Multimodal Stiffness-Structural Fusion Imaging 을 통한 정확한 비침습적 간경변 정량화

요약

기존의 자기 공명 엘라스토그래피는 강성과 구조 이미지를 분리하므로 수동 ROI 묘사와 방사선 전문의의 입력이 필요합니다. 본 연구에서는 두 가지 유형의 이미지를 결합하여 강성-구조 융합 이미지와 간 경직도 분포 통계를 생성하는 멀티모달 융합 방법을 소개하고, 정확한 간경변 병기를 지원하고 간 경직도 분포를 기반으로 한 방사선 분석을 가능하게 합니다.

초록

기존의 MRE(Magnetic Resonance Elastography)는 강성과 구조 이미지를 별도로 표시하므로 간 경직도 평가를 위해 수동 ROI 묘사가 필요합니다. 이는 관찰자 변동성을 유발하고 중요한 병변을 간과할 수 있으며, 전체 간 경직성 분포 패턴을 정확하게 나타내지 못할 수 있습니다. 본 연구는 다음을 사용하여 강성 맵을 구조 이미지와 통합하는 다중 모드 이미지 융합을 구현했습니다: (1) 최적화된 T1 가중치 이미징(TR/TE = 157.62/1.17ms) 및 MRE(60Hz 진동)를 사용하여 3.0T MRI에서 획득; (2) DICOM 데이터를 3D 볼륨으로 전처리 하는 단계; (3) 정확한 공동 등록 및 융합 계산; (4) 다양한 간경변 단계에 걸친 정량적 간 경직도 분포 분석. 강성-구조 융합 이미징 기법은 단일 시각화에서 해부학적 구조와 강성 패턴을 통합하여 간 형태와 강성 분포를 동시에 평가할 수 있었습니다. 비교 분석은 간경화 환자와 건강한 대조군 사이에 명확한 차이점을 보여주었으며, 간경화성 간은 진행성 섬유증의 비율이 훨씬 더 높았습니다. 이 기술은 수동 ROI 배치로 인한 변동성을 제거하고 포괄적인 전체 간 평가를 위한 표준화된 프레임워크를 확립했습니다. 강성-구조적 융합 이미징 기법은 정확한 해부학적 상관관계를 통해 간 경직도를 종합적으로 시각화하여 기존 MRE에 비해 진단 정확도를 향상시킬 수 있습니다. 이 접근법은 관찰자 변동성을 제거하고, 표준화된 전체 간 평가를 가능하게 하며, 질병 진행 및 치료 반응을 모니터링하기 위한 정량적 프레임워크를 수립하는 동시에 임상의-환자 커뮤니케이션을 개선하고 간경변 병기에서 고급 방사선학을 위한 기반을 제공합니다.

서론

간경변증은 전 세계적으로 중대한 보건 문제를 야기하며, 최적의 환자 관리 및 치료 계획을 위해서는 정확한 병기 결정이 매우 중요합니다 ^1,2. 자기공명엘라스토그래피(MRE)는 간경변 평가를 위한 유용한 비침습적 기법으로 부상하고 있으며, 내재된 샘플링 오류 위험과 환자의 불편함을 수반하는 침습적 생검 절차에 비해 이점을 제공합니다 ^3,4,5. 그러나 기존의 MRE 접근법은 진단 정확도와 워크플로우 효율성에 영향을 미치는 임상 실습에서 상당한 한계를 제시합니다.

전통적인 MRE 방법론은 일반적으로 강성 맵과 구조 이미지를 별도의 개체로 표시하므로 임상의는 서로 다른 이미지 시리즈에 걸쳐 해부학적 특징과 강성 패턴을 정신적으로 연관시켜야 합니다 ^5,6. 이 접근법은 간 경직도 정량화를 위해 수동 관심 영역(ROI) 배치를 필요로 하며, 이로 인해 상당한 관찰자 간 변동성과 잠재적 샘플링 편향이 발생한다 ^7,8. 더욱이, 기존의 ROI 기반 접근법은 만성 간 질환 진행에서 실질 이질성의 예후 중요성을 강조하는 최근 문헌에서 강조된 바와 같이 간 경직도 분포의 이질적인 특성을 포착하지 못합니다 ^9,10. 전체 간 경직도 분포를 종합적으로 시각화하고 정량화할 수 없다는 것은 고급 방사선 분석 및 정확한 질병 특성 분석에 상당한 장벽이 됩니다.

간경변 평가를 위한 대체 비침습적 기술로는 초음파 엘라스토그래피와 혈청 바이오마커 패널이 있다^11,12. 과도 탄성 조영술은 간 경직도의 점을 측정하지만 MRE ¹³의 포괄적인 공간 매핑 기능이 부족합니다. 혈청 바이오마커 패널은 섬유화에 대한 간접적인 추정치를 제공하지만 실질 변화의 공간적 분포를 시각화할 수 없습니다¹¹. 최근의 비교 연구에서는 이러한 대안에 비해 중기 및 고도 섬유증 단계에서 MRE의 진단 정확도가 우수하다는 것이 일관되게 입증되었습니다^13,14.

이러한 한계를 해결하기 위해 당사는 정량적 강성 맵과 고해상도 구조 이미지를 원활하게 통합하는 새로운 다중 모드 강성-구조 융합 이미징 기술을 개발했습니다. 이 접근법은 해부학적 랜드마크와 강성 패턴을 하나의 통합된 표현으로 동시에 시각화할 수 있게 하여 정신적 공동 등록의 필요성을 없애고 해석 중 인지적 부담을 줄일 수 있다^15,16. 이 기법은 포괄적인 전체 간 경직도 분포 분석을 제공하여 기존 ROI 기반 방법의 샘플링 한계를 극복합니다.

이 연구에서는 엘라스토그래피 기능이 있는 3.0 Tesla MRI 시스템, 4-6시간 금식을 포함한 표준 환자 준비, 컴퓨터 분석을 위한 Image Processing Toolbox와 함께 MATLAB을 활용했습니다. 이러한 요구 사항은 학술 의료 센터 및 전문 영상 시설에서 점점 더 많이 사용할 수 있습니다.

이 프로토콜은 임상 및 연구 환경에서 강성-구조 융합 기술을 구현하기 위한 자세한 방법론을 제공합니다. 이 접근 방식은 진단 정밀도를 높이고, 임상 워크플로우 효율성을 개선하고, 만성 간 질환의 종적 모니터링을 위한 정량적 프레임워크를 구축하고자 하는 MRE 기능에 액세스할 수 있는 센터에 특히 유용합니다. 이 기술은 만성 간 질환의 다양한 병인에 적용할 수 있으며 제공된 계산 프레임워크를 사용하여 최소한의 추가 후처리 시간으로 구현할 수 있습니다.

프로토콜

프로토콜은 기관 IRB 승인 하에 수행되었습니다. 베이징 중의과대학 둥즈먼병원(Dongzhimen Hospital)의 한 환자는 정보에 입각한 동의하에 유안병원(YouAn Hospital)에서 상복부 자기공명영상(MRE)과 정기 MRE를 받았다. 이 사례는 섬유증에서 간경변으로의 진행이 확인되었기 때문에 연구 방법론으로 선정되었으며, 간 섬유증과 간경변의 경계를 진단하는 데 있어 이 접근법의 가치를 강조합니다. 이 연구는 또한 이 환자의 간 경직도 분포(LSD)와 건강한 간의 간 경직도 분포를 정량적으로 비교합니다. 이 연구에 사용된 모든 장비 및 소프트웨어 도구는 재료 표에 나열되어 있습니다.

1. MRI 스캐닝 전략

1. 생리적 변동성을 줄이기 위해 검사 전에 4-6시간의 금식 기간을 보장하여 환자를 준비시킵니다.
2. 16채널 복부 배열과 32채널 후방 배열 코일의 조합을 사용하여 3.0 Tesla MRI 시스템에 환자를 배치합니다.
3. 구조 이미징 획득
   1. 다음 매개변수와 함께 호흡 유지 축 2D T1 가중치 이중 에코 기울기 불러오기 에코 시퀀스를 사용하여 해부학적 이미징을 수행합니다.
      참고 : TR / TE = 157.62 / 1.17 MS; 플립 각도 = 60°; 시야각 = 400 × 400 mm²; 획득 매트릭스 = 512 × 512; 슬라이스 두께 = 7mm.
   2. 염기서열이 고유한 지방-수분 분리 기능과 함께 고해상도 구조 정보(0.78 × 0.78mm²의 평면 해상도)를 제공하는지 확인합니다.
4. MR 엘라스토그래피 획득
   1. 공압 드라이버를 오른쪽 전방 간에 놓고 60Hz에서 기계적 진동을 가합니다.
   2. 다음 파라미터와 함께 2D EPI(echo-planar imaging) 기반 획득을 사용하여 간 경직도 매핑을 수행합니다.
      참고 : TR / TE = 1050.3 / 63.4 ms; 플립 각도 = 90°; 시야각 = 420 × 420 mm²; 획득 매트릭스 = 256 × 256 (256 × 256으로 재구성); 슬라이스 두께 = 10mm; 대역폭 = 1953.1Hz/픽셀.
   3. 8개의 위상 오프셋을 획득하여 파동 전파를 계산하고 킬로파스칼(kPa)로 표현된 값으로 정량적 강성 맵(엘라스토그램)을 생성합니다.
5. 이미지 공동정합 전략
   1. 동일한 환자 위치와 일관된 숨 참기 지침을 유지하여 구조 이미지와 엘라스토그램 간의 정확한 공간 정렬을 보장합니다.
   2. 간의 절편 커버리지가 일치하는 축 평면에서 모든 이미징을 수행합니다.
   3. 간 실질의 최적 커버리지를 보장하기 위해 해부학적 T1 가중치 이미지를 참조로 사용하여 MRE 염기서열을 계획합니다.
   4. 두 염기서열이 동일한 참조 프레임을 사용하여 후속 융합 프로세스에서 자동화된 공동 정합을 용이하게 하는지 확인합니다.

2. 데이터 수집 및 준비

1. 모든 시퀀스의 폴더 이름 바꾸기
   참고: 장비에서 내보낸 DICOM 데이터에는 시퀀스 식별이 부족하므로 각 시퀀스에 대한 명시적 이름을 추가합니다. 이를 통해 후속 분석 및 처리가 용이해집니다.
   1. Description_Name 함수를 실행하여 각 시퀀스에 대한 폴더에 설명이 포함된 이름을 추가합니다.
   2. 모든 DICOM 데이터를 사용자 지정된 작업 디렉터리에 복사합니다.
   3. MATLAB의 작업 디렉터리에 있는 데이터가 포함된 디렉터리로 이동합니다.
2. 구조적 순서의 이미지를 빠르게 확인
   참고: 강성 맵과 동일한 좌표계를 공유하고 후속 강성 분포 계산에 필수적인 명확한 간 윤곽 시각화를 제공하는 T1 이미징에서 파생된 구조 이미지를 검사합니다.
   1. 다음 MATLAB 코드를 사용하여 MRI 시퀀스의 DICOM 파일에서 3D 볼륨 행렬을 생성합니다.
      f=dir('*.dcm');
      i=1의 경우:길이(f)
      V(:,:,i)=dicomread(fullfile(f(i).folder,f(i).name));
      끝
   2. 대화형 방식 검사를 위해 MATLAB의 sliceViewer 함수를 사용하여 이미지 시퀀스를 시각화합니다.
      숫자;
      H=슬라이스뷰어(V); colormap(회색(1024));
      세트 (gcf, '툴바', '그림');
   3. sliceViewer GUI와 상호 작용합니다. 스크롤 막대를 사용하여 다른 슬라이스를 탐색합니다. 간 경계가 주변 조직과 뚜렷한 대비를 이루며 명확하게 묘사되어 있는지 확인합니다.
      참고: 허용 가능한 이미지는 움직임 아티팩트나 흐릿함 없이 연속적인 간 실질을 보여주어야 합니다(그림 1). 이 대화형 뷰어를 통해 이미지 품질과 간 형태를 빠르게 평가할 수 있습니다.
   4. 확대, 축소 및 GUI의 오른쪽 상단 모서리에 있는 전역 보기로 돌아가기 위한 아이콘을 찾습니다. Data Tip 아이콘을 사용하여 추가 분석을 위해 특정 간 영역의 좌표를 표시합니다.
   5. 디폴트 회색 컬러맵이 낮음(검은색)에서 높음(흰색)까지의 값을 표시하는 것을 확인합니다. 팝업 메뉴에서 Color Bar 를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하여 최적의 간 조직 시각화를 위한 다양한 컬러맵 옵션을 선택합니다.
   6. 대비가 만족스럽지 않으면 마우스 왼쪽 버튼을 사용하여 그림 중간을 위아래로 드래그하여 창 레벨을 조정합니다. 왼쪽과 오른쪽으로 드래그하여 창 너비를 조정합니다. 해당하는 정확한 대비 범위가 색상 표시줄에 표시됩니다.
      참고: 이러한 대화형 컨트롤을 사용하여 강도 및 공간 차원에 걸쳐 MRI 구조 시퀀스 특성을 검사할 수 있습니다. 다음 단계로 진행하기 전에 간의 해부학적 윤곽 무결성 및 이미지 품질을 평가합니다.
3. MRE 강성 맵을 빠르게 확인
   참고: 정량적 간 탄성 측정을 위한 MRE 강성 맵을 검사하며, 여기서 다양한 색상은 섬유성 또는 간경화성 영역을 식별하는 데 필수적인 다양한 강성 정도를 나타냅니다.
   1. 다음 MATLAB 코드를 사용하여 MRE 시퀀스의 DICOM 파일에서 3D 볼륨 행렬을 생성합니다.
      f=dir('*.dcm');
      i=1의 경우:길이(f)
      V_LSD(:,:,i)=dicomread(fullfile(f(i).folder,f(i).name));
      끝
   2. 대화형 방식 검사를 위해 MATLAB의 sliceViewer 함수를 사용하여 MRE 강성 맵을 시각화합니다.
      숫자; H=슬라이스 뷰어(V_LSD); 컬러맵(jet(1024)); 세트 (gcf, '툴바', '그림');
   3. sliceViewer GUI와 상호 작용합니다. GUI(그래픽 사용자 인터페이스) 아래쪽에 있는 스크롤 막대를 사용하여 시퀀스의 다른 슬라이스를 찾아봅니다(그림 2). 이 대화형 뷰어를 사용하면 경직 분포와 간 탄력성 패턴을 빠르게 평가할 수 있습니다.
   4. 확대, 축소 및 GUI의 오른쪽 상단 모서리에 있는 전역 보기로 돌아가기 위한 아이콘을 찾습니다. Data Tip 아이콘을 사용하여 추가 분석을 위해 주목할 만한 강성 값으로 특정 간 영역의 좌표를 표시합니다.
   5. 디폴트 jet 컬러맵이 강성 값을 낮음(파란색)에서 높음(빨간색)까지 나타내는 것을 확인할 수 있습니다. 팝업 메뉴에서 Color Bar 를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하여 간 경직도 기울기를 최적으로 시각화할 수 있도록 컬러맵 범위를 조정합니다.
   6. 대비가 만족스럽지 않으면 마우스 왼쪽 버튼을 사용하여 그림 중간을 위아래로 드래그하여 창 레벨을 조정합니다. 왼쪽과 오른쪽으로 드래그하여 창 너비를 조정합니다. 해당하는 정확한 강성 범위가 색상 막대에 표시됩니다.
   7. 강성 맵이 간 실질 내에서 부드러운 색 전이를 표시하는지 확인합니다. 허용 가능한 강성 매핑은 노이즈 아티팩트를 최소화하고 간 조직(일반적으로 1-8kPa 범위)과 배경 영역 간의 명확한 차이를 보여야 합니다.
      참고: 이러한 대화형 제어를 통해 강도 공간과 염기서열 위치 모두에 걸쳐 MRE 강성 맵을 유연하게 검사할 수 있으므로 간 경직도 분포 및 섬유증의 잠재적 영역을 빠르게 평가할 수 있습니다.

3. 강성 - 구조적 융합

참고: 강성 맵만으로는 구조적 이미지 상관 관계 없이는 병변의 위치를 정확하게 파악할 수 없으므로 두 방식을 모두 통합합니다.

1. 구조 이미지와 강성 맵 모두에 대한 경로 변수를 정의하고 거의 동일한 축 위치에서 파일을 스캔할 수 있습니다.
2. Struct_Stiffness_Fusion 함수(I_fusion = Struct_Stiffness_Fusion(I_structural, I_stiffness))를 선택하여 현재 디렉토리에 강성-구조 융합 이미지를 생성합니다.
3. 파일 브라우저에서 Fusion 이미지 파일을 찾아 기본 이미지 뷰어를 사용하여 엽니다. 해부학적 구조와 강성 패턴이 올바르게 정렬되었는지 확인합니다.
   참고: 허용 가능한 융합 이미지는 구조 데이터와 탄성 인쇄 데이터 간의 공간적 정합 오류 없이 정확한 오버레이를 보여주어야 합니다. 위의 단계에 따라 정렬된 스캔 축 위치는 일반적인 RGB 이미지 뷰어를 사용하여 볼 수 있는 융합 이미지 시퀀스를 자동으로 출력합니다.

4. 간 뻣뻣함 분포

참고: 그림 3에 표시된 융합 이미지 분석을 보완하려면 그림 4와 같이 간 경직도 분포 통계량을 생성합니다.

1. 1-3단계를 반복하여 다양한 단계의 간경변 환자를 검사합니다.
2. LSD_compute 함수([LSD_distribution, LSD_stats] = LSD_compute(V_stiffness, liver_mask))를 선택하여 다양한 경직 단계¹⁵에서 환자의 LSD(간 경직도 분포) 값을 계산합니다(그림 4).
   참고: 그림 3 에 표시된 환자는 이미 간경변으로 진행된 말기 간 섬유증에 있으며 전체 간 평균 경직도가 5kPa에 이릅니다. 따라서 그림 4의 정량적 분포에서 대부분의 간 조직 경직도 값은 F4 단계 이상입니다.

5. 최종 검증 및 데이터 보관

1. 모든 Fusion 이미지가 성공적으로 생성되어 작업 디렉토리에 저장되었는지 확인합니다.
2. LSD 분석 결과가 임상 해석을 위해 계산 및 문서화되었는지 확인합니다.
3. 구조 이미지, 강성 맵, 융합 이미지 및 정량적 LSD 메트릭을 포함하여 처리된 모든 데이터를 향후 참조 및 종단 비교를 위해 보관합니다.
   참고: 다중 모드 강성-구조 융합 이미징 프로토콜이 이제 완성되었습니다. 생성된 융합 이미지와 정량적 LSD 분석은 임상 해석 및 환자 커뮤니케이션에 사용할 수 있는 포괄적인 간 평가 데이터를 제공합니다.

결과

이 연구에서 제시된 시각화 접근 방식은 간 구조 및 강성 분포에 대한 포괄적인 통찰력을 제공하여 간경변을 정확하게 평가할 수 있습니다. 그림 1에 묘사된 GUI를 통해 임상의는 여러 단면에 걸쳐 간의 구조적 해부학적 구조를 더 잘 이해할 수 있으며, 주로 해부학적 무결성을 평가할 수 있습니다. 그림 2 를 살펴보면 고립된 강성 맵의 중요한 한계가 드러납니다: 해당 구조적 참조가 없으면 임상의와 환자는 강성이 증가한 영역(빨간색으로 표시)을 해부학적으로 국소화하는 데 상당한 어려움에 직면합니다. 이러한 한계는 임상적 해석을 현저히 손상시키며, 특히 비장비대가 흔히 간 병리학을 동반하여 비장의 경직도를 증가시키는 진행성 간 질환의 경우 더욱 그렇습니다. 그림 2 는 대략적인 구조적 포지셔닝을 제공하지만 정확한 임상 평가 및 환자 커뮤니케이션에 필요한 정밀도가 부족합니다.

토론

중요한 단계
프로토콜의 몇 가지 중요한 단계는 다중 모드 강성-구조 융합 이미징 기술의 성공적인 구현을 보장하기 위해 특별한 주의가 필요합니다. 첫째, 해부학적 T1 가중 이미지를 참조로 사용하여 MRE 염기서열을 계획하면 간 실질의 최적 적용 범위를 보장하고 후속 자동 공동 정합을 용이하게 할 수 있습니다¹⁵. 둘째, DICOM 데이터의 전처리를 위해서는 염기서열 식별을 신중하게 관리해야 합니다. MRI 장비에서 내보낸 DICOM 데이터에는 명시적인 염기서열 명명이 없는 경우가 많기 때문에 구조 염기서열과 엘라스토그래피 염기서열을 구별하려면 "Description_Name" 기능을 적절하게 적용하는 것이 중요합니다. 이러한 차별화는 모든 후속 분석 및 융합 작업의 기초를 형성합니다. 셋째, 대화형 검사는 융합 과정을 진행하기 전에 적절한 이미지 품질, 적절한 간 적용 범위 및 적절한 대비를...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
MATLAB	GE Medical Systems	SIGNA Pioneer	3.0 Tesla
MRI 시스템	지능형 엔트로피	LSD-Fusion V1.0	베이징 지능형 엔트로피 과학 및 Technology Co Ltd. CT/MRI 융합을 위한 모델링
모델링 MathWorks		2022B	컴퓨팅 및 시각화