Quantificazione precisa della cirrosi epatica non invasiva tramite imaging multimodale di rigidità-fusione strutturale

Sommario

L'elastografia tradizionale a risonanza magnetica separa le immagini di rigidità e strutturali, richiedendo la delineazione manuale del ROI e l'intervento del radiologo. Questo studio introduce un metodo di fusione multimodale che combina entrambi i tipi di immagini per produrre immagini di fusione rigidità-strutturale e statistiche sulla distribuzione della rigidità epatica, supportando un'accurata stadiazione della cirrosi e consentendo l'analisi radiomica basata sulla distribuzione della rigidità epatica.

Abstract

L'elastografia tradizionale a risonanza magnetica (MRE) presenta separatamente la rigidità e le immagini strutturali, richiedendo la delineazione manuale del ROI per la valutazione della rigidità epatica. Ciò introduce variabilità per l'osservatore e può trascurare lesioni significative, non riuscendo a rappresentare accuratamente i modelli di distribuzione della rigidità dell'intero fegato. Il presente studio ha implementato la fusione di immagini multimodali integrando mappe di rigidità con immagini strutturali utilizzando: (1) acquisizione su una risonanza magnetica 3.0T con imaging pesato in T1 ottimizzato (TR/TE = 157.62/1.17 ms) e MRE (vibrazioni a 60 Hz); (2) pre-elaborazione computazionale di dati DICOM in volumi 3D; (3) calcolo preciso della co-registrazione e della fusione; e (4) analisi quantitativa della distribuzione della rigidità epatica in diversi stadi della cirrosi. La tecnica di imaging di fusione rigidità-strutturale ha integrato le strutture anatomiche con i modelli di rigidità in un'unica visualizzazione, consentendo la valutazione simultanea della morfologia epatica e della distribuzione della rigidità. L'analisi comparativa ha rivelato una chiara differenziazione tra pazienti cirrotici e controlli sani, con fegati cirrotici che mostravano percentuali significativamente più elevate di fibrosi avanzata. Questa tecnica ha eliminato la variabilità dovuta al posizionamento manuale del ROI e ha stabilito un quadro standardizzato per una valutazione completa dell'intero fegato. La tecnica di imaging di fusione rigidità-strutturale fornisce una visualizzazione completa della rigidità epatica con una precisa correlazione anatomica, migliorando potenzialmente l'accuratezza diagnostica rispetto alla MRE convenzionale. Questo approccio elimina la variabilità dell'osservatore, consente una valutazione standardizzata dell'intero fegato e stabilisce un quadro quantitativo per il monitoraggio della progressione della malattia e della risposta al trattamento, facilitando al contempo una migliore comunicazione medico-paziente e offrendo una base per la radiomica avanzata nella stadiazione della cirrosi epatica.

Introduzione

La cirrosi epatica rappresenta una sfida significativa per la salute globale, con una stadiazione accurata che è fondamentale per una gestione ottimale del paziente e la pianificazione del trattamento ^1,2. L'elastografia a risonanza magnetica (MRE) si è affermata come una preziosa tecnica non invasiva per la valutazione della cirrosi epatica, offrendo vantaggi rispetto alle procedure di biopsia invasive che comportano rischi intrinseci di errore di campionamento e disagio per il paziente ^3,4,5. Tuttavia, gli approcci MRE convenzionali presentano limitazioni significative nella pratica clinica che influiscono sull'accuratezza diagnostica e sull'efficienza del flusso di lavoro.

Le metodologie MRE tradizionali presentano tipicamente mappe di rigidità e immagini strutturali come entità separate, richiedendo ai medici di correlare mentalmente le caratteristiche anatomiche con i modelli di rigidità in diverse serie di immagini ^5,6. Questo approccio richiede il posizionamento manuale della regione di interesse (ROI) per la quantificazione della rigidità epatica, introducendo una notevole variabilità tra gli osservatori e un potenziale bias di campionamento ^7,8. Inoltre, l'approccio convenzionale basato sul ROI non riesce a catturare la natura eterogenea della distribuzione della rigidità epatica, come evidenziato nella recente letteratura che sottolinea il significato prognostico dell'eterogeneità parenchimale nella progressione della malattia epatica cronica ^9,10. L'incapacità di visualizzare e quantificare in modo completo la distribuzione della rigidità dell'intero fegato rappresenta un ostacolo significativo all'analisi radiomica avanzata e alla caratterizzazione precisa della malattia.

Le tecniche alternative non invasive per la valutazione della cirrosi epatica includono l'elastografia ecografica e i pannelli di biomarcatori sierici^11,12. Sebbene l'elastografia transitoria offra misurazioni puntuali della rigidità epatica, manca delle capacità di mappatura spaziale complete della MRE ¹³. I pannelli di biomarcatori sierici forniscono stime indirette della fibrosi, ma non possono visualizzare la distribuzione spaziale delle alterazioni parenchimali¹¹. Recenti studi comparativi hanno costantemente dimostrato un'accuratezza diagnostica superiore della MRE per gli stadi intermedi e avanzati della fibrosi rispetto a queste alternative^13,14.

Per affrontare queste limitazioni, abbiamo sviluppato una nuova tecnica di imaging multimodale di fusione rigidità-strutturale che integra perfettamente mappe quantitative di rigidezza con immagini strutturali ad alta risoluzione. Questo approccio consente la visualizzazione simultanea di punti di riferimento anatomici e modelli di rigidità in un'unica rappresentazione integrata, eliminando la necessità di co-registrazione mentale e riducendo il carico cognitivo durante l'interpretazione^15,16. La tecnica fornisce un'analisi completa della distribuzione della rigidità dell'intero fegato, superando i limiti di campionamento dei metodi convenzionali basati sul ROI.

Questo studio ha utilizzato sistemi di risonanza magnetica 3.0 Tesla con funzionalità di elastografia, preparazione standard del paziente che include 4-6 ore di digiuno e MATLAB con Image Processing Toolbox per l'analisi computazionale. Questi requisiti sono sempre più disponibili nei centri medici accademici e nelle strutture di imaging specializzate.

Questo protocollo fornisce una metodologia dettagliata per l'implementazione della tecnica di fusione rigido-strutturale in contesti clinici e di ricerca. L'approccio è particolarmente utile per i centri che hanno accesso alle funzionalità di risonanza magnetica e che cercano di migliorare la precisione diagnostica, migliorare l'efficienza del flusso di lavoro clinico e stabilire quadri quantitativi per il monitoraggio longitudinale della malattia epatica cronica. La tecnica è applicabile a varie eziologie della malattia epatica cronica e può essere implementata con un tempo di post-elaborazione aggiuntivo minimo utilizzando il framework computazionale fornito.

Protocollo

Il protocollo è stato eseguito con l'approvazione istituzionale dell'IRB. Un paziente dell'ospedale Dongzhimen, Università di Medicina Cinese di Pechino, è stato sottoposto a risonanza magnetica addominale superiore di routine e risonanza magnetica presso l'ospedale YouAn con il consenso informato. Questo caso è stato selezionato per la metodologia di ricerca a causa della progressione confermata da fibrosi a cirrosi, evidenziando il valore dell'approccio nella diagnosi del confine tra fibrosi epatica e cirrosi. Lo studio fornisce anche un confronto quantitativo tra la distribuzione della rigidità epatica (LSD) di questo paziente e quella di un fegato sano. Tutte le attrezzature e gli strumenti software utilizzati in questo studio sono elencati nella Tabella dei materiali.

1. Strategie di scansione MRI

1. Preparare il paziente assicurando un periodo di digiuno di 4-6 ore prima dell'esame per ridurre la variabilità fisiologica.
2. Posizionare il paziente sul sistema di risonanza magnetica 3.0 Tesla utilizzando una combinazione di un array addominale a 16 canali e una bobina di array posteriore a 32 canali.
3. Acquisizione di immagini strutturali
   1. Eseguire l'imaging anatomico utilizzando una sequenza di eco richiamata in gradiente richiamata in gradiente 2D assiale 2D pesata in apnea con i seguenti parametri:
      NOTA: TR/TE = 157,62/1,17 ms; Angolo di ribaltamento = 60°; Campo visivo = 400 × 400 mm²; Matrice di acquisizione = 512 × 512; Spessore fetta = 7 mm.
   2. Verificare che la sequenza fornisca informazioni strutturali ad alta risoluzione (risoluzione nel piano di 0,78 × 0,78 mm²) con capacità intrinseca di separazione grasso-acqua.
4. Acquisizione elastografia RM
   1. Posizionare il driver pneumatico sul fegato anteriore destro per applicare vibrazioni meccaniche a 60 Hz.
   2. Eseguire la mappatura della rigidità epatica utilizzando un'acquisizione basata sull'imaging ecoplanare 2D (EPI) con i seguenti parametri:
      NOTA: TR/TE = 1050,3/63,4 ms; Angolo di ribaltamento = 90°; Campo visivo = 420 × 420 mm²; Matrice di acquisizione = 256 × 256 (ricostruita a 256 × 256); Spessore fetta = 10 mm; Larghezza di banda = 1953,1 Hz/pixel.
   3. Acquisisci otto offset di fase per calcolare la propagazione delle onde e generare mappe quantitative di rigidità (elastogrammi) con valori espressi in kilopascal (kPa).
5. Strategia di co-registrazione delle immagini
   1. Garantisci un allineamento spaziale accurato tra le immagini strutturali e gli elastogrammi mantenendo la posizione identica del paziente e istruzioni coerenti per la trattenuta dell'apnea.
   2. Eseguire tutte le immagini sul piano assiale con una corrispondente copertura della fetta del fegato.
   3. Pianificare la sequenza MRE utilizzando le immagini anatomiche pesate in T1 come riferimento per garantire una copertura ottimale del parenchima epatico.
   4. Verificare che entrambe le sequenze utilizzino lo stesso quadro di riferimento per facilitare la co-registrazione automatizzata nel successivo processo di fusione.

2. Raccolta e preparazione dei dati

1. Rinominare la cartella di ogni sequenza
   NOTA: Aggiungere nomi espliciti per ogni sequenza, poiché i dati DICOM esportati dall'apparecchiatura non sono identificativi della sequenza. Ciò facilita la successiva analisi ed elaborazione.
   1. Eseguire la funzione Description_Name per aggiungere nomi descrittivi alle cartelle per ogni sequenza.
   2. Copiare tutti i dati DICOM in una directory di lavoro personalizzata.
   3. Passare alla directory contenente i dati nella directory di lavoro di MATLAB.
2. Controllo rapido delle immagini della sequenza strutturale
   NOTA: Esaminare le immagini strutturali derivate dall'imaging T1, che condividono lo stesso sistema di coordinate con le mappe di rigidità e forniscono una chiara visualizzazione del contorno epatico, essenziale per i successivi calcoli della distribuzione della rigidità.
   1. Genera una matrice di volume 3D dai file DICOM delle sequenze MRI utilizzando il seguente codice MATLAB:
      f=dir('*.dcm');
      per i=1:lunghezza(f)
      V(:,:,i)=dicomread(fullfile(f(i).folder,f(i).name));
      Fine
   2. Visualizza la sequenza di immagini utilizzando la funzione sliceViewer di MATLAB per l'esame interattivo:
      figura;
      H=sliceViewer(V); mappa dei colori (grigio(1024));
      set(gcf, 'Barra degli strumenti', 'figura');
   3. Interagisci con l'interfaccia grafica di sliceViewer . Utilizzare la barra di scorrimento per sfogliare le diverse sezioni. Verificare che i confini del fegato siano chiaramente delineati con un netto contrasto con i tessuti circostanti.
      NOTA: Le immagini accettabili devono mostrare un parenchima epatico continuo senza artefatti da movimento o sfocature (Figura 1). Questo visualizzatore interattivo consente una rapida valutazione della qualità dell'immagine e della morfologia del fegato.
   4. Trova le icone per ingrandire, rimpicciolire e tornare alla vista globale nell'angolo in alto a destra della GUI. Utilizzare l'icona Suggerimento dati per contrassegnare le coordinate di specifiche regioni del fegato per ulteriori analisi.
   5. Si noti che la mappa dei colori grigi predefinita visualizza valori da basso (nero) ad alto (bianco). Fare clic con il pulsante destro del mouse sulla barra dei colori nel menu a comparsa per selezionare diverse opzioni della mappa dei colori per una visualizzazione ottimale del tessuto epatico.
   6. Se il contrasto non è soddisfacente, utilizzare il tasto sinistro del mouse per trascinare verso l'alto e verso il basso al centro della figura per regolare il livello della finestra. Trascina a sinistra e a destra per regolare la larghezza della finestra. L'intervallo di contrasto accurato corrispondente verrà visualizzato sulla barra dei colori.
      NOTA: Utilizzare questi controlli interattivi per ispezionare le caratteristiche della sequenza strutturale della risonanza magnetica in base all'intensità e alle dimensioni spaziali. Valutare l'integrità del contorno anatomico del fegato e la qualità dell'immagine prima di procedere alla fase successiva.
3. Controllo rapido delle mappe di rigidezza MRE
   NOTA: Esaminare le mappe di rigidità MRE per le misurazioni quantitative dell'elasticità epatica, in cui colori diversi rappresentano vari gradi di rigidità, che è essenziale per identificare le aree fibrotiche o cirrotiche.
   1. Genera una matrice di volume 3D dai file DICOM delle sequenze MRE utilizzando il seguente codice MATLAB:
      f=dir('*.dcm');
      per i=1:lunghezza(f)
      V_LSD(:,:,i)=dicomread(fullfile(f(i).folder,f(i).name));
      Fine
   2. Visualizza le mappe di rigidezza MRE utilizzando la funzione sliceViewer di MATLAB per l'esame interattivo:
      figura; H=sliceViewer(V_LSD); mappa dei colori (jet(1024)); set(gcf, 'Barra degli strumenti', 'figura');
   3. Interagisci con l'interfaccia grafica di sliceViewer . Utilizzare la barra di scorrimento nella parte inferiore dell'interfaccia utente grafica (GUI) per sfogliare le diverse sezioni della sequenza (Figura 2). Si noti che questo visualizzatore interattivo consente una rapida valutazione della distribuzione della rigidità e dei modelli di elasticità del fegato.
   4. Trova le icone per ingrandire, rimpicciolire e tornare alla vista globale nell'angolo in alto a destra della GUI. Utilizzare l'icona Suggerimento dati per contrassegnare le coordinate di specifiche regioni del fegato con valori di rigidità notevoli per ulteriori analisi.
   5. Si noti che la mappa dei colori predefinita del getto rappresenta i valori di rigidità da basso (blu) ad alto (rosso). Fare clic con il pulsante destro del mouse sulla barra dei colori nel menu a comparsa per regolare l'intervallo della mappa dei colori per una visualizzazione ottimale dei gradienti di rigidità epatica.
   6. Se il contrasto non è soddisfacente, utilizzare il tasto sinistro del mouse per trascinare verso l'alto e verso il basso al centro della figura per regolare il livello della finestra. Trascina a sinistra e a destra per regolare la larghezza della finestra. L'intervallo di rigidità accurato corrispondente verrà visualizzato sulla barra dei colori.
   7. Verificare che le mappe di rigidità mostrino transizioni di colore uniformi all'interno del parenchima epatico. Una mappatura della rigidità accettabile dovrebbe mostrare artefatti di rumore minimi e una chiara differenziazione tra il tessuto epatico (tipicamente nell'intervallo 1-8 kPa) e le regioni di fondo.
      NOTA: Questi controlli interattivi consentono l'ispezione flessibile delle mappe di rigidità MRE sia nello spazio di intensità che nella posizione della sequenza, facilitando una rapida valutazione della distribuzione della rigidità epatica e delle potenziali aree di fibrosi.

3. Fusione rigidità-struttura

NOTA: Integrare entrambe le modalità poiché le mappe di rigidità da sole non possono localizzare con precisione le lesioni senza la correlazione dell'immagine strutturale.

1. Definisci le variabili di percorso sia per le immagini strutturali che per le mappe di rigidezza, nonché i file di scansione approssimativamente nelle stesse posizioni assiali.
2. Selezionare la funzione Struct_Stiffness_Fusion (I_fusion = Struct_Stiffness_Fusion(I_structural, I_stiffness)) per generare immagini di fusione rigidezza-strutturale nella directory corrente.
3. Individua i file di immagine di fusione nel browser dei file e aprili utilizzando il visualizzatore di immagini predefinito. Verificare che le strutture anatomiche e i modelli di rigidità siano allineati correttamente.
   NOTA: Le immagini di fusione accettabili devono dimostrare una sovrapposizione precisa senza errori di registrazione spaziale tra i dati strutturali e quelli elastografici. Seguendo i passaggi precedenti, le posizioni assiali di scansione allineate emettono automaticamente la sequenza di immagini di fusione, che può essere visualizzata utilizzando i comuni visualizzatori di immagini RGB.

4. La distribuzione della rigidità epatica

NOTA: Per integrare l'analisi dell'immagine di fusione mostrata nella Figura 3, generare statistiche sulla distribuzione della rigidità epatica come dimostrato nella Figura 4.

1. Ripetere i passaggi 1-3 per esaminare i pazienti con diversi stadi di cirrosi epatica.
2. Selezionare la funzione LSD_compute ([LSD_distribution, LSD_stats] = LSD_compute(V_stiffness, liver_mask)) per calcolare i valori di LSD (distribuzione della rigidità epatica) del paziente in diversi stadi di rigidità¹⁵ (Figura 4).
   NOTA: Il paziente mostrato nella Figura 3 è in fase avanzata di fibrosi epatica che è già progredita in cirrosi, con rigidità media dell'intero fegato che raggiunge i 5 kPa. Pertanto, nella distribuzione quantitativa nella Figura 4, la maggior parte dei valori di rigidità del tessuto epatico sono superiori allo stadio F4.

5. Verifica finale e archiviazione dei dati

1. Verificate che tutte le immagini di fusione siano state generate e salvate correttamente nella directory di lavoro.
2. Confermare che i risultati dell'analisi LSD siano stati calcolati e documentati per l'interpretazione clinica.
3. Archivia tutti i dati elaborati, comprese le immagini strutturali, le mappe di rigidità, le immagini di fusione e le metriche quantitative LSD, per riferimento futuro e confronto longitudinale.
   NOTA: Il protocollo di imaging multimodale per la fusione rigida-strutturale è ora completo. Le immagini di fusione generate e l'analisi quantitativa dell'LSD forniscono dati completi per la valutazione del fegato pronti per l'interpretazione clinica e la comunicazione con il paziente.

Risultati

L'approccio di visualizzazione presentato in questo studio offre informazioni complete sulla struttura epatica e sulla distribuzione della rigidità, consentendo una valutazione precisa della cirrosi epatica. Attraverso l'interfaccia grafica illustrata nella Figura 1, i medici possono comprendere meglio l'anatomia strutturale del fegato attraverso più sezioni trasversali, valutandone principalmente l'integrità anatomica. L'esame della Figura 2 rivela una limitazi...

Discussione

Passaggi critici
Diverse fasi critiche del protocollo richiedono particolare attenzione per garantire il successo dell'implementazione della tecnica di imaging di fusione strutturale e rigidità multimodale. In primo luogo, la pianificazione della sequenza MRE utilizzando immagini anatomiche pesate in T1 come riferimento garantisce una copertura ottimale del parenchima epatico e facilita la successiva co-registrazione automatizzata¹⁵. In secondo...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
MATLAB	GE Medical Systems	magnetica SIGNA Pioneer	3.0 Tesla
	Entropia intelligente	LSD-Fusion V1.0	Pechino Entropia intelligente Scienza & Technology Co Ltd. Modellazione per la fusione CT/MRI
Strumenti per la modellazione	MathWorks	2022B	Informatica e visualizzazione