Artykuł metodologiczny

Trójwymiarowy cyfrowy model do wczesnej diagnostyki zwłóknienia wątroby w oparciu o elastografię rezonansu magnetycznego

DOI:

10.3791/65507

⸱

21 lipca 2023

 ,  ,  ,  ,  , 
1Center for Integrated Chinese and Western Medicine, Beijing You An Hospital, Capital Medical University, 2Fever Clinics, Dongzhimen Hospital of Beijing University of Chinese Medicine, 3Beijing Intelligent Entropy Science& Technology Co Ltd., 4First Department of The Liver Disease Center, Beijing You An Hospital, Capital Medical University

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Celem tego badania było opracowanie nowatorskiego trójwymiarowego cyfrowego modelu do wczesnej diagnozy zwłóknienia wątroby, który obejmuje sztywność każdego woksela w wątrobie pacjenta i dlatego może być wykorzystany do obliczenia proporcji dystrybucji wątroby pacjenta w różnych stadiach zwłóknienia.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Zwłóknienie wątroby jest wczesnym stadium marskości wątroby i nie ma lepszych nieinwazyjnych i wygodnych metod wykrywania i oceny choroby. Pomimo dużego postępu poczynionego z mapą sztywności wątroby (LSM) opartą na elastografii rezonansu magnetycznego (MRE), nadal istnieją pewne ograniczenia, które należy pokonać, w tym ręczne określanie ostrości, ręczny wybór obszarów zainteresowania (ROI) i nieciągłe dane LSM bez informacji strukturalnych, co uniemożliwia ocenę wątroby jako całości. W niniejszej pracy proponujemy nowatorski trójwymiarowy (3D) model cyfrowy do wczesnej diagnostyki zwłóknienia wątroby w oparciu o MRE.

MRE to nieinwazyjna technika obrazowania, która wykorzystuje obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI) do pomiaru sztywności wątroby w miejscu skanowania poprzez interakcję człowiek-komputer. Badania wykazały istotną dodatnią korelację między LSM uzyskanym za pomocą MRE a stopniem zwłóknienia wątroby. Jednak do celów klinicznych konieczne jest kompleksowe i precyzyjne określenie ilościowe stopnia zwłóknienia wątroby. Aby rozwiązać ten problem, w tym badaniu zaproponowano koncepcję rozkładu sztywności wątroby (LSD), która odnosi się do objętości sztywności 3D każdego woksela wątroby uzyskanej przez wyrównanie obrazów 3D tkanki wątroby i wskaźników MRE. Zapewnia to skuteczniejsze narzędzie kliniczne do diagnozowania i leczenia zwłóknienia wątroby.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Zwłóknienie wątroby odnosi się do tworzenia nadmiernej ilości tkanki bliznowatej w wątrobie, zwykle w wyniku uszkodzenia wątroby lub choroby1,2,3,4. Często powstaje w wyniku przewlekłego uszkodzenia wątroby i jest powszechnie związany z chorobami wątroby, takimi jak przewlekłe wirusowe zapalenie wątroby, niealkoholowa stłuszczeniowa choroba wątroby i alkoholowa choroba wątroby. Nieleczone zwłóknienie wątroby może przekształcić się w marskość wątroby, stan potencjalnie zagrażający życiu, związany ze znaczną zachorowalnością i śmiertelnością.

Aktywne badania w tej dziedzinie mają na celu wyjaśnienie komórkowych i molekularnych mechanizmów leżących u podstaw patogenezy zwłóknienia wątroby, a także opracowanie nowych strategii diagnostycznych i terapeutycznych w celu poprawy wyników leczenia pacjentów. Kolejnym celem jest nieinwazyjne wykrycie stadium zwłóknienia wątroby, które jest krytycznym aspektem, który bezpośrednio koreluje z diagnozą choroby, doborem leczenia i oceną rokowania. Pomimo znaczenia dokładnej diagnozy i monitorowania zwłóknienia wątroby, tradycyjne metody diagnostyczne, takie jak biopsja wątroby, są inwazyjne i wiążą się ze znacznym ryzykiem. Natomiast elastografia rezonansu magnetycznego5,6 (MRE) jest obiecującą nieinwazyjną techniką obrazowania, która wykazała potencjał w diagnostyce i monitorowaniu zwłóknienia wątroby poprzez ilościowe określenie sztywności wątroby.

W ostatnich latach przeprowadzono znaczące badania skoncentrowane na ocenie dokładności i wiarygodności MRE w diagnostyce zwłóknienia wątroby, a także jego potencjalnych zalet w porównaniu z tradycyjnymi metodami diagnostycznymi. Metryka sztywności wątroby MRE została zatwierdzona przez Amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków (FDA) do diagnostyki klinicznej, a w praktyce klinicznej przeprowadzono obszerną analizę porównawczą z wynikami patologicznymi. Wyniki wykazały, że mapy sztywności wygenerowane przez MRE wykazują silną dodatnią korelację z różnymi stadiami zwłóknienia wątroby7,8,9,10,11,12. Jednak do tej pory prace nad dokładną oceną i śledzeniem progresji zwłóknienia wątroby u pacjentów poprzez ilościową analizę rozkładu sztywności wątroby (LSD) poprzez dopasowanie obrazów struktury wątroby do MRE nie przyniosły znacznych postępów.

W tym badaniu, technika analizy grupy obrazowania medycznego13,14,15 została wprowadzona w celu uzyskania dokładnego wyrównania obrazów struktury wątroby z mapą sztywności generowaną przez MRE w przestrzeni 3D, umożliwiając obliczanie wartości sztywności wątroby dla każdego woksela całej wątroby. Na podstawie cyfrowego modelu 3D LSD można obliczyć i ocenić dokładny rozkład stopnia zaawansowania zwłóknienia wątroby specyficznego dla pacjenta. Stanowi to solidną podstawę do precyzyjnej diagnostyki ilościowej zwłóknienia wątroby we wczesnym stadium

.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

To badanie wykorzystywało cyfrowe modelowanie LSD w 3D do rekonstrukcji wątroby typowego pacjenta z klinicznie potwierdzonym zwłóknieniem wątroby. Pacjent został zrekrutowany ze znanej instytucji leczenia chorób wątroby "You An Hospital" w Pekinie w Chinach i poddany rutynowemu rezonansowi magnetycznemu górnej części brzucha (MRI) i obrazowaniu MRE po wyrażeniu zgody. Pacjent został wybrany jako studium przypadku dla tej metody badawczej ze względu na potwierdzenie stopnia zaawansowania zwłóknienia wątroby poprzez badanie patomorfologiczne oraz brak oczywistych objawów klinicznych, co podkreśla przydatność i wartość kliniczną tego badania w diagnostyce pacjentów ze wczesnym stadium zwłóknienia wątroby. W artykule przedstawiono również ilościowe porównanie wątroby tego pacjenta ze zdrową wątrobą. Narzędzia programowe wykorzystane w tym badaniu są wymienione w Tabeli Materiałów.

1. Gromadzenie i przygotowanie danych

UWAGA: Różnica parametrów nie jest wrażliwa na metodę badawczą.

  1. Strategie skanowania MRI
    UWAGA: W badaniu wykorzystano rzeczywiste dane DICOM uzyskane z obrazowania klinicznego za pomocą urządzenia do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI) wyprodukowanego przez GE. Zawartość danych obejmuje obrazowanie metodą IDEAL (Iterative Decomposition of water and fat with Echo Asymmetry and Least-squares estimation), separację wody i tłuszczu oraz obrazowanie elastografią metodą rezonansu magnetycznego (MRE).
    1. Upewnij się, że dane IDEAL mają rozdzielczość poziomą 256 pikseli na 256 pikseli, z odstępami między pikselami 1,5625 mm i grubością warstwy 10 mm.
      UWAGA: Strategia skanowania mogłaby być jeszcze bardziej zoptymalizowana, ale metodologia zastosowana w tym badaniu ma zastosowanie do bardziej precyzyjnego obrazowania medycznego.
  2. Zmień nazwę folderu każdej sekwencji.
    UWAGA: Ponieważ dane DICOM eksportowane z urządzenia nie zawierają jawnie nazw sekwencji, na etapie przetwarzania wstępnego konieczne jest dodanie jawnych nazw dla każdej sekwencji, aby ułatwić późniejszą analizę i przetwarzanie.
    1. Skopiuj wszystkie dane DICOM do dostosowanego katalogu roboczego.
    2. Przejdź do katalogu zawierającego dane w katalogu roboczym programu MATLAB.
    3. Wykonaj funkcję Description_Name, aby dodać opisowe nazwy do folderów dla każdej sekwencji.
    4. Zobacz Rysunek 1 dla porównania przed i po zmianie nazwy. Dodaj nazwę opisu do każdego folderu sekwencji obrazów, aby ułatwić identyfikację niezbędnych sekwencji obrazów do różnych celów analitycznych.
  3. Szybko sprawdź zdjęcia IDEAL.
    1. Zmień katalog folderów różnych faz, w tym faz w fazie, fazy końcowej, wodnej i tłuszczowej, które były przechowywane w oddzielnych folderach do obrazowania za pomocą IDEAL.
    2. Wykonaj funkcję Slice_View, aby wyświetlić sekwencje uderzeń dla każdej fazy.
    3. Zobacz Rysunek 2 dla obrazu interaktywnego graficznego interfejsu użytkownika (GUI) dla sekwencji MRI-IDEAL. Użyj paska przewijania u dołu graficznego interfejsu użytkownika, aby szybko przeglądać różne sekwencje.
    4. Użyj sekwencji poza fazą MRI-IDEAL jako rodzaju sekwencji MRI, aby uzyskać jaśniejszy opis granic tkanki wątroby.
      UWAGA: W poniższych operacjach nacisk zostanie położony na wykorzystanie sekwencji fazy wyjściowej IDEAL do wyznaczenia obszaru 3D wątroby.

2. Wyodrębnij obszar 3D wątroby

UWAGA: Poszczególne woksele w obszarze 3D wątroby służą jako przestrzenne nośniki LSD, przy czym wartość sztywności każdego woksela pochodzi z MRE. Ekstrakcja obszaru 3D tkanki wątroby jest niezbędnym krokiem przed fuzją. Chociaż głębokie uczenie może być wykorzystane do bardziej efektywnego wykonania tego zadania, nie jest ono przedmiotem tego badania. Dlatego dojrzałe narzędzia programowe (np. MIMICS) są nadal używane do ekstrakcji obszaru 3D tkanki wątroby.

  1. Aby uruchomić oprogramowanie MIMICS, wybierz Nowy projekt i w wyświetlonym oknie dialogowym przejdź do folderu zawierającego obrazy IDEAL out-phase. Kontynuuj, klikając DALEJ | przycisk Konwertuj, uzyskując w ten sposób wejście w stan edycji sekwencji.
  2. Aby utworzyć pustą maskę, kliknij przycisk Nowy w oknie dialogowym MASKA znajdującym się po prawej stronie i wybierz maksymalny próg.
  3. Aby wyznaczyć obszar wątroby we wszystkich widokach poziomych, użyj narzędzia Edytuj maski znajdującego się pod etykietą Segment.
  4. Aby wygenerować przestrzenną część 3D wątroby, wybierz maskę wątroby, która została nakreślona i kliknij przycisk Oblicz część z maski. Wyekstrahowany obszar 3D wątroby jest pokazany na Rysunek 3.
  5. Kliknij Plik | Eksport | wybierz polecenie Dicom. W wyskakującym oknie dialogowym wybierz maskę wątroby, ustaw ścieżkę pliku i nazwy plików, a następnie kliknij przycisk OK, aby zakończyć eksport regionu 3D wątroby do określonych plików DICOM.

3. Sekwencja mapy sztywności wątroby

UWAGA: Zakres sztywności MRE u pacjentów z wczesnym zwłóknieniem wynosi zazwyczaj poniżej 8 kpa. Aby to wyświetlić, należy wybrać obraz sekwencji oznaczony jako "SE27_ST8K_(Pa)".

  1. Zmień katalog na folder 'SE27_ST8K_(Pa)', który zawiera sekwencję mapy sztywności wątroby.
  2. Aby przeglądać każdą mapę sztywności, wykonaj funkcję MRE_show w przestrzeni roboczej Matlaba, przy czym argumentem funkcji jest nazwa pliku znajdująca się w określonej ścieżce.
  3. Mapa sztywności wątroby pokazana w Rysunek 4 to obraz RGB w prawdziwych kolorach, ze strukturą danych 512 pikseli na 512 pikseli na 3 macierz, gdzie każdy punkt piksela ma trzy wartości reprezentujące trzy kolory podstawowe, RBG. Zwróć uwagę na kolorowy pasek po lewej stronie, który wyświetla odpowiednie wartości sztywności pikseli o różnych kolorach. Oblicz dokładną sztywność każdego piksela, korzystając z ich odpowiednich korelacji.
  4. Dodatkowe informacje w Rysunek 4 zawierają takie dane, jak opis sekwencji, pozycja skanowania, czas, informacje o pacjencie i parametry obrazu. Wykorzystaj te dane, w szczególności parametry obrazu, do ustalenia relacji przestrzennej między sekwencjami MRE i IDEAL.

4. 3D-Objętość rozkładu sztywności wątroby

UWAGA: Każdy woksel w objętości sztywności wątroby 3D reprezentuje wartość sztywności odpowiadającego mu woksela w obszarze wątroby 3D, która jest wyprowadzana z wartości sztywności każdego piksela w Rysunek 4. Wyrównując obszar wątroby 3D w Rysunek 3 z mapą sztywności w Rysunek 4, można wyodrębnić wartość sztywności każdego woksela, co skutkuje wygenerowaniem objętości sztywności wątroby 3D.

  1. Wywołaj funkcję LSD_Slice z obszarem wątroby 3D pokazanym na Rysunek 3 i mapą sztywności wątroby w Rysunek 4 jako parametrami wejściowymi, aby uzyskać objętość 3D rozkładu sztywności wątroby, jak pokazano na Rysunek 5.
  2. Wyświetl mapę sztywności każdej warstwy wątroby, przeciągając pasek przewijania poniżej graficznego interfejsu użytkownika pokazanego w Rysunek 5.
    UWAGA: Jednak w przeciwieństwie do Rysunek 4, tutaj dokładnie zachowana jest tylko tkanka wątroby.
  3. Obserwuj ikony w prawym górnym rogu graficznego interfejsu użytkownika (Rysunek 5), takie jak powiększanie, pomniejszanie, powrót do widoku globalnego i zaznaczanie współrzędnych wybranego piksela.
    UWAGA: Domyślnym kolorowym paskiem jest mapa kolorów "jet", co oznacza, że odpowiednie wartości (jednostka kpa) od niebieskiego do czerwonego są od niskich do wysokich.
  4. Wykonaj funkcję LSD_Volume z tymi samymi danymi wejściowymi co LSD_Slice, aby uzyskać rozkład przestrzenny 3D wątrobowego LSD, jak pokazano na Rysunek 6. Oglądaj objętość 3D LSD z dowolnej perspektywy, przytrzymując lewy przycisk myszy i przeciągając ekran (Rysunek 6).

5. Analiza ilościowa LSD

UWAGA: Ważnym celem analizy ilościowej tego badania jest określenie proporcji różnych etapów wokseli LSD w wątrobie pacjenta. Rysunek 6 pokazuje, że rozkład zwłóknienia wątroby u pacjentów jest nierównomierny w różnych miejscach przestrzennych. Powodem, dla którego objawy kliniczne nie są jeszcze oczywiste, jest głównie to, że znaczna część tkanki wątroby jest w normalnym stanie. Dlatego konieczne jest dokładne ilościowe określenie różnicy między pacjentami a osobami zdrowymi. Jest to ważna koncepcja ilościowa tego badania.

  1. Określ numeryczne zakresy wartości sztywności dla różnych etapów zwłóknienia wątroby, jak pokazano na rysunku Rysunek 7.
  2. Oblicz rozkład całych wokseli wątroby pacjenta w różnych stadiach zwłóknienia (Ryc. 8), wywołując funkcję Hepatic_Fibrosis z parametrem wejściowym objętości 3D LSD pokazanym w Rycina 6.
  3. Użyj tych samych kroków, aby obliczyć i porównać wyniki całkowicie zdrowej wątroby z typowym pacjentem ze zwłóknieniem wątroby opisanym powyżej (Rycina 9).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Korzystając z informacji w polu Description_Name plików DICOM, nazwa oryginalnego folderu MRI może zostać zmieniona, aby ułatwić szybką lokalizację wymaganej sekwencji obrazowania podczas procesu analizy w grupie obrazowania. Sekwencja wyout-phase MRI-IDEAL to typ sekwencji MRI używany do dostarczania bardziej przejrzystych opisów granic tkanki wątroby. Dzieje się tak, ponieważ sekwencja poza fazą MRI-IDEAL może lepiej różnicować siłę namagnesowania i kąt namagnesowania różnych tkanek dzięki określonym t...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W praktyce klinicznej trudno jest dokładnie określić ilościowo i śledzić stan pacjentów ze zwłóknieniem wątroby we wczesnym stadium. Porównanie pokazane na rycinie 9 w pełni odzwierciedla stopień zwłóknienia wątroby u pacjenta w porównaniu ze zdrową wątrobą; Oczywiście liczba ta może być również porównaniem dwóch różnych okresów u pacjenta, służącym do oceny skuteczności leczenia. Ta precyzyjna metoda kwantyfikacji jest podstawowym, krytycznym etapem tego badania. Co więcej, metoda obliczani...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Narzędzie programowe do ilościowego oznaczania zwłóknienia wątroby wymienione w Tabeli Materiałów tego badania, HepaticFibrosis V1.0, jest narzędziem programowym firmy Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co Ltd. Prawa własności intelektualnej do tego narzędzia programowego należą do firmy.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta publikacja była wspierana przez piąty krajowy program badań klinicznych nad doskonałymi talentami tradycyjnej medycyny chińskiej, zorganizowany przez Krajową Administrację Tradycyjnej Medycyny Chińskiej. Oficjalny link do sieci to 'http://www.natcm.gov.cn/renjiaosi/zhengcewenjian/2021-11-04/23082.html. '

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
MATLABMathWorks 2022BObliczenia i wizualizacja 
MimicsMaterialiseMimics Research V20Narzędzia do przekształcania formatu modelu
dla 3D_LSDIntelligent  Entropiazwłóknienia wątroby V1.0Pekin Inteligentna nauka o entropii i Technology Co Ltd.
Modelowanie do fuzji CT/MRI

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Henderson, N. C., Rieder, F., Wynn, T. A. Fibrosis: from mechanisms to medicines. Nature. 587 (7835), 555-566 (2020).
  2. Parola, M., Pinzani, M. Liver fibrosis: Pathophysiology, pathogenetic targets and clinical issues. Molecular Aspects of Medicine. 65, 37-55 (2019).
  3. Ramachandran, P., et al. Resolving the fibrotic niche of human liver cirrhosis at single-cell level. Nature. 575 (7783), 512-518 (2019).
  4. Stefan, N., Häring, H. -U., Cusi, K. Non-alcoholic fatty liver disease: causes, diagnosis, cardiometabolic consequences, and treatment strategies. The Lancet. Diabetes & Endocrinology. 7 (4), 313-324 (2019).
  5. Castera, L., Friedrich-Rust, M., Loomba, R. Noninvasive assessment of liver disease in patients with nonalcoholic fatty liver disease. Gastroenterology. 156 (5), 1264.e4-1281.e4 (2019).
  6. Godoy-Matos, A. F., Silva Júnior, W. S., Valerio, C. M. NAFLD as a continuum: from obesity to metabolic syndrome and diabetes. Diabetology & Metabolic Syndrome. 12 (1), 1-20 (2020).
  7. Venkatesh, S. K., Xu, S., Tai, D., Yu, H., Wee, A. Correlation of MR elastography with morphometric quantification of liver fibrosis (Fibro-C-Index) in chronic hepatitis B. Magnetic Resonance in Medicine. 72 (4), 1123-1129 (2014).
  8. Yin, M., et al. Assessment of hepatic fibrosis with magnetic resonance elastography. Clinical Gastroenterology and Hepatology. 5 (10), 1207-1213 (2007).
  9. Venkatesh, S. K., Wang, G., Lim, S. G., Wee, A. Magnetic resonance elastography for the detection and staging of liver fibrosis in chronic hepatitis B. European Radiology. 24, 70-78 (2014).
  10. Ichikawa, S., et al. Magnetic resonance elastography for staging liver fibrosis in chronic hepatitis C. Magnetic Resonance in Medical Sciences. 11 (4), 291-297 (2012).
  11. Chen, J., et al. Early detection of nonalcoholic steatohepatitis in patients with nonalcoholic fatty liver disease by using MR elastography. Radiology. 259 (3), 749-756 (2011).
  12. Singh, S., et al. Diagnostic performance of magnetic resonance elastography in staging liver fibrosis: a systematic review and meta-analysis of individual participant data. Clinical Gastroenterology and Hepatology. 13 (3), 440.e6-451.e6 (2015).
  13. Ferro, M., et al. Radiomics in prostate cancer: an up-to-date review. Therapeutic Advances in Urology. 14, 17562872221109020(2022).
  14. Nam, D., Chapiro, J., Paradis, V., Seraphin, T. P., Kather, J. N. Artificial intelligence in liver diseases: Improving diagnostics, prognostics and response prediction. JHEP Reports. 4 (4), 100443(2022).
  15. Wu, Y. -J., Wu, F. -Z., Yang, S. -C., Tang, E. -K., Liang, C. -H. Radiomics in early lung cancer diagnosis: from diagnosis to clinical decision support and education. Diagnostics. 12 (5), 1064(2022).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Mapa sztywno ci w trobymodel tr jwymiarowyrozk ad sztywno ci w trobydiagnostyka nieinwazyjnaMRI w trobydane DICOMocena ilo ciowamarsko w troby

Powiązane artykuły