Name: 前臨床イメージングモダリティのマルチモーダルクロスデバイスおよびマーカーフリー同時登録 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-10-27T12:50:00.000+00:00
Duration: 7 min 13 s
Description: 学ぶ前臨床イメージングのマルチモーダル画像融合と自動解析手法。マーカー不要の画像登録により、小動物のmicro CTとPETデータを効率的に統合し、再現性のある定量的解析を実現する。

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著者らは、資金提供について、ノルトライン・ヴェストファーレン連邦政府、欧州連合(EFRE)、ドイツ研究財団(プロジェクトID 403224013 - SFB 1382、プロジェクトQ1)CRC1382に感謝します。

デバイス間での2つの前臨床イメージングモダリティの効果的な同時登録

<ol><li>Hage, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterizing+responsive+and+refractory+orthotopic+mouse+models+of+hepatocellular+carcinoma+in+cancer+immunotherapy%5BTitle%5D)+AND+%22PLOS+ONE%22%5BJournal%5D)">Characterizing responsive and refractory orthotopic mouse models of hepatocellular carcinoma in cancer immunotherapy.</a> PLOS ONE. 14 (7), (2019).</li>
<li>Mannheim, J. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+small+animal+CT+contrast+agents%5BTitle%5D)+AND+%22Contrast+Media+%26+Molecular+Imaging%22%5BJournal%5D)">Comparison of small animal CT contrast agents.</a> Contrast Media & Molecular Imaging. 11 (4), 272-284 (2016).</li>
<li>Kampschulte, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nano-computed+tomography%3A+technique+and+applications%5BTitle%5D)+AND+%22R%C3%B6Fo+-+Fortschritte+auf+dem+Gebiet+der+R%C3%B6ntgenstrahlen+und+der+bildgebenden+Verfahren%22%5BJournal%5D)">Nano-computed tomography: technique and applications.</a> RöFo - Fortschritte auf dem Gebiet der Röntgenstrahlen und der bildgebenden Verfahren. 188 (2), 146-154 (2016).</li>
<li>Wang, X., Jacobs, M., Fayad, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Therapeutic+response+in+musculoskeletal+soft+tissue+sarcomas%3A+evaluation+by+magnetic+resonance+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22NMR+in+Biomedicine%22%5BJournal%5D)">Therapeutic response in musculoskeletal soft tissue sarcomas: evaluation by magnetic resonance imaging.</a> NMR in Biomedicine. 24 (6), 750-763 (2011).</li>
<li>Hage, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+the+accuracy+of+FMT%2FCT+and+PET%2FMRI+for+the+assessment+of+Antibody+biodistribution+in+squamous+cell+carcinoma+xenografts%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Nuclear+Medicine%3A+Official+Publication%2C+Society+of+Nuclear+Medicine%22%5BJournal%5D)">Comparison of the accuracy of FMT/CT and PET/MRI for the assessment of Antibody biodistribution in squamous cell carcinoma xenografts.</a> Journal of Nuclear Medicine: Official Publication, Society of Nuclear Medicine. 59 (1), 44-50 (2018).</li>
<li>Borgert, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fundamentals+and+applications+of+magnetic+particle+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Cardiovascular+Computed+Tomography%22%5BJournal%5D)">Fundamentals and applications of magnetic particle imaging.</a> Journal of Cardiovascular Computed Tomography. 6 (3), 149-153 (2012).</li>
<li>Vermeulen, I., Isin, E. M., Barton, P., Cillero-Pastor, B., Heeren, R. M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multimodal+molecular+imaging+in+drug+discovery+and+development%5BTitle%5D)+AND+%22Drug+Discovery+Today%22%5BJournal%5D)">Multimodal molecular imaging in drug discovery and development.</a> Drug Discovery Today. 27 (8), 2086-2099 (2022).</li>
<li>Liu, Y. -H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Accuracy+and+reproducibility+of+absolute+quantification+of+myocardial+focal+tracer+uptake+from+molecularly+targeted+SPECT%2FCT%3A+A+canine+validation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Nuclear+Medicine+Official+Publication%2C+Society+of+Nuclear+Medicine%22%5BJournal%5D)">Accuracy and reproducibility of absolute quantification of myocardial focal tracer uptake from molecularly targeted SPECT/CT: A canine validation.</a> Journal of Nuclear Medicine Official Publication, Society of Nuclear Medicine. 52 (3), 453-460 (2011).</li>
<li>Zhang, Y. -D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advances+in+multimodal+data+fusion+in+neuroimaging%3A+Overview%2C+challenges%2C+and+novel+orientation%5BTitle%5D)+AND+%22An+International+Journal+on+Information+Fusion%22%5BJournal%5D)">Advances in multimodal data fusion in neuroimaging: Overview, challenges, and novel orientation.</a> An International Journal on Information Fusion. 64, 149-187 (2020).</li>
<li>Nahrendorf, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hybrid+PET-optical+imaging+using+targeted+probes%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Hybrid PET-optical imaging using targeted probes.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 107 (17), 7910-7915 (2010).</li>
<li>Zhang, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+co-registered+hybrid-contrast+imaging+by+successive+photoacoustic+tomography+and+magnetic+resonance+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Photoacoustics%22%5BJournal%5D)">In vivo co-registered hybrid-contrast imaging by successive photoacoustic tomography and magnetic resonance imaging.</a> Photoacoustics. 31, 100506(2023).</li>
<li>Yamoah, G. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Data+curation+for+preclinical+and+clinical+multimodal+imaging+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Molecular+Imaging+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Data curation for preclinical and clinical multimodal imaging studies.</a> Molecular Imaging and Biology. 21 (6), 1034-1043 (2019).</li>
<li>Schönemann, P. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+generalized+solution+of+the+orthogonal+procrustes+problem%5BTitle%5D)+AND+%22Psychometrika%22%5BJournal%5D)">A generalized solution of the orthogonal procrustes problem.</a> Psychometrika. 31 (1), 1-10 (1966).</li>
<li>Filippou, V., Tsoumpas, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+advances+on+the+development+of+phantoms+using+3D+printing+for+imaging+with+CT%2C+MRI%2C+PET%2C+SPECT%2C+and+ultrasound%5BTitle%5D)+AND+%22Medical+Physics%22%5BJournal%5D)">Recent advances on the development of phantoms using 3D printing for imaging with CT, MRI, PET, SPECT, and ultrasound.</a> Medical Physics. 45 (9), e740-e760 (2018).</li>
<li>Gear, J. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Radioactive+3D+printing+for+the+production+of+molecular+imaging+phantoms%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Radioactive 3D printing for the production of molecular imaging phantoms.</a> Physics in Medicine and Biology. 65 (17), 175019(2020).</li>
<li>Sra, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cardiac+image+integration+implications+for+atrial+fibrillation+ablation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Interventional+Cardiac+Electrophysiology%3A+An+International+Journal+of+Arrhythmias+and+Pacing%22%5BJournal%5D)">Cardiac image integration implications for atrial fibrillation ablation.</a> Journal of Interventional Cardiac Electrophysiology: An International Journal of Arrhythmias and Pacing. 22 (2), 145-154 (2008).</li>
<li>Zhao, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reproducibility+and+radiation+effect+of+high-resolution+in+vivo+micro+computed+tomography+imaging+of+the+mouse+lumbar+vertebra+and+long+bone%5BTitle%5D)+AND+%22Annals+of+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Reproducibility and radiation effect of high-resolution in vivo micro computed tomography imaging of the mouse lumbar vertebra and long bone.</a> Annals of Biomedical Engineering. 48 (1), 157-168 (2020).</li>
<li>Gremse, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imalytics+preclinical%3A+interactive+analysis+of+biomedical+volume+data%5BTitle%5D)+AND+%22Theranostics%22%5BJournal%5D)">Imalytics preclinical: interactive analysis of biomedical volume data.</a> Theranostics. 6 (3), 328-341 (2016).</li>
<li>Willmott, C. J., Matsuura, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+use+of+dimensioned+measures+of+error+to+evaluate+the+performance+of+spatial+interpolators%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Geographical+Information+Science%22%5BJournal%5D)">On the use of dimensioned measures of error to evaluate the performance of spatial interpolators.</a> International Journal of Geographical Information Science. 20 (1), 89-102 (2006).</li>
<li>Thamm, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intrinsic+respiratory+gating+for+simultaneous+multi-mouse+%C2%B5CT+imaging+to+assess+liver+tumors%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Intrinsic respiratory gating for simultaneous multi-mouse µCT imaging to assess liver tumors.</a> Frontiers in Medicine. 9, 878966(2022).</li>
<li>La Riviere, P. J., Crawford, C. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+EMI+to+AI%3A+a+brief+history+of+commercial+CT+reconstruction+algorithms%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Medical+Imaging%22%5BJournal%5D)">From EMI to AI: a brief history of commercial CT reconstruction algorithms.</a> Journal of Medical Imaging. 8 (5), 052111(2021).</li>
<li>Hoffmann, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Framework+for+2D-3D+image+fusion+of+infrared+thermography+with+preoperative+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Biomedical+Engineering+%2F+Biomedizinische+Technik%22%5BJournal%5D)">Framework for 2D-3D image fusion of infrared thermography with preoperative MRI.</a> Biomedical Engineering / Biomedizinische Technik. 62 (6), 599-607 (2017).</li>
<li>Boone, J. M., Velazquez, O., Cherry, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Small-animal+X-ray+dose+from+micro-CT%5BTitle%5D)+AND+%22Molecular+Imaging%22%5BJournal%5D)">Small-animal X-ray dose from micro-CT.</a> Molecular Imaging. 3 (3), 149-158 (2004).</li>
<li>Gremse, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hybrid+%C2%B5Ct-Fmt+imaging+and+image+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Hybrid µCt-Fmt imaging and image analysis.</a> Journal of Visualized Experiments. 100, e52770(2015).</li>
<li>Bhushan, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Co-registration+and+distortion+correction+of+diffusion+and+anatomical+images+based+on+inverse+contrast+normalization%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Co-registration and distortion correction of diffusion and anatomical images based on inverse contrast normalization.</a> NeuroImage. 115, 269-280 (2015).</li>
<li>Lee, S. Y., Jeon, S. I., Jung, S., Chung, I. J., Ahn, C. -H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Targeted+multimodal+imaging+modalities%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Drug+Delivery+Reviews%22%5BJournal%5D)">Targeted multimodal imaging modalities.</a> Advanced Drug Delivery Reviews. 76, 60-78 (2014).</li>
<li>Dasgupta, A., Biancacci, I., Kiessling, F., Lammers, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging-assisted+anticancer+nanotherapy%5BTitle%5D)+AND+%22Theranostics%22%5BJournal%5D)">Imaging-assisted anticancer nanotherapy.</a> Theranostics. 10 (3), 956-967 (2020).</li>
<li>Zhu, X., Li, J., Peng, P., Hosseini Nassab, N., Smith, B. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative+drug+release+monitoring+in+tumors+of+living+subjects+by+magnetic+particle+imaging+nanocomposite%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Quantitative drug release monitoring in tumors of living subjects by magnetic particle imaging nanocomposite.</a> Nano Letters. 19 (10), 6725-6733 (2019).</li>
<li>McDougald, W. A., Mannheim, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Understanding+the+importance+of+quality+control+and+quality+assurance+in+preclinical+PET%2FCT+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22EJNMMI+Physics%22%5BJournal%5D)">Understanding the importance of quality control and quality assurance in preclinical PET/CT imaging.</a> EJNMMI Physics. 9 (1), 77(2022).</li>
<li>Birkfellner, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multi-modality+imaging%3A+a+software+fusion+and+image-guided+therapy+perspective%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Physics%22%5BJournal%5D)">Multi-modality imaging: a software fusion and image-guided therapy perspective.</a> Frontiers in Physics. 6, 00066(2018).</li>
</ol>

FGは、アーヘン工科大学のスピンアウトであるGremse-IT GmbHの所有者であり、生物医学画像解析用のソフトウェアを商品化しています。J.J.は、分子イメージング用のファントムを商品化するPhantech LLCの共同所有者です。残りの著者は、この研究が潜在的な利益相反と解釈される可能性のある商業的または金銭的関係がない状態で行われたことを宣言します。M.Tが原稿を書きました。J.J.は、記事に示されているように、模範的なCT / SPECTスキャンを実行しました。B.S.とY.Zは、この記事で例示されているCT/MPIスキャンを実行しました。F.G.が研究を監督し、論文を改訂しました。すべての著者が記事に貢献し、提出されたバージョンを承認しました。

前臨床イメージングモダリティが異なれば、それぞれ異なる長所と短所があります。たとえば、X線コンピューター断層撮影(CT)は、骨や肺など、さまざまな電波密度の解剖学的構造を調べるのに適しています。これは、その高速な取得速度、高い3次元解像度、画像評価の比較的容易さ、および造影剤1,2,3の有無にかかわらず汎用性のために広く使用されています。磁気共鳴画像法(MRI)は、電離放射線を伴わずに最も汎用性の高い軟部組織造影剤を提供します4。一方、陽電子放出断層撮影法(PET)、単一光子放出型コンピュータ断層撮影法(SPECT)、蛍光媒介断層撮影法(FMT)、磁性粒子イメージング法(MPI)などのトレーサーベースのモダリティは、放射性標識診断用または治療用化合物の分子プロセス、代謝、生体内分布を高感度で定量的に評価するための確立されたツールです。しかし、それらは解像度と解剖学的情報5,6を欠いています。したがって、より解剖学指向のモダリティは、通常、トレーサー検出に強みを持つ高感度のモダリティと組み合わされます7。これらの組み合わせにより、特定の関心領域内のトレーサー濃度の定量が可能になります8,9。複合イメージングデバイスの場合、通常、モダリティの共登録が組み込み機能です。ただし、異なるデバイスからのスキャンを同時登録することも便利です(たとえば、デバイスが個別に購入された場合や、ハイブリッドデバイスが利用できない場合など)。
本稿では、基礎研究や創薬に不可欠な小動物イメージングにおけるクロスモダリティ融合に着目します。以前の研究10 では、これは特徴認識、等高線マッピング、または基準マーカー(指標)を使用して達成できることが指摘されています。フィデューシャルは、さまざまなイメージングモダリティからの画像を正確に位置合わせし、相関させるための基準点です。特別な場合には、フィデューシャルはヌードマウス11の皮膚上の中国のインクの点でさえあり得る。ただし、多くの場合、基準マーカーが組み込まれたイメージングカートリッジが使用されます。これは堅牢で十分に開発された方法10ですが、すべてのスキャンに使用すると実際的な問題が発生します。MRIで検出可能な基準は、多くの場合、液体ベースであり、保管中に乾燥する傾向があります。PETには放射性マーカーが必要であり、その信号はエミッターの半減期(通常は生物医学用途では短い)に従って減衰するため、スキャンの直前に準備する必要があります。また、基準マーカーと検査対象物からの信号のダイナミックレンジの不一致など、 in vivo イメージングに強い影響を与える問題もあります。ダイナミックコントラストの範囲が広いため、マーカーの信号強度を検査対象物に頻繁に適合させる必要があります。したがって、弱いマーカー信号は解析で検出されない可能性がありますが、強いマーカー信号は画像品質を損なうアーティファクトを生成する可能性があります。さらに、マーカーを一貫して含めるには、多くのアプリケーションで視野を不必要に大きくする必要があり、放射線被曝の増加、データ量の増加、スキャン時間の延長、場合によっては解像度の低下につながる可能性があります。これは、実験動物の健康状態や生成されるデータの品質に影響を与える可能性があります。
変換と微分変換 画像データセットは、ボクセル データとメタデータで構成されます。各ボクセルは強度値に関連付けられています(図 1A)。メタデータには、イメージング デバイスの座標系でのデータセットの配置 (図 1B) と、座標系のスケーリングに使用されるボクセル サイズを指定する変換が含まれています。デバイスの種類やスキャン日などの追加情報は、オプションでメタデータに保存できます。前述の変換は、数学的には剛体変換と呼ばれます。リジッドボディトランスフォームは、各ポイントペア間の距離を維持しながら、画像または幾何学的空間内のオブジェクトの向きや位置を変更するために使用されます。つまり、トランスフォームされたオブジェクトは、空間内で回転および平行移動される間、そのサイズと形状を保持します。このような一連の変換は、回転とそれに続く平行移動で構成される 1 つの変換として説明できます。ソフトウェアがデータ座標からメートル法のターゲット座標に移動するために使用する式を図 1C に示します (ここで、R は正規直交回転行列、d と v はボクセル インデックスとサイズ、t は 3 x 1 の平行移動ベクトル12)。回転の詳細については、図 1D を参照してください。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65701/65701fig01.jpg"> 図 1: 画像データセットの構造とグローバル座標系での配置の 2D 表現 (A) 画像データセットは、ボクセル データとメタデータで構成されます。配置とボクセル サイズを指定する変換は、重要なメタデータ コンポーネントです。(B) 画像はデバイスの座標系にレンダリングされます。オブジェクトを配置するために必要な変換は、回転 (青) とそれに続く平行移動 (緑) で構成されます。(C) データ座標からターゲット座標に移動するには、R が正規直交回転行列、d と v がボクセル インデックスとサイズ、t が 3 x 1 の平行移動ベクトルである次の式を使用します。(D)回転行列(平面Aの青)は、回転点の線形変換を表します。ポイントの座標にこの行列を掛けると、新しい回転座標が得られます。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65701/65701fig01large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
微分変換は、PETからX線マイクロトモグラフィー(μCT)など、ある座標系から別の座標系に座標を変換する剛体変換であり、基準マーカーを使用して計算できます。少なくとも 3 つの共通点 (フィデューシャル) が両方の座標系で選択されます。それらの座標から、座標を変換する数学的変換を導き出すことができます。このソフトウェアは、最小二乗法を使用しており、測定データに誤差やノイズがある連立方程式に最適なソリューションを提供します。これはプロクラステス問題13 と呼ばれ、特異値分解を使用して解かれます。この分析法は、ユニークで明確に定義された解が得られるため、信頼性と堅牢性に優れています(少なくとも3つの非共線マーカーが与えられている場合)。6つのフリーパラメータが計算されます:3つは平行移動用、3つは回転用です。以下では、技術的には回転行列と並進ベクトルで構成されていますが、変換行列という用語を使用します。
各イメージングデバイスには独自の座標系があり、ソフトウェアはそれらを位置合わせするために微分変換を計算します。 図2A、B は微分変換の決定方法を示し、 図2C、D は微分変換の適用方法を示しています。図 2EのCTとPETの融合例の画像に示されているように、両方のモダリティの画像は異なる寸法を持ち、プロセス内でそれらを保持することができます。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65701/65701fig02.jpg"> 図2:微分変換(A-D)を2Dに簡略化。他のモダリティにも適用できますが、この例ではモダリティが CT と PET であると仮定します。(A,C)赤いバウンディングボックスのCT画像が座標系に配置されます。同じ座標系に適用すると、黄色のバウンディング ボックスを持つ PET イメージはずれて配置されます。(B)CTとPETの両方に配置できる基準マーカーを使用して、微分変換Tを決定できます。これは矢印でシンボル表示されます。微分変換行列が格納されます。(D)以前に保存した微分変換行列Tは、その後、各PET画像に適用できます。これにより、メタデータ内の元の変換を置き換える新しい変換が行われます。(E)CT画像とPET画像が融合した画像。両方の画像のメタデータの変換は、同じ座標系を参照します。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65701/65701fig02large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
方法と要件 提示された方法では、両方のモダリティで見えるマーカーを含むファントムが両方のデバイスでスキャンされます。次に、提案されたソフトウェアでこれらの指標をマークして、2つのモダリティ間の微分変換を計算するだけで十分です。微分変換は、デバイスのペアごとに個別に作成する必要があります。保存しておいて、後で新しい画像に適用できるため、その後のスキャンで基準マーカーを使用する必要がなくなります。別のデバイスの座標系での画像の最終的な配置は、再び変換として記述され、画像のメタデータに格納され、そこで元の変換を置き換えることができます。
この方法には4つの要件を定式化できます: (1) マルチモーダルファントム: 両方のモダリティで見えるマーカーを含むファントムが利用可能でなければなりません。ファントムの大規模な選択が商業的に入手可能であり、ファントム建設のための3Dプリンティングの使用は、放射性物質15の組み込みを含めて、広く説明されている14。次の例で使用されているファントムは、資料表に記載されています。少なくとも 3 つの非同一線点が必要です16。マーカーは、適切なトレーサーで埋めることができる空洞、各モダリティで容易に検出できる材料で作られた小さなオブジェクト、または単にファントム自体の穴、切り込み、またはエッジである可能性があります(両方のモダリティで識別できる限り)。(2)マルチモーダルキャリア:マウスベッドなど、両方のデバイスで再現可能な位置に固定できるキャリアが必要です。理想的には、エラーを避けるために逆の位置で使用できないようにする必要があります。キャリアは、鎮静剤を装着した動物をその位置を変えることなく一方のイメージングデバイスから別のイメージングデバイスに輸送する必要があるため、in vivoイメージングにとって特に重要です。私たちの経験に基づくと、鎮静剤を投与されたマウスは、凹型のマウスベッドと比較して、平らなマウスベッドで位置を変える可能性が高くなります。さらに、マウスの脛骨を保持して動きを最小限に抑えるためのカスタム3Dプリント治具が以前に提案されていました17。(3)自己一貫性:各イメージングデバイスは、その参照フレーム内の再構築されたボリュームの回転と並進を、再現性のある一貫した方法で提供する必要があります。これは、小さな領域のみがスキャンされるときに、デバイス全体の座標系が保持されることも意味します。これは、イメージングデバイスの自己一貫性をテストするためのプロトコルの一部です。(4)ソフトウェアサポート:提案されたソフトウェアは、デバイスによって提供される再構築されたボリュームとともに保存されたメタデータ(ボクセルサイズ、翻訳、向き)を解釈できなければなりません。ボリュームは、DICOM、NIfTI、Analyze、または GFF ファイル形式にすることができます。さまざまなファイル形式の概要については、Yamoah et al.12を参照してください。
2つのモダリティの同時登録が説明されているが、その手順は、例えば、2つのモダリティを1つの参照モダリティに同時登録することにより、3つ以上のモダリティにも適用可能である。

<table><tbody><tr><td>177Lu</td><td></td><td></td><td>radiotracer</td></tr><tr><td>カスタムビルド MPI マウスベッド</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Hot Rod Derenzo&nbsp;</td><td>Phantech LLC. Madison, WI, USA</td><td>D271626</td><td>linearly-filled channel derenzo phantom</td></tr><tr><td>Imalytics Preclinical 3.0</td><td>Gremse-IT GmbH, Aachen, Germany</td><td></td><td>分析ソフトウェア</td></tr><tr><td>Magnetic Insight</td><td>Magnetic Insight Inc., Alameda, CA, USA</td><td></td><td>MPI イメージングデバイス</td></tr><tr><td>Quantum GX microCT</td><td>PerkinElmer</td><td></td><td>&micro;CT撮像装置</td></tr><tr><td>U-SPECT/CT-UHR</td><td>MILabs B.V., CD&nbsp;オランダ・ホーテン</td><td>CT/SPECT画像装置</td>VivoTrax (5.5 Fe mg/mL)Magnetic Insight Inc., Alameda, CA, USA MIVT01-LOT00004 MPI Markers <td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

前臨床イメージングモダリティのマルチモーダルクロスデバイスおよびマーカーフリー同時登録

Multimodal Cross-Device and Marker-Free Co-Registration of Preclinical Imaging Modalities

X線コンピュータ断層撮影法(CT)と陽電子放出断層撮影法(PET)の組み合わせ、または磁気共鳴画像法(MRI)とPETの組み合わせなど、統合された前臨床マルチモーダルイメージングシステムは広く利用可能であり、通常、堅牢に共登録されたボリュームを提供します。ただし、スタンドアロンのMRIを既存のPET-CTと組み合わせたり、光断層撮影や高解像度X線マイクロトモグラフィーからの追加データを組み込んだりするには、多くの場合、別のデバイスが必要になります。これには、マルチモーダルマウスベッドの設計、フィデューシャルマーカーのインクルージョン、画像再構成、ソフトウェアベースの画像融合などの複雑な側面を含む画像の共レジストレーションが必要です。フィデューシャルマーカーは、ダイナミックレンジの問題、イメージング視野の制限、マーカー配置の困難さ、または時間の経過に伴うマーカーシグナルの損失(乾燥や崩壊など)により、in vivoデータに問題を引き起こすことがよくあります。これらの課題は、画像の同時登録を必要とする各研究グループが理解し、対処する必要があり、その結果、関連する詳細が既存の出版物で説明されることはめったにないため、繰り返しの努力が必要になります。
このプロトコルは、これらの問題を克服する一般的なワークフローの概要を示しています。微分変換は、最初は基準マーカーまたは視覚構造を使用して作成されますが、プロダクションスキャンではそのようなマーカーは必要ありません。再構築ソフトウェアによって生成されるボリュームデータとメタデータの要件は詳細です。この議論では、各モダリティについて個別に要件の達成と検証について説明します。ファントムベースのアプローチについて説明し、2つのイメージングモダリティの座標系間で差分変換を生成します。この方法では、フィデューシャルマーカーなしでプロダクションスキャンを同時登録する方法を示します。各ステップは、市販のファントムの推奨事項とともに、利用可能なソフトウェアを使用して示されています。さまざまなサイトに設置されたイメージングモダリティのさまざまな組み合わせによるこのアプローチの実現可能性が紹介されています。

図3と 図4 は、CTで視認でき、トレーサー(この場合はSPECT用)で満たされた管状空洞を含むファントムの例を示しています。使用したファントムとトレーサーは 、材料表に記載されています。
プロトコルのステップ2では、キャリブレーションの概要、スキャン、および各イメージングデバイスの自己一貫性の検証を行います。異なる視野を持つ 2 つのスキャンからのレンダリングは、各デバイスで一致している必要があります。したがって、黄色で描かれた画像 B は、白で描かれた画像 A のサブセットである必要があります。CTの使用例を 図3Aに示します。PETやSPECTなどのトレーサーベースのモダリティは、通常、ボリュームレンダリングで視覚化されます(図3B)。ただし、Iso レンダリングを使用すると、位置の比較が容易になります。したがって、プロトコルは、使用されるモダリティに関係なく、アンダーレイとオーバーレイを Iso レンダリングに切り替えるようにユーザーに指示します。したがって、SPECT の例では、黄色のレンダリングも白色のレンダリングのサブセットである必要があります (図 3C)。いずれの場合も、黄色のバウンディング ボックスは小さく、赤いバウンディング ボックス内に配置する必要があります。配置が一致しない場合、ディスカッションでは一般的な配置の問題が取り上げられ、トラブルシューティングの提案が提供されます。
プロトコールのステップ3では、フィデューシャルマーカーを使用して2つのモダリティ間の微分変換を決定する方法について説明します。トレーサーベースのモダリティのトレーサーはボリュームとして存在するため、ユーザーは(ポイント形状の)基準マーカーとして使用する適切なポイントを決定する必要があります。図4では、ファントムのCT画像がアンダーレイとしてロードされ、SPECTイメージがアンダーレイとしてロードされています。ファントム内部のチューブの曲線の中心は、軸方向、冠状、および矢状図の図4A-Cに示すように、CTアンダーレイの基準マーカーとして選択されます。対応する点は、図4D-Fの軸方向、コロナル、および矢状方向のビューで示されているオーバーレイでマークする必要があります。これで、ソフトウェアは微分変換を計算し、オーバーレイに適用できるようになりました。これにより、図4G,Hに示すように、両方のモダリティでマーカーが整列します。
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65701/65701fig03.jpg"> 図3:自己一貫性を示す画像。 (A)CTボリューム。プロトコルのステップ2.4では、画像のアライメントを確認する必要があります。プロトコルの手順に従って、アンダーレイは白くレンダリングされ、オーバーレイとオーバーレイのバウンディングボックスは黄色でレンダリングされます。両方のレイヤーが整列しています(ここでは、2番目のスキャンは最初のスキャンのトリミングされたコピーによってシミュレートされます)。(B)トレーサー充填チューブによるファントムのSPECTイメージング。NIHカラーテーブルによるボリュームレンダリング。(C)ISOレンダリングのSPECT画像。アンダーレイは白でレンダリングされ、オーバーレイとオーバーレイのバウンディング ボックスは黄色でレンダリングされます。両方のレイヤーが整列しています(ここでは、2番目のスキャンは最初のスキャンのトリミングされたコピーによってシミュレートされます)。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65701/65701fig03large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65701/65701fig04.jpg"> 図4:CT画像とSPECT画像におけるマーカーの配置。 ファントムのCT画像がアンダーレイとしてロードされます。SPECT イメージはオーバーレイとして読み込まれ、NIH カラー テーブルを使用してレンダリングされます。(A-C)プロトコルのステップ3.2では、アンダーレイにマーカーを配置する必要があります。ファントム内部のチューブの曲線の中心はフィデューシャルとして選択され、軸方向、冠状、矢状方向のビューでは赤い点で示されるように、Marker001はそこに配置されます。(D-F)一致するマーカーがオーバーレイに配置されます。(G)変形後の軸方向図。(H)融合モダリティの3Dビュー。最大のインテンションプロジェクションレンダリングを使用して、SPECTトレーサーをファントム内で見えるようにします。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65701/65701fig04large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>

病態生理学を包括的に理解するためには、複数のイメージングモダリティの組み合わせがしばしば必要となります。このアプローチでは、ファントムを使用して 2 つのモダリティの座標系間の微分変換を生成し、それを共レジストレーションに適用します。この方法により、プロダクションスキャンでのフィデューシャルが不要になります。

Integrated preclinical multimodal imaging systems, such as X-ray computed tomography (CT) combined with positron emission tomography (PET) or magnetic ...

私たちは、画像再構成、融合、セグメンテーション、定量化など、前臨床イメージングのためのソフトウェアツールを開発しています。当社のソフトウェアは、ユーザーフレンドリーで効率的で、あらゆる小動物イメージングデバイスと互換性があり、取得したマルチモーダル画像データの再現性のある定量分析を可能にすることを目的としています。自動化は、私たちの分野では重要なトピックです。なぜなら、手動による分析は時間がかかりすぎて、エラーが発生しやすく、再現性がほとんどないことが多いからです。ソフトウェアベースの自動化により、解析を効率的かつ再現性のあるものにすることができますが、課題は自動化を十分に堅牢にすることです。小動物イメージングデバイスは、麻酔をかけた実験用マウスやラットの体積画像データを提供し、病理学的および生理学的変化を非侵襲的に評価することができます。統合されたマルチモーダルデバイスは、Micro-CTやPETなどの複数のモダリティの長所を兼ね備えています。また、2つの別々のデバイスを組み合わせることも可能です。私たちは、Micro-CTやFMTなどの特殊なモダリティを自動的に融合するためのソフトウェアを開発しました。また、インタラクティブな画像融合のための効率的なソフトウェアを提供し、データキュレーションの側面を考慮して、画像データを保存するための新しいファイル形式を定義しました。昨年、私たちはハイスループット設定下でのレトロスペクティブ呼吸ゲーティングのアプローチを発表しました。私たちのプロトコールは、フィデューシャルマーカーなどの目に見える構造を含むキャリブレーションステップを使用して生成される形質転換マトリックスに存在します。その後、この変換マトリックスを使用して画像融合を自動化できるため、マーカーが不要になります。

multimodal-cross-device-marker-free-co-registration-preclinical

Research

JoVE Journal

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