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

Summary

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 129}Xe 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.

Introduction

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 3}He iperpolarizzato che il ^{gas 129}Xe; tuttavia, ^{il 129}Xe è ora l'agente primario inalato a causa della limitata disponibilità di ^{gas 3}He. 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 1}ora, 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 polmonari^10,11. 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 espiratorio^17,18 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'asma^20,21,22, nella BPCO^23,24, nelle bronchiectasie²⁵ e nel cancro del polmone^26,27. 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 ¹²⁹Xe^{MRI 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 indirettamente^34,38. 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 affini^38,45.

L'obiettivo qui è quello di costruire dalla letteratura esistente e fornire un protocollo per la registrazione di immagini ^{da RM a TC 129}Xe 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 129}Xe.

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-129}Xe 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-129}Xe può essere eliminata con ¹²⁹Xe e ¹H MRI acquisiti contemporaneamente nella stessa apnea^53,54.

Protocol

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.

Results

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 partecipanti della Figura 1). La maschera con etichetta ^{RM 129}Xe registrata mostra ¹²⁹cluster di intensità del segnale Xe da difetto di ventilazione o vuoto del segnale a iperintenso, ed è stata moltiplicata per la maschera con etichetta CT per rimuovere la trachea e le vie aeree principali. L'esame visivo mostra un buon allineamento di tutti i confini polmonari per il partecipante sano (Figura 3A) con ventilazione omogenea, ad eccezione dell'angolo costofrenico nel polmone destro. Questa discrepanza potrebbe essere dovuta a differenze di risoluzione tra le due modalità o a una distorsione geometrica nella risonanza magnetica ¹²⁹Xe/¹H; tuttavia, è una piccola frazione del volume polmonare complessivo. Nei tre partecipanti con BPCO, c'era anche un buon allineamento dei confini polmonari, ove disponibile. Gli esempi di BPCO qui riportati vanno dalle anomalie della ventilazione diffusa (Figura 3B), alle anomalie della ventilazione del lobo superiore con assenza dei confini apicali del polmone (Figura 3C) e alle anomalie della ventilazione del lobo inferiore con assenza dei confini polmonari diaframmatici (Figura 3D).

Gli autori in genere optano per l'ispezione visiva delle immagini registrate e non valutano in modo prospettico le prestazioni di registrazione a causa della natura delle differenze di contrasto multimodale tra TC e ¹²⁹Xe MRI. Le metriche quantitative comuni delle prestazioni di registrazione sono il coefficiente di dadi o l'errore di registrazione target (TRE). I coefficienti dei dadi possono essere valutati tra le immagini ^{registrate 1}H (in movimento) e CT (fisse); tuttavia, questo sarebbe indiretto poiché le immagini ¹H vengono utilizzate come ponte intermedio per registrare ¹²⁹immagini Xe e le misurazioni di interesse provengono dalla risonanza magnetica ¹²⁹Xe. La TRE può essere quantificata posizionando punti di riferimento fiduciali sulle immagini fisse e in movimento; tuttavia, il posizionamento dei fiduciali è un processo manuale che richiede molto tempo e la natura delle anomalie della ventilazione ¹²⁹Xe MRI significa che potrebbero essere disponibili punti di riferimento anatomici limitati. Sebbene la carena tracheale e gli angoli costofrenici servano tipicamente come punti di riferimento facili, i partecipanti alla Figura 3C, D evidenziano esempi gravi in cui sono disponibili punti di riferimento evidenti limitati. Utilizzando un quadro di registrazione simile nelle ANT, Tahir et al. hanno raggiunto un TRE compreso tra 8,8 mm e 19,7 mm³⁸, che è piccolo rispetto alle dimensioni dei polmoni (campo visivo tipico 350-400 mm) e quindi accettabile; gli autori prevedono che TRE potrebbe essere simile utilizzando il quadro attuale.

Figura 1: ¹²⁹Xe polmonare e ¹H e TC. Esempi di ¹²⁹Xe e risonanza magnetica anatomica ¹H con TC accoppiata per un partecipante sano (A) e tre partecipanti con broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO; B, C, D) che mostra un intervallo di ¹²⁹modelli di ventilazione Xe. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Analisi complessiva dell'immagine e pipeline di registrazione. Le immagini TC in ingresso, ¹²⁹RM Xe e ^{RM 1}H vengono prima segmentate per generare maschere con etichetta singola. L'immagine/maschera RM ¹H viene prima trasformata nell'immagine/maschera ¹²⁹Xe. Tutte le immagini e le maschere CT, ¹²⁹Xe e ¹H vengono convertite in file NIfTI, che vengono poi utilizzati per la registrazione ¹²⁹Xe-CT. La maschera ¹H viene trasformata nello spazio dell'immagine CT e la trasformazione viene successivamente applicata all'immagine/maschera ¹²⁹Xe. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: ¹²⁹risultati della registrazione Xe MRI-CT. I risultati della registrazione per i quattro partecipanti rappresentativi mostrati nella Figura 1, dove ¹²⁹Xe è mostrato in ciano sovrapposto al CT in scala di grigi. C'era un buon allineamento di tutti i confini polmonari per il partecipante sano (A) con ventilazione omogenea, ad eccezione dell'angolo costofrenico nel polmone destro. C'era anche un buon allineamento dei confini polmonari nei tre partecipanti con BPCO, ove disponibile, che andava da anomalie della ventilazione diffusa (B), anomalie della ventilazione del lobo superiore con confini polmonari apicali assenti (C) e anomalie della ventilazione del lobo inferiore con confini polmonari diaframmatici assenti (D). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Misurazioni della funzione struttura-lobare in un partecipante con BPCO. Enfisema TC lobare misurato dalle aree a bassa attenuazione inferiori a -950 unità Hounsfield (LAA950, giallo) e ¹²⁹percentuali di difetti di ventilazione Xe MRI (VDP, ciano) generate dopo ^{la registrazione 129}Xe MR-CT, come esempio di valutazione regionale per un piano di trattamento guidato da immagini. Lo schema dei contorni lobari è mostrato in piani sagittali. RUL = lobo superiore destro; RML = lobo medio destro; RLL = lobo inferiore destro; LUL = lobo superiore sinistro; LLL = lobo inferiore sinistro. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

File supplementare 1: Il copione reg.py. Clicca qui per scaricare questo file.

Discussion

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 utenti con un'ampia gamma di esperienze di elaborazione delle immagini utilizzando Python anziché C++, come negli ANT convenzionali. Nel complesso, gli ANT forniscono un framework di registrazione delle immagini open source che riduce la necessità di ottimizzazione per diverse metriche e/o coppie di immagini e supporta pratiche di ricerca riproducibili⁴⁹. Un insieme di tre algoritmi successivi viene tipicamente utilizzato nelle ANT per ottenere una registrazione ottimale: (1) registrazione rigida utilizzando solo la rotazione e la traslazione, (2) registrazione affine utilizzando la rotazione e la traslazione più ridimensionamento e taglio e (3) registrazione deformabile e non lineare. A un livello più profondo, le tre fasi del protocollo predefinito fornito qui per la registrazione CT-MR sono: (1) Trasformazione iniziale di somiglianza (rigida) per catturare somiglianze grossolane tra le immagini TC e RM, preparando le immagini per successive trasformazioni più raffinate. Questo passaggio utilizza la metrica di somiglianza delle informazioni reciproche Mattes⁴⁹ con 32 contenitori di istogrammi, campionamento regolare con 0,2% di pixel campionati, ottimizzazione della discesa del gradiente con dimensione del passo 0,25, piramide gaussiana multi-risoluzione con quattro livelli di fattori di campionamento verso il basso 6 x 4 x 2 x 1 (iterazioni 2100 1200 1200 10) e sigma gaussiani di livellamento corrispondenti 3 mm x 2 mm x 1 mm x 0 mm. (2) Trasformazione affine utilizzando l'output della fase di somiglianza come trasformazione iniziale. Questo passaggio utilizza la metrica di somiglianza delle informazioni reciproche Mattes con 16 contenitori di istogrammi, campionamento regolare con 0,2% di pixel campionati, ottimizzazione della discesa del gradiente con dimensione del passo 0,25, piramide gaussiana multi-risoluzione con quattro livelli di fattori di campionamento verso il basso 4 x 2 x 2 x 1 (iterazioni 2100 1200 1200 100) e sigma gaussiani di livellamento corrispondenti 3 mm x 2 mm x 1 mm x 0 mm. (3) Trasformazione SyNAggro come passaggio finale per perfezionare ulteriormente la trasformazione utilizzando Registrazione non lineare e deformabile. Questo passaggio utilizza la metrica di somiglianza delle informazioni reciproche Mattes con 16 contenitori di istogrammi, campionamento completo, ottimizzazione della discesa del gradiente con dimensione del passo 0,2, piramide gaussiana multi-risoluzione con tre livelli di fattori di downsampling 4 x 2 x 1 (iterazioni 40 20 0) e sigma gaussiani di livellamento corrispondenti 2 mm x 1 mm x 0 mm, larghezza del kernel di regolarizzazione gaussiana di 3 voxel per il livellamento del campo di trasformazione di aggiornamento. Queste sono le impostazioni predefinite per l'algoritmo di trasformazione SyNAggro.

Come precedentemente descritto e utilizzato per la registrazione delle immagini tra la TC e la risonanza magnetica a gas iperpolarizzato³⁸, qui è stata utilizzata una variazione della trasformazione di normalizzazione simmetrica (SyN) perché si è dimostrato essere un algoritmo più performante in una sfida di registrazione di immagini polmonari⁴⁴. La metrica di somiglianza delle informazioni reciproche è stata utilizzata perché tende a funzionare meglio per l'imaging multimodale⁵⁶. Per superare ulteriormente le differenze di contrasto dell'immagine multimodale, il protocollo utilizza la risonanza magnetica ¹H con corrispondenza del volume per registrare indirettamente ¹²⁹Xe MRI su CT come descritto per la prima volta da Tahir et ^al.38, e in realtà registra la maschera ¹H single-label sulla maschera CT invece delle immagini, la trasformazione risultante viene successivamente applicata all'immagine e alla maschera ¹²⁹Xe. Possono essere utilizzate anche maschere multi-etichetta, ad esempio maschere TC lobari o segmentali 21,22,23,45 o contenitori di intensità MRI⁵⁷. La registrazione viene eseguita mappando ¹H MRI nello spazio TC per mantenere la risoluzione TC per la quantificazione delle caratteristiche strutturali TC, sebbene la direzione di registrazione possa essere invertita a piacere. Come input per la pipeline di registrazione, il protocollo gestisce immagini e maschere single-label in formato NIfTI, perché, in questo modo, tutte le sezioni trasversali in un'immagine 3D sono contenute in un unico file. Abbiamo valutato questo protocollo su dati MRI ^CT-129Xe accoppiati provenienti da due centri in modo indipendente (University of British Columbia e University of Kansas Medical Center) con buone prestazioni, e quindi prevediamo che il protocollo si applicherà bene in altri set di dati. Tuttavia, i parametri di trasformazione possono essere ottimizzati per migliorare le prestazioni nei set di dati locali, se necessario.

Il protocollo è stato progettato intenzionalmente per essere per lo più agnostico rispetto all'acquisizione e alla segmentazione delle immagini, poiché questi passaggi dipendono dall'hardware di imaging disponibile o preferito, dai protocolli di imaging e dagli strumenti software di analisi delle immagini. Il protocollo TC dovrebbe idealmente essere a fette sottili, senza contrasto, con kernel di ricostruzione equivalente allo standard per consentire la misurazione di metriche quantitative parenchimali, delle vie aeree e/o vascolari convalidate 10,11,50. La TC può essere acquisita a piena inspirazione, che è meglio convalidata per le misurazioni quantitative¹⁰, o abbinata al volume alla risonanza magnetica per facilitare meglio la registrazione TC-MRI e accoppiare le misurazioni struttura-funzione allo stesso volume di inflazione polmonare^24,30. La TC espiratoria potrebbe anche essere eseguita e registrata nella TC inspiratoria per la quantificazione dell'intrappolamento dell'aria 17,18,34. Per la segmentazione e l'analisi quantitativa, sono disponibili in commercio vari strumenti software CT⁵⁸ o open-source⁵⁹. D'altra parte, sono^{stati pubblicati 99}protocolli di acquisizione della risonanza magnetica Xe, che attualmente raccomandano acquisizioni separate in apnea per la risonanza magnetica ¹²⁹Xe e ¹H. Sono stati sviluppati nuovi protocolli che acquisiscono ¹²⁹Xe e ¹H MRI nella stessa apnea^53,54 e, quindi, possono ovviare alla fase di pre-elaborazione della registrazione ^{1 H-129}Xe. Inoltre, questo protocollo si concentra sull'imaging di ventilazione ¹²⁹Xe MR, ma è applicabile in modo simile per l'imaging a scambio gassoso ¹²⁹Xe. Come metodo emergente, la segmentazione e la quantificazione della risonanza magnetica ¹²⁹Xe/¹H non sono ancora standardizzate; In letteratura sono stati riportati molti metodi che potrebbero essere utilizzati qui e sono stati ben riassunti in una recente revisione⁶⁰. Indipendentemente dal modo in cui vengono acquisite le immagini TC e ^{1 H-129}Xe MR e dalle relative maschere monomarca, questo protocollo di registrazione è destinato ad essere ampiamente applicabile.

Riconosciamo i limiti dell'attuale protocollo, in primo luogo che è in qualche modo manuale, soprattutto per la pre-elaborazione per prepararsi alla registrazione e per la valutazione delle prestazioni della registrazione. I metodi automatizzati sono stati proposti in precedenza⁴⁵ e i miglioramenti nel protocollo esistente verso l'automazione saranno importanti per una traduzione clinica senza soluzione di continuità. Anche l'attuale registrazione è basata su CPU; mentre l'elaborazione della CPU è probabilmente più ampiamente disponibile e la registrazione viene eseguita entro circa 10 minuti, l'implementazione con unità di elaborazione grafica (GPU) e/o deep learning potrebbe ridurre ulteriormente il tempo di esecuzione e potenzialmente migliorare l'accuratezza della registrazione. Infine, non vengono fornite raccomandazioni o metodologia per la TC e la segmentazione dell'immagine ^{RM 1}H/¹²⁹Xe. C'è una vasta gamma di metodi disponibili per entrambi, quindi questo è lasciato alla scelta dei lettori; Tuttavia, esiste un'immensa opportunità per una pipeline che comprende la segmentazione e la registrazione automatiche per accelerare ulteriormente la traduzione clinica.

Questo protocollo di registrazione può essere applicato per la ricerca o per contesti clinici in cui è disponibile la risonanza magnetica ^{Xe 129}iperpolarizzata. Nel panorama della ricerca, la TC complementare e la risonanza magnetica ¹²⁹Xe hanno ampiamente supportato la scoperta di nuove intuizioni sulla struttura-funzione polmonare regionale, ad esempio, nell'asma 20,21,22,28,29,30,31,32, BPCO 24,25,34,35 e IPF ^{37. 61}. Il ponte verso la traduzione clinica, tuttavia, arriva negli interventi polmonari guidati da immagini. La termoplastica bronchiale guidata da immagini mediante TC e risonanza magnetica ¹²⁹Xe in pazienti con asma grave ha consentito un minor numero di procedure broncoscopiche, un minor numero di eventi avversi peri-procedura e risultati non inferiori riportati dal paziente rispetto alla terapia convenzionale con polmone intero^62,63. Nella BPCO, la struttura quantitativa della TC e la funzione della risonanza magnetica ¹²⁹Xe possono suggerire diversi obiettivi di riduzione del volume polmonare broncoscopico basati sul maggior carico lobare di enfisema CT e anomalie della ventilazione MRI, evidenziando l'importanza di considerare insieme struttura e funzione²³. Inoltre, sono stati proposti schemi di radioterapia funzionale per evitare i polmoni^40,64 per risparmiare le regioni con funzione ventilatoria e di scambio gassoso preservata alla risonanza magnetica da un'indebita esposizione alle radiazioni. Ulteriori opportunità guidate da immagini negli interventi polmonari includono la resezione chirurgica del carcinoma polmonare⁶⁵, il posizionamento di stent e valvole delle vie aeree nella BPCO e altre nuove terapie broncoscopiche per la BPCO o la bronchite cronica come l'ablazione termica a vapore, la crioterapia o la reoplastica^66,67. La Figura 4 illustra l'enfisema TC lobare e le anomalie della ventilazione MRI per un paziente con BPCO che potrebbero essere prese in considerazione nella pianificazione del trattamento. I polmoni rimangono una delle ultime frontiere del corpo umano per gli interventi guidati da immagini; insieme, la TC e la risonanza magnetica ¹²⁹Xe forniscono informazioni complementari che hanno migliorato la nostra comprensione della struttura-funzione polmonare, che ora può essere implementata per gli interventi polmonari guidati da immagini. Il protocollo di registrazione MRI ^CT-129Xe fornito qui può consentire ulteriori scoperte della struttura-funzione polmonare, nonché interventi guidati da immagini per migliorare l'assistenza, il trattamento e gli esiti per i pazienti con malattie respiratorie.

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/	analisi/visualizzazione delle immagini; infrastruttura di
https://github.com/ANTsX/ANTsPy open source ANTsPy	NA		open source
ITK-SNAP	NA		di analisi/visualizzazione delle immagini; open source
MAGNETOM Vida 3.0T MRI	Siemens Healthineers	NA	Può essere qualsiasi scanner da 1,5 T o 3,0 T con capacità di imaging a banda larga
MATLAB	Mathworks	https://www.mathworks.com/products/matlab.html	Software generale, ottimo per l'analisi delle immagini; disponibile in abbonamento
reg.py	NA	NA	Script di registrazione (File supplementare 1)
Revolution HD CT scanner	GE Healthcare	NA	Può essere qualsiasi scanner CT con ≥ 64 rivelatori
VIDA Insights	VIDA Diagnostics Inc.	Software	di analisi NA CT; può essere qualsiasi per generare maschere