Name: Funkcjonalny rezonans magnetyczny płuc z rozdzieleniem fazowym do oceny wentylacji i perfuzji płuc (V/Q) (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-08-09T12:50:00.000+00:00
Duration: 5 min 56 s
Description: Poznaj funkcjonalny rezonans magnetyczny płuc z rozdzieleniem fazowym do oceny wentylacji i perfuzji. Ta nieinwazyjna metoda umożliwia wczesne wykrywanie chorób płuc i monitorowanie odpowiedzi na leczenie u pacjentów.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ta praca została sfinansowana przez Niemieckie Centrum Badań nad Płucami (DZL). Autorzy pragną wyrazić głęboką wdzięczność wszystkim, którzy przyczynili się i wspierali dalszy rozwój PREFUL, a w szczególności: Marcelowi Gutberletowi, Tillowi F. Kaireitowi, Lei Behrendt, Julianowi Glandorfowi, Sonji Lüdiger, Tawfikowi Moherowi Alsady'emu, Katharinie Bünemann, Mariusowi Wernzowi, Robinowi Müllerowi, Maximilianowi Zubke, Gesie Pöhler, Agilo Kernowi, Cristian Crisosto, Milan Speth, Arnd Obert, Julienne Scheller, Jim Wild, Edwin van Beek, Helen Marshall, Jens Gottlieb, Martha Dohna, Diane Renz, Anna-Maria Dittrich, Tobias Welte, Jens Hohlfeld, Patrick Zardo, Giles Santyr, Franz Wolfgang Hirsch, Robert Grimm, Bastian Bier, Bassem Ismail, André Fischer, Berthold Kiefer, Gregor Thoermer i Rebecca Ramb. Ponadto autorzy pragną również podziękować radiologom i uczestnikom badania. W szczególności dziękujemy Frankowi Schröderowi i Svenowi Thiele z Wydziału Radiologii (Szkoła Medyczna w Hanowerze) za wyjątkową pomoc techniczną w wykonywaniu badań MRI.

Advanced Lung Imaging for Disease Detection and Monitoring

Filip Klimeš, Andreas Voskrebenzev i Jens Vogel-Claussen są udziałowcami firmy BioVisioneers GmbH, która jest zainteresowana metodami obrazowania metodą rezonansu magnetycznego płuc.

Kroki krytyczne Jedną z najczęstszych pułapek podczas akwizycji jest nieodpowiednie skalowanie sygnału, co powoduje utratę informacji podczas konwersji DICOM poprzez zmniejszenie precyzji reprezentacji danych cyfrowych. W związku z tym może to prowadzić do problemów na etapie przetwarzania końcowego. Inną, jeszcze bardziej krytyczną pułapką jest pobieranie wielu plasterków w sposób przeplatany. W ten sposób efektywna rozdzielczość czasowa poszczególnych wycinków jest krytycznie zmniejszona. Dodatkowo, w zależności od odległości warstw, może to mieć wpływ na kontrast perfuzyjny i kwantyfikację, ponieważ napływ opiera się na świeżych spinach bez historii namagnesowania. Podczas ustawiania protokołu należy zachować szczególną ostrożność, zwłaszcza w odniesieniu do siły gradientu, echa asymetrycznego, szerokości pasma i obrazowania równoległego. Odchylenia od sugerowanych ustawień nawet dla jednego z tych parametrów mogą prowadzić do nieodpowiedniej rozdzielczości TE i czasowej.
Przetwarzanie końcowe składa się z wielu kroków, które należy wykonać w opisanej kolejności. Na przykład rejestracja po filtrowaniu dolnoprzepustowym nie jest znacząca. W związku z tym awaria na jednym etapie prowadzi do awarii na kolejnych etapach. To sprawia, że etap rejestracji jest szczególnie ważny. Ponieważ nie ma jednego algorytmu rejestracji, w zależności od danej implementacji, parametry muszą być ustawione empirycznie. Bez dostrojenia tych parametrów fałszywa rejestracja uniemożliwi wygenerowanie jakiegokolwiek znaczącego wyniku. Innym potencjalnie czasochłonnym i krytycznym krokiem podczas postprocessingu jest segmentacja. Fałszywe segmentacje mogą prowadzić do całkowicie błędnych obliczeń parametrów (np. poprzez uwzględnienie regionów innych niż płuca) w raporcie końcowym. Takie błędne segmentacje są bardziej prawdopodobne w przypadku algorytmów głębokiego uczenia, które są przyzwyczajone do określonych wyglądów obrazów i są stosowane do obrazów od innego dostawcy/maszyny o nieco innym wyglądzie. W związku z tym obowiązkowa jest wizualna kontrola jakości dokładności segmentacji, z ewentualną korektą ręczną.
Rozwiązywanie problemów Typowa procedura rozwiązywania problemów polega na wykonaniu wszystkich kroków jeden po drugim i sprawdzeniu wiarygodności wyników pośrednich. Procedura dla głównych kroków jest następująca: Sprawdź, czy obrazy są rejestrowane w swobodnym oddychaniu z prawidłową sekwencją i ustawieniami. Następnie należy sprawdzić, czy zakres dynamiczny sygnałów jest odpowiedni (~50 AU w miąższu płuca). Jeśli surowe dane są nadal dostępne, powtórz rekonstrukcję obrazów z odpowiednim współczynnikiem skalowania, unikając konieczności ponownego pozyskiwania danych. Sprawdź, czy rejestracja została wykonana bez większych zakłóceń i pozostałego ruchu. Następnie sprawdź, czy małe ROI pokazują szereg czasowy z oczekiwanymi modulacjami związanymi z wentylacją i perfuzją. Następnie sprawdź, czy zastosowane filtry zmieniają obrazy w oczekiwany sposób (np. brak modulacji wysokiej częstotliwości w danych filtrowanych dolnoprzepustowo). Sprawdź, czy zsyntetyzowane cykle oddechowe i sercowe są fizjologiczne i nie wykazują nagłych skoków. Sprawdź dokładność segmentacji. Należy pamiętać, że wyszukiwanie na dokładniejszym poziomie rozdzielczości może być konieczne, gdy tylko zostanie zidentyfikowany główny krok, podczas którego występuje problem.
Ograniczenia Chociaż wiadomo, że prezentowany protokół daje powtarzalne i czułe wyniki, liczba zaangażowanych kroków i parametrów podczas akwizycji i przetwarzania końcowego pozwala na niemal nieskończoną optymalizację i jest ze sobą powiązane. W związku z tym należy zastosować podejście oddolne, najpierw zajmując się optymalizacjami protokołu sekwencji (np. w odniesieniu do SNR i funkcjonalnego stosunku kontrastu do szumu). Dla następujących optymalizacji przetwarzania końcowego przydatna może być predefiniowana prawda podstawowa w postaci cyfrowego modelu płuc40. Jak pokazano, model ten naśladuje akwizycję swobodnego oddychania i obejmuje kilka klas symulujących defekty wentylacji/perfuzji. Uwzględniając znane odkształcenie spowodowane ruchem, algorytmy rejestracji mogą być również testowane bezpośrednio. Pomimo tych zalet każdy model jest z natury ograniczony dokładnością odwzorowania złożonej rzeczywistości do skończonego i uproszczonego modelu.
Stwierdzono, że progi przedstawione w tym protokole wykazują rozsądne wyniki dla zdrowych ochotników i w różnych kohortach pacjentów za pomocą analizy empirycznej. Niemniej jednak, jak wspomniano wcześniej, prawdopodobnie wymagana jest korekta w zależności od sekwencji, natężenia pola i kohorty.
Ogólnym ograniczeniem PREFUL jest obszerne przetwarzanie końcowe, które nie jest jeszcze łatwo dostępne jako produkt medyczny, chociaż pierwsze wersje w toku od Siemens Healthineers i BioVisioneers są dostępne do celów naukowych w ramach współpracy naukowej/komercyjnej. Obliczenia zazwyczaj obejmują przetwarzanie równoległe, które stawia szczególnie wysokie wymagania procesorowi i pamięci RAM oraz może wymagać nowoczesnych stacji roboczych lub rozwiązań serwerowych do efektywnego przetwarzania dużych ilości danych. Co więcej, czasochłonne etapy postprocessingu utrudniają obecnie natychmiastową prezentację wyników, co byłoby pożądane w przebiegu pracy klinicznej.
Porównanie z innymi metodami Istnieje wiele podobnych podejść, takich jak PREFUL, w tym poprzednia dekompozycja Fouriera i jej inne pochodne, takie jak dekompozycja ołówkowa matrycy41 i nieco inne podejście Samobramkowany funkcjonalny rezonans magnetyczny płuc ze wzmocnieniem kontrastowym (senceful MRI)42. Podczas gdy dekompozycja Fouriera i podobne metody działają w dziedzinie częstotliwości, PREFUL wykorzystuje mniej ścisłe filtrowanie Fouriera i późniejsze obliczanie amplitud w dziedzinie czasu. W związku z tym nie ma wymogu wybierania konkretnych pików odpowiadających wentylacji/perfuzji. Może to skutkować mniejszą podatnością na zmienność oddychania, o której wiadomo, że występuje u ludzi.
Podczas gdy PREFUL wykonuje sortowanie obrazów, SENCEFUL wykorzystuje sortowanie linii k-space, co prowadzi do większej elastyczności. Niemniej jednak, SENCEFUL wymaga sekwencji z możliwością samobramkowania, podczas gdy PREFUL może być wykonywany z konwencjonalną sekwencją echa gradientowego zepsutego. Podobnie, bSSFP powszechnie stosowany w podejściach opartych na dekompozycji Fouriera jest znany z lepszego kontrastu SNR i przepływu krwi, ale zazwyczaj wymaga większej optymalizacji akwizycji płuc, zwłaszcza przy 3T43. Niemniej jednak, poza tym, nie ma powodu, aby nie łączyć PREFUL z akwizycją bSSFP44.
Wszystkie te podejścia oparte na sygnałach zakładają, że pewne niepożądane wpływy sygnału, w tym T1, T2/T2*, dyfuzja, ruch w płaszczyźnie i woksele nieortogonalnie perfuzjone, są znikome. Podczas gdy postępowa walidacja PREFUL pośrednio sugeruje, że rzeczywiście takie wpływy nie są krytyczne, Triphan i wsp. wykazali, że istnieje zależność od efektywnych T1 i TE, co tłumaczy się różną wagą składników krwi i miąższu w zależności od TE45. W tym świetle początkowa zaleta bSSFP w wizualizacji krwi dzięki kontrastowi T2 / T1 może stanowić dodatkowe wyzwanie w ustaleniu dokładnej kwantyfikacji w porównaniu z prostszą mechaniką kontrastu SPGRE. Niemniej jednak pożądane są dalsze badania, które bezpośrednio odnoszą się do wpływu różnych zmiennych MR, na przykład jak przeprowadzone przez Glandorfa i wsp. dla środków kontrastowych46,47, ponieważ mogą one bezpośrednio określić ilościowo wpływ na PREFUL.
Znaczenie Będąc metodą swobodnego oddychania i bez środków kontrastowych, PREFUL ma wiele zalet z wcześniej wymienionymi metodami pokrewnymi: 1) Brak stosowania promieniowania jonizującego i środka kontrastowego, 2) Brak konieczności stosowania dodatkowego sprzętu lub personelu, 3) Akwizycja, która zależy tylko od minimalnego przestrzegania zaleceń przez pacjenta. Te zalety sprawiają, że PREFUL jest wygodnym narzędziem do monitorowania, szczególnie dla grup wrażliwych, takich jak dzieci z przewlekłą chorobą płuc. Chociaż SNR jest niski w przypadku sekwencji SPGRE, dostępność i brak wymogu dodatkowego programowania/udostępniania sekwencji dodatkowo sprzyjają rozpowszechnianiu tego podejścia.
Jak omówiono w części wprowadzającej, liczba badań wykazujących dobrą walidację, odtwarzalność, wyniki czułości i możliwości monitorowania pokazuje, że znaczenie tej techniki i odpowiadających jej parametrów dynamicznych rośnie i będzie dalej wspierane przez szerokie rozpowszechnianie.

Układ oddechowy, ze względu na swoje złożone mechanizmy, jest podatny na wiele chorób. W szczególności przewlekłe schorzenia dróg oddechowych, takie jak przewlekła obturacyjna choroba płuc (POChP), mukowiscydoza (CF) oraz przewlekłe zakrzepowo-zatorowe nadciśnienie płucne (CTEPH), znacznie skracają oczekiwaną długość życia1. W związku z tym kluczowe stały się wczesna diagnostyka, monitorowanie oraz ocena odpowiedzi na terapię.
Badania funkcji płuc (PFT) pozwalają na wyznaczenie globalnych parametrów funkcji płuc, takich jak wskaźnik Tiffeneau-Pinelli, definiowany jako stosunek natężonej objętości wydechowej w pierwszej sekundzie (FEV1) do natężonej pojemności życiolnej (FVC)2. Parametry te są powszechnie stosowane w rutynie klinicznej, jednak nie dostarczają informacji regionalnych i wymagają wysokiego poziomu współpracy pacjenta. W związku z tym obrazowanie może dostarczyć dodatkowych informacji oraz umożliwić zastosowanie bardziej czułych parametrów. Tomografia komputerowa (CT) oferuje obrazowanie morfologii miąższu o wysokiej rozdzielczości, a nowoczesne techniki, takie jak mapowanie odpowiedzi parametrycznej, pozwalają również na uzyskanie informacji funkcjonalnych3. Niemniej jednak, jedno-fotonowa emisjatywna tomografia komputerowa (SPECT) pozostaje obecnie złotym standardem w obrazowaniu wentylacji i perfuzji (V/Q) w płucach4. Wspólną cechą wszystkich wymienionych metod obrazowania jest konieczność ekspozycji na promieniowanie jonizujące, co wymaga szczególnego uwzględnienia w przypadkach monitorowania oraz w grupach szczególnie wrażliwych. W konsekwencji podejmowane są wysiłki w celu promowania MRI jako alternatywnej metody obrazowania.
Z natury płuca są organem trudnym do obrazowania za pomocą MRI ze względu na niską gęstość protonów i szybki zanik sygnału5. Wśród wielu podejść najpowszechniejszymi rozwiązaniami są stosowanie gazów hiperpolaryzowanych (np. MRI 129Xe) do oceny wentylacji6 oraz podawanie dożylnych środków kontrastowych opartych na gadolinie w celu zobrazowania perfuzji7. Metody te zapewniają wysoki stosunek sygnału do szumu (SNR) i są powszechnie uważane za złoty standard w środowisku MR. Nowsze podejście eliminuje konieczność stosowania jakichkolwiek środków kontrastowych i jest możliwe do realizacji za pomocą konwencjonalnego MR protonowego podczas swobodnego oddychania, przy całkowitym czasie akwizycji wynoszącym ~1 min/przekrój. Dzięki temu uniknięto potencjalnych zdarzeń niepożądanych oraz niedawno dyskutowanych długoterminowych skutków stosowania środków kontrastowych, a także umożliwiono łatwiejsze upowszechnienie metody bez konieczności posiadania dodatkowego sprzętu do hiperpolaryzacji i obrazowania wielojądrowego. Ponadto, dzięki akwizycji podczas swobodnego oddychania, rozwiązano problem znalezienia odpowiedniego stanu nadmuchu, który może wpływać na obliczone wartości defektów wentylacyjnych8.
To pośrednie podejście oparte na sygnale MR zostało po raz pierwszy wprowadzone przez Zapke i wsp., którzy wykorzystali odwrotność zależności między sygnałem ważonym protonowo S a objętością płuc V: S~1/V.9 Opiera się ono na procesie przekształcania obrazów nabytych podczas swobodnego oddychania do jednego wspólnego stanu nadmuchania (zazwyczaj w pozycji pośredniej między końcem wydechu a końcem wdechu), co pozwala na skompensowanie ruchu i analizę szeregów czasowych sygnału w każdym wokselu. Następnie, na podstawie tak zwanych obrazów zarejestrowanych, można wyznaczyć pomiar wentylacji, stosując równanie (1) opracowane przez Klimeš i wsp.10:
<img alt="Równanie wentylacji płucnej; analiza objętości oddechowej, stosunków i regulacji; wyświetlanie wzoru." src="/files/ftp_upload/66380/66380eq01.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Równanie 1">     (1)
Z wykorzystaniem objętości/sygnałów podczas wdechu (Insp), wydechu (Exp) oraz stanu spoczynkowego (Reg). Następnie metodę rozszerzono poprzez wprowadzenie dekompozycji Fouriera w celu odróżnienia modulacji sygnału związanych z częstotliwością oddychania (wentylacja) od częstotliwości tętna (perfuzja), co pozwoliło na uzyskanie idealnie dopasowanej przestrzennie mapy V/Q z jednego procesu akwizycji11. Jest to możliwe dzięki typowej różnicy między częstotliwością oddychania a częstotliwością pracy serca, dzięki czemu oba komponenty, które w dziedzinie czasu nakładają się na siebie, są skutecznie rozróżniane w dziedzinie częstotliwości za pomocą analizy Fouriera. Po przejściu z niskiego pola (0.35T) na 1.5T przy zastosowaniu zoptymalizowanej sekwencji zrównoważonego stanu stacjonarnego wolnej precesji (bSSFP)12, metoda ta zaczęła przyciągać większą uwagę w kilku kolejnych badaniach13,14,15.
Z uwagi na to, że oddech i tętno podlegają zmienności, a komercyjnie dostępne obrazowanie bSSFP (z kompensacją gradientu) przy 1,5T może prowadzić do znacznych artefaktów pasmowych (wyraźnych linii braku sygnału), zaproponowano pokrewną metodę z wykorzystaniem sekwencji echa gradientowego z psuciem magnetyzacji (SPGRE) w połączeniu z szerokopasmowym filtrowaniem dolno- i górnoprzepustowym16,17. Pozwala to na uchwycenie bardziej złożonego widma rzeczywistych modulacji związanych z oddychaniem i tętnem. Następujące obliczenie amplitudy w dziedzinie czasu eliminuje konieczność wyboru jednego konkretnego piku częstotliwości. Dalszą optymalizację osiągnięto poprzez podział typowej jednostopniowej rejestracji względem jednego stanu referencyjnego na dwa oddzielne kroki. Wykorzystuje to fakt, że podczas swobodnego oddychania między końcem wdechu a końcem wydechu rejestrowany jest zakres różnych faz oddychania z różnym stopniem wymaganej deformacji względem stanu stałego. Po wybraniu kilku grup i zidentyfikowaniu grupy poszczególnych obrazów wykonuje się następującą procedurę: 1) Rejestracja w obrębie odpowiedniej grupy stanu oddychania, 2) Stopniowa rejestracja międzygrupowa z jednej sąsiedniej grupy do następnej (np. 1-&gt;2, 2-&gt;3,…) aż do grupy reprezentującej grupę referencyjną. Podejście to zostało następnie rozszerzone o szacowanie fazy dla każdego obrazu w celu uzyskania wyższej pozornej rozdzielczości czasowej, co ułatwia analizę dynamiki wentylacji i perfuzji, co doprowadziło do wprowadzenia terminologii fazowo-rozdzielczego funkcjonalnego MR płuc (PREFUL), aby odróżnić tę metodę od innych pokrewnych technik18. Badania kontrolne wykorzystały dodatkowe informacje dostarczone przez pełne cykle oddechowe i sercowe, wykazując potencjalnie zwiększoną czułość takich parametrów19,20,21.
Walidacja z użyciem złotego standardu SPECT wykazała współczynnik dice ≥67% dla obszarów defektów22, a bardziej bezpośredni pomiar wentylacji z użyciem 129Xe wykazał korelację procentową defektów wentylacyjnych ≥62% w mieszanej kohorcie pacjentów z COPD/CF i osób zdrowych23 oraz 84% w wieloośrodkowej, wieloproducentowej kohorcie z CF24, która wykazała również podobną korelację wskaźnika oczyszczania płuc dla PREFUL i 129Xe (r = 0,82 i r = 0,91). Analiza perfuzji w tym samym badaniu wykazała brak istotnych różnic w nakładaniu przestrzennym z DCE pomiędzy ocenianymi ośrodkami25. Zgodność z DCE oraz spójność wyników PREFUL pomiędzy ośrodkami została również zgłoszona w prospektywnym podbadaniu obejmującym dziewięć ośrodków26. Analiza powtarzalności u pacjentów z COPD wykazała współczynnik zmienności poniżej 15% dla wszystkich parametrów27. Obecne badania sugerują, że parametr FVL posiada wyższą moc predykcyjną i czułość w wykrywaniu zmian w leczeniu w porównaniu z „statycznym” parametrem wentylacji, który uwzględnia jedynie fazy końca wdechu i końca wydechu. Responsywność na leczenie przy pomiarach regionalnych pętli przepływ-objętość (FVL) została wykazana po leczeniu inhalacyjnym indakaterolem i glikopironium (IND/GLY) w COPD28. Zgodnie z tym, parametr FVL przewidział utratę przeszczepu u pacjentów po podwójnym przeszczepie płuc, podczas gdy spirometria nie była w stanie tego zrobić (P = 0,02 vs. P = 0,33)29. Pierwsze badania wykonalności wykazują, że funkcjonalne obrazowanie płuc z PREFUL może być realizowane u niemowląt i noworodków podczas swobodnego oddychania przy użyciu standardowego klinicznego sprzętu MRI30,31. Glandorf i wsp. porównali parametry PREFUL przy 1,5T i 3T (sekwencja SPGRE) i nie stwierdzili istotnych różnic dla większości parametrów, które były wysoce powtarzalne mimo różnicy w natężeniu pola32. Może to być istotna zaleta, ponieważ nie każde miejsce ma dostęp do skanerów o natężeniu pola 1,5T lub niższym. Niedawno wykazano możliwość wykonalności i wykrywania trwałych objawów po infekcji COVID-19 przy 0,55T poprzez ocenę danych bSSFP z PREFUL33.
Podsumowując, mimo że PREFUL jest techniką stosunkowo nową, została ona szeroko przebadana. Oceńiono istotne kryteria, takie jak walidacja za pomocą bardziej bezpośrednich i uznanych pomiarów, powtarzalność, czułość w wykrywaniu patologii oraz reaktywność na leczenie i zmiany w progresji choroby. Niemniej jednak, wciąż tylko kilka wyspecjalizowanych ośrodków korzysta z tej techniki, pomimo niskich wymagań technologicznych. Dlatego celem niniejszej pracy jest podsumowanie najnowszej metodologii PREFUL MR w formie pisemnej i wizualnej. Informacje te mogą zostać wykorzystane do wdrożenia tej techniki w większej liczbie ośrodków, co w dłuższej perspektywie doprowadzi do pełniejszego rozwoju tej metody.

<table><tbody><tr><td>Zaawansowane narzędzia normalizacji (ANT)</td><td>-</td><td></td><td>Zestaw narzędzi do rejestracji obrazów (https://stnava.github.io/ANTs/; https://github.com/fordanic/image-registration)</td></tr><tr><td>Forsberg-Zestaw</td><td></td><td></td> <td>narzędzi do rejestracji obrazów</td></tr><tr><td>MRI</td><td>Siemens Healthineers AG, Monachium, Niemcy</td><td></td><td>Skaner 0,55T / 1,5T / 3T</td></tr><tr><td>Aplikacja PREFUL</td><td>BioVisioneers GmbH, Laatzen, Niemcy</td><td></td><td>Analiza PREFUL, dane liczbowe i raporty</td></tr></tbody></table>

funkcjonalny rezonans magnetyczny płuc z rozdzieleniem fazowym do oceny wentylacji i perfuzji płuc (v/q)

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

Dekompozycja Fouriera to metoda 1H MRI bez użycia środka kontrastowego do oceny perfuzji płuc (Q) i wentylacji (V). Po zarejestrowaniu obrazu szeregi czasowe każdego woksela są analizowane pod kątem składowych częstotliwości pracy serca i oddychania.
Używając standardowej sekwencji 2D zepsutego gradientu echa o rozdzielczości czasowej ~300 ms, opracowano algorytm sortowania obrazów w celu uzyskania fazowo-rozdzielczego funkcjonalnego obrazowania płuc (PREFUL) o zwiększonej rozdzielczości czasowej. W związku z tym możliwa jest ocena regionalnych pętli objętości przepływu (FVL) podczas oddychania objętością oddechową i zobrazowanie propagacji fali tętna podczas cyklu pracy serca. Metoda ta może być stosowana przy 1,5T lub 3T ze standardowym sprzętem MR bez konieczności programowania sekwencji, ponieważ opisany protokół może być zaimplementowany z domyślną sekwencją SPGRE w większości systemów.
PREFUL wentylacja MRI zostało zweryfikowane przy użyciu obrazowania 129Xe i 19F z dobrą zgodnością regionalną. Rezonans magnetyczny PREFUL zależny od perfuzji został zwalidowany przy użyciu SPECT, a także rezonansu magnetycznego z dynamicznym wzmocnieniem kontrastu (DCE). PREFUL został przetestowany w dwuośrodkowym środowisku dwóch dostawców i jest obecnie stosowany w kilku trwających badaniach wieloośrodkowych. Co więcej, jest to możliwe do wykonania w różnych mocach pola (0,55T-3T) i w różnych grupach wiekowych, w tym u noworodków.
Ilościowy rezonans magnetyczny V/Q PREFUL został wykorzystany u pacjentów z mukowiscydozą, przewlekłą obturacyjną chorobą płuc, przewlekłym zakrzepowo-zatorowym nadciśnieniem płucnym i chorobą wirusową Corona-2019 do ilościowego określenia choroby i monitorowania zmian w leczeniu po terapii. Ponadto wykazano, że obrazowanie PREFUL V/Q pozwala przewidzieć utratę przeszczepu z powodu przewlekłej dysfunkcji alloprzeszczepu płuc u pacjentów po przeszczepie płuc. Podsumowując, PREFUL MRI jest zwalidowaną techniką wentylacji ilościowej i obrazowania fal tętna/perfuzji płuc w celu wykrywania, kwantyfikacji i monitorowania leczenia regionalnej choroby płuc, która może stanowić wartość dodaną w obecnej rutynie klinicznej.

Dolna część Rysunku 2 ilustruje skutki prawidłowego i niewłaściwego skalowania wraz z odpowiadającym temu wpływem na zakres dynamiczny. Rysunek 6 pokazuje niejednorodny rozkład sygnału, który jest reprezentatywny dla skanów bez i z normalizacją cewek. Zaleca się unikanie niskiego zakresu dynamicznego oraz obrazów bez normalizacji cewek.
<img alt="Efekt korekcji cewki MRI; przed i po; porównanie skanów klatki piersiowej; analiza wyników obrazowania." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66380/66380fig06.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 6"> 
Rysunek 6: Przykładowe obrazy po akwizycji bez korekcji cewki (nieprawidłowo) oraz z korekcją cewki (prawidłowo). Zwróć uwagę na sztuczne wzmocnienie sygnału na granicach ciała w pobliżu elementów cewki. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380fig06large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
Rysunek 7 przedstawia poprawną i nieudaną automatyczną segmentację. Należy zauważyć, że nieudana segmentacja nie obejmuje wszystkich wokseli płuc, co sfałszuje dalsze analizy i statystyki. Szczególnej uwagi wymagają przypadki z naciekami, ponieważ takie woksele mogą zostać błędnie zaklasyfikowane jako naczynia ze względu na wysoki sygnał w modelach AI lub w ogóle nie zostać poddane segmentacji.
<img alt="Proces segmentacji płuc w tomografii komputerowej, schemat porównujący etapy segmentacji warstw dla pacjentów A i B." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66380/66380fig07.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 7"> 
Rysunek 7: Przykład automatycznej segmentacji zakończonej niepowodzeniem (Pacjent A: 83-letni mężczyzna z POChP) oraz sukcesem (Pacjent B: 30-letnia zdrowa kobieta z grupy kontrolnej). Pierwszy wiersz przedstawia obrazy, które posłużyły jako dane wejściowe dla modeli AI. Drugi wiersz pokazuje wyniki pierwszego etapu segmentacji, polegającego na wyznaczeniu granicy płuc. Trzeci wiersz przedstawia wynik końcowy po wykluczeniu naczyń. Jak wskazują niebieskie strzałki, algorytm napotkał trudności ze względu na wysoką wariancję sygnału w płucach, co spowodowało błędne wykrycie granicy płuc. Należy zauważyć, że obrazy zostały znormalizowane według maksymalnego sygnału, co doprowadziło do różnych wyników z powodu braku normalizacji cewek w skanie wykonanym u pacjenta A. Czerwone obszary wskazują ROI, które zostały automatycznie wykryte w celu sortowania fazy perfuzji. Skróty: COPD = przewlekła obturacyjna choroba płuc; ROIs = obszary zainteresowania. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380fig07large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
Rycina 8 oraz Rycina 9 przedstawiają reprezentatywne mapy parametrów dla zdrowej osoby kontrolnej (kobieta, 30 lat) oraz pacjenta z POChP (mężczyzna, 60 lat). Należy zauważyć, że u osoby kontrolnej wentylacja i perfuzja są bardziej homogeniczne, co przekłada się na mniejszą liczbę wokseli z defektami. Odpowiednie raporty statystyk ROI znajdują się w Tabeli 4 i Tabeli 5.
<img alt="Schemat analizy perfuzji i wentylacji; obrazowanie płuc, ilościowa perfuzja, regionalna wentylacja, V/Q." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66380/66380fig08.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 8"> 
Rycina 8mapy parametrów PREFUL zdrowej kobiety w wieku 30 lat (grupa kontrolna). Perfuzja (1st rzęd), wentylacja regionalna (2nd wiersz), metryka korelacji pętli przepływ-objętość (3rd rzędu) oraz mapy V/Q z zastosowanym progiem (4th rzędu). Zwróć uwagę na jednorodny rozkład wartości miąższowych oraz niskie wartości procentowe defektów. Skróty: PREFUL = funkcjonalne obrazowanie płuc z rozdzielczością fazową; V = wentylacja; Q = perfuzja. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380fig08large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej figury.</a>
<img alt="Mapowanie perfuzji i wentylacji płuc z wynikami przepływ-objętość na kolorowych obrazach anatomicznych." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66380/66380fig09.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 9"> 
Rysunek 9: Mapy parametrów PREFUL u 60-letniego mężczyzny z POChP. Perfuzja (1.sz rządek), regionalna wentylacja (2.gi rządek), metryka korelacji pętli przepływ-objętość (3.ci rządek) i mapy V/Q z zastosowaniem progu (4.ty rządek). Zwróć uwagę na niejednorodny rozkład wartości miąższowych oraz wysoki procent ubytków. Skróty: COPD = przewlekła obturacyjna choroba płuc (POChP); PREFUL = funkcjonalne obrazowanie płuc z rozdzielczością fazową; V = wentylacja; Q = perfuzja. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380fig09large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.</a>
Tabela 4: Przykładowy raport parametrów PREFUL uzyskanych dla zdrowej grupy kontrolnej (kobieta w wieku 30 lat). Zwróć uwagę na niskie wartości współczynnika zmienności oraz defektów, które są zgodne z mapami parametrów przedstawionymi na Rysunku 8 dla tego samego badanego. Zobacz również Tabelę 5 oraz Rysunek 9. Skrót: PREFUL = funkcyjne obrazowanie płuc z rozdzielczością fazową (phase-resolved functional lung). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380_Table_4_rev.xlsx" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać tę tabelę.</a>
Tabela 5: Przykładowy raport parametrów PREFUL uzyskany dla pacjenta z POChS (mężczyzna w wieku 60 lat). Zwróć uwagę na wysokie wartości współczynnika zmienności oraz defektów, które są zgodne z mapami parametrów przedstawionymi na Rysunku 9 dla tego samego badanego. Patrz również Tabela 4 oraz Rysunek 8. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380_Table_5_rev.xlsx" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać tę tabelę.</a>
Materiały uzupełniające: Animowane wyjaśnienie algorytmu PREFUL. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/JOVE_All_Screen_Recordings.mp4" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>

Tutaj opisujemy implementację funkcjonalnego rezonansu magnetycznego płuc z rozdzielczą fazą jako technikę rezonansu magnetycznego protonów bez środka kontrastowego do oceny dynamiki wentylacji płuc i perfuzji. Przetestowana i możliwa do zastosowania w różnych dziedzinach i grupach wiekowych, może w przyszłości usprawnić podejmowanie decyzji klinicznych, pomagając w ilościowym określaniu choroby i monitorowaniu terapii.

Funkcjonalny rezonans magnetyczny płuc z rozdzieleniem fazowym do oceny wentylacji i perfuzji płuc (V/Q)

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

Głównym celem naszych badań jest wizualizacja i ilościowe określenie wentylacji i perfuzji płuc w sposób dynamiczny w całym cyklu pracy serca i w całym cyklu wentylacji, aby wcześnie wykryć chorobę płuc i określić ilościowo odpowiedź na leczenie, a ostatecznie być w stanie pomóc w prognozowaniu pacjentów z chorobami płuc. Ostatnie osiągnięcia wprowadziły sekwencje do izotropowej rekonstrukcji objętości 3D cykli wentylacji, uzyskując wyższą rozdzielczość przestrzenną niż protokoły 2D, tworząc wariant 3D PREFUL. Ten postęp, choć znaczący, brakuje wglądu w perfuzję, pozycjonuje protokoły 3D i 2D jako uzupełniające narzędzia do bardziej holistycznej analizy funkcji płuc.Myślę, że w ostatnim roku odnieśliśmy spory sukces z PREFUL MRI w różnych scenariuszach klinicznych. Chciałbym zwrócić uwagę na trzy z nich. Przede wszystkim POChP.Myślę, że moglibyśmy bardzo przekonująco pokazać, że po terapii inhalacyjnej następuje poprawa wentylacji, ale moglibyśmy również pokazać, że w tym samym czasie obserwujemy poprawę perfuzji miąższu płucnego wraz z lepszym dopasowaniem VQ. Po drugie, przeszczep płuc. Ważne jest, aby przewidzieć utratę płuc po przeszczepie i zobaczyć, jak radzą sobie pacjenci, a projekt PREFUL był w stanie dokładnie to zrobić.Projekt PREFUL umożliwia przewidywanie utraty przeszczepu w przyszłości z powodu dysfunkcji przeszczepu alloidalnego spowodowanej przewlekłym odrzuceniem przeszczepu płuc. I wreszcie, co nie mniej ważne, u dzieci, myślę, że jest to bardzo ważne, ponieważ często nie przestrzegają one zaleceń podczas wykonywania testów czynnościowych płuc, a tutaj mogliśmy zobaczyć i określić ilościowo odpowiedź na leczenie u dzieci z mukowiscydozą po leczeniu. Ogólnie rzecz biorąc, myślę, że PREFUL MRI jest na bardzo dobrej drodze, przechodząc z ławki do łóżka pacjenta.Nasz protokół, funkcjonalny rezonans magnetyczny płuc z rozdzielczością fazową umożliwia swobodne obrazowanie oddechu bez dodatkowego sprzętu, środków kontrastowych lub promieniowania, przy użyciu powszechnie dostępnych sekwencji MRI. Oferuje retrospektywne sortowanie obrazów, zapewniając szczegółową analizę dynamiki wentylacji i perfuzji. To połączenie dostępności, nieinwazyjności i wszechstronnych możliwości diagnostycznych odróżnia ją od innych technik.W przyszłości nasze laboratorium skupi się na skróceniu czasu skanowania i poprawie jakości obrazu dzięki zoptymalizowanym protokołom sekwencji, projektom i technikom rekonstrukcji opartym na sztucznej inteligencji. Jesteśmy również zaangażowani w opracowywanie, udoskonalanie i walidację nowych biomarkerów ilościowych, w tym ilościowych pomiarów perfuzji, prędkości fali tętna i ciśnienia tętniczego w płucach. Na początek poinformuj pacjentów o właściwościach magnetycznych i ryzyku związanym z zabiegami po ich przybyciu.Poinstruuj pacjentów, aby usunęli wszystkie osobiste metalowe przedmioty. Następnie ustaw pacjenta głową do przodu w pozycji leżącej na pozycji w systemie 0,55 T, 1,5 T lub 3T. Zapewnij ochronę słuchu, dzwonek ratunkowy, wyściółkę i koc dla bezpieczeństwa i komfortu.Następnie umieść wielokanałową elastyczną cewkę tuż pod brodą pacjenta, aby zapewnić optymalną czułość cewki we wszystkich obszarach płuc i zabezpieczyć umieszczenie cewki bez utrudniania oddychania pacjenta. Następnie poinstruuj pacjenta, aby zamknął oczy i zaznaczył środek płuca za pomocą lasera MR. Po ustawieniu centrum płuc w centrum ISIS, zeskanuj początkowe lokalizatory, aby ustalić ogólną orientację, i przeprowadź poprzeczne skanowanie morfologiczne w celu zidentyfikowania rozwidlenia tchawicy.Następnie zakotwicz pierwszy wycinek koronalny w rozwidleniu tchawicy jako punkt orientacyjny, aby zapewnić odtwarzalność. W zależności od protokołu skanowania, albo uchwyć trzy warstwy oddalone od siebie o 100% odległości od jednego plasterka, albo uzyskaj wiele warstw pokrywających całe płuco w odległości 20% lub 33%. Następnie pobierz uzyskane obrazy funkcjonalnego rezonansu magnetycznego płuc z rozdzielczością fazową.Wybierz ścieżkę główną i kliknij przycisk proces, aby oddzielić obrazy DICOM na podstawie lokalizacji plasterka i sekwencji czasowej przy użyciu informacji nagłówka. Jako algorytm rejestracji należy wybrać ANTs B-splajn SyN z metryką korelacji krzyżowej lub rozwinięcie wielomianu Forsberga z regularyzacją sprężystą i płynną. Funkcjonalne mapy obrazowania płuc 30-letniej zdrowej kobiety wykazały jednorodny rozkład wartości miąższu i niski odsetek wad, podczas gdy mapy obrazowania funkcjonalnego płuc 60-letniego mężczyzny wykazały niejednorodny rozkład wartości miąższu i wysoki odsetek wad.

phase-resolved-functional-lung-mri-for-pulmonary-ventilation

Research

JoVE Journal

Medicine

Medycyna

Opisano metodę obrazowania MR służącą do badania rozkładu przepływu krwi płucnej w różnych warunkach fizjologicznych, w tym przypadku przy ekspozycji na trzy różne stężenia tlenu w powietrzu wdychanym: hipoksję, normoksję i hiperoksję. Technika ta wykorzystuje metody badawcze fizjologii płuc człowieka w środowisku skanowania MR.

Ilościowe określanie perfuzji płucsnej w obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego z wykorzystaniem skalibrowanego znakowania spinowego tętnic

Trójwymiarowe (3D) funkcjonalne płuco z rozdzielczością fazową (PREFUL) to technika funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (MRI), która pozwala na ilościowe określenie wentylacji regionalnej całej objętości płuc człowieka, przy użyciu oddychania oddechowego i akwizycji bez środka kontrastowego przez 8 minut. W tym miejscu przedstawiamy protokół MR do zbierania i analizowania danych obrazowania 3D PREFUL.

Trójwymiarowe funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego płuc z rozdzielczością fazową

Termoplastyka oskrzeli to niefarmakologiczna procedura stosowana w ciężkiej astmie utrwalonej, która polega na dostarczaniu energii termicznej do ściany dróg oddechowych w precyzyjnie kontrolowany sposób w celu redukcji nadmiernej masy mięśni gładkich oskrzeli. Zmniejszenie masy mięśni gładkich ogranicza zdolność dróg oddechowych do kurczenia się, co w konsekwencji zmniejsza częstotliwość napadów astmy.

Termoplastyka oskrzeli: nowatorskie podejście terapeutyczne w ciężkiej astmie

Płuco jest perfundowane zarówno przez tętnicę oskrzelową systemową, jak i tętnice płucne.  W większości patologii płuc to mniejsze uczynki układowe wykazują solidną neowaskularyzację.  Zatrzymanie przepływu krwi w płucach sprzyja energicznej angiogenezie oskrzeli.  Zapewniamy chirurgiczne szczegóły indukowania niedokrwienia lewej tętnicy płucnej, które sprzyja neowaskularyzacji oskrzeli.

Angiogeneza w niedokrwiennym płucu szczura

Opisujemy metodę wykrywania rozwoju guzka guza w płucach mysiego modelu gruczolakoraka za pomocą mikrotomografii komputerowej i jej użycie do monitorowania zmian wielkości guzka w czasie i w odpowiedzi na leczenie. Dokładność oceny potwierdzono kwantyfikacją histologiczną punktu końcowego.

Wykorzystanie mikrotomografii komputerowej do oceny rozwoju guza i obserwacji odpowiedzi na leczenie w mysim modelu raka płuc

Aby ocenić reakcje dyfuzji płuc i układu naczyniowego na ćwiczenia, opisujemy technikę wielokrotnego dyfuzji tlenu w celu określenia objętości krwi włośniczkowej i zdolności dyfuzji błony, a także echokardiografię kontrastową z pobudzoną solą fizjologiczną, aby ocenić rekrutację wewnątrzpłucnych zespoleń tętniczo-żylnych.

Ocena objętości krwi włośniczkowej w naczyniach włosowatych płuc, zdolności dyfuzyjnej błony i wewnątrzpłucnych zespoleń tętniczo-żylnych podczas wysiłku fizycznego

Specyficzne obrazowanie wentylacji to funkcjonalna technika rezonansu magnetycznego, która pozwala na ilościowe określenie regionalnej specyficznej wentylacji w ludzkich płucach, przy użyciu wdychanego tlenu jako środka kontrastowego. W tym miejscu przedstawiamy protokół zbierania i analizy określonych danych obrazowania wentylacji.

Mapowanie ilościowe specyficznej wentylacji w płucach człowieka przy użyciu obrazowania metodą protonowego rezonansu magnetycznego i tlenu jako środka kontrastowego

Przedstawiony tutaj jest protokół zachowania kurczliwości naczyniowej mysiej tkanki płucnej PCLS, co daje wyrafinowany trójwymiarowy obraz układu oddechowego i dróg oddechowych, który może być zachowany przez okres do 10 dni, który jest podatny na liczne zabiegi.

Precyzyjnie wycięte plastry płuc jako skuteczne narzędzie do badań ex vivo struktury i kurczliwości naczyń płucnych

Ten artykuł opisuje model wentylacji podciśnieniowej ex situ u świń, w tym zaopatrzenie, mocowanie i zarządzanie na platformie stworzonej na zamówienie. Nacisk kładziony jest na techniki anestezjologiczne i chirurgiczne, a także rozwiązywanie problemów.

Normothermiczna wentylacja podciśnieniowa ex situ Perfuzja płuc: ocena czynności płuc i metabolizmu

Brakuje wiarygodnego nieinwazyjnego podejścia do oceny funkcjonalnej serca dawcy podczas normotermicznej perfuzji serca ex situ (NESP). W niniejszym artykule opisano protokół oceny ex situ wydolności mięśnia sercowego za pomocą metody echokardiografii nasierdziowej i cewnika konduktowanego.

Ocena funkcjonalna serca dawcy podczas perfuzji ex situ: wnioski z pętli ciśnienie-objętość i echokardiografii powierzchniowej

Poznaj funkcjonalny rezonans magnetyczny płuc z rozdzieleniem fazowym do oceny wentylacji i perfuzji. Ta nieinwazyjna metoda umożliwia wczesne wykrywanie chorób płuc i monitorowanie odpowiedzi na leczenie u pacjentów.

Funkcjonalny rezonans magnetyczny płuc z rozdzieleniem fazowym do oceny wentylacji i perfuzji płuc (V/Q)

Przeglądaj więcej filmów