Name: 폐 환기 및 관류(V/Q) 평가를 위한 단계 분해 기능적 폐 MRI (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-08-09T12:50:00.000+00:00
Duration: 5 min 56 s
Description: 학습하세요 폐 환기 및 관류를 비침습적으로 평가하는 단계 분해 기능적 폐 MRI 방법을. COPD 및 폐 이식 환자의 조기 질병 감지와 치료 반응 정량화에 활용할 수 있습니다.

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<meta charset="utf8"></head><body>질병 감지 및 모니터링을 위한 Advanced Lung Imaging (고급 폐 영상)

호흡기는 복잡한 메커니즘을 가지고 있어 다양한 질병에 취약합니다. 두드러진 경우, 만성 폐쇄성 폐질환(COPD), 낭포성 섬유증(CF), 만성 혈전색전성 폐고혈압(CTEPH)과 같은 만성 호흡기 질환은 기대 수명을 상당히 단축시킵니다1. 그 결과, 조기 진단, 모니터링 및 치료 반응 평가가 가장 중요해졌습니다.
폐 기능 검사(PFT)는 1초 내 강제 호기량(FEV1)과 강제 폐활량(FVC)2의 비율로 정의되는 Tiffeneau-Pinelli 지수와 같은 전반적인 폐 기능 매개변수를 도출할 수 있습니다. 이러한 매개변수는 임상 루틴에서 잘 확립되어 있지만 지역별 정보가 부족하고 높은 수준의 환자 순응도가 필요합니다. 이와 관련하여 이미징은 더 민감한 매개변수에 대한 추가적인 통찰력과 가능성을 제공할 수 있습니다. 컴퓨터 단층 촬영(CT)은 실질 형태의 고해상도 이미징을 제공하며, 파라메트릭-응답 매핑(parametric-response mapping)과 같은 최신 기술도 기능 정보를 검색한다3. 그럼에도 불구하고, 단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영(single photon emission computed tomography, SPECT)은 폐의 환기 및 관류(V/Q)를 묘사하기 위한 현재의 황금 표준으로 남아 있다4. 모두에게 공통적으로 언급된 이미징 방식은 전리 방사선에 노출되어야 하며, 이는 모니터링 및 취약 그룹의 경우 특별한 고려가 필요합니다. 결과적으로, MRI를 대체 양식으로 홍보하기 위한 지속적인 노력이 있습니다.
본질적으로 폐는 양성자 밀도가 낮고 신호 감소가 빠르기 때문에 MRI를 촬영하기 어려운 장기이다5. 다양한 접근법 중에서 가장 널리 퍼진 해결책은 환기를 위한 과분극 가스( 예: 129Xe MRI)의사용6과 관류 묘사를 위한 가돌리늄 기반 조영제 정맥 주사 적용7을 포함한다. 이러한 방법은 높은 신호 대 잡음비(SNR)를 제공하며 MR 커뮤니티에서 널리 표준 방법으로 간주됩니다. 보다 최근의 접근 방식은 조영제의 적용을 피하고 총 획득 시간이 ~1분/slice인 자유 호흡에서 기존 양성자 MR로 실현 가능합니다. 따라서, 잠재적인 부작용과 최근에 논란이 되고 있는 조영제의 장기적인 효과를 피할 수 있으며, 추가적인 과분극 및 다중 핵 하드웨어가 필요 없이 더 쉽게 보급될 수 있습니다. 또한, 유도된 환기 결함 값(8 )에 영향을 줄 수 있는 적절한 팽창 상태를 찾는 문제는 자유 호흡 획득에 의해 방지됩니다.
이 간접 MR 신호 기반 접근법은 양성자 가중 신호 S와 폐 부피 V : S ~ 1 / V의 상호 관계를 활용한 Zapke et al.에 의해 처음 소개되었습니다.9 이는 자유 호흡에서 획득 한 이미지를 하나의 공통 인플레이션 상태 (일반적으로 종료 호기와 종료 영감 사이의 중간 위치)로 변환하는 과정을 기반으로하며, 따라서 움직임을 보상하고 각 복셀의 신호 시계열을 분석 할 수 있습니다. 그 후, 환기 측정은 Klimeš et al.10의 방정식 (1)을 사용하여 이러한 소위 등록된 이미지로부터 유도될 수 있습니다.
<img alt="호흡 환기 방정식: RVent= (VInsp-VExp)/VReg = (SReg/SInsp) - (SReg/SExp)." src="/files/ftp_upload/66380/66380eq01.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Equation 1">(1)
볼륨/신호의 경우 영감(Insp), 만료(Exp) 및 등록 상태(Reg)가 있습니다. 그 후, 호흡 주파수(환기) 및 펄스 주파수(관류)와 관련된 신호 변조를 구별하기 위해 푸리에 분해를 도입함으로써 이 방법을 확장했으며, 따라서 하나의 획득으로부터 공간적으로 완벽하게 일치하는 V/Q 맵을 도출했습니다(11). 이는 호흡 주파수와 심장 주파수 사이의 일반적인 갭에 의해 가능하며, 시간 영역에서 서로 위에 있는 두 구성 요소는 푸리에 분석에 의해 주파수 영역에서 효과적으로 구별됩니다. 최적화된 bSSFP(Balanced Steady-State Free Precession sequence)12를 사용하여 저자기장(0.35T)에서 1.5T로 전환한 후, 이 방법은 여러 후속 연구에서 더 많은 관심을 받기 시작했습니다 13,14,15.
호흡 및 맥박은 변동성의 영향을 받고 1.5T에서 상업적으로 이용 가능한 bSSFP(기울기 보정) 이미징은 상당한 밴딩 아티팩트(명확한 신호 보이드 라인)를 초래할 수 있기 때문에 넓은 저역 통과 및 고역 통과 필터링과 함께 SPGRE(spoiled gradient echo sequence)를 사용하는 관련 방법이 제안되었습니다16,17. 이것은 실제 호흡 및 맥박 관련 변조의 더 복잡한 스펙트럼을 포착합니다. 시간 영역에서의 진폭에 대한 다음 계산은 하나의 특정 주파수 피크를 선택할 필요를 없애줍니다. 추가 최적화는 하나의 참조 상태에 대한 일반적인 1단계 등록을 두 개의 개별 단계로 분할하여 달성되었습니다. 따라서 자유 호흡 중에는 최종 영감과 종료 호기 사이에 다양한 다양한 호흡 단계가 획득되며 고정 상태를 향한 다양한 정도의 변형이 필요하다는 사실이 활용됩니다. 여러 그룹을 선택하고 개별 이미지의 그룹을 식별한 후 다음 절차를 수행합니다: 1) 각 호흡 상태 그룹 내 등록, 2) 한 인접 그룹에서 다음 그룹으로의 단계별 그룹 간 등록(예: 1-&gt;2, 2-&gt;3,...)을 나타냅니다. 이 접근법은 환기 및 관류 역학의 분석을 용이하게 하기 위해 더 높은 겉보기 시간 해상도를 설정하기 위해 각 이미지에 대한 위상 추정에 의해 더욱 확장되었으며, 이 분야를 다른 관련 기술과 구별하기 위한 위상 분해 기능적 폐(PREFUL) MR 용어로 이어졌습니다18. 후속 연구에서는 전체 호흡 및 심장 주기에 의해 제공되는 추가 정보를 사용하였으며 이러한 매개변수 19,20,21의 민감도가 잠재적으로 증가했음을 보여주었습니다.
골드 스탠다드 SPECT를 사용한 검증은 결점 영역22에 대해 ≥67%의 주사위 계수를 나타냈으며, 129Xe를 사용한 보다 직접적인 환기 측정은 환기 결점 비율 상관 관계가 COPD/CF/건강한 혼합 코호트23에서 ≥62%, CF 다기관, 다중 공급업체 코호트24에서 84%를 보여주었으며, 이는 PREFUL 및 129Xe의 폐 청소 지수와 유사한 상관 관계를 보여주었습니다(r = 0.82 및 r = 0.91). 동일한 연구의 관류 분석은 평가 대상 센터25 간에 DCE와의 공간적 중복에 유의한 차이가 없음을 보여주었다. DCE와의 일치 및 센터 간 PREFUL 결과의 일치는 9개 센터를 포함한 전향적 하위 연구에 대해서도 보고되었다26. COPD 환자를 대상으로 한 재현성 분석 결과, 모든 매개변수에 대해 변동 계수가 15% 미만이었다27. 현재 연구에 따르면 FVL 매개변수는 흡기말 및 호기말 단계만 고려하는 "정적" 환기 매개변수에 비해 치료 변화를 감지하는 예측력과 민감도가 더 높습니다. COPD28에서 indacaterol-glycopyrronium(IND/GLY)을 사용한 흡입기 처리 후 FVL(Regional flow-volume loop) 측정을 통한 치료에 대한 반응이 입증되었습니다. 이와 관련하여, FVL 매개변수는 이중 폐 이식 환자의 이식편 손실을 예측한 반면, 폐활량 측정은 예측하지 못했습니다(P = .02 vs. P = 0.33)29. 첫 번째 타당성 조사에 따르면 PREFUL을 사용한 기능적 폐 영상은 표준 임상 MRI 하드웨어를 사용하여 자유 호흡 영아 및 신생아에서 실현될 수 있습니다30,31. Glandorf et al.은 1.5T 및 3T(SPGRE 서열)에서 PREFUL 파라미터를 비교한 결과, 전계 강도(field strength)의 차이에도 불구하고 재현성이 높은 대부분의 파라미터에 대해 유의한 차이가 없음을 발견했다(32). 이는 모든 현장이 1.5T 이하의 자기계 강도 스캐너에 액세스할 수 있는 것은 아니기 때문에 중요한 이점이 될 수 있습니다. 최근에는 PREFUL33으로 bSSFP 데이터를 평가하여 0.55T에서 COVID-19 감염 후 지속적인 증상의 타당성 및 감지가 입증되었습니다.
요약하면, PREFUL은 비교적 새로운 기술임에도 불구하고 광범위하게 연구되었습니다. 보다 직접적이고 확립된 측정을 통한 검증, 재현성, 병리학에 대한 민감도, 치료 및 진행 변화에 대한 반응성과 같은 중요한 기준을 평가했습니다. 그럼에도 불구하고 낮은 기술 요구 사항에도 불구하고 여전히 소수의 전문 센터만이 이 기술을 사용하고 있습니다. 따라서 본 연구의 목적은 PREFUL MR의 최신 방법론을 서면 및 시각 형식으로 요약하는 것입니다. 이 정보는 더 많은 센터에서 이 기술을 확립하는 데 사용할 수 있으므로 장기적으로 더 성숙한 기술로 이어질 수 있습니다.

<table><tbody><tr><td>Advanced Normalization Tools (ANT)</td><td>-</td><td></td><td>Image registration toolbox (https://stnava.github.io/ANTs/; https://github.com/fordanic/image-registration)</td></tr><tr><td>Forsberg-Image</td><td></td><td></td> <td>registration toolbox</td></tr><tr><td>MRI</td><td>Siemens Healthineers AG, 뮌헨, 독일</td><td></td><td>0.55T / 1.5T / 3T Scanner</td></tr><tr><td>PREFUL App</td><td>BioVisioneers GmbH, Laatzen, Germany</td><td></td><td>PREFUL 분석, 수치 및 보고서</td></tr></tbody></table>

폐 환기 및 관류(v/q) 평가를 위한 단계 분해 기능적 폐 mri

Phase-Resolved Functional Lung MRI for Pulmonary Ventilation and Perfusion (V/Q) Assessment

그림 2의 하단은 동적 범위에 대한 해당 효과와 함께 적절하고 부적절한 스케일링의 결과를 보여줍니다. 그림 6은 불균일한 신호 분포를 보여주며, 이는 코일 정규화가 없는 스캔과 코일 정규화가 있는 스캔을 나타냅니다. 낮은 다이나믹 레인지와 코일 정규화가 없는 이미지는 피하는 것이 좋습니다.
<img alt="흉부 영상에서 코일 교정 과정의 MRI 이미지 비교; 강화 전후." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66380/66380fig06.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 6"> 그림 6: 코일 보정을 하지 않은 후(잘못된 것) 및 코일 보정을 한 후(올바름) 촬영 후의 예시적인 이미지. 코일 요소 근처의 본체 경계에서 인공 신호 향상에 유의하십시오. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380fig06large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
그림 7 은 자동 세그멘테이션의 성공과 실패를 보여줍니다. 실패한 세분화에는 모든 폐 복셀이 포함되지 않으며, 이는 추가 분석 및 통계를 위조할 수 있습니다. 복셀과 같은 침투가 있는 경우 AI 모델에 의해 높은 신호로 인해 용기로 잘못 분류되거나 전혀 분할되지 않을 수 있으므로 특별한 주의가 필요합니다.
<img alt="폐 분할, MRI 분석, 비교 다이어그램, 분할 단계, 이미지 슬라이스, 피험자 A 및 B." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66380/66380fig07.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 7"> 그림 7: 실패한 결과(피험자 A: COPD가 있는 83세 남성)와 성공적인 결과(피험자 B: 30세 여성 건강한 대조군)를 초래하는 자동화된 세분화의 예. 첫 번째 행에는 AI 모델의 입력으로 사용된 이미지가 표시됩니다. 두 번째 행은 폐 경계를 찾는 것으로 구성된 첫 번째 분할 단계의 결과를 보여줍니다. 세 번째 행은 선박을 제외한 후의 최종 결과를 보여줍니다. 파란색 화살표에서 볼 수 있듯이 알고리즘은 잘못된 폐 경계 감지를 유발하는 고신호 폐 분산으로 인해 어려움을 겪었습니다. 이미지는 최대 신호에 의해 정규화되었으며, 이는 피사체 A에 대해 수행된 스캔의 코일 정규화가 누락되어 다른 결과를 낳았습니다. 빨간색 영역은 관류 위상 정렬을 위해 자동으로 감지된 ROI를 나타냅니다. 약어: COPD = 만성 폐쇄성 폐질환; ROI = 관심 영역. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380fig07large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
그림 8 과 그림 9 는 건강한 대조군(30세, 여성)과 COPD 환자(60세, 남성)에 대한 대표적인 파라미터 맵을 보여줍니다. 건강한 대조군은 더 균질한 환기 및 관류를 보여주므로 결함 복셀이 더 적습니다. ROI 통계의 해당 보고서는 표 4 및 표 5에서 찾을 수 있습니다.
<img alt="국소 흐름 및 부피 정량화가 포함된 관류, 환기 폐 기능 분석 다이어그램." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66380/66380fig08.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 8"> 그림 8: 30세 여성의 건강한 대조군의 PREFUL 파라미터 맵. 관류(1번째 행 ), 국소 환기(2번째 행), 유량-부피 루프 상관 관계 메트릭(3번째 행) 및 임계값 V/Q 맵(4번째 행). parenchymal 값의 균질한 분포와 낮은 결점 백분율에 주목하십시오. 약어: PREFUL = 위상 분해 기능성 폐; V = 환기; Q = 관류. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380fig08large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="폐 기능 분석 다이어그램; 관류, 환기, 동적 환기, 결합된 V/Q 이미지." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66380/66380fig09.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 9"> 그림 9: 60세 남성 COPD 환자의 PREFUL 파라미터 맵. 관류(1번째 행 ), 국소 환기(2번째 행), 유량-부피 루프 상관 관계 메트릭(3번째 행) 및 임계값 V/Q 맵(4번째 행). 실질 값의 이질적인 분포와 높은 결점 비율에 주목하십시오. 약어: COPD = 만성 폐쇄성 폐질환; PREFUL = 위상 분해 기능성 폐; V = 환기; Q = 관류. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380fig09large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
표 4: 건강한 대조군(30세 여성)을 위해 얻은 PREFUL 매개변수의 예시적인 보고서. 낮은 변동 계수(coefficient-of-variation)와 결점 값(defect values)은 동일한 주제에 대해 그림 8 에 제시된 파라미터 맵과 일치합니다.  표 5 및 그림 9도 참조하십시오. 약어: PREFUL = phase-resolved functional lung. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380_Table_4_rev.xlsx" target="_blank">이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
표 5: COPD 환자(60세 남성)에 대해 얻은 PREFUL 매개변수의 예시적인 보고서. 높은 변동 계수 및 결함 값에 주목하십시오.이 값은 동일한 주제에 대해 그림 9 에 제시된 매개 변수 맵과 일치합니다.  표 4 및 그림 8도 참조하십시오. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380_Table_5_rev.xlsx" target="_blank">이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 자료: PREFUL 알고리즘에 대한 애니메이션 설명. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/JOVE_All_Screen_Recordings.mp4" target="_blank">이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>

폐 환기 및 관류(V/Q) 평가를 위한 단계 분해 기능적 폐 MRI

Fourier decomposition is a contrast agent-free 1H MRI method for lung perfusion (Q) and ventilation (V) assessment. After image registration, the time ...

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Research

연구

JoVE Journal

Medicine

의학

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