Ocena odkształcenia mięśnia sercowego w rezonansie magnetycznym z wykorzystaniem śledzenia cech (feature tracking)

Koncepcja odkształcenia (strain) to odkształcenie obiektu znormalizowane do jego pierwotnego kształtu, co jest fundamentalnie istotne w ocenie funkcji komór. W tym filmie zaprezentowano nowatorską technikę śledzenia cech (feature tracking) do oceny odkształcenia obwodowego z wykorzystaniem standardowych sekwencji cine. W pierwszej kolejności pozyskuje się standardową sekwencję MRI serca w osi krótkiej.

Następnie sekwencja cardiac MRI Short access Sydney jest pobierana do oprogramowania do śledzenia cech (feature tracking), a następnie tworzony jest pakiet danych do analizy odkształcenia (strain). Po wyznaczeniu początkowej granicy wsiochkłowej w fazie końca rozkurczu, oprogramowanie do śledzenia cech automatycznie śledzi przemieszczenie poszczególnych wzorców reprezentujących struktury anatomiczne w całym cyklu serca. Na koniec przeprowadzana jest analiza wyznaczonego obrysu w celu oceny odkształcenia obwodowego.

Można wyznaczyć bezwzględne, jak i regionalne wartości prędkości, przemieszczenia oraz odkształcenia. Główną zaletą techniki śledzenia cech (feature tracking) w stosunku do istniejących metod jest możliwość przeprowadzenia analizy odkształcenia obwodowego bez dodatkowego obrazowania; jest ona prosta w użyciu i wykazuje dobrą korelację z obecnie dostępnym oprogramowaniem do obrazowania tagowania. Po opanowaniu tej techniki analiza może zostać wykonana w ciągu kilku minut, choć zaprezentowana tutaj metoda analizy dotyczy pojedynczych, krótkich przekrojów dostępowych.

Na poziomie środkowym istnieje możliwość przeprowadzenia pełnej oceny komory. Osiąga się to poprzez wykorzystanie poziomów u podstawy oraz w ostrzu, a ponadto przekrojów w osi długiej w celu pomiaru odkształcenia podłużnego. Pierwszym krokiem procedury jest wykonanie standardowej sekwencji MRI serca w osi krótkiej przy użyciu standardowego aparatu MRI z oprogramowaniem kardiologicznym.

Jest to część standardowego protokołu i nie jest wymagana żadna dodatkowa, czasochłonna procedura tagowania. Standardowa krótka sekwencja dostępu syn jest przechowywana offline, a obrazy mogą zostać zaimportowane do oprogramowania do śledzenia cech w celu analizy odkształcenia obwodowego. Przejdźmy teraz do importowania i wybierania danych.

Standardowa sekwencja cini w osi krótkiej jest importowana do bazy danych pacjenta w oprogramowaniu do śledzenia cech (feature tracking) z lokalnej stacji roboczej lub dysku sieciowego. Gdy sekwencja cini w osi krótkiej jest dostępna w bazie danych pacjenta, za pomocą kompozytora pakietów tworzony jest pakiet danych do analizy odkształcenia (strain analysis). Kompozytor pakietów umożliwia wybór konkretnego przekroju osi krótkiej z sekwencji osi krótkiej lub stosu obrazów z bazy danych pacjenta.

Zostanie to zapisane i przechowywane w bazie danych pacjentów w celu analizy odkształcenia. W tym przypadku do analizy odkształcenia obwodowego wybrano przekrój w osi krótkiej w połowie komory na poziomie mięśni brodawkowatych. Teraz sprawdźmy, jak analizować dane.

Wybrany przekrój w osi krótkiej zostaje zaimportowany do oprogramowania do analizy śledzenia cech (feature tracking), a kontrast obrazu można dostosować według uznania. Analizę rozpoczyna się od wstępnego obrysowania granicy wsierdziowej w fazie końca rozkurczu, gdy komory mają największy wymiar; obrys ten można skorygować lub zmodyfikować w razie potrzeby. Przed rozpoczęciem śledzenia należy upewnić się, że wstępny obrys znajduje się na styku jam i tkanki, a następnie jednym przyciskiem uruchomić w pełni zautomatyzowaną procedurę śledzenia.

Poszczególne punkty tworzące pierwszy ślad są śledzone w czasie poprzez wyszukiwanie tych samych cech w sąsiedztwie jednego punktu w kolejnych klatkach. Śledzone cechy mogą stanowić granicę tkanki w jamie lub elementy anatomiczne, które różnią się w obrębie tkanki. Są one wykrywane metodami największej wiarygodności w dwóch obszarach zainteresowania pomiędzy dwiema klatkami.

Analiza śledzenia cech w przekroju krótkiej osi dostarcza danych dotyczących przemieszczenia prędkości oraz odkształcenia zarówno w kierunku radialnym, jak i obwodowym. Obecnie zwalidowano jedynie odkształcenie obwodowe, które wykazuje wysoką korelację z aktualnie dostępnym oprogramowaniem do analizy obrazowania z tagowaniem. Obwodowe odkształcenie w krótkiej osi może być przedstawione segmentowo w oparciu o model 16 lub 17 segmentów American Society of Echocardiography lub jako średnia ze wszystkich segmentów, reprezentująca globalne obwodowe odkształcenie środkowej części lewej komory.

Wyniki odkształcenia obwodowego można następnie wyeksportować do pliku tekstowego w celu przeprowadzenia dalszej analizy. Ta technika śledzenia cech wykazuje dobrą korelację z oceną fazy harmonicznej obrazów z oznakowaniem w dużej populacji pacjentów z dystrofią mięśniową Duchenne'a o szerokim zakresie dysfunkcji serca. Przejdźmy teraz do walidacji techniki z wykorzystaniem fantoma.

Przygotowano serię sztucznych pętli generowanych komputerowo, aby umożliwić przetestowanie procedury analizy obrazu w prostych i w pełni kontrolowanych warunkach. Przygotowano fantom idealnej lewej komory w projekcji krótkiej osi. Metodę śledzenia przetestowano na fantomach o różnej rozdzielczości przestrzennej, częstotliwości klatek oraz typie ruchu epikardialnego.

Ponadto zmieniano liczbę punktów wykorzystywanych do wstępnego śledzenia i w każdym przypadku testowano ten efekt. Błędy były bardzo małe dla wartości całkowych, takich jak promień i odkształcenie, a nieco większe dla wartości różniczkowych, takich jak prędkość i szybkość odkształcenia. Było to oczekiwane, ponieważ operator pochodnej potęguje błędy.

Jakość wyników pogarsza się wraz ze zmniejszeniem rozdzielczości przestrzennej, stając się bardzo niska. Jednak rozdzielczość czasowa nie wpływa znacząco na wyniki, o ile utrzymana zostanie minimalna wartość około 25 frames per second. Zwiększenie liczby klatek na sekundę nie poprawia wyników, ponieważ przemieszczenie między poszczególnymi klatkami staje się mniejsze niż rozmiar piksela.

Zatem zwiększenie częstotliwości klatek ma niewielką lub żadną użyteczność, gdy nie towarzyszy mu zwiększenie rozdzielczości przestrzennej. Teraz przedstawimy kilka reprezentatywnych przypadków klinicznych i wyników; pokazano różnicę odkształcenia (strain) między osobą z grupy kontrolnej, młodym pacjentem z DMD z prawidłową frakcją wyrzutową, starszymi pacjentami z DMD z prawidłową frakcją wyrzutową, pacjentem z DMD z nieprawidłową frakcją wyrzutową oraz pacjentem z DMD w końcowym stadium niewydolności serca. Należy zwrócić uwagę na różnicę w globalnym odkształceniu obwodowym między osobami z grupy kontrolnej a pacjentami z DMD na różnych etapach choroby.

Śledzenie cech w analizie obwodowego odkształcenia lewej komory nie tylko wykazuje wysoką korelację z oceną odkształcenia przy użyciu obrazowania z tagowaniem, ale pozwala również na zdefiniowanie podobnych warstw ST, co harmoniczna analiza fazy sekwencji obrazów tagowanych. Analiza odkształcenia obwodowego metodą śledzenia cech może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie niewydolności serca poprzez wykrywanie dysfunkcji serca przed spadkiem frakcji wyrzutowej zarówno w chorobach nabytych, jak i wrodzonych. Może to umożliwić wczesną interwencję oraz ocenę skuteczności terapeutycznej.

Problemem w kwantyfikacji kardiologicznej zawsze był fakt, że różne modalności obrazowania wykorzystują odmienne techniki pomiarowe, co utrudnia porównywanie wyników. Technologia zaprezentowana w tym materiale znajduje zastosowanie nie tylko w MRI serca, ale również w innych źródłach obrazowania, takich jak ultradźwięki, co stanowi zatem istotny krok w stronę zapewnienia porównywalności między różnymi modalnościami.