Multimodalne obrazowanie płuc: wykorzystanie uzupełniających informacji z tomografii komputerowej i hiperpolaryzowanego rezonansu magnetycznego 129Xe do oceny struktury i funkcji płuc

Summary

CT i ¹²⁹Xe MRI dostarczają uzupełniających informacji o strukturze i funkcji płuc, które mogą być wykorzystane do analizy regionalnej za pomocą rejestracji obrazu. W tym miejscu udostępniamy protokół, który opiera się na istniejącej literaturze dotyczącej rejestracji obrazów ¹²⁹Xe MR do CT przy użyciu platform typu open source.

Abstract

Hiperspolaryzowany rezonans magnetyczny ¹²⁹Xe jest nową techniką oceny i pomiaru regionalnej funkcji płuc, w tym dystrybucji gazu płucnego i wymiany gazowej. Tomografia komputerowa klatki piersiowej (CT) nadal pozostaje klinicznym złotym standardem w obrazowaniu płuc, częściowo ze względu na szybkie protokoły tomografii komputerowej, które uzyskują obrazy o wysokiej rozdzielczości w ciągu kilku sekund, oraz powszechną dostępność tomografów komputerowych. Podejścia ilościowe umożliwiły ekstrakcję strukturalnych pomiarów miąższu płuc, dróg oddechowych i naczyń krwionośnych z tomografii komputerowej klatki piersiowej, które zostały ocenione w wielu badaniach klinicznych. Razem CT i ¹²⁹Xe MRI dostarczają uzupełniających się informacji, które można wykorzystać do oceny regionalnej struktury i funkcji płuc, co skutkuje nowymi informacjami na temat zdrowia i chorób płuc. ^{129 Rozdział 129}Rejestracja obrazu Xe MR-CT może być wykonana w celu pomiaru regionalnej struktury i funkcji płuc, lepszego zrozumienia patofizjologii chorób płuc oraz przeprowadzenia interwencji płucnych pod kontrolą obrazu. W tym miejscu przedstawiono metodę rejestracji ¹²⁹Xe MRI-CT w celu wsparcia jej wdrożenia w warunkach badawczych lub klinicznych. Podsumowano również metody rejestracji i aplikacje, które zostały dotychczas zastosowane w literaturze, a także przedstawiono sugestie dotyczące przyszłych kierunków, które mogą jeszcze bardziej przezwyciężyć wyzwania techniczne związane z rejestracją obrazów ¹²⁹Xe MR-CT i ułatwić szersze wdrożenie regionalnej oceny struktury i funkcji płuc.

Introduction

Hiperspolaryzowany gazowy rezonans magnetyczny (MRI) pojawił się po raz pierwszy jako nowatorska funkcjonalna metoda obrazowania płuc do oceny rozkładu wentylacji płuc prawie trzy dekady temu¹. Od tego czasu badania naukowe z wykorzystaniem hiperspolaryzowanego rezonansu magnetycznego gazu ujawniły liczne informacje na temat natury funkcji płuc u pacjentów z przewlekłymi chorobami płuc, takimi jak astma, przewlekła obturacyjna choroba płuc (POChP) i mukowiscydoza^2,3,4,5,6. Zarówno hiperspolaryzowany gaz ³He, jak i ¹²⁹Xe były używane historycznie; jednak ¹²⁹Xe jest teraz głównym środkiem wdychanym ze względu na ograniczoną dostępność gazu ³He. ^{129 Rozdział 129}Xe również swobodnie dyfunduje przez błonę pęcherzyków płucnych i jest wchłaniany przez czerwone krwinki w naczyniach włosowatych płucnych; w tej tak zwanej "fazie rozpuszczonej" ¹²⁹Xe rezonuje z unikalnymi częstotliwościami, które pozwalają na pomiar regionalnej wymiany gazowej w jednym skanowaniu wstrzymanym na oddechu^4,7,8. W celu kwantyfikacji, dopasowane objętościowo obrazy anatomiczne ¹H MR są zwykle pozyskiwane jednocześnie w celu jednoczesnej rejestracji z ¹²⁹Xe w celu wyznaczenia granic jamy klatki piersiowej. Konwencjonalny ^1-godzinnyrezonans magnetyczny nie dostarcza jednak dalszych informacji o strukturze płuc. Impuls do klinicznego translacji hiperspolaryzowanego ¹²⁹Xe MRI wzrósł w ostatnich latach wraz z zatwierdzeniem przez brytyjską NHS w 2015 r. i zatwierdzeniem US FDA pod koniec 2022 r. ^5,9, jednak zaawansowana charakterystyka strukturalna nadal w większości nie jest dostępna w arsenale MRI płuc.

Tomografia komputerowa klatki piersiowej (CT) pozostaje podstawą klinicznej oceny obrazowania płuc, dostarczając trójwymiarowych obrazów struktury płuc o wysokiej rozdzielczości przy użyciu konwencjonalnych protokołów obrazowania. Podejścia ilościowe umożliwiły szybkie i powtarzalne pomiary integralności miąższu, takich jak rozedma płuc i śródmiąższowe nieprawidłowości płuc, morfologia dużych dróg oddechowych i unaczynienie płuc oraz regionalna charakterystyka anatomiczna poprzez identyfikację i segmentację płatów płuc^10,11. W przestrzeni badawczej ilościowa tomografia komputerowa jest szeroko stosowana w celu lepszego zrozumienia zmian strukturalnych i ich związków z wynikami pacjentów w astmie i POChP w dużych badaniach obserwacyjnych, takich jak Program Badań nad Ciężką Astmą (SARP)¹², Genetyka epidemiologii POChP (POChP)¹³, Subpopulacje i pośrednie wyniki w badaniu POChP (SPIROMICS)¹⁴, Ocena POChP podłużnie w celu identyfikacji predykcyjnych zastępczych punktów końcowych (ECLIPSE)¹⁵ oraz Kanadyjska kohorta obturacyjnej choroby płuc (CanCOLD)¹⁶. Alternatywne metody tomografii komputerowej, takie jak obrazowanie wydechowe^17,18 lub modele obliczeniowe¹⁹ mogą uzyskiwać informacje funkcjonalne, ale te metody są pośrednie, a konwencjonalna tomografia komputerowa nie dostarcza wiele do funkcjonalnej charakterystyki płuc.

Razem wzięte, CT i ¹²⁹Xe MRI dostarczają uzupełniających się informacji o strukturze i funkcji płuc, które mogą być wykorzystane do analizy regionalnej za pomocą rejestracji obrazu. Płaty płuc zidentyfikowane w tomografii komputerowej pozwoliły na scharakteryzowanie wzorców wentylacji MRI w astmie^20,21,22, POChP^23,24, rozstrzenie oskrzeli²⁵ i rak płuc^26,27. Nieprawidłowości wentylacji MRI w astmie zostały również bezpośrednio dopasowane przestrzennie do nieprawidłowo przebudowanych dużych dróg oddechowych^28,29,30,31 i zatrzymywanie powietrza wskazujące na dysfunkcję małych dróg oddechowych^20,32 mierzone na tomografii komputerowej, oraz do badania regionalnych odpowiedzi na leczenie po termoplastyce oskrzeli całego płuca³³. W POChP nieprawidłowości wentylacji MRI zostały powiązane z dysfunkcją małych dróg oddechowych w łagodniejszych chorobach i rozedmą płuc w cięższych chorobach^34,35,36. Poza obrazowaniem wentylacji w obturacyjnej chorobie płuc, w idiopatycznym zwłóknieniu płuc wykazano również niejednorodne relacje przestrzenne między nieprawidłowościami śródmiąższowymi płuc w tomografii komputerowej a wzorcami wymiany gazowej ¹²⁹Xe MRI³⁷. Takie badania pozwoliły na głębsze zrozumienie regionalnej struktury i funkcji płuc w szeregu chorób płuc, które mogą być wykorzystane do informowania o przyszłych interwencjach sterowanych obrazem.

Bezpośrednia rejestracja anatomicznego tomografu komputerowego i funkcjonalnego hiperspolaryzowanego rezonansu magnetycznego gazu jest wyzwaniem, jednak ze względu na zasadniczo różny kontrast obrazowania między tymi dwiema metodami, brak sygnału hiperpolaryzacji gazu w obszarach nieprawidłowości wentylacji i potencjalnie różne objętości płuc. Rysunek 1 pokazuje cztery przykłady ¹²⁹Xe i sparowanych anatomicznych ¹H MRI i CT u zdrowego ochotnika (Rysunek 1A) i trzech uczestników z przewlekłą obturacyjną chorobą płuc (POChP; Rysunek 1B-D), podkreślając niejednorodne wzorce wentylacji ¹²⁹Xe i różne brakujące granice płuc w przypadkach POChP. Kluczem do pokonania tych wyzwań było wykorzystanie anatomicznego rezonansu magnetycznego ¹H uzyskanego jednocześnie z hiperspolaryzowanym rezonansem magnetycznym gazu jako etapu pośredniego rejestrowania hiperspolaryzowanego rezonansu magnetycznego gazu w tomografii komputerowej^34,38. Wczesne prace polegały na równoległym porównaniu wizualnym i ręcznej segmentacji struktur CT, takich jak płaty płuc, w przestrzeni MRI²⁰. Postępy w zasobach obliczeniowych i narzędziach do przetwarzania obrazów typu open source umożliwiły trójwymiarową rejestrację tomografii komputerowej i hiperspolaryzowanego rezonansu magnetycznego gazem, na przykład przy użyciu niezależnego od modalności deskryptora sąsiedztwa (MIND)^{23,30,34,39,40,41} lub Advanced Normalization Toolkit ( ANTs) registration^{21,22,27,31,32,37,38,42,43}, z których obaj uzyskali najlepsze wyniki w wyzwaniu rejestracji obrazu płucnego⁴⁴. Jedna z nowatorskich metod połączyła dwie rejestracje, zamiast traktować je niezależnie⁴⁵, która została zaimplementowana w pełnym potoku analizy obrazu płuc przeznaczonym do fenotypowania choroby płuc⁴⁶. Ogólnie rzecz biorąc, dokładność rejestracji między hiperspolaryzowanym gazem a rezonansem magnetycznym w tomografii komputerowej została poprawiona przy użyciu pośredniego 1 H step³⁸ i zastosowaniu podejść odkształcalnych w porównaniu z podejściami tylko afinicznymi^38,45.

Celem tutaj jest zbudowanie na podstawie istniejącej literatury i dostarczenie protokołu do rejestracji obrazów ¹²⁹Xe MR do CT za pomocą platform open-source^47,48,49. Protokół jest implementowany przy użyciu ANTsPy i, zgodnie z poprzednią pracą work³⁸, rejestruje jednoznacznikową maskę płucną z ¹H MRI do jednoznakowej maski płuc z CT; Powstała transformacja jest następnie stosowana do obrazu ¹²⁹Xe w celu odwzorowania go w przestrzeni obrazu CT. Przedstawiony protokół ma być odpowiedni dla warunków badawczych lub klinicznych, w stosownych przypadkach, i dostępny jest hiperpolaryzowany rezonans magnetyczny ¹²⁹Xe.

Dla kontekstu, akwizycja i analiza obrazów dla przykładów podanych tutaj zostały przeprowadzone w następujący sposób. Tomografia komputerowa klatki piersiowej została pobrana przy pełnym wdechu (całkowita pojemność płuc, TLC) zgodnie z ustalonym protokołem badań nad niskimi dawkami⁵⁰ o parametrach: kolimacja 64 x 0,625, szczytowe napięcie 120 kilonapięć, prąd lampy 100 mA, czas obrotu 0,5 s, podziałka spirali 1,0, grubość warstwy 1,25 mm, odstępy między warstwami 0,80 mm, jądro rekonstrukcji standardowej, pole widzenia wyświetlacza ograniczone do najbardziej bocznych zakresów płuc (w celu maksymalizacji rozdzielczości przestrzennej). Segmentację i analizę tomografii komputerowej przeprowadzono przy użyciu komercyjnego oprogramowania (patrz tabela materiałów).

¹²⁹Xe i 1 H MRI z dopasowaną objętością zostały wykonane zgodnie z opublikowanymi wytycznymi⁹. Aby uzyskać pełne informacje na temat akwizycji MRI i protokołu, czytelnicy są kierowani do innego artykułu z tej kolekcji⁵¹. Segmentację i rejestrację MRI przeprowadzono przy użyciu półautomatycznego niestandardowego potoku przy użyciu grupowania k-średnich dla segmentacji ¹²⁹Xe, wzrostu regionu zasianego dla segmentacji ¹H i rejestracji afinicznej opartej na punktach orientacyjnych w celu mapowania obrazu ¹H na obraz ¹²⁹Xe⁵². Rejestracja afiniczna jest zazwyczaj wystarczająca do rejestracji ^{1 H-129}Xe MR, aby uwzględnić większość różnic w napompowaniu płuc lub pozycji pacjenta między akwizycjami; Odkształcalna rejestracja zazwyczaj nie jest konieczna. Etap rejestracji ^{1 H-129}Xe można wyeliminować przy jednoczesnym uzyskaniu ¹²⁹Xe i ¹H MRI w tym samym wstrzymaniu oddechu^53,54.

Protocol

Pokazane tutaj przypadki obrazowania zostały zatwierdzone przez Radę Etyki Badań Opieki Zdrowotnej Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej w Providence (REB# H21-01237, H21-02149, H22-01264). Uczestnicy wyrazili pisemną świadomą zgodę przed zakończeniem obrazowania. Ogólny proces od akwizycji obrazu do rejestracji jest opisany w Rysunek 2, a szczegóły protokołu koncentrują się tutaj tylko na rejestracji obrazu MR-CT. Akwizycja i segmentacja obrazów zależą od dostępnego lub preferowanego sprzętu do obrazowania, protokołów obrazowania i narzędzi do analizy obrazu, a zatem są pozostawione preferencjom czytelników. Protokół został zaprojektowany tak, aby był niezależny od tych wcześniejszych kroków przy użyciu masek z pojedynczą etykietą płuc po segmentacji obrazu.

1. Konfiguracja oprogramowania

1. Pobierz i zainstaluj ANTsPy (patrz Spis materiałów), opakowanie Pythona dla biblioteki przetwarzania obrazów Advanced Normalization Tools^47,48,49. Samouczki są dostępne pod linkiem w zakładce 'tutoriale'. ANTsPy jest również dostępny do instalacji Dockera w razie potrzeby.
   UWAGA: ANTsPy wymaga systemu operacyjnego lub środowiska opartego na systemie Linux. W poniższych przykładach ANTsPy został zainstalowany i używany w wirtualnym środowisku obliczeniowym o wysokiej wydajności na lokalnej stacji roboczej. Z doświadczenia autorów wynika, że protokół działa lepiej przy użyciu wirtualnego środowiska obliczeniowego.
2. Pobierz i zainstaluj wybrane oprogramowanie do segmentacji i/lub wizualizacji.
   UWAGA: W niniejszym badaniu do wizualizacji wykorzystano ITK-SNAP (patrz Tabela Materiałów).
3. Pobierz i zapisz skrypt reg.py (Plik uzupełniający 1).

2. Wstępne przetwarzanie obrazu

1. Kliknij, aby otworzyć obrazy i maski w żądanym oprogramowaniu do wizualizacji obrazu w celu sprawdzenia zgodności orientacji obrazu i maski dla wszystkich plików CT, ¹H i ¹²⁹Xe. W zależności od zastosowanej metody segmentacji i/lub oprogramowania może być konieczne dostosowanie orientacji niektórych obrazów lub masek. W razie potrzeby zalecamy dostosowanie obrazów ¹H i ¹²⁹Xe oraz orientacji maski tak, aby odpowiadała natywnemu obrazowi CT.
2. Zapisz obrazy DICOM i maski z pojedynczą etykietą (dostosowane zgodnie z potrzebami jak w kroku 2.1) jako pliki Neuroimaging Informatics Technology Initiative (NIfTI, *.nii; łącznie sześć plików) za pomocą preferowanego narzędzia programowego, w tym samym folderze co reg.py, który jest dostępny dla lokalizacji, w której zainstalowano ANTsPy i zostanie uruchomiony. Postępuj zgodnie z konwencjami nazewnictwa, jak wspomniano poniżej.
   1. ^1-godzinnyrezonans magnetyczny: Proton.nii; ¹H Maska MRI: Proton_mask.nii.
      UWAGA: Użyj obrazu ⁱmaski 1 H po rejestracji w ¹²⁹Xe.
   2. ¹²⁹Xe MRI: Wentylacja.nii; ^{129 Rozdział 129}Maska Xe MRI: Ventilation_mask.nii
   3. CT: CT.nii; Maska CT: CT_mask.nii.
      UWAGA: Nazwy plików są zakodowane na stałe w skrypcie rejestracji i dlatego muszą być zgodne z podanym formatem lub zostać poprawione w skrypcie w celu dopasowania do żądanej konwencji nazewnictwa. Kroki te można wykonać razem, korzystając z dowolnego z zalecanych narzędzi programowych wymienionych w kroku 1.2. W odniesieniu do tych narzędzi programowych, niektóre automatycznie zapisują wymagane informacje nagłówka podczas zapisywania plików .nii, podczas gdy inne wymagają dodatkowych kroków w celu skopiowania i zapisania informacji nagłówka.

3. Rejestracja CT-XeMRI

1. Otwórz plik reg.py w żądanej konfiguracji środowiska obliczeniowego języka Python w kroku 1.1.
   UWAGA: Skrypt reg.py jest oparty na wbudowanych narzędziach do rejestracji ANTs; Dostępna jest dodatkowa dokumentacja⁵⁵.
2. W przypadku korzystania ze środowiska wirtualnego należy ustawić liczbę jednostek centralnych (CPU), liczbę wątków i pamięć RAM zgodnie z potrzebami lub dostępnością w środowisku obliczeniowym. W przykładach użyto wirtualnego środowiska obliczeniowego z 16 procesorami, 1 wątkiem na procesor i 186 GB dostępnej pamięci RAM.
3. Ustaw żądaną transformację i interpolację. W tym miejscu zastosowano transformację SyNAggro z interpolacją liniową dla obrazów i ogólną interpolacją etykiet dla masek o pojedynczej etykiecie, które są domyślne w dostarczonym skrypcie reg.py.
   UWAGA: SyNAggro to symetryczna transformacja normalizacyjna, która obejmuje transformację afiniczną + odkształcalną oraz bardziej agresywną rejestrację przy użyciu dopasowania w precyzyjnej skali i większą deformację (w porównaniu ze zwykłym SyN). Alternatywne algorytmy transformacji i interpolacji są wymienione w linku do dokumentacji rejestracji ANTs w kroku 3.1⁵⁵.
4. Ustaw obraz stały i ruchomy. W tym przypadku CT (maska jednoznacznikowa) została ustawiona jako obraz stały, a ¹H MRI (maska z pojedynczą etykietą) została ustawiona jako ruchomy obraz.
5. Uruchom reg.py w środowisku obliczeniowym języka Python. Pełna rejestracja może zająć 5-10 minut (przy użyciu naszych parametrów) lub dłużej, w zależności od wykorzystanych lub dostępnych zasobów obliczeniowych. Po zakończeniu zniekształcone pliki zostaną automatycznie zapisane w tym samym katalogu, co oryginalne pliki obrazów o następujących nazwach: Proton_warped.nii.gz; Ventilation_warped.nii.gz; Ventilation_label_warped.nii.gz.
   UWAGA: Pliki NIfTI *.nii.gz są po prostu spakowanymi wersjami plików *.nii i można je rozpakować lub otworzyć według uznania. Skrypt reg.py może być modyfikowany zgodnie z potrzebami, na przykład przy użyciu różnych metod transformacji lub interpolacji, mapowania lub tworzenia katalogów plików.

4. Ocena wyników rejestracji

1. Otwórz obraz CT.nii jako obraz podstawowy w żądanym oprogramowaniu do wizualizacji.
2. Otwórz Ventilation_warped.nii.gz lub Ventilation_label_warped.nii.gz jako inny obraz i nałóż na obraz CT żądaną mapę kolorów.
3. Przejrzyj nakładanie się obrazu lub maski ¹²⁹Xe z obrazem CT we wszystkich płaszczyznach obrazu (czołowej, osiowej, strzałkowej), oceniając wizualne wyrównanie punktów orientacyjnych, takich jak granice carina i płuc (jeśli jest to dostępne na obrazie ¹²⁹Xe).
4. Sprawdź wyniki. Jeśli wyniki są zadowalające, rejestracja jest zakończona.
   UWAGA: Zarejestrowany obraz/maskę ¹²⁹Xe można pomnożyć przez maskę CT w celu usunięcia tchawicy i głównych dróg oddechowych (jeśli nie zostały usunięte przed segmentacją MRI) oraz usunięcia wszelkich sygnałów, które po rejestracji wykraczają poza granice płuc CT. W razie potrzeby można przeprowadzić dalszą kwantyfikację dla regionalnych pomiarów struktura-funkcja.
5. Jeśli wyniki nie są zadowalające, oceń i zoptymalizuj alternatywne typy transformacji i związane z nimi parametry zgodnie z potrzebami.

Results

To badanie prospektywnie zdobyło sparowane CT i ¹²⁹Xe MRI w warunkach badawczych w celu regionalnej charakterystyki struktury i funkcji płuc oraz bronchoskopii sterowanej obrazem w całym zakresie chorób i schorzeń płuc. Rysunek 3 pokazuje ^{zarejestrowane 129}Xe MRI wentylacji i CT w płaszczyźnie czołowej i strzałkowej dla czterech reprezentatywnych uczestników z różnymi wzorcami wentylacji MRI (dla tych samych uczestników Rysunek 1). Zarejestrowana maska z etykietą ¹²⁹Xe MR pokazuje klastry intensywności sygnału ¹²⁹Xe od wady wentylacji lub pustki sygnału do hiperintensywności i została pomnożona przez maskę z etykietą CT w celu usunięcia tchawicy i głównych dróg oddechowych. Oględziny wykazują dobre wyrównanie wszystkich granic płuc u zdrowego uczestnika (Ryc. 3A) z jednorodną wentylacją, z wyjątkiem kąta żebrowego w prawym płucu. Rozbieżność ta może wynikać z różnic w rozdzielczości między tymi dwiema modalnościami lub zniekształceń geometrycznych w rezonansie magnetycznym ¹²⁹Xe/¹H; Jest to jednak niewielki ułamek całkowitej objętości płuc. U trzech uczestników z POChP stwierdzono również dobre wyrównanie granic płuc, jeśli było to możliwe. Przykłady POChP obejmują nieprawidłowości wentylacji rozproszonej (Rysunek 3B), nieprawidłowości wentylacji górnego płata z brakiem wierzchołkowych granic płuc (Figura 3C) oraz nieprawidłowości wentylacji dolnego płata z brakiem przeponowych granic płuc (Rysunek 3D).

Autorzy zazwyczaj decydują się na wizualną inspekcję zarejestrowanych obrazów i nie oceniają prospektywnie ilościowo wydajności rejestracji ze względu na charakter multimodalnych różnic kontrastu między CT a ¹²⁹Xe MRI. Typowymi ilościowymi wskaźnikami wydajności rejestracji są współczynnik Dice lub błąd rejestracji celu (TRE). Współczynniki kości można było oceniać między zarejestrowanymi obrazami ¹H (ruchomy) i CT (stały); Byłoby to jednak pośrednie, ponieważ obrazy ¹H są używane jako pomost pośredni do rejestracji ^{obrazów 129}Xe, a interesujące pomiary pochodzą z ¹²⁹Xe MRI. TRE można określić ilościowo, umieszczając referencyjne punkty orientacyjne na nieruchomych i nieruchomych obrazach; jednak umieszczanie powierników jest czasochłonnym procesem ręcznym, a charakter nieprawidłowości wentylacji ¹²⁹Xe MRI oznacza, że dostępność anatomicznych punktów orientacyjnych może być ograniczona. Chociaż kąty tchawicy i żebrowe zazwyczaj służą jako łatwe punkty orientacyjne, uczestnicy w Rysunek 3C, D podkreślają poważne przykłady, w których dostępnych jest niewiele oczywistych punktów orientacyjnych. Korzystając z podobnego systemu rejestracji w ANTs, Tahir i in. osiągnęli TRE od 8,8 mm do 19,7 mm³⁸, co jest małe w stosunku do wielkości płuc (typowe pole widzenia 350-400 mm) i dlatego akceptowalne; autorzy przewidują, że TRE może być podobny przy użyciu obecnych ram.

Rysunek 1: Płucny ¹²⁹Xe i ¹H oraz CT. Przykłady ¹²⁹Xe i anatomicznego ¹H MRI z dopasowaną objętością ze sparowaną CT dla zdrowego uczestnika (A) i trzech uczestników z przewlekłą obturacyjną chorobą płuc (POChP; B, C, D) przedstawiające zakres ¹²⁹wzorców wentylacji Xe. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Ogólna analiza obrazu i proces rejestracji. Wejściowe obrazy CT, ¹²⁹Xe MR i ¹H MR są najpierw segmentowane w celu wygenerowania masek z pojedynczą etykietą. Obraz/maska ¹H MR jest najpierw przekształcana w obraz/maskę ¹²⁹Xe. Wszystkie obrazy i maski CT, ¹²⁹Xe i ¹H są konwertowane na pliki NIfTI, które są następnie używane do rejestracji ¹²⁹Xe-CT. Maska ¹H jest przekształcana w przestrzeń obrazu CT, a transformacja jest następnie stosowana do obrazu/maski ¹²⁹Xe. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: ¹²⁹wyników rejestracji Xe MRI-CT. Wyniki rejestracji dla czterech reprezentatywnych uczestników pokazane na Rysunek 1, gdzie ¹²⁹Xe jest pokazane w kolorze cyjanu nałożonym na CT w skali szarości. U zdrowego uczestnika (A) stwierdzono dobre wyrównanie wszystkich granic płuc przy wentylacji jednorodnej, z wyjątkiem kąta żebrowego w prawym płucu. Stwierdzono również dobre wyrównanie granic płuc u trzech uczestników z POChP, jeśli było to możliwe, począwszy od zaburzeń wentylacji rozproszonej (B), nieprawidłowości wentylacji górnego płata z brakiem wierzchołkowych granic płuc (C) i nieprawidłowości wentylacji dolnego płata z brakiem przeponowych granic płuc (D). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Pomiary struktury płatowej i funkcji u uczestnika z POChP. Rozedma płuc płatowej CT mierzona przez obszary o niskim tłumieniu mniejsze niż -950 jednostek Hounsfielda (LAA950, żółty) i ¹²⁹procent wad wentylacji Xe MRI (VDP, cyjan) wygenerowanych po rejestracji ¹²⁹Xe MR-CT, jako przykład ocena regionalna dla planu leczenia sterowanego obrazem. Schemat konturów płatów pokazano w płaszczyznach strzałkowych. RUL = prawy górny płat; RML = prawy środkowy płat; RLL = prawy dolny płat; LUL = lewy górny płat; LLL = lewy dolny płat. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Plik uzupełniający 1: Skrypt reg.py. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Discussion

Tomografia komputerowa i rezonans magnetyczny ¹²⁹Xe dostarczają uzupełniających się informacji do oceny regionalnej struktury i funkcji płuc, które są najlepiej ułatwione przy użyciu rejestracji obrazu. Multimodalna rejestracja obrazu może być nietrywialna do wdrożenia, dlatego przedstawiony tutaj protokół ma na celu zapewnienie czytelnikom narzędzi do rejestracji ¹²⁹Xe MRI w CT. Dostarczony protokół wykorzystuje ANTsPy dla łatwiejszej implementacji dla użytkowników z szerokim zakresem doświadczenia w przetwarzaniu obrazów przy użyciu Pythona, a nie C++, jak w konwencjonalnych ANTs. Ogólnie rzecz biorąc, ANT zapewniają ramy rejestracji obrazów typu open source, które zmniejszają potrzebę dostrajania dla różnych wskaźników i/lub par obrazów oraz wspierają powtarzalne praktyki badawcze⁴⁹. W ANT zwykle stosuje się zestaw trzech kolejnych algorytmów w celu osiągnięcia optymalnej rejestracji: (1) rejestracja sztywna przy użyciu tylko obrotu i translacji, (2) rejestracja afiniczna przy użyciu rotacji i translacji oraz skalowania i ścinania oraz (3) rejestracja odkształcalna, nieliniowa. Na głębszym poziomie, trzy kroki domyślnego protokołu przewidzianego tutaj dla rejestracji CT-MR to: (1) Początkowa transformacja podobieństwa (sztywna) w celu uchwycenia dużych podobieństw między obrazami CT i MR, przygotowanie obrazów do kolejnych, bardziej wyrafinowanych transformacji. W tym kroku wykorzystano metrykę podobieństwa informacji wzajemnych^{Mattesa 49} z 32 przedziałami histogramu, regularne próbkowanie z próbkowaniem 0,2% pikseli, optymalizację spadku gradientu o rozmiarze kroku 0,25, wielorozdzielczą piramidę Gaussa z czterema poziomami współczynników próbkowania w dół 6 x 4 x 2 x 1 (iteracje 2100 1200 1200 10) i odpowiadające jej wygładzające sigmy Gaussa 3 mm x 2 mm x 1 mm x 0 mm. (2) Transformacja afiniczna wykorzystująca dane wyjściowe ze stopnia podobieństwa jako początkowa transformacja. W tym kroku wykorzystuje się metrykę podobieństwa informacji wzajemnych Mattesa z 16 przedziałami histogramu, regularne próbkowanie z próbkowaniem 0,2% pikseli, optymalizację spadku gradientu o rozmiarze kroku 0,25, wielorozdzielczą piramidę Gaussa z czterema poziomami współczynników próbkowania w dół 4 x 2 x 2 x 1 (iteracje 2100 1200 1200 100) i odpowiadające im wygładzające sigmy Gaussa 3 mm x 2 mm x 1 mm x 0 mm. (3) Transformacja SyNAggro jako ostatni krok do dalszego udoskonalenia transformacji przy użyciu Nieliniowa, odkształcalna rejestracja. W tym kroku wykorzystano metrykę podobieństwa informacji wzajemnych Mattesa z 16 przedziałami histogramu, pełne próbkowanie, optymalizację spadku gradientu o rozmiarze kroku 0,2, wielorozdzielczą piramidę Gaussa z trzema poziomami współczynników próbkowania w dół 4 x 2 x 1 (iteracje 40 20 0) i odpowiadające jej wygładzające sigmy Gaussa 2 mm x 1 mm x 0 mm, szerokość jądra regularyzacji Gaussa wynoszącą 3 woksele do wygładzania pola transformacji aktualizacji. Są to ustawienia domyślne algorytmu transformacji SyNAggro.

Jak opisano wcześniej i użyto do rejestracji obrazu między CT a hiperspolaryzowanym gazowym MRI³⁸, zastosowano tutaj odmianę transformacji symetrycznej normalizacji (SyN), ponieważ wykazano, że jest to algorytm o najwyższej wydajności w wyzwaniu rejestracji obrazu płucnego⁴⁴. Zastosowano metrykę podobieństwa wzajemnych informacji, ponieważ ma ona tendencję do osiągania najlepszych wyników w obrazowaniu multimodalnym⁵⁶. Aby jeszcze bardziej przezwyciężyć multimodalne różnice w kontraście obrazu, protokół wykorzystuje dopasowany objętościowo ¹H MRI do pośredniego zarejestrowania ¹²⁹Xe MRI do CT, jak po raz pierwszy opisano przez Tahira i wsp.38, a w rzeczywistości rejestruje jednoznacznikową maskę ¹H do maski CT zamiast obrazów, które uzyskana transformacja jest następnie stosowana do obrazu i maski ¹²⁹Xe. Można również stosować maski wieloetykietowe, na przykład płatowe lub segmentowe maski CT 21,22,23,45 lub pojemniki intensywności MRI⁵⁷. Rejestracja jest wykonywana przez mapowanie ¹H MRI do przestrzeni CT w celu utrzymania rozdzielczości CT w celu ilościowego określenia cech strukturalnych CT, chociaż kierunek rejestracji można odwrócić zgodnie z potrzebami. Jako dane wejściowe do potoku rejestracji protokół obsługuje obrazy i maski o pojedynczej etykiecie w formacie NIfTI, ponieważ w ten sposób wszystkie przekroje poprzeczne na obrazie 3D są zawarte w jednym pliku. Oceniliśmy ten protokół na sparowanych danych ^CT-129Xe MRI z dwóch niezależnych ośrodków (University of British Columbia i University of Kansas Medical Center) z dobrą wydajnością, a zatem przewidujemy, że protokół będzie dobrze stosowany w innych zestawach danych. Niemniej jednak parametry transformacji można zoptymalizować w celu poprawy wydajności w lokalnych zestawach danych zgodnie z potrzebami.

Protokół został celowo zaprojektowany tak, aby był w większości niezależny od akwizycji i segmentacji obrazu, ponieważ te kroki są zależne od dostępnego lub preferowanego sprzętu do obrazowania, protokołów obrazowania i narzędzi do analizy obrazu. Protokół CT powinien być w idealnym przypadku cienkowarstwowy, niewzmocniony kontrastem, z jądrem rekonstrukcyjnym równoważnym standardowo, aby umożliwić pomiar zwalidowanych ilościowo wskaźników miąższowych, dróg oddechowych i/lub naczyń 10,11,50. Tomografia komputerowa może być uzyskana przy pełnym wdechu, który jest najlepiej zwalidowany dla pomiarów ilościowych¹⁰, lub dopasowana objętościowo do MRI, aby lepiej ułatwić rejestrację CT-MRI i pomiary struktury i funkcji par przy tej samej objętości napompowania płuc^24,30. Wydechowa tomografia komputerowa może być również wykonana i zarejestrowana w wdechowej CT w celu ilościowego określenia uwięzienia powietrza 17,18,34. Do segmentacji i analizy ilościowej dostępne są różne narzędzia programowe do tomografii komputerowej⁵⁸ lub open source⁵⁹. Z drugiej strony, opublikowano ¹²⁹protokołów akwizycji Xe MRI⁹, które obecnie zalecają osobne akwizycje na wstrzymanie oddechu dla ¹²⁹Xe i ¹H MRI. Opracowano nowatorskie protokoły, które uzyskują ¹²⁹Xe i ¹H MRI w tym samym wstrzymanym oddechu^53,54, a zatem mogą wyeliminować etap wstępnego przetwarzania rejestracji ^{1 H-129}Xe. Co więcej, protokół ten koncentruje się na obrazowaniu wentylacji ¹²⁹Xe MR, ale ma podobne zastosowanie do obrazowania wymiany gazowej ¹²⁹Xe. Jako nowa metoda, segmentacja i kwantyfikacja ¹²⁹Xe/¹H MRI nie są jeszcze znormalizowane; W literaturze opisano wiele metod, które można by tutaj zastosować i zostały ładnie podsumowane w niedawnym przeglądzie⁶⁰. Niezależnie od tego, w jaki sposób pozyskiwane są obrazy CT i ^{1 H-129}Xe MR oraz w jaki sposób uzyskuje się ich maski jednokierunkowe, ten protokół rejestracyjny ma mieć szerokie zastosowanie.

Zdajemy sobie sprawę z ograniczeń obecnego protokołu, przede wszystkim z tego, że jest on w pewnym stopniu ręczny, szczególnie w przypadku wstępnego przetwarzania w celu przygotowania do rejestracji i oceny wydajności rejestracji. Zautomatyzowane metody zostały zaproponowane już wcześniej⁴⁵ , a ulepszenia w istniejącym protokole w kierunku automatyzacji będą miały istotne znaczenie dla bezproblemowej translacji klinicznej. Bieżąca rejestracja jest również oparta na procesorze; Podczas gdy przetwarzanie procesora CPU jest prawdopodobnie szerzej dostępne, a rejestracja przebiega w ciągu około 10 minut, implementacja z procesorami graficznymi (GPU) i/lub głębokim uczeniem może jeszcze bardziej skrócić czas działania i potencjalnie poprawić dokładność rejestracji. Wreszcie, nie przedstawiono zaleceń ani metodologii segmentacji obrazu CT i ¹H/¹²⁹Xe MR. Istnieje szeroki zakres metod dostępnych dla obu, więc pozostawia się to wyborowi czytelników; Istnieje jednak ogromna szansa dla procesu obejmującego automatyczną segmentację i rejestrację, aby jeszcze bardziej przyspieszyć translację kliniczną.

Ten protokół rejestracyjny może być stosowany w warunkach badawczych lub klinicznych, w których dostępny jest hiperpolaryzowany ^{rezonans magnetyczny 129}Xe. W krajobrazie badawczym komplementarna tomografia komputerowa i rezonans magnetyczny ¹²⁹Xe w dużej mierze przyczyniły się do odkrycia nowych informacji na temat regionalnej struktury i funkcji płuc, na przykład w astmie 20,21,22,28,29,30,31,32, POChP 24,25,34,35 i IPF^{Lokal mieszkalny 37,61}. Pomostem do przełożenia klinicznego są jednak interwencje płucne sterowane obrazem. Termoplastyka oskrzeli pod kontrolą obrazu przy użyciu CT i ¹²⁹Xe MRI u pacjentów z ciężką astmą zapewniła mniej zabiegów bronchoskopowych, mniej zdarzeń niepożądanych przed zabiegiem i nie gorsze wyniki zgłaszane przez pacjentów w porównaniu z konwencjonalną terapią całego płuca^62,63. W POChP ilościowa struktura CT i funkcja ¹²⁹Xe MRI mogą sugerować różne cele bronchoskopowego zmniejszenia objętości płuc w oparciu o największe obciążenie płatów rozedmą płuc CT i nieprawidłowościami wentylacji MRI, podkreślając znaczenie łącznego rozważenia struktury i funkcji²³. Ponadto zaproponowano schematy funkcjonalnej radioterapii płuc^{40,64 w} celu uchronienia regionów z zachowaną funkcją wentylacji i wymiany gazowej w MRI przed nadmiernym narażeniem na promieniowanie. Dodatkowe możliwości obrazowania w interwencjach pulmonologicznych obejmują chirurgiczną resekcję raka płuca⁶⁵, umieszczenie stentu w drogach oddechowych i zastawki w POChP oraz inne nowatorskie terapie bronchoskopowe POChP lub przewlekłego zapalenia oskrzeli, takie jak termiczna ablacja parą, krioterapia lub reoplastyka^66,67. Rycina 4 ilustruje zaburzenia wentylacji płatowej tomografii komputerowej, rozedmy płuc i rezonansu magnetycznego u pacjenta z POChP, które można uwzględnić w planowaniu leczenia. Płuca pozostają jedną z ostatnich granic ludzkiego ciała dla interwencji sterowanych obrazem; Tomografia komputerowa i rezonans magnetyczny ¹²⁹Xe dostarczają uzupełniających się informacji, które poszerzyły naszą wiedzę na temat struktury i funkcji płuc, które można teraz zastosować w interwencjach płucnych sterowanych obrazem. Przedstawiony tutaj protokół rejestracji ^CT-129Xe MRI może umożliwić dalsze odkrywanie struktury i funkcji płuc, a także interwencje sterowane obrazem w celu poprawy opieki, leczenia i wyników dla pacjentów z chorobami układu oddechowego.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D Slicer	Brigham and Women's Hospital (BWH)	https://www.slicer.org/	Oprogramowanie do analizy/wizualizacji obrazu; open source
ANTsPy	NA	https://github.com/ANTsX/ANTsPy	Infrastruktura kodowania; open source
ITK-SNAP	NA		Oprogramowanie do analizy/wizualizacji obrazu; open source
MAGNETOM Vida 3.0T MRI	Siemens Healthineers	NA	Może to być dowolny skaner 1,5 T lub 3,0 T z możliwością szerokopasmowego obrazowania
MATLAB	Mathworks	https://www.mathworks.com/products/matlab.html	Ogólne oprogramowanie, dobre do analizy obrazu; dostępne w ramach subskrypcji
reg.py	NA	NA	Skrypt rejestracyjny (plik uzupełniający 1)
Skaner tomograficzny Revolution HD	GE Healthcare	NA	Może to być dowolny tomograf komputerowy z ≥ 64 detektory
VIDA Insights	VIDA Diagnostics Inc.	Oprogramowanie do	analizy NA CT; może być dowolne do generowania masek