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Articolo metodologico

Imaging polmonare multimodale: utilizzo di informazioni complementari da TC e risonanza magnetica 129Xe iperpolarizzata per valutare la struttura-funzione polmonare

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DOI:

10.3791/66257

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12 aprile 2024

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1UBC Centre for Heart Lung Innovation, St. Paul’s Hospital, 2Division of Respiratory Medicine, Department of Medicine, University of British Columbia, 3School of Biomedical Engineering, University of British Columbia, 4Department of Radiology, University of British Columbia, 5Division of Pulmonary and Critical Care Medicine, University of Kansas Medical Center

In questo articolo

Sommario

La TC e la 129Xe MRI forniscono informazioni complementari sulla struttura-funzione polmonare che possono essere sfruttate per l'analisi regionale utilizzando la registrazione delle immagini. Qui, forniamo un protocollo che si basa sulla letteratura esistente per la registrazione di immagini da RM a TC 129Xe utilizzando piattaforme open source.

Abstract

La risonanza magnetica iperpolarizzata con gas 129Xe è una tecnica emergente per valutare e misurare la funzione polmonare regionale, compresa la distribuzione polmonare dei gas e lo scambio di gas. La tomografia computerizzata (TC) del torace rimane ancora il gold standard clinico per l'imaging dei polmoni, in parte a causa dei protocolli TC rapidi che acquisiscono immagini ad alta risoluzione in pochi secondi e dell'ampia disponibilità di scanner TC. Gli approcci quantitativi hanno permesso l'estrazione di misurazioni strutturali del parenchima polmonare, delle vie aeree e vascolari dalla TC del torace, che sono state valutate in molti studi di ricerca clinica. Insieme, la TC e la risonanza magnetica 129Xe forniscono informazioni complementari che possono essere utilizzate per valutare la struttura e la funzione polmonare regionale, ottenendo nuove intuizioni sulla salute e la malattia polmonare. 129La registrazione delle immagini Xe MR-CT può essere eseguita per misurare la struttura-funzione polmonare regionale per comprendere meglio la fisiopatologia della malattia polmonare e per eseguire interventi polmonari guidati da immagini. Qui, viene delineato un metodo per la registrazione 129Xe MRI-CT per supportare l'implementazione in contesti di ricerca o clinici. Vengono inoltre riassunti i metodi di registrazione e le applicazioni che sono stati impiegati fino ad oggi in letteratura e vengono forniti suggerimenti per direzioni future che potrebbero superare ulteriormente le sfide tecniche relative alla registrazione delle immagini 129Xe MR-CT e facilitare una più ampia implementazione della valutazione della struttura-funzione polmonare regionale.

Introduzione

La risonanza magnetica (MRI) con gas iperpolarizzato è emersa per la prima volta come una nuova modalità di imaging polmonare funzionale per valutare la distribuzione della ventilazione polmonare quasi tre decenni fa1. Da allora, gli studi di ricerca che utilizzano la risonanza magnetica con gas iperpolarizzato hanno rivelato numerose intuizioni sulla natura della funzione polmonare nei pazienti con malattie polmonari croniche come l'asma, la broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO) e la fibrosi cistica 2,3,4,5,6. Storicamente sono stati utilizzati sia il gas 3He iperpolarizzato che il gas 129Xe; tuttavia, il 129Xe è ora l'agente primario inalato a causa della limitata disponibilità di gas 3He. 129Xe si diffonde anche liberamente attraverso la membrana alveolare ed è assorbito dai globuli rossi nei capillari polmonari; in questa cosiddetta "fase disciolta", 129Xe risuona a frequenze uniche che consentono la misurazione dello scambio gassoso regionale in una singola scansione in apnea 4,7,8. Per la quantificazione, le immagini RM anatomiche 1H corrispondenti al volume vengono in genere acquisite contemporaneamente per la co-registrazione con 129Xe per delineare i confini della cavità toracica. La risonanza magnetica convenzionale di 1ora, tuttavia, non fornisce ulteriori informazioni sulla struttura polmonare. L'impulso per la traduzione clinica della risonanza magnetica Xe 129iperpolarizzata è cresciuto negli ultimi anni con l'approvazione del NHS del Regno Unito nel 2015 e l'approvazione della FDA statunitense alla fine del 2022 5,9, ma la caratterizzazione strutturale avanzata è ancora per lo più assente dall'arsenale della risonanza magnetica polmonare.

La tomografia computerizzata (TC) del torace rimane il cardine della valutazione dell'imaging clinico dei polmoni, fornendo immagini tridimensionali ad alta risoluzione della struttura polmonare utilizzando protocolli di imaging convenzionali. Gli approcci quantitativi hanno permesso di misurare in modo rapido e ripetibile l'integrità parenchimale, come l'enfisema e le anomalie polmonari interstiziali, la morfologia delle grandi vie aeree e la vascolarizzazione polmonare e la caratterizzazione anatomica regionale mediante identificazione e segmentazione dei lobi polmonari10,11. Nell'ambito della ricerca, la TC quantitativa è stata ampiamente utilizzata per comprendere meglio le alterazioni strutturali e le loro relazioni con gli esiti dei pazienti nell'asma e nella BPCO in ampi studi osservazionali come il Severe Asthma Research Program (SARP)12, l'epidemiologia genetica della BPCO (COPDGene)13, le sottopopolazioni e gli esiti intermedi nello studio sulla BPCO (SPIROMICS)14, la valutazione longitudinale della BPCO per identificare gli endpoint surrogati predittivi (ECLIPSE)15e la coorte canadese di malattia polmonare ostruttiva (CanCOLD)16. Metodi TC alternativi come l'imaging espiratorio17,18 o i modelli computazionali19 possono derivare informazioni funzionali, ma questi metodi sono indiretti e la TC convenzionale non fornisce molto per la caratterizzazione funzionale dei polmoni.

Nel loro insieme, la TC e la risonanza magnetica 129Xe forniscono informazioni complementari sulla struttura-funzione polmonare che possono essere sfruttate per l'analisi regionale utilizzando la registrazione delle immagini. I lobi polmonari identificati alla TC hanno permesso la caratterizzazione lobare dei pattern di ventilazione MRI nell'asma20,21,22, nella BPCO23,24, nelle bronchiectasie25 e nel cancro del polmone26,27. Le anomalie della ventilazione RM nell'asma sono state anche direttamente abbinate spazialmente alle grandi vie aeree rimodellate in modo anomalo 28,29,30,31 e all'intrappolamento dell'aria indicativo di disfunzione delle piccole vie aeree 20,32 misurata alla TC e per sondare le risposte regionali al trattamento dopo termoplastica bronchiale dell'intero polmone33. Nella BPCO, le anomalie della ventilazione RM sono state collegate a piccole disfunzioni delle vie aeree nelle malattie più lievi e all'enfisema nelle malattie più gravi 34,35,36. Oltre all'imaging con ventilazione nella malattia polmonare ostruttiva, nella fibrosi polmonare idiopatica 37 sono state dimostrate anche relazioni spaziali eterogenee tra anomalie polmonari interstiziali TC e pattern di scambio gassoso 129XeMRI 37. Tali studi hanno fornito una comprensione più profonda della struttura-funzione polmonare regionale in una serie di malattie polmonari che possono essere utilizzate per informare futuri interventi guidati da immagini.

La registrazione diretta della TC anatomica e della risonanza magnetica funzionale con gas iperpolarizzato è impegnativa, tuttavia, a causa del contrasto di imaging fondamentalmente diverso tra i due metodi, dell'assenza di segnale di gas iperpolarizzato nelle regioni di anomalie della ventilazione e dei volumi polmonari potenzialmente diversi. La Figura 1 mostra quattro esempi di 129Xe e risonanza magnetica anatomica 1H e TC accoppiate in un volontario sano (Figura 1A) e tre partecipanti con broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO; Figura 1B-D), evidenziando i pattern eterogenei di ventilazione 129Xe e variando i confini polmonari mancanti nei casi di BPCO. La chiave per superare queste sfide è stata l'utilizzo della risonanza magnetica anatomica 1H acquisita contemporaneamente alla risonanza magnetica a gas iperpolarizzata come passaggio intermedio per registrare la risonanza magnetica a gas iperpolarizzata alla TC indirettamente34,38. I primi lavori hanno impiegato il confronto visivo fianco a fianco e la segmentazione manuale delle strutture TC, come i lobi polmonari, sullo spazio MRI20. I progressi nelle risorse computazionali e negli strumenti di elaborazione delle immagini open source hanno consentito la registrazione tridimensionale della TC e della risonanza magnetica a gas iperpolarizzato, ad esempio, utilizzando il descrittore di vicinato indipendente dalla modalità (MIND)23,30,34,39,40,41 o la registrazione Advanced Normalization Toolkit (ANTs) 21,22,27,31,32,37,38,42,43, entrambi i quali sono stati i migliori risultati in una sfida di registrazione dell'immagine polmonare44. Un nuovo metodo ha accoppiato le due registrazioni piuttosto che trattarle in modo indipendente45, che è stato implementato in una pipeline completa di analisi delle immagini polmonari progettata per la fenotipizzazione della malattia polmonare46. Nel complesso, l'accuratezza della registrazione da risonanza magnetica a TC con gas iperpolarizzato è stata migliorata utilizzando il passo intermedio 1H38 e utilizzando approcci deformabili rispetto agli approcci solo affini38,45.

L'obiettivo qui è quello di costruire dalla letteratura esistente e fornire un protocollo per la registrazione di immagini da RM a TC 129Xe utilizzando piattaforme open source 47,48,49. Il protocollo è implementato utilizzando ANTsPy e, in linea con il precedente lavoro38, registra una maschera polmonare single-label da 1H MRI alla maschera polmonare single-label da CT; la trasformazione risultante viene successivamente applicata all'immagine 129Xe per mapparla nello spazio dell'immagine CT. Il protocollo delineato è destinato ad essere appropriato per la ricerca o gli ambienti clinici, ove applicabile, ed è disponibile la risonanza magnetica iperpolarizzata 129Xe.

Per il contesto, l'acquisizione e l'analisi delle immagini per gli esempi forniti nel presente documento sono state eseguite come segue. La TC del torace è stata acquisita a piena inspirazione (capacità polmonare totale, TLC) secondo un protocollo di ricerca a basso dosaggio stabilito50 con parametri: collimazione 64 x 0,625, kilotensione di picco 120, corrente del tubo 100 mA, tempo di rivoluzione di 0,5 s, passo della spirale 1,0, spessore della fetta di 1,25 mm, spaziatura della fetta di 0,80 mm, kernel di ricostruzione standard, campo visivo del display limitato alle estensioni più laterali dei polmoni (per massimizzare la risoluzione spaziale). La segmentazione e l'analisi CT sono state eseguite utilizzando software commerciali (vedi Tabella dei materiali).

129La risonanza magnetica Xe e 1H con volume corrispondente è stata eseguita secondo le linee guida pubblicate9. Per i dettagli completi e il protocollo di acquisizione della risonanza magnetica, i lettori sono indirizzati a un altro articolo di questa raccolta51. La segmentazione e la registrazione della risonanza magnetica sono state eseguite utilizzando una pipeline personalizzata semi-automatizzata utilizzando il clustering k-means per la segmentazione 129Xe, la crescita della regione seminata per la segmentazione 1H e la registrazione affine basata su punti di riferimento per mappare l'immagine 1H all'immagine 129Xe52. La registrazione affine è in genere sufficiente per la registrazione RM 1 H-129Xe per tenere conto della maggior parte del gonfiaggio polmonare o delle differenze di posizione del paziente tra le acquisizioni; La registrazione deformabile in genere non è necessaria. La fase di registrazione 1 H-129Xe può essere eliminata con 129Xe e 1H MRI acquisiti contemporaneamente nella stessa apnea53,54.

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Protocollo

I casi di imaging mostrati qui sono stati approvati dal Comitato etico per la ricerca sanitaria di Providence dell'Università della British Columbia (REB# H21-01237, H21-02149, H22-01264). I partecipanti hanno fornito il consenso informato scritto prima di completare l'imaging. La pipeline complessiva dall'acquisizione dell'immagine alla registrazione è delineata nella Figura 2 e i dettagli del protocollo qui si concentrano solo sulla registrazione dell'immagine MR-CT. L'acquisizione e la segmentazione delle immagini dipendono dall'hardware di imaging disponibile o preferito, dai protocolli di imaging e dagli strumenti software di analisi delle immagini e, pertanto, sono lasciate alle preferenze dei lettori. Il protocollo è progettato per essere agnostico rispetto a quei passaggi precedenti che utilizzano maschere monomarca dei polmoni dopo la segmentazione dell'immagine.

1. Configurazione del software

  1. Scarica e installa ANTsPy (vedi Tabella dei materiali), il wrapper Python per la libreria di elaborazione delle immagini Advanced Normalization Tools 47,48,49. I tutorial sono disponibili al link sotto la scheda 'tutorial'. ANTsPy è disponibile anche per l'installazione di Docker, se lo si desidera.
    NOTA: ANTsPy richiede un sistema operativo o un ambiente basato su Linux. Per gli esempi riportati di seguito, ANTsPy è stato installato e utilizzato in un ambiente di calcolo virtuale ad alte prestazioni su una workstation locale. Il protocollo ha avuto la tendenza a funzionare meglio utilizzando un ambiente di calcolo virtuale nell'esperienza degli autori.
  2. Scarica e installa il software di segmentazione e/o visualizzazione che preferisci.
    NOTA: Per il presente studio, ITK-SNAP è stato utilizzato per la visualizzazione (vedi Tabella dei materiali).
  3. Scaricare e salvare lo script reg.py (File supplementare 1).

2. Pre-elaborazione delle immagini

  1. Fare clic per aprire le immagini e le maschere nel software di visualizzazione delle immagini desiderato per verificare le corrispondenze di orientamento dell'immagine e della maschera per tutti i file CT, 1H e 129Xe. A seconda del metodo di segmentazione e/o del software utilizzato, potrebbe essere necessario regolare l'orientamento di alcune immagini o maschere. Se necessario, si consiglia di regolare le immagini 1H e 129Xe e l'orientamento della maschera in modo che corrisponda a quello dell'immagine TC nativa.
  2. Salvare i DICOM dell'immagine e le maschere a etichetta singola (regolati come al punto 2.1 in base alle esigenze) come file della Neuroimaging Informatics Technology Initiative (NIfTI, *.nii; sei file in totale) utilizzando lo strumento software preferito, nella stessa cartella del reg.py accessibile alla posizione in cui ANTsPy è installato e verrà eseguito. Seguire le convenzioni di denominazione indicate di seguito.
    1. 1H MRI: Proton.nii; 1H Maschera per risonanza magnetica: Proton_mask.nii.
      NOTA: Utilizzare l'immagine e la maschera 1H dopo la registrazione a 129Xe.
    2. 129Xe MRI: Ventilazione.nii; 129Maschera per risonanza magnetica Xe: Ventilation_mask.nii
    3. CT: CT.nii; Maschera TC: CT_mask.nii.
      NOTA: i nomi dei file sono codificati nello script di registrazione e, pertanto, devono seguire il formato indicato o essere rivisti nello script per corrispondere alla convenzione di denominazione desiderata. Questi passaggi possono essere completati insieme utilizzando uno qualsiasi degli strumenti software consigliati elencati nel passaggio 1.2. Per quanto riguarda questi strumenti software, alcuni scriveranno automaticamente le informazioni di intestazione richieste durante il salvataggio dei file .nii, mentre altri richiedono passaggi aggiuntivi per copiare e scrivere le informazioni di intestazione.

3. Registrazione CT-XeMRI

  1. Aprire il file reg.py nella configurazione dell'ambiente di elaborazione Python desiderata nel passaggio 1.1.
    NOTA: Script reg.py si basa sugli strumenti di registrazione ANT integrati; È disponibile ulteriore documentazione55.
  2. Se si utilizza un ambiente virtuale, impostare il numero di unità di elaborazione centrale (CPU), il numero di thread e la RAM come desiderato o disponibile nell'ambiente di elaborazione. Per gli esempi qui riportati è stato utilizzato un ambiente di elaborazione virtuale con 16 CPU, 1 thread per CPU e 186 GB di RAM disponibile.
  3. Impostare la trasformazione e l'interpolazione desiderate. In questo caso è stata utilizzata la trasformazione SyNAggro con interpolazione lineare per le immagini e l'interpolazione generica delle etichette per le maschere con etichetta singola, che sono predefinite nello script reg.py fornito.
    NOTA: SyNAggro è una trasformazione di normalizzazione simmetrica, che include la trasformazione affine + deformabile più una registrazione più aggressiva utilizzando la corrispondenza su scala fine e una maggiore deformazione (rispetto a SyN semplice). Gli algoritmi alternativi di trasformazione e interpolazione sono elencati nel collegamento alla documentazione di registrazione ANT nel passaggio 3.155.
  4. Impostare l'immagine fissa e quella in movimento. Qui, la TC (maschera a etichetta singola) è stata impostata come immagine fissa e la risonanza magnetica 1H (maschera a etichetta singola) è stata impostata come immagine in movimento.
  5. Esegui reg.py nell'ambiente di elaborazione Python. La registrazione completa può richiedere 5-10 minuti (utilizzando i nostri parametri) o più, a seconda delle risorse informatiche utilizzate o disponibili. Al termine, i file deformati verranno salvati automaticamente nella stessa directory dei file immagine originali con i nomi dei file come segue: Proton_warped.nii.gz; Ventilation_warped.nii.gz; Ventilation_label_warped.nii.gz.
    NOTA: I file NIfTI *.nii.gz sono solo versioni zippate dei file *.nii e possono essere decompressi o aperti a piacere. Gli reg.py di script possono essere modificati a piacere, ad esempio utilizzando diversi metodi di trasformazione o interpolazione o mappando o creando directory di file.

4. Valutazione dei risultati della registrazione

  1. Aprire l'immagine CT.nii come immagine di base nel software di visualizzazione desiderato.
  2. Apri Ventilation_warped.nii.gz o Ventilation_label_warped.nii.gz come un'altra immagine e sovrapponila all'immagine CT con la mappa dei colori desiderata.
  3. Esaminare la sovrapposizione dell'immagine o della maschera 129Xe con l'immagine TC in tutti i piani dell'immagine (coronale, assiale, sagittale), valutando l'allineamento visivo di punti di riferimento come i confini della carena e del polmone (se disponibile nell'immagine 129Xe).
  4. Controlla i risultati. Se soddisfatto dei risultati, la registrazione è completa.
    NOTA: L'immagine/maschera 129Xe registrata può essere moltiplicata per la maschera TC per rimuovere la trachea e le vie aeree principali (se non rimosse prima della segmentazione MRI) e rimuovere qualsiasi segnale che non rientra nei confini polmonari TC dopo la registrazione. Se necessario, è possibile eseguire ulteriori quantificazioni per le misure struttura-funzione regionali.
  5. Se non si è soddisfatti dei risultati, valutare e ottimizzare i tipi alternativi di trasformazione e i parametri associati in base alle esigenze.

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Risultati

Questo studio ha acquisito in modo prospettico la TC accoppiata e la risonanza magnetica 129Xe in un contesto di ricerca per la caratterizzazione della struttura-funzione polmonare regionale e la broncoscopia guidata da immagini in una serie di malattie e condizioni polmonari. La Figura 3 mostra 129Xe MRI ventilazione e TC registrate nei piani coronale e sagittale per quattro partecipanti rappresentativi con una gamma di modelli di ventilazione MRI (per gli stessi parte...

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Discussione

La TC e la 129Xe MRI forniscono informazioni complementari per valutare la struttura e la funzione polmonare regionale, che è meglio facilitata utilizzando la registrazione delle immagini. La registrazione multimodale delle immagini può essere non banale da implementare, quindi il protocollo qui fornito ha lo scopo di fornire ai lettori gli strumenti per registrare 129Xe MRI in CT. Il protocollo fornito utilizza ANTsPy per un'implementazione più semplice per gli ute...

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Dichiarazioni

RLE riceve compensi per consulenze personali da VIDA Diagnostics Inc. al di fuori del lavoro presentato. JAL ha ricevuto una sovvenzione istituzionale da GE Healthcare e onorari per conferenze da Philips e GE Healthcare al di fuori del lavoro presentato.

Ringraziamenti

Questa ricerca è stata supportata in parte attraverso risorse computazionali e servizi forniti dall'Advanced Research Computing presso l'Università della British Columbia e da una sovvenzione dell'IA del Dipartimento di Radiologia dell'Università della British Columbia. RLE è stata supportata da un Michael Smith Health Research BC Trainee Award.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
3D SlicerBrigham and Women's Hospital (BWH)https://www.slicer.org/analisi/visualizzazione delle immagini; infrastruttura di
https://github.com/ANTsX/ANTsPy open source ANTsPyNAopen source
ITK-SNAPNAdi analisi/visualizzazione delle immagini; open source
MAGNETOM Vida 3.0T MRISiemens HealthineersNAPuò essere qualsiasi scanner da 1,5 T o 3,0 T con capacità di imaging a banda larga
MATLABMathworkshttps://www.mathworks.com/products/matlab.htmlSoftware generale, ottimo per l'analisi delle immagini; disponibile in abbonamento
reg.pyNANAScript di registrazione (File supplementare 1)
Revolution HD CT scannerGE HealthcareNAPuò essere qualsiasi scanner CT con ≥ 64 rivelatori
VIDA InsightsVIDA Diagnostics Inc.Softwaredi analisi NA CT; può essere qualsiasi per generare maschere
Software di codifica; software http://www.itksnap.org/pmwiki/pmwiki.php

Riferimenti

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