא לבנות מהספרות הקיימת ולספק פרוטוקול לרישום תמונה ¹²⁹Xe MR ל- CT באמצעות פלטפורמות קוד פתוח 47,48,49. הפרוטוקול מיושם באמצעות ANTsPy, ובהתאם לעבודה קודמת³⁸, רושם מסכת ריאות בעלת תווית אחת מ- ^MRIH 1 למסכת ריאות בעלת תווית יחידה מ- CT; הטרנספורמציה המתקבלת מוחלת לאחר מכן על תמונת ¹²⁹Xe כדי למפות אותה למרחב התמונה של CT. הפרוטוקול המתואר מיועד להתאים למחקר או להגדרות קליניות, במידת הצורך, וזמין MRI ¹²⁹Xe היפרפולרי.

לצורך ההקשר, רכישת תמונה וניתוח עבור הדוגמאות המובאות כאן בוצעו כדלקמן. CT חזה נרכש בהשראה מלאה (קיבולת ריאות כוללת, TLC) על פי פרוטוקול מחקר מבוסס^{במינון נמוך 50} עם פרמטרים: התנגשות 64 x 0.625, 120 קילו-מתח שיא, זרם צינור 100 mA, זמן סיבוב 0.5 שניות, פסיעה ספירלית 1.0, עובי פרוסה 1.25 מ"מ, מרווח פרוסה 0.80 מ"מ, גרעין שחזור סטנדרטי, שדה ראייה תצוגה מוגבל להיקפים הרוחביים ביותר של הריאות (כדי למקסם את הרזולוציה המרחבית). פילוח וניתוח CT בוצעו באמצעות תוכנה מסחרית (ראה טבלת חומרים).

¹²⁹Xe ו-MRI תואם נפח ¹H בוצעו בהתאם להנחיות^{שפורסמו 9}. לפרטים מלאים על רכישת MRI ופרוטוקול, הקוראים מופנים למאמר נוסף בקובץ זה⁵¹. סגמנטציה ורישום MRI בוצעו באמצעות צינור מותאם אישית חצי אוטומטי באמצעות k-means clustering עבור ¹²⁹Xe segmentation, גידול אזור ^{זרעים עבור 1}H segmentation, ורישום אפין מבוסס ציון דרך כדי למפות ^{את התמונה}1 H לתמונה ¹²⁹Xe⁵². רישום Affine בדרך כלל מספיק עבור רישום ^H-129Xe MR אחד כדי להסביר את רוב ניפוח הריאות או הבדלי מיקום המטופל בין רכישות; רישום מעוות הוא בדרך כלל לא הכרחי. ניתן לבטל את שלב הרישום ^{1 H-129}Xe עם ¹²⁹Xe שנרכשו בו זמנית ו- ¹H MRI באותה עצירת נשימה^53,54.

Protocol

מקרי ההדמיה המוצגים כאן אושרו על ידי מועצת האתיקה של מחקר הבריאות של אוניברסיטת קולומביה הבריטית (REB# H21-01237, H21-02149, H22-01264). המשתתפים נתנו הסכמה מדעת בכתב לפני השלמת ההדמיה. הצינור הכולל מרכישת תמונה לרישום מתואר באיור 2, ופרטי הפרוטוקול כאן מתמקדים ברישום התמונה MR-CT בלבד. רכישה ופילוח של תמונות תלויים בחומרת הדמיה זמינה או מועדפת, פרוטוקולי הדמיה וכלי תוכנה לניתוח תמונה, ולכן נותרים להעדפת הקוראים. הפרוטוקול מתוכנן להיות אגנוסטי לשלבים הקודמים באמצעות מסכות עם תווית אחת של הריאות לאחר פילוח תמונה.

1. הגדרת תוכנה

1. הורד והתקן את ANTsPy (ראה טבלת חומרים), עטיפת Python עבור ספריית עיבוד התמונה Advanced Normalization Tools 47,48,49. הדרכות זמינות בקישור תחת לשונית 'הדרכות'. ANTsPy זמין גם להתקנת Docker במידת הצורך.
   הערה: ANTsPy דורש מערכת הפעלה או סביבה מבוססת Linux. עבור הדוגמאות כאן, ANTsPy הותקן ושימש בסביבת מחשוב וירטואלית בעלת ביצועים גבוהים בתחנת עבודה מקומית. הפרוטוקול נוטה לעבוד טוב יותר באמצעות סביבת מחשוב וירטואלית בחוויית המחברים.
2. הורד והתקן תוכנת סגמנטציה ו/או ויזואליזציה לפי בחירתך.
   הערה: במחקר הנוכחי, ITK-SNAP שימש להדמיה (ראה טבלת חומרים).
3. הורד ושמור את קובץ ה- Script של reg.py (קובץ משלים 1).

2. עיבוד מקדים של תמונה

1. לחץ כדי לפתוח תמונות ומסיכות בתוכנה הרצויה להדמיה של תמונות כדי לוודא התאמות בכיוון התמונה והמסיכה עבור כל קובצי CT, ¹H ו- ¹²⁹Xe. בהתאם לשיטת הפילוח ו/או התוכנה שבה נעשה שימוש, ייתכן שיהיה צורך להתאים את הכיוון של תמונות או מסיכות מסוימות. בהתאם לצורך, אנו ממליצים להתאים את תמונות ¹H ו- ¹²⁹Xe ואת כיוון המסיכה כך שיתאימו לזה של תמונת ה- CT המקורית.
2. שמור את DICOM התמונה ומסיכות תווית יחידה (מותאם כמו בשלב 2.1 לפי הצורך) כקבצי Neuroimaging Informatics Technology Initiative (NIfTI, *.nii; שישה קבצים בסך הכל) באמצעות כלי התוכנה המועדף, באותה תיקייה כמו reg.py הנגישה למיקום שבו מותקן ANTsPy ותופעל. פעל בהתאם למוסכמות למתן שמות כמפורט להלן.
   1. ¹H MRI: Proton.nii; ¹מסכת MRI H: Proton_mask.nii.
      הערה: השתמש בתמונה ובמסיכה של ^{H 1}לאחר הרישום ל- ¹²⁹Xe.
   2. ¹²⁹Xe MRI: אוורור.nii; ¹²⁹מסכת MRI Xe: Ventilation_mask.nii
   3. CT: CT.nii; מסכת CT: CT_mask.nii.
      הערה: שמות הקבצים מקודדים באופן קשיח בסקריפט הרישום, ולכן עליהם לפעול לפי התבנית שהוזכרה, או להיות מתוקנים בסקריפט כך שיתאים למוסכמה הרצויה למתן שמות. ניתן להשלים שלבים אלה יחד באמצעות כל אחד מכלי התוכנה המומלצים המפורטים בשלב 1.2. ביחס לכלי תוכנה אלה, חלקם יכתבו את פרטי הכותרת הנדרשים באופן אוטומטי בעת שמירת קבצי .nii, בעוד שאחרים דורשים שלבים נוספים כדי להעתיק ולכתוב את פרטי הכותרת.

3. רישום CT-XeMRI

1. פתח את קובץ reg.py בהגדרת סביבת המחשוב הרצויה של Python בשלב 1.1.
   הערה: סקריפט reg.py מבוסס על כלי הרישום המובנים של ANTs; תיעוד נוסף זמין⁵⁵.
2. אם אתה משתמש בסביבה וירטואלית, הגדר את מספר יחידות העיבוד המרכזיות (CPU), הליכי המשנה המספריים וה- RAM כרצויים או כזמינים בסביבת המחשוב. עבור הדוגמאות שלהלן נעשה שימוש בסביבת מחשוב וירטואלית עם 16 CPU, הליך משנה אחד לכל CPU ו- 186 GB של זיכרון RAM זמין.
3. הגדר את שינוי הצורה והאינטרפולציה הרצויים. טרנספורמציית SyNAggro עם אינטרפולציה ליניארית עבור תמונות ואינטרפולציה גנרית של תוויות עבור מסיכות תווית יחידה, שהן ברירת מחדל בסקריפט reg.py שסופק, שימשו כאן.
   הערה: SyNAggro היא טרנספורמציית נורמליזציה סימטרית, הכוללת טרנספורמציה אפינית + מעוותת בתוספת רישום אגרסיבי יותר באמצעות התאמה בקנה מידה עדין ועיוות רב יותר (בהשוואה ל- SyN רגיל). אלגוריתמים חלופיים של טרנספורמציה ואינטרפולציה מפורטים בקישור תיעוד הרישום של ANTs בשלב 3.1⁵⁵.
4. הגדר את התמונה הקבועה ואת התמונה הנעה. כאן, ה-CT (מסיכת תווית יחידה) הוגדרה כתמונה הקבועה, ^{וה-MRI של 1}H (מסיכת תווית יחידה) הוגדר כתמונה הנעה.
5. הפעל reg.py בסביבת המחשוב Python. הרשמה מלאה עשויה להימשך 5-10 דקות (באמצעות הפרמטרים שלנו) או יותר, בהתאם למשאבי המחשוב המשמשים או הזמינים. לאחר השלמתם, קבצים מעוותים יישמרו אוטומטית באותה ספרייה כמו קובצי התמונה המקוריים עם שמות הקבצים באופן הבא: Proton_warped.nii.gz; Ventilation_warped.nii.gz; Ventilation_label_warped.nii.gz.
   הערה: קובצי NIfTI *.nii.gz הם רק גרסאות מכווצות של קבצי *.nii וניתן לפתוח אותם או לפתוח אותם לפי הצורך. ניתן לשנות reg.py סקריפט לפי הצורך, לדוגמה, באמצעות שיטות שונות של המרה או אינטרפולציה או מיפוי או יצירה של ספריות קבצים.

4. הערכת תוצאות הרישום

1. פתח את תמונת CT.nii כתמונת הבסיס בתוכנת ההדמיה הרצויה.
2. פתח Ventilation_warped.nii.gz או Ventilation_label_warped.nii.gz כתמונה אחרת ושכב על תמונת CT עם מפת הצבעים הרצויה.
3. סקור את החפיפה של התמונה או המסכה ¹²⁹Xe עם תמונת CT בכל מישורי התמונה (קורונלי, צירי, קשת), והערך את היישור החזותי של ציוני דרך כגון גבולות הקרינה והריאות (היכן שזמין בתמונת ¹²⁹Xe).
4. בדוק את התוצאות. אם מרוצים מהתוצאות, ההרשמה הושלמה.
   הערה: ניתן להכפיל את התמונה/מסכה ¹²⁹Xe הרשומה במסכת CT כדי להסיר את קנה הנשימה ואת דרכי הנשימה הראשיות (אם לא הוסרו לפני סגמנטציית MRI) ולהסיר כל אות שנמצא מחוץ לגבולות הריאה של CT לאחר הרישום. ניתן לבצע כימות נוסף למדידות אזוריות של מבנה-פונקציה לפי הצורך.
5. אם אינך מרוצה מהתוצאות, הערך ומטב סוגים חלופיים של טרנספורמציה ופרמטרים קשורים לפי הצורך.

Results

מחקר זה רכש באופן פרוספקטיבי CT זוגי ו- ¹²⁹Xe MRI במסגרת מחקר לאפיון תפקודי מבנה ריאה אזוריים וברונכוסקופיה מונחית תמונה במגוון מחלות ומצבים ריאתיים. איור 3 מראה ^{רישום של 129}מכשירי אוורור Xe MRI ו-CT במישורי העטרה והקשת עבור ארבעה משתתפים מייצגים עם מגוון דפוסי אוורור MRI (עבור אותם משתתפים באיור 1). מסכת התווית ¹²⁹Xe MR הרשומה מראה ¹²⁹אשכולות עוצמת אות Xe מפגם אוורור או חלל אות להיפר-אינטנסיבי, והיא הוכפלה במסכת תווית CT כדי להסיר את קנה הנשימה ודרכי הנשימה הראשיות. בדיקה חזותית מראה יישור טוב של כל גבולות הריאה עבור משתתף בריא (איור 3A) עם אוורור הומוגני, למעט הזווית הקוסטופרנית בריאה הימנית. פער זה יכול לנבוע מהבדלי רזולוציה בין שני האופנים או עיוות גיאומטרי ב- ^{MRI 129}Xe/¹H; עם זאת, זהו חלק קטן מנפח הריאה הכולל. בשלושת המשתתפים עם COPD, היה גם יישור טוב של גבולות הריאות, היכן שזמין. הדוגמאות ל-COPD כאן נעות בין הפרעות אוורור מפוזרות (איור 3B), הפרעות אוורור באונה העליונה עם גבולות ריאה אפיים נעדרים (איור 3C), והפרעות אוורור באונה התחתונה עם גבולות ריאה סרעפתיים נעדרים (איור 3D).

המחברים בדרך כלל בוחרים בבדיקה חזותית של התמונות הרשומות ואינם מעריכים כמותית פרוספקטיבית את ביצועי הרישום בגלל אופי הבדלי הניגודיות הרב-מודאליים בין CT ו- ¹²⁹Xe MRI. מדדים כמותיים נפוצים של ביצועי רישום הם מקדם קוביות או שגיאת רישום יעד (TRE). ניתן להעריך מקדמי קוביות בין התמונות הרשומות ^{של 1}H (נעות) ו- CT (קבועות); עם זאת, זה יהיה עקיף מכיוון שתמונות ¹H משמשות כגשר ביניים לרישום ¹²⁹תמונות Xe, והמדידות המעניינות מגיעות מ- ¹²⁹Xe MRI. ניתן לכמת TRE על ידי הצבת ציוני דרך פידוקיאליים על התמונות הקבועות והנעות; עם זאת, הצבת פידוקיאלים היא תהליך ידני הגוזל זמן, וטבען של הפרעות אוורור ¹²⁹Xe MRI פירושו שעשויים להיות ציוני דרך אנטומיים מוגבלים זמינים. אף על פי שזוויות קנה הנשימה והקוסטופרניה משמשות בדרך כלל כנקודות ציון קלות, המשתתפים באיור 3C,D מדגישים דוגמאות חמורות שבהן יש מספר מוגבל של ציוני דרך ברורים זמינים. באמצעות מסגרת רישום דומה ב- ANTs, טאהר ואחרים השיגו TRE של 8.8 מ"מ עד 19.7 מ"מ³⁸, שהוא קטן יחסית לגודל הריאות (שדה ראייה טיפוסי 350-400 מ"מ) ולכן מקובל; המחברים צופים כי TRE עשוי להיות דומה במסגרת הנוכחית.

איור 1: ריאתי ¹²⁹Xe ^ו-1H ו-CT. דוגמאות ^ל-129Xe ו-MRI אנטומי ^1Hתואם נפח עם CT זוגי למשתתף בריא (A) ושלושה משתתפים עם מחלת ריאות חסימתית כרונית (COPD; B, C, D) המציג טווח של ¹²⁹תבניות אוורור Xe. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: ניתוח תמונה כולל וצינור רישום. קלט CT, ¹²⁹Xe ^{MR ותמונות}1 H MR מפולחות תחילה ליצירת מסיכות עם תווית יחידה. התמונה/מסיכה של ¹H MR עוברת תחילה המרה לתמונה/מסיכה ^{של 129}Xe. כל התמונות והמסיכות של CT, ¹²⁹Xe ו- ¹H מומרות לקובצי NIfTI, המשמשים לאחר מכן לרישום ¹²⁹Xe-CT. מסיכת ¹H מומרת למרחב התמונה של CT, והטרנספורמציה מוחלת לאחר מכן על התמונה/מסיכה ¹²⁹Xe. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: ¹²⁹תוצאות רישום Xe MRI-CT. תוצאות הרישום של ארבעת המשתתפים המייצגים מוצגות באיור 1, שבו ¹²⁹Xe מוצג בציאן על גבי ה-CT בגווני אפור. היה יישור טוב של כל גבולות הריאה עבור המשתתף הבריא (A) עם אוורור הומוגני, למעט הזווית הקוסטופרנית בריאה הימנית. היה גם יישור טוב של גבולות הריאות בשלושת המשתתפים עם COPD, היכן שזמין, החל מהפרעות אוורור מפוזר (B), הפרעות אוורור באונה העליונה עם גבולות ריאה אפיים נעדרים (C), והפרעות אוורור באונה התחתונה עם גבולות ריאה סרעפתיים נעדרים (D). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: מדידות מבנה-תפקוד לובארי במשתתף עם COPD. אמפיזמה של Lobar CT נמדדה על ידי אזורים בעלי החלשה נמוכה מ-950- יחידות Hounsfield (LAA950, צהוב) ^ו-129Xe MRI אחוזי פגם אוורור (VDP, ציאן) שנוצרו לאחר רישום ¹²⁹Xe MR-CT, כדוגמה להערכה אזורית לתוכנית טיפול מונחית דמיון. הסכימה של קווי מתאר לובריים מוצגת במישורי קשת. RUL = האונה העליונה הימנית; RML = אונה אמצעית ימנית; RLL = האונה התחתונה הימנית; LUL = אונה עליונה שמאלית; LLL = אונה תחתונה שמאלית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

קובץ משלים 1: סקריפט reg.py. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Discussion

CT ו- ¹²⁹Xe MRI מספקים מידע משלים להערכת מבנה ותפקוד ריאה אזוריים המתאפשרים בצורה הטובה ביותר באמצעות רישום תמונה. רישום תמונה רב-מודאלי יכול להיות לא טריוויאלי ליישום, ולכן הפרוטוקול המסופק כאן נועד לספק את הכלים לקוראים לרשום ¹²⁹Xe MRI ל- CT. הפרוטוקול המסופק משתמש ב- ANTsPy ליישום קל יותר עבור משתמשים עם מגוון רחב של ניסיון בעיבוד תמונה באמצעות Python ולא C++, כמו ב- ANT קונבנציונאלי. בסך הכל, ANTs מספקים מסגרת רישום תמונה בקוד פתוח המפחיתה את הצורך בכוונון עבור מדדים ו / או זוגות תמונות שונים ותומכת בשיטות מחקר הניתנות לשחזור⁴⁹. קבוצה של שלושה אלגוריתמים עוקבים משמשים בדרך כלל ב- ANTs כדי להשיג רישום אופטימלי: (1) רישום קשיח באמצעות סיבוב ותרגום בלבד, (2) רישום אפין באמצעות סיבוב ותרגום בתוספת קנה מידה וגזירה, ו- (3) רישום מעוות ולא ליניארי. ברמה עמוקה יותר, שלושת השלבים של פרוטוקול ברירת המחדל המסופק כאן עבור רישום CT-MR הם: (1) טרנספורמציית דמיון ראשונית (קשיחה) כדי ללכוד דמיון גס בין תמונות CT ו- MR, הכנת התמונות לטרנספורמציות עוקבות ומעודנות יותר. שלב זה משתמש במדד דמיון מידע הדדי של Mattes⁴⁹ עם 32 סלי היסטוגרמה, דגימה רגילה עם 0.2% פיקסלים שנדגמו, מיטוב ירידה הדרגתית עם גודל צעד 0.25, פירמידת גאוס מרובת רזולוציות עם ארבע רמות של גורמי דגימה למטה 6 x 4 x 2 x 1 (איטרציות 2100 1200 1200 10) והחלקה תואמת סיגמות גאוסיות 3 מ"מ x 2 מ"מ x 1 מ"מ x 0 מ"מ. (2) הצמדת טרנספורמציה באמצעות הפלט משלב הדמיון כ- טרנספורמציה ראשונית. שלב זה משתמש במדד דמיון מידע הדדי של Mattes עם 16 סלי היסטוגרמה, דגימה רגילה עם 0.2% פיקסלים שנדגמו, מיטוב ירידה הדרגתית עם גודל צעד 0.25, פירמידת גאוס מרובת רזולוציות עם ארבע רמות של גורמי דגימה למטה 4 x 2 x 2 x 1 (איטראציות 2100 1200 1200 100) והחלקה תואמת סיגמות גאוסיות 3 מ"מ x 2 מ"מ x 1 מ"מ x 0 מ"מ. (3) טרנספורמציית SyNAggro כשלב האחרון לליטוש נוסף של הטרנספורמציה באמצעות רישום לא ליניארי, מעוות. שלב זה משתמש במדד דמיון מידע הדדי של Mattes עם 16 סלי היסטוגרמה, דגימה מלאה, מיטוב ירידה הדרגתית עם גודל צעד 0.2, פירמידת גאוס מרובת רזולוציות עם שלוש רמות של גורמי דגימה למטה 4 x 2 x 1 (איטרציות 40 20 0), והחלקה תואמת סיגמות גאוסיות 2 מ"מ x 1 מ"מ x 0 מ"מ, רוחב ליבה רגולרית גאוס של 3 ווקסלים להחלקת שדה שינוי העדכון. אלה הן הגדרות ברירת המחדל עבור אלגוריתם הטרנספורמציה SyNAggro.

כפי שתואר קודם לכן ושימש לרישום תמונה בין CT וגז היפרפולרי MRI³⁸, נעשה כאן שימוש בווריאציה של טרנספורמציית הנורמליזציה הסימטרית (SyN) מכיוון שהיא הוכחה כאלגוריתם בעל ביצועים מעולים באתגר רישום תמונה ריאתית⁴⁴. מדד הדמיון במידע הדדי שימש מכיוון שהוא נוטה להשיג את הביצועים הטובים ביותר עבור הדמיה רב-מודאלית⁵⁶. כדי להתגבר עוד יותר על הבדלי ניגודיות התמונה הרב-מודאליים, הפרוטוקול משתמש ^ב-MRI1H תואם נפח כדי לרשום בעקיפין ¹²⁹Xe MRI ל-CT כפי שתואר לראשונה על ידי Tahir et ^al.38, ולמעשה רושם את מסיכת ^{1 H}בעלת תווית יחידה למסיכת CT במקום התמונות שהטרנספורמציה המתקבלת מוחלת לאחר מכן על התמונה והמסיכה ¹²⁹Xe. ניתן להשתמש גם במסכות מרובות תוויות, לדוגמה, מסכות CT לובריות או סגמנטאליות 21,22,23,45, או פחי עוצמת MRI 57. הרישום מתבצע על ידי מיפוי MRI ¹H לחלל CT כדי לשמור על רזולוציית CT לכימות תכונות מבניות של CT, אם כי ניתן להפוך את כיוון הרישום לפי הצורך. כקלט לצינור הרישום, הפרוטוקול מטפל בתמונות ובמסיכות תווית יחידה בפורמט NIfTI, מכיוון שבדרך זו, כל פרוסות החתך בתמונת תלת-ממד כלולות בקובץ יחיד. הערכנו פרוטוקול זה על נתוני MRI ^CT-129Xe משני מרכזים באופן עצמאי (אוניברסיטת קולומביה הבריטית והמרכז הרפואי של אוניברסיטת קנזס) עם ביצועים טובים, ולכן אנו צופים שהפרוטוקול יחול היטב במערכי נתונים אחרים. עם זאת, פרמטרי הטרנספורמציה עשויים להיות ממוטבים כדי לשפר את הביצועים בערכות נתונים מקומיות לפי הצורך.

הפרוטוקול מתוכנן במכוון להיות אגנוסטי ברובו לרכישת תמונות וסגמנטציה מכיוון ששלבים אלה תלויים בחומרת הדמיה זמינה או מועדפת, פרוטוקולי הדמיה וכלי תוכנה לניתוח תמונות. פרוטוקול CT צריך להיות באופן אידיאלי פרוסה דקה, ללא ניגודיות משופרת, עם גרעין שחזור שווה ערך סטנדרטי כדי לאפשר מדידה של מדדים כמותיים כמותיים פרנכימליים, דרכי נשימה ו / או כלי דם^{מאומתים} 10,11,50. ניתן לרכוש CT בהשראה מלאה, אשר מאומתת בצורה הטובה ביותר למדידות כמותיות¹⁰, או להתאים נפח ל- MRI כדי להקל טוב יותר על רישום CT-MRI ומדידות זוג מבנה-תפקוד באותו נפח ניפוח ריאות^24,30. ניתן לבצע גם CT פג תוקף ולרשום CT השראתי לכימות לכימת לכידת אוויר 17,18,34. לצורך סגמנטציה וניתוח כמותי, כלי תוכנת CT שונים זמינים באופן מסחרי⁵⁸ או קוד פתוח⁵⁹. מצד שני, פורסמו ¹²⁹פרוטוקולי רכישת Xe MRI⁹, הממליצים כיום על רכישות נפרדות של עצירת נשימה עבור ¹²⁹Xe ו- ¹H MRI. פותחו פרוטוקולים חדשניים הרוכשים ¹²⁹Xe ו- ¹H MRI באותה עצירת נשימה ^53,54, ולכן יכולים לייתר ^{את שלב}הרישום 1 ^H-129Xe לפני עיבוד. יתר על כן, פרוטוקול זה מתמקד בהדמיית אוורור ¹²⁹Xe MR, אך הוא ישים באופן דומה עבור הדמיית חילופי גזים ¹²⁹Xe. כשיטה מתפתחת, סגמנטציה וכימות של ¹²⁹Xe/¹H MRI עדיין אינם סטנדרטיים; שיטות רבות דווחו בספרות שניתן להשתמש בהן כאן וסוכמו יפה בסקירה⁶⁰ שפורסמה לאחרונה. ללא קשר לאופן רכישת תמונות CT ו- ^{1 H-129}Xe MR וקבלת מסכות התווית היחידה שלהן, פרוטוקול רישום זה מיועד להיות ישים באופן נרחב.

אנו מכירים במגבלות הפרוטוקול הנוכחי, בעיקר בכך שהוא ידני במידת מה, במיוחד עבור עיבוד מקדים כדי להתכונן לרישום ולהערכת ביצועי הרישום. שיטות אוטומטיות הוצעו בעבר⁴⁵, ושיפורים בפרוטוקול הקיים לקראת אוטומציה יהיו חשובים לתרגום קליני חלק. הרישום הנוכחי מבוסס גם הוא על CPU; בעוד שעיבוד CPU ככל הנראה זמין יותר והרישום פועל תוך כ -10 דקות, יישום עם יחידות עיבוד גרפיות (GPU) ו / או למידה עמוקה יכול לקצר עוד יותר את זמן הריצה ולשפר את דיוק הרישום. לבסוף, המלצות או מתודולוגיה עבור CT ופילוח תמונה ¹H/¹²⁹Xe MR אינן מסופקות. יש מגוון רחב של שיטות זמינות עבור שניהם, ולכן זה נשאר לבחירת הקוראים; עם זאת, יש הזדמנות עצומה לצנרת הכוללת סגמנטציה ורישום אוטומטיים כדי להאיץ עוד יותר את התרגום הקליני.

פרוטוקול רישום זה עשוי להיות מיושם עבור מחקר או הגדרות קליניות שבהן קיים MRI ^{היפרפולרי 129}Xe. בנוף המחקר, CT משלים ו- ¹²⁹Xe MRI תמכו במידה רבה בגילוי תובנות חדשות לגבי מבנה-תפקוד ריאתי אזורי, לדוגמה, באסתמה 20,21,22,28,29,30,31,32,COPD 24,25,34,35 ו- IPF ^{37, 61}. הגשר לתרגום קליני, עם זאת, מגיע בהתערבויות ריאתיות מונחות דמיון. תרמופלסטיקה מונחית הדמיה של הסימפונות באמצעות CT ו- ¹²⁹Xe MRI בחולים עם אסתמה חמורה העניקה פחות פרוצדורות ברונכוסקופיות, פחות תופעות לוואי של פריצדורות ותוצאות לא נחותות שדווחו על ידי המטופל בהשוואה לטיפול קונבנציונלי בכל הריאה^62,63. ב- COPD, מבנה CT כמותי ותפקוד MRI ¹²⁹Xe עשויים להציע יעדי הפחתת נפח ריאה ברונכוסקופיים שונים בהתבסס על עומס האונה הגדול ביותר של אמפיזמה CT והפרעות אוורור MRI, תוך הדגשת החשיבות של התחשבות במבנה ובתפקוד יחד²³. יתר על כן, תוכניות רדיותרפיה תפקודיות למניעת ריאות הוצעו^40,64 כדי לחסוך אזורים עם תפקוד אוורור והחלפת גזים שמורים ב- MRI מחשיפה מיותרת לקרינה. הזדמנויות מונחות הדמיה נוספות בהתערבויות ריאתיות כוללות כריתה כירורגית של סרטן ריאות⁶⁵, סטנט דרכי הנשימה ומיקום מסתמים ב- COPD, וטיפולים ברונכוסקופיים חדשניים אחרים עבור COPD או ברונכיטיס כרונית כגון אבלציה אדים תרמית, קריותרפיה או rheoplasty^66,67. איור 4 מדגים חריגות אוורור של CT לובארי ו-MRI עבור מטופל עם COPD שניתן לקחת בחשבון בתכנון הטיפול. הריאות נותרו אחד הגבולות האחרונים של גוף האדם להתערבויות מונחות דמיון; יחד, CT ^ו-129Xe MRI מספקים מידע משלים ששיפר את הבנתנו את מבנה הריאה, אשר כעת ניתן ליישם עבור התערבויות ריאתיות מונחות דמיון. פרוטוקול רישום ^CT-129Xe MRI המסופק כאן יכול לאפשר גילוי נוסף של תפקוד מבנה הריאות, כמו גם התערבויות מונחות דמיון לשיפור הטיפול, הטיפול והתוצאות עבור חולים עם מחלות נשימה.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D Slicer	Brigham and Women's Hospital (BWH)	https://www.slicer.org/	תוכנת ניתוח/הדמיה של תמונה;
פתוח ANTsPy	NA	https://github.com/ANTsX/ANTsPy	Coding Software; תוכנת קוד פתוח
ITK-SNAP	NA		ניתוח / הדמיה של תמונה; קוד פתוח
MAGNETOM Vida 3.0T MRI	Siemens Healthineers	NA	יכול להיות כל סורק 1.5 T או 3.0 T עם יכולת הדמיה בפס רחב
MATLAB	Mathworks	https://www.mathworks.com/products/matlab.html	תוכנה כללית, טובה לניתוח תמונה; זמין במנוי
reg.py	NA		NA סקריפט רישום (קובץ משלים 1)
סורק CT Revolution HD	GE Healthcare	NA	יכול להיות כל סורק CT עם ≥ 64 גלאים
VIDA Insights	VIDA Diagnostics Inc.		תוכנת ניתוח NA CT; יכולה להיות כל אחת ליצירת מסכות