Method Article

Imagem pulmonar multimodal: usando informações complementares de TC e ressonância magnética hiperpolarizada de 129Xe para avaliar a função da estrutura pulmonar

DOI:

10.3791/66257

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April 12th, 2024

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1UBC Centre for Heart Lung Innovation, St. Paul’s Hospital, 2Division of Respiratory Medicine, Department of Medicine, University of British Columbia, 3School of Biomedical Engineering, University of British Columbia, 4Department of Radiology, University of British Columbia, 5Division of Pulmonary and Critical Care Medicine, University of Kansas Medical Center

In This Article

Summary

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

A TC e a ressonância magnética com 129Xe fornecem informações complementares sobre a função da estrutura pulmonar que podem ser exploradas para análise regional usando registro de imagem. Aqui, fornecemos um protocolo que se baseia na literatura existente para 129Xe MR para registro de imagem de TC usando plataformas de código aberto.

Abstract

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A ressonância magnética hiperpolarizada com gás 129Xe é uma técnica emergente para avaliar e medir a função pulmonar regional, incluindo distribuição de gases pulmonares e trocas gasosas. A tomografia computadorizada (TC) de tórax ainda continua sendo o padrão-ouro clínico para imagens dos pulmões, em parte devido aos protocolos rápidos de TC que adquirem imagens de alta resolução em segundos e à ampla disponibilidade de tomógrafos. Abordagens quantitativas permitiram a extração de medidas estruturais do parênquima pulmonar, das vias aéreas e vasculares da TC de tórax que foram avaliadas em muitos estudos de pesquisa clínica. Juntos, a TC e a ressonância magnética 129Xe fornecem informações complementares que podem ser usadas para avaliar a estrutura e a função pulmonar regional, resultando em novos insights sobre a saúde e a doença pulmonar. 129O registro de imagem Xe MR-CT pode ser realizado para medir a função da estrutura pulmonar regional para entender melhor a fisiopatologia da doença pulmonar e realizar intervenções pulmonares guiadas por imagem. Aqui, um método para registro de ressonância magnética-TC de 129Xe é descrito para apoiar a implementação em ambientes clínicos ou de pesquisa. Os métodos de registro e as aplicações que foram empregados até o momento na literatura também são resumidos, e sugestões são fornecidas para direções futuras que podem superar ainda mais os desafios técnicos relacionados ao registro de imagens de 129Xe MR-CT e facilitar a implementação mais ampla da avaliação regional da função da estrutura pulmonar.

Introduction

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A ressonância magnética (RM) com gás hiperpolarizado surgiu pela primeira vez como uma nova modalidade de imagem pulmonar funcional para avaliar a distribuição da ventilação pulmonar há quase três décadas1. Desde então, estudos de pesquisa usando ressonância magnética com gás hiperpolarizado revelaram vários insights sobre a natureza da função pulmonar em pacientes com doenças pulmonares crônicas, como asma, doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC) e fibrose cística 2,3,4,5,6. Ambos os gases hiperpolarizados 3He e 129Xe foram usados historicamente; no entanto, 129Xe é agora o principal agente inalado devido à disponibilidade limitada de gás 3He. 129Xe também se difunde livremente através da membrana alveolar e é absorvido pelos glóbulos vermelhos nos capilares pulmonares; nesta chamada 'fase dissolvida', 129Xe ressoa em frequências únicas que permitem a medição das trocas gasosas regionais em uma única varredura de apneia 4,7,8. Para quantificação, imagens anatômicas de RM de 1H com volume compatível são normalmente adquiridas contemporaneamente para co-registro com 129Xe para delinear os limites da cavidade torácica. A ressonância magnética convencional de 1H, no entanto, não fornece mais informações estruturais pulmonares. O ímpeto para a tradução clínica da ressonância magnética hiperpolarizada de 129Xe cresceu nos últimos anos com a aprovação do NHS do Reino Unido em 2015 e a aprovação do FDA dos EUA no final de 2022 5,9, mas a caracterização estrutural avançada ainda está ausente do arsenal de ressonância magnética pulmonar.

A tomografia computadorizada (TC) de tórax continua sendo a base da avaliação clínica por imagem dos pulmões, fornecendo imagens tridimensionais de alta resolução da estrutura pulmonar usando protocolos de imagem convencionais. Abordagens quantitativas têm permitido a mensuração rápida e repetível da integridade do parênquima, como enfisema e anormalidades pulmonares intersticiais, morfologia das grandes vias aéreas e vasculatura pulmonar e caracterização anatômica regional por identificação e segmentação dos lobospulmonares10,11. No espaço de pesquisa, a TC quantitativa tem sido amplamente utilizada para entender melhor as alterações estruturais e suas relações com os desfechos dos pacientes em asma e DPOC em grandes estudos observacionais, como o Severe Asthma Research Program (SARP)12, Epidemiologia Genética da DPOC (COPDGene)13, Subpopulações e Resultados Intermediários no Estudo da DPOC (SPIROMICS)14, Avaliação da DPOC Longitudinalmente para Identificar Desfechos Substitutos Preditivos (ECLIPSE)15e Coorte Canadense de Doença Pulmonar Obstrutiva (CanCOLD)16. Métodos alternativos de TC, como imagens expiratórias17,18 ou modelos computacionais19, podem derivar informações funcionais, mas esses métodos são indiretos, e a TC convencional não fornece muito para a caracterização funcional dos pulmões.

Juntos, a TC e a ressonância magnética com 129Xe fornecem informações complementares sobre a função da estrutura pulmonar que podem ser exploradas para análise regional usando o registro de imagens. Os lobos pulmonares identificados na TC permitiram a caracterização lobar dos padrões de ventilação por RM na asma 20,21,22, DPOC 23,24, bronquiectasias25 e câncer de pulmão26,27. As anormalidades da ventilação por ressonância magnética na asma também foram diretamente combinadas espacialmente com grandes vias aéreas anormalmente remodeladas28 , 29 , 30 , 31 e aprisionamento de ar indicativo de disfunção das pequenas vias aéreas20 , 32 medido na TC e para sondar as respostas regionais ao tratamento após a termoplastia brônquica de todo o pulmão33. Na DPOC, as anormalidades ventilatórias na RM têm sido associadas à disfunção das pequenas vias aéreas em doenças mais leves e ao enfisema em doenças mais graves 34,35,36. Além da imagem de ventilação na doença pulmonar obstrutiva, relações espaciais heterogêneas entre anormalidades pulmonares intersticiais na TC e padrões de troca gasosa de ressonância magnética de 129Xe também foram demonstradas na fibrose pulmonar idiopática37. Tais estudos forneceram uma compreensão mais profunda da função da estrutura pulmonar regional em uma variedade de doenças pulmonares que podem ser usadas para informar futuras intervenções guiadas por imagem.

O registro direto da TC anatômica e da ressonância magnética funcional com gás hiperpolarizado é um desafio, no entanto, devido ao contraste de imagem fundamentalmente diferente entre os dois métodos, à ausência de sinal de gás hiperpolarizado em regiões de anormalidades ventilatórias e aos volumes pulmonares potencialmente diferentes. A Figura 1 mostra quatro exemplos de 129Xe e ressonância magnética e TC anatômicas pareadas de 1H em um voluntário saudável (Figura 1A) e três participantes com doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC; Figura 1B-D), destacando padrões heterogêneos de ventilação com 129Xe e limites pulmonares ausentes variados nos casos de DPOC. A chave para superar esses desafios tem sido usar a RM anatômica de 1H adquirida simultaneamente com a RM com gás hiperpolarizado como uma etapa intermediária para registrar indiretamente a RM com gás hiperpolarizadona TC 34,38. Os primeiros trabalhos empregaram comparação visual lado a lado e segmentação manual de estruturas de TC, como lobos pulmonares, no espaço de ressonância magnética20. Avanços em recursos computacionais e ferramentas de processamento de imagem de código aberto permitiram o registro tridimensional de TC e ressonância magnética com gás hiperpolarizado, por exemplo, usando o descritor de vizinhança independente de modalidade (MIND)23,30,34,39,40,41 ou o registro do Advanced Normalization Toolkit (ANTs)21,22,27,31,32,37,38,42,43, ambos com melhor desempenho em um desafio de registro de imagem pulmonar44. Um novo método acoplou os dois registros em vez de tratá-los independentemente45, que foi implementado em um pipeline completo de análise de imagem pulmonar projetado para fenotipagem de doenças pulmonares46. No geral, a precisão da ressonância magnética com gás hiperpolarizado para registro de TC foi melhorada usando o passo intermediário de 1H38 e usando abordagens deformáveis em vez de abordagens somente afins38,45.

O objetivo aqui é construir a partir da literatura existente e fornecer um protocolo para registro de imagens de 129Xe MR para TC usando plataformas de código aberto 47,48,49. O protocolo é implementado usando ANTsPy e, em consonância com trabalhos anteriores38, registra uma máscara pulmonar de rótulo único de ressonância magnética de 1H para a máscara pulmonar de rótulo único de TC; a transformação resultante é posteriormente aplicada à imagem 129Xe para mapeá-la para o espaço da imagem CT. O protocolo descrito destina-se a ser apropriado para pesquisa ou ambientes clínicos, quando aplicável, e ressonância magnética hiperpolarizada de 129Xe está disponível.

Para contextualizar, a aquisição e análise de imagens para os exemplos aqui fornecidos foram realizadas da seguinte forma. A TC de tórax foi adquirida com inspiração total (capacidade pulmonar total, CPT) de acordo com um protocolo de pesquisa de baixa doseestabelecido 50 com parâmetros: colimação de 64 x 0,625, quilovoltagem de pico de 120, corrente do tubo de 100 mA, tempo de rotação de 0,5 s, passo espiral de 1,0, espessura de corte de 1,25 mm, espaçamento de corte de 0,80 mm, kernel de reconstrução padrão, campo de visão de exibição limitado às extensões mais laterais dos pulmões (para maximizar a resolução espacial). A segmentação e análise da TC foram realizadas usando software comercial (ver Tabela de Materiais).

129A ressonância magnética de 1H com Xe e volume pareado foi realizada de acordo com as diretrizes publicadas9. Para obter detalhes completos sobre a aquisição de ressonância magnética e protocolo, os leitores são direcionados para outro artigo desta coleção51. A segmentação e o registro de ressonância magnética foram realizados usando um pipeline personalizado semiautomatizado usando agrupamento k-means para segmentação de 129Xe, crescimento de região semeada para segmentação de 1H e registro afim baseado em ponto de referência para mapear a imagem de 1H para a imagem de 129Xe52. O registro afim é normalmente suficiente para o registro de RM de 1 H-129Xe para contabilizar a maioria das diferenças de insuflação pulmonar ou posição do paciente entre as aquisições; O registro deformável normalmente não é necessário. A etapa de registro de 1 H-129Xe pode ser eliminada com ressonância magnética de 129Xe e 1H adquirida simultaneamente na mesma apneia53,54.

Protocol

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Os casos de imagem mostrados aqui foram aprovados pelo Conselho de Ética em Pesquisa em Saúde da Universidade da Colúmbia Britânica Providence (REB # H21-01237, H21-02149, H22-01264). Os participantes forneceram consentimento informado por escrito antes de concluir a imagem. O pipeline geral da aquisição da imagem para o registro é descrito na Figura 2, e os detalhes do protocolo aqui se concentram apenas no registro da imagem MR-CT. A aquisição e a segmentação de imagens dependem do hardware de imagem disponível ou preferido, dos protocolos de imagem e das ferramentas de software de análise de imagem e, portanto, são deixadas à preferência dos leitores. O protocolo foi projetado para ser agnóstico em relação às etapas anteriores, usando máscaras de rótulo único dos pulmões após a segmentação da imagem.

1. Configuração do software

  1. Baixe e instale o ANTsPy (consulte Tabela de Materiais), o wrapper Python para a biblioteca de processamento de imagens Advanced Normalization Tools 47,48,49. Os tutoriais estão disponíveis no link na guia 'tutoriais'. O ANTsPy também está disponível para instalação do Docker, se desejado.
    NOTA: O ANTsPy requer um sistema operacional ou ambiente baseado em Linux. Para os exemplos aqui, o ANTsPy foi instalado e usado em um ambiente virtual de computação de alto desempenho em uma estação de trabalho local. O protocolo tende a funcionar melhor usando um ambiente de computação virtual na experiência dos autores.
  2. Baixe e instale o software de segmentação e/ou visualização de sua escolha.
    NOTA: Para o presente estudo, o ITK-SNAP foi usado para visualização (ver Tabela de Materiais).
  3. Baixe e salve o script reg.py (Arquivo Suplementar 1).

2. Pré-processamento de imagem

  1. Clique para abrir imagens e máscaras no software de visualização de imagem desejado para verificar as correspondências de orientação de imagem e máscara para todos os arquivos CT, 1H e 129Xe. Dependendo do método de segmentação e/ou software usado, a orientação de algumas imagens ou máscaras pode precisar ser ajustada. Conforme necessário, recomendamos ajustar as imagens de 1H e 129Xe e a orientação da máscara para corresponder à imagem nativa da TC.
  2. Salve os DICOMs de imagem e as máscaras de rótulo único (ajustados como na etapa 2.1, conforme necessário) como arquivos da Neuroimaging Informatics Technology Initiative (NIfTI, *.nii; seis arquivos no total) usando a ferramenta de software preferida, na mesma pasta que reg.py que está acessível ao local onde o ANTsPy está instalado e será executado. Siga as convenções de nomenclatura mencionadas abaixo.
    1. 1H Ressonância magnética: Proton.nii; 1H Máscara de ressonância magnética: Proton_mask.nii.
      NOTA: Use a imagem e a máscara 1H após o registro para 129Xe.
    2. 129Xe MRI: Ventilation.nii; 129Máscara de ressonância magnética Xe: Ventilation_mask.nii
    3. TC: CT.nii; Máscara de tomografia computadorizada: CT_mask.nii.
      NOTA: Os nomes dos arquivos são codificados no script de registro e, portanto, devem seguir o formato mencionado ou ser revisados no script para corresponder à convenção de nomenclatura desejada. Essas etapas podem ser concluídas juntas usando qualquer uma das ferramentas de software recomendadas listadas na etapa 1.2. Com relação a essas ferramentas de software, algumas gravarão as informações de cabeçalho necessárias automaticamente ao salvar arquivos .nii, enquanto outras exigem etapas adicionais para copiar e gravar as informações de cabeçalho.

3. Registro de CT-XeMRI

  1. Abra o arquivo reg.py na configuração do ambiente de computação Python desejada na etapa 1.1.
    NOTA: O Script reg.py é baseado nas ferramentas de registro de ANTs integradas; documentação adicional está disponível55.
  2. Se estiver usando um ambiente virtual, defina o número de unidades centrais de processamento (CPU), número de threads e RAM conforme desejado ou disponível no ambiente de computação. Um ambiente de computação virtual com 16 CPUs, 1 thread por CPU e 186 GB de RAM disponível foi usado para os exemplos aqui.
  3. Defina a transformação e a interpolação desejadas. A transformação SyNAggro com interpolação linear para imagens e interpolação de rótulo genérico para máscaras de rótulo único, que são padrão no script de reg.py fornecido, foram usadas aqui.
    NOTA: SyNAggro é uma transformação de normalização simétrica, que inclui transformação afim + deformável, além de registro mais agressivo usando correspondência em escala fina e mais deformação (em comparação com SyN simples). Algoritmos alternativos de transformação e interpolação estão listados no link da documentação de registro de ANTs na etapa 3.155.
  4. Defina a imagem fixa e a imagem em movimento. Aqui, a TC (máscara de rótulo único) foi definida como a imagem fixa, e a ressonância magnética de 1H (máscara de rótulo único) foi definida como a imagem em movimento.
  5. Execute reg.py no ambiente de computação Python. O registro completo pode levar de 5 a 10 minutos (usando nossos parâmetros) ou mais, dependendo dos recursos de computação usados ou disponíveis. Quando concluídos, os arquivos distorcidos serão salvos automaticamente no mesmo diretório que os arquivos de imagem originais com os seguintes nomes: Proton_warped.nii.gz; Ventilation_warped.nii.gz; Ventilation_label_warped.nii.gz.
    NOTA: Os arquivos NIfTI *.nii.gz são apenas versões compactadas de arquivos *.nii e podem ser descompactados ou abertos conforme desejado. Os reg.py de script podem ser modificados conforme desejado, por exemplo, usando diferentes métodos de transformação ou interpolação ou mapeando ou criando diretórios de arquivos.

4. Avaliação dos resultados do registo

  1. Abra a imagem CT.nii como a imagem base no software de visualização desejado.
  2. Abra Ventilation_warped.nii.gz ou Ventilation_label_warped.nii.gz como outra imagem e sobreponha na imagem de TC com o mapa de cores desejado.
  3. Revise a sobreposição da imagem ou máscara do 129Xe com a imagem da TC em todos os planos da imagem (coronal, axial, sagital), avaliando o alinhamento visual de pontos de referência como a carina e os limites pulmonares (quando disponível na imagem do 129Xe).
  4. Confira os resultados. Se estiver satisfeito com os resultados, o registro está concluído.
    NOTA: A imagem/máscara 129Xe registrada pode ser multiplicada pela máscara de TC para remover a traqueia e as principais vias aéreas (se não for removida antes da segmentação da ressonância magnética) e remover qualquer sinal que esteja fora dos limites pulmonares da TC após o registro. Quantificação adicional para medições de função de estrutura regional pode ser realizada conforme desejado.
  5. Se não estiver satisfeito com os resultados, avalie e otimize tipos alternativos de transformação e parâmetros associados conforme necessário.

Results

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Este estudo adquiriu prospectivamente TC pareada e ressonância magnética de 129Xe em um ambiente de pesquisa para caracterização regional da função da estrutura pulmonar e broncoscopia guiada por imagem em uma variedade de doenças e condições pulmonares. A Figura 3 mostra a ventilação por ressonância magnética e TC de 129Xe registradas nos planos coronal e sagital para quatro participantes representativos com uma variedade de padrões de ventilação por ressonância magnética (para os mesmos participantes da Figura 1). A máscara de marcação 129Xe MR registrada mostra 129grupos de intensidade de sinal Xe de defeito ventilatório ou sinal vazio a hiperintenso, e foi multiplicada pela máscara de marcação de TC para remover a traqueia e as vias aéreas principais. A inspeção visual mostra bom alinhamento de todos os limites pulmonares para o participante saudável (Figura 3A) com ventilação homogênea, com exceção do ângulo costofrênico no pulmão direito. Essa discrepância pode ser devido a diferenças de resolução entre as duas modalidades ou distorção geométrica na RM de 129Xe/1H; no entanto, é uma pequena fração do volume pulmonar total. Nos três participantes com DPOC, também houve bom alinhamento dos limites pulmonares, quando disponível. Os exemplos de DPOC aqui variam de anormalidades de ventilação difusa (Figura 3B), anormalidades de ventilação do lobo superior com limites pulmonares apicais ausentes (Figura 3C) e anormalidades de ventilação do lobo inferior com limites pulmonares diafragmáticos ausentes (Figura 3D).

Os autores normalmente optam pela inspeção visual das imagens registradas e não avaliam quantitativamente prospectivamente o desempenho do registro devido à natureza das diferenças de contraste multimodal entre a TC e a ressonância magnética de 129Xe. As métricas quantitativas comuns de desempenho de registro são o coeficiente de dados ou o TR (erro de registro alvo). Os coeficientes de dados puderam ser avaliados entre as imagens registradas de 1H (em movimento) e TC (fixas); no entanto, isso seria indireto, uma vez que as imagens de 1H são usadas como uma ponte intermediária para registrar imagens de 129Xe, e as medições de interesse vêm da ressonância magnética de 129Xe. O TRE pode ser quantificado colocando pontos de referência fiduciais nas imagens fixas e em movimento; no entanto, a colocação de fiduciais é um processo manual demorado, e a natureza das anormalidades ventilatórias de ressonância magnética de 129Xe significa que pode haver pontos de referência anatômicos limitados disponíveis. Embora a carina traqueal e os ângulos costofrênicos normalmente sirvam como pontos de referência fáceis, os participantes da Figura 3C,D destacam exemplos graves em que há pontos de referência óbvios limitados disponíveis. Usando uma estrutura de registro semelhante em ANTs, Tahir et al. alcançaram TRE de 8,8 mm a 19,7 mm38, que é pequeno em relação ao tamanho dos pulmões (campo de visão típico de 350-400 mm) e, portanto, aceitável; os autores antecipam que o TRE pode ser semelhante usando a estrutura atual.

Imagem pulmonar comparativa; \(^{129}\)Xe MRI, \(^{1}\)H MRI, CT; diagrama de visualização diagnóstica.
Figura 1: Pulmonar 129Xe e 1H e TC. Exemplos de ressonância magnética anatômica de 1H de 129Xe e volume correspondente com TC pareada para um participante saudável (A) e três participantes com doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC; B, C, D) mostrando uma faixa de 129padrões de ventilação Xe. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Diagrama de registro de TC e RM; processo de segmentação para imagens pulmonares; Insira imagens em máscaras de rótulo único.
Figura 2: Análise geral de imagens e pipeline de registro. As imagens de TC de entrada, 129Xe MR e 1H MR são primeiro segmentadas para gerar máscaras de rótulo único. A imagem/máscara 1H MR é primeiro transformada na imagem/máscara 129Xe. Todas as imagens e máscaras CT, 129Xe e 1H são convertidas em arquivos NIfTI, que são usados para registro 129Xe-CT. A máscara 1H é transformada no espaço da imagem CT e a transformação é posteriormente aplicada à imagem/máscara 129Xe. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Análise de tomografia computadorizada de pulmão mostrando vistas coronais e sagitais; comparação entre defeito e regiões hiperintensas.
Figura 3: 129resultados de registro de ressonância magnética-TC Xe. Resultados do registro para os quatro participantes representativos mostrados na Figura 1, onde 129Xe é mostrado em ciano sobreposto no TC em escala de cinza. Houve bom alinhamento de todos os limites pulmonares para o participante saudável (A) com ventilação homogênea, com exceção do ângulo costofrênico no pulmão direito. Houve também um bom alinhamento dos limites pulmonares nos três participantes com DPOC, quando disponível, variando de anormalidades ventilatórias difusas (B), anormalidades ventilatórias do lobo superior com limites pulmonares apicais ausentes (C) e anormalidades ventilatórias do lobo inferior com limites pulmonares diafragmáticos ausentes (D). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Comparação da ventilação por TC e RM pulmonar; vistas coronais, sagitais; LAA950, análise VDP.
Figura 4: Medidas da função estrutura-lobar em um participante com DPOC. Enfisema de TC lobar medido pelas áreas de baixa atenuação inferiores a -950 unidades Hounsfield (LAA950, amarelo) e porcentagem de defeito de ventilação de ressonância magnética de 129Xe (VDP, ciano) gerada após o registro de 129Xe MR-CT, como um exemplo de avaliação regional para um plano de tratamento guiado por imagem. O esquema dos contornos lobares é mostrado em planos sagitais. MSD = lobo superior direito; LMR = lobo médio direito; RLL = lobo inferior direito; LSE = lobo superior esquerdo; LLL = lobo inferior esquerdo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Arquivo Suplementar 1: O script reg.py. Clique aqui para baixar este arquivo.

Discussion

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A TC e a ressonância magnética com Xe 129fornecem informações complementares para avaliar a estrutura e a função pulmonar regional que são melhor facilitadas usando o registro de imagem. O registro de imagens multimodais pode não ser trivial de implementar e, portanto, o protocolo fornecido aqui destina-se a fornecer as ferramentas para os leitores registrarem 129Xe MRI na TC. O protocolo fornecido usa ANTsPy para facilitar a implementação para usuários com uma ampla gama de experiência em processamento de imagem usando Python em vez de C++, como em ANTs convencionais. No geral, os ANTs fornecem uma estrutura de registro de imagens de código aberto que reduz a necessidade de ajuste para diferentes métricas e/ou pares de imagens e oferece suporte a práticas de pesquisa reprodutíveis49. Um conjunto de três algoritmos sucessivos é normalmente usado em ANTs para obter o registro ideal: (1) registro rígido usando apenas rotação e translação, (2) registro afim usando rotação e translação mais escala e cisalhamento e (3) registro não linear deformável. Em um nível mais profundo, as três etapas do protocolo padrão fornecido aqui para o registro de CT-RM são: (1) Transformação inicial de similaridade (rígida) para capturar semelhanças grosseiras entre as imagens de TC e RM, preparando as imagens para transformações subsequentes e mais refinadas. Esta etapa usa a métrica de similaridade de informações mútuas Mattes49 com 32 caixas de histograma, amostragem regular com 0,2% de pixels amostrados, otimização de gradiente descendente com tamanho de etapa 0,25, pirâmide gaussiana de resolução múltipla com quatro níveis de fatores de amostragem descendente 6 x 4 x 2 x 1 (iterações 2100 1200 1200 10) e sigmas gaussianos de suavização correspondente 3 mm x 2 mm x 1 mm x 0 mm. (2) Transformação afim usando a saída do estágio de similaridade como o transformação inicial. Esta etapa usa a métrica de similaridade de informações mútuas de Mattes com 16 caixas de histograma, amostragem regular com 0,2% de pixels amostrados, otimização de gradiente descendente com tamanho de etapa 0,25, pirâmide gaussiana de resolução múltipla com quatro níveis de fatores de amostragem descendente 4 x 2 x 2 x 1 (iterações 2100 1200 1200 100) e sigmas gaussianos de suavização correspondentes 3 mm x 2 mm x 1 mm x 0 mm. (3) Transformação SyNAggro como a etapa final para refinar ainda mais a transformação usando registro não linear e deformável. Esta etapa usa a métrica de similaridade de informações mútuas Mattes com 16 caixas de histograma, amostragem completa, otimização de gradiente descendente com tamanho de etapa 0,2, pirâmide gaussiana de várias resoluções com três níveis de fatores de amostragem descendente 4 x 2 x 1 (iterações 40 20 0) e sigmas gaussianos de suavização correspondente 2 mm x 1 mm x 0 mm, largura do kernel de regularização gaussiana de 3 voxels para suavização do campo de transformação de atualização. Essas são as configurações padrão para o algoritmo de transformação SyNAggro.

Conforme descrito anteriormente e usado para registro de imagem entre TC e ressonância magnética com gás hiperpolarizado38, uma variação da transformação de normalização simétrica (SyN) foi usada aqui porque se mostrou um algoritmo de alto desempenho em um desafio de registro de imagem pulmonar44. A métrica de similaridade de informações mútuas foi usada porque tende a ter melhor desempenho para imagens multimodais56. Para superar ainda mais as diferenças de contraste de imagem multimodal, o protocolo usa a ressonância magnética de 1H com correspondência de volume para registrar indiretamente a ressonância magnética de 129Xe na TC, conforme descrito pela primeira vez por Tahir et al.38, e na verdade registra a máscara de 1H de rótulo único na máscara de TC em vez das imagens, a transformação resultante é posteriormente aplicada à imagem e máscara de 129Xe. Máscaras multi-rótulo, por exemplo, máscaras de TC lobares ou segmentares 21,22,23,45 ou bins de intensidade de ressonância magnética 57, também podem ser usadas. O registro é realizado mapeando aressonância magnética de 1 H para o espaço da TC para manter a resolução da TC para quantificação das características estruturais da TC, embora a direção do registro possa ser invertida conforme desejado. Como entrada para o pipeline de registro, o protocolo lida com imagens e máscaras de rótulo único no formato NIfTI, pois, dessa forma, todas as fatias transversais em uma imagem 3D estão contidas em um único arquivo. Avaliamos este protocolo em dados de ressonância magnética CT-129Xe pareados de dois centros independentemente (University of British Columbia e University of Kansas Medical Center) com bom desempenho e, portanto, antecipamos que o protocolo se aplicará bem em outros conjuntos de dados. No entanto, os parâmetros de transformação podem ser otimizados para melhorar o desempenho em conjuntos de dados locais, conforme necessário.

O protocolo foi projetado intencionalmente para ser principalmente agnóstico em relação à aquisição e segmentação de imagens, uma vez que essas etapas dependem de hardware de imagem disponível ou preferencial, protocolos de imagem e ferramentas de software de análise de imagem. O protocolo de TC deve ser idealmente de corte fino, sem contraste, com kernel de reconstrução equivalente ao padrão para permitir a medição de métricas quantitativas validadas de parênquimas, vias aéreas e/ou vasculares 10,11,50. A TC pode ser adquirida com inspiração completa, o que é melhor validado para medidas quantitativas10, ou com volume compatível com a RM para facilitar o registro da TC-RM e emparelhar medidas estrutura-função no mesmo volume de insuflação pulmonar24,30. A TC expiratória também pode ser realizada e registrada na TC inspiratória para quantificação do aprisionamento aéreo 17,18,34. Para segmentação e análise quantitativa, várias ferramentas de software de TC estão disponíveis comercialmente58 ou de código aberto59. Por outro lado, foram publicados protocolos de aquisição de RM de 129Xe9, que atualmente recomendam aquisições separadas de apneia para RM de 129Xe e RM de 1H. Novos protocolos foram desenvolvidos que adquirem ressonância magnética de 129Xe e 1H na mesma apneia53,54 e, portanto, podem evitar a etapa de pré-processamento do registro de 1 H-129Xe. Além disso, este protocolo se concentra na imagem de ventilação de RM de 129Xe, mas é igualmente aplicável para imagens de troca gasosa de 129Xe. Como método emergente, a segmentação e quantificação de ressonância magnética de 129Xe/1H ainda não estão padronizadas; Muitos métodos foram relatados na literatura que poderiam ser usados aqui e foram bem resumidos em uma revisão recente60. Independentemente de como as imagens de TC e 1 H-129Xe MR são adquiridas e suas máscaras de rótulo único obtidas, este protocolo de registro deve ser amplamente aplicável.

Reconhecemos as limitações do protocolo atual, principalmente porque ele é um tanto manual, especialmente para pré-processamento para preparação para registro e avaliação do desempenho do registro. Métodos automatizados foram propostos anteriormente45, e melhorias no protocolo existente para automação serão importantes para uma tradução clínica perfeita. O registro atual também é baseado em CPU; embora o processamento da CPU provavelmente esteja mais amplamente disponível e o registro seja executado em aproximadamente 10 minutos, a implementação com unidades de processamento gráfico (GPU) e/ou aprendizado profundo pode reduzir ainda mais o tempo de execução e potencialmente melhorar a precisão do registro. Finalmente, recomendações ou metodologia para TC e segmentação de imagem 1H/129Xe MR não são fornecidas. Há uma grande variedade de métodos disponíveis para ambos, então isso é deixado para a escolha dos leitores; no entanto, há uma imensa oportunidade para um pipeline que engloba segmentação e registro automáticos para acelerar ainda mais a tradução clínica.

Este protocolo de registro pode ser aplicado para pesquisas ou ambientes clínicos onde a ressonância magnética hiperpolarizada de 129Xe está disponível. No cenário da pesquisa, a TC complementar e a ressonância magnética de 129Xe apoiaram amplamente a descoberta de novos insights sobre a função da estrutura pulmonar regional, por exemplo, na asma 20,21,22,28,29,30,31,32, DPOC 24,25,34,35 e FPI37, 61. A ponte para a tradução clínica, no entanto, vem em intervenções pulmonares guiadas por imagem. A termoplastia brônquica guiada por imagem usando TC e ressonância magnética com Xe 129em pacientes com asma grave proporcionou menos procedimentos broncoscópicos, menos eventos adversos periprocedimento e resultados relatados pelo paciente não inferiores em comparação com a terapia pulmonar total convencional62,63. Na DPOC, a estrutura quantitativa da TC e a função da RM com 129Xe podem sugerir diferentes alvos de redução do volume pulmonar broncoscópico com base na maior carga lobar do enfisema da TC e das anormalidades da ventilação na RM, destacando a importância de considerar a estrutura e a função juntas23. Além disso, esquemas de radioterapia para evitar pulmões funcionais foram propostos40,64 para poupar regiões com função ventilatória e de troca gasosa preservada na ressonância magnética da exposição indevida à radiação. Oportunidades adicionais guiadas por imagem em intervenções pulmonares incluem ressecção cirúrgica de câncer de pulmão65, colocação de stent nas vias aéreas e válvula na DPOC e outras novas terapias broncoscópicas para DPOC ou bronquite crônica, como ablação por vapor térmico, crioterapia ou reoplastia 66,67. A Figura 4 ilustra o enfisema por TC lobar e as anormalidades ventilatórias por RM para um paciente com DPOC que podem ser consideradas no planejamento do tratamento. Os pulmões continuam sendo uma das últimas fronteiras do corpo humano para intervenções guiadas por imagem; juntos, a TC e a ressonância magnética com 129Xe fornecem informações complementares que melhoraram nossa compreensão da função da estrutura pulmonar, que agora pode ser implementada para intervenções pulmonares guiadas por imagem. O protocolo de registro de ressonância magnética CT-129Xe fornecido aqui pode permitir uma descoberta adicional da função da estrutura pulmonar, bem como intervenções guiadas por imagem para melhorar o atendimento, o tratamento e os resultados para pacientes com doenças respiratórias.

Disclosures

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

A RLE recebe honorários de consultoria pessoal da VIDA Diagnostics Inc. fora do trabalho enviado. A JAL recebeu uma bolsa institucional da GE Healthcare e honorários para palestras da Philips e da GE Healthcare fora do trabalho enviado.

Acknowledgements

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

Esta pesquisa foi apoiada em parte por meio de recursos e serviços computacionais fornecidos pela Advanced Research Computing da University of British Columbia e por uma bolsa de IA do Departamento de Radiologia da University of British Columbia. O RLE foi apoiado por um prêmio Michael Smith Health Research BC Trainee.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
3D SlicerBrigham and Women's Hospital (BWH)https://www.slicer.org/Software de análise/visualização de imagens; infraestrutura de código aberto
ANTsPyNAhttps://github.com/ANTsX/ANTsPyCoding; software
ITK-SNAPNAcódigo aberto; software de código aberto
MAGNETOM Vida Ressonância magnética 3.0TSiemens HealthineersNAPode ser qualquer scanner de 1.5 T ou 3.0 T com capacidade de imagem de banda larga
MATLABMathworkshttps://www.mathworks.com/products/matlab.htmlSoftware geral, bom para análise de imagens; disponível por assinatura
reg.pyNANAScript de registro (Arquivo Suplementar 1)
Scanner de tomografia computadorizada Revolution HDGE HealthcareNAPode ser qualquer scanner de TC com ≥ 64 detectores
VIDA InsightsVIDA Diagnostics Inc.de TC NA; pode ser qualquer um para gerar máscaras
de análise/visualização de imagens http://www.itksnap.org/pmwiki/pmwiki.php de Software de análise

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Albert, M. S., et al. Biological magnetic resonance imaging using laser-polarized 129Xe. Nature. 370 (6486), 199-201 (1994).
  2. Sheikh, K., Coxson, H. O., Parraga, G. This is what COPD looks like. Respirology. 21 (2), 224-236 (2016).
  3. Ebner, L., et al. The role of hyperpolarized (129)xenon in MR imaging of pulmonary function. Eur J Radiol. 86, 343-352 (2017).
  4. Eddy, R. L., Parraga, G. Pulmonary xenon-129 MRI: New opportunities to unravel enigmas in respiratory medicine. Eur Respir J. 55 (2), 1901987(2020).
  5. Stewart, N. J., et al. Lung MRI with hyperpolarised gases: Current & future clinical perspectives. Br J Radiol. 95 (1132), 20210207(2022).
  6. Kooner, H. K., et al. Pulmonary functional MRI: Detecting the structure-function pathologies that drive asthma symptoms and quality of life. Respirology. 27 (2), 114-133 (2022).
  7. Mugler, J. P., Altes, T. A. Hyperpolarized 129Xe MRI of the human lung. J Magn Reson Imaging. 37 (2), 313-331 (2013).
  8. Kaushik, S. S., et al. Single-breath clinical imaging of hyperpolarized (129)Xe in the airspaces, barrier, and red blood cells using an interleaved 3D radial 1-point Dixon acquisition. Magn Reson Med. 75 (129), 1434-1443 (2016).
  9. Niedbalski, P. J., et al. Protocols for multi-site trials using hyperpolarized (129) Xe MRI for imaging of ventilation, alveolar-airspace size, and gas exchange: A position paper from the (129) Xe MRI clinical trials consortium. Magn Reson Med. 86 (6), 2966-2986 (2021).
  10. Lynch, D. A., Al-Qaisi, M. A. Quantitative computed tomography in chronic obstructive pulmonary disease. J Thorac Imaging. 28 (5), 284-290 (2013).
  11. Motahari, A., et al. Repeatability of pulmonary quantitative computed tomography measurements in chronic obstructive pulmonary disease. Am J Respir Crit Care Med. 208 (6), 657-665 (2023).
  12. Jarjour, N. N., et al. Severe asthma: Lessons learned from the national heart, lung, and blood institute severe asthma research program. Am J Respir Crit Care Med. 185 (4), 356-362 (2012).
  13. Regan, E. A., et al. Genetic epidemiology of COPD (copdgene) study design. COPD. 7 (1), 32-43 (2010).
  14. Couper, D., et al. Design of the subpopulations and intermediate outcomes in COPD study (SPIROMICS). Thorax. 69 (5), 491-494 (2014).
  15. Vestbo, J., et al. Evaluation of COPD longitudinally to identify predictive surrogate end-points (eclipse). Eur Respir J. 31 (4), 869-873 (2008).
  16. Bourbeau, J., et al. Canadian cohort obstructive lung disease (cancold): Fulfilling the need for longitudinal observational studies in COPD. Copd. 11 (2), 125-132 (2014).
  17. Galbán, C. J., et al. Computed tomography-based biomarker provides unique signature for diagnosis of COPD phenotypes and disease progression. Nat Med. 18 (11), 1711-1715 (2012).
  18. Kirby, M., et al. A novel method of estimating small airway disease using inspiratory-to-expiratory computed tomography. Respiration. 94 (4), 336-345 (2017).
  19. Kim, M., Doganay, O., Hwang, H. J., Seo, J. B., Gleeson, F. V. Lobar ventilation in patients with COPD assessed with the full-scale airway network flow model and xenon-enhanced dual-energy CT. Radiology. 298 (1), 201-209 (2021).
  20. Fain, S. B., et al. Evaluation of structure-function relationships in asthma using multidetector CT and hyperpolarized He-3 MRI. Acad Radiol. 15 (6), 753-762 (2008).
  21. Zha, W., et al. Regional heterogeneity of lobar ventilation in asthma using hyperpolarized helium-3 MRI. Acad Radiol. 25 (2), 169-178 (2018).
  22. Tahir, B. A., et al. Comparison of CT-based lobar ventilation with 3He MR imaging ventilation measurements. Radiology. 278 (2), 585-592 (2016).
  23. Adams, C. J., Capaldi, D. P. I., Di Cesare, R., McCormack, D. G., Parraga, G. On the potential role of MRI biomarkers of COPD to guide bronchoscopic lung volume reduction. Acad Radiol. 25 (2), 159-168 (2018).
  24. Pike, D., et al. Regional heterogeneity of chronic obstructive pulmonary disease phenotypes: Pulmonary (3)He magnetic resonance imaging and computed tomography. COPD. 13 (3), 601-609 (2016).
  25. Svenningsen, S., Guo, F., McCormack, D. G., Parraga, G. Noncystic fibrosis bronchiectasis: Regional abnormalities and response to airway clearance therapy using pulmonary functional magnetic resonance imaging. Acad Radiol. 24 (1), 4-12 (2017).
  26. Sheikh, K., et al. Magnetic resonance imaging biomarkers of chronic obstructive pulmonary disease prior to radiation therapy for non-small cell lung cancer. Eur J Radiol Open. 2, 81-89 (2015).
  27. Tahir, B. A., et al. Spatial comparison of CT-based surrogates of lung ventilation with hyperpolarized helium-3 and xenon-129 gas MRI in patients undergoing radiation therapy. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 102 (4), 1276-1286 (2018).
  28. Svenningsen, S., et al. What are ventilation defects in asthma. Thorax. 69 (1), 63-71 (2014).
  29. Svenningsen, S., Nair, P., Guo, F., McCormack, D. G., Parraga, G. Is ventilation heterogeneity related to asthma control. Eur Respir J. 48 (2), 370-379 (2016).
  30. Eddy, R. L., et al. Is computed tomography airway count related to asthma severity and airway structure and function. Am J Respir Crit Care Med. 201 (8), 923-933 (2020).
  31. Mummy, D. G., et al. Mucus plugs in asthma at CT associated with regional ventilation defects at (3)He MRI. Radiology. 303 (3), 184-190 (2022).
  32. Carey, K. J., et al. Comparison of hyperpolarized (3)He-MRI, CT based parametric response mapping, and mucus scores in asthmatics. Front Physiol. 14, 1178339(2023).
  33. Thomen, R. P., et al. Regional ventilation changes in severe asthma after bronchial thermoplasty with (3)He MR imaging and CT. Radiology. 274 (3), 250-259 (2015).
  34. Capaldi, D. P., et al. Pulmonary imaging biomarkers of gas trapping and emphysema in COPD: (3)He MR imaging and CT parametric response maps. Radiology. 279 (3), 597-608 (2016).
  35. MacNeil, J. L., et al. Pulmonary imaging phenotypes of chronic obstructive pulmonary disease using multiparametric response maps. Radiology. 295 (1), 227-236 (2020).
  36. Kirby, M., et al. Pulmonary ventilation visualized using hyperpolarized helium-3 and xenon-129 magnetic resonance imaging: Differences in COPD and relationship to emphysema. J Appl Physiol. 114 (1985), 707-715 (2013).
  37. Hahn, A. D., et al. Hyperpolarized (129)Xe MR spectroscopy in the lung shows 1-year reduced function in idiopathic pulmonary fibrosis. Radiology. 305 (129), 688-696 (2022).
  38. Tahir, B. A., et al. A method for quantitative analysis of regional lung ventilation using deformable image registration of CT and hybrid hyperpolarized gas/1h MRI. Phys Med Biol. 59 (23), 7267-7277 (2014).
  39. Heinrich, M. P., et al. MIND: Modality independent neighbourhood descriptor for multi-modal deformable registration. Med Image Anal. 16 (7), 1423-1435 (2012).
  40. Yaremko, B. P., et al. Functional lung avoidance for individualized radiation therapy: Results of a double-masked, randomized controlled trial. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 113 (5), 1072-1084 (2022).
  41. Westcott, A., et al. Chronic obstructive pulmonary disease: Thoracic CT texture analysis and machine learning to predict pulmonary ventilation. Radiology. 293 (3), 676-684 (2019).
  42. Tahir, B. A., et al. Comparison of CT ventilation imaging and hyperpolarised gas MRI: Effects of breathing manoeuvre. Phys Med Biol. 64 (5), 055013(2019).
  43. Astley, J. R., et al. A hybrid model- and deep learning-based framework for functional lung image synthesis from multi-inflation CT and hyperpolarized gas MRI. Med Phys. 50 (9), 5657-5670 (2023).
  44. Murphy, K., et al. Evaluation of registration methods on thoracic CT: The empire10 challenge. IEEE Trans Med Imaging. 30 (11), 1901-1920 (2011).
  45. Guo, F., et al. Thoracic CT-MRI coregistration for regional pulmonary structure-function measurements of obstructive lung disease. Med Phys. 44 (5), 1718-1733 (2017).
  46. Guo, F., et al. Development of a pulmonary imaging biomarker pipeline for phenotyping of chronic lung disease. J Med Imaging (Bellingham). 5 (2), 026002(2018).
  47. Avants, B. B., et al. A reproducible evaluation of ANTs similarity metric performance in brain image registration. Neuroimage. 54 (3), 2033-2044 (2011).
  48. Tustison, N. J., Avants, B. B. Explicit B-spline regularization in diffeomorphic image registration. Front Neuroinform. 7, 39(2013).
  49. Avants, B. B., et al. The Insight ToolKit image registration framework. Front Neuroinform. 8, 44(2014).
  50. Sieren, J. P., et al. SPIROMICS protocol for multicenter quantitative computed tomography to phenotype the lungs. Am J Respir Crit Care Med. 194 (7), 794-806 (2016).
  51. Garrison, W. J., et al. Acquiring hyperpolarized 129Xe magnetic resonance images of lung ventilation. J Vis Exp. (201), e65982(2023).
  52. Kirby, M., et al. Hyperpolarized 3He magnetic resonance functional imaging semiautomated segmentation. Acad Radiol. 19 (2), 141-152 (2012).
  53. Niedbalski, P. J., et al. A single-breath-hold protocol for hyperpolarized (129) Xe ventilation and gas exchange imaging. NMR Biomed. 36 (8), e4923(2023).
  54. Collier, G. J., et al. Single breath-held acquisition of coregistered 3D (129) Xe lung ventilation and anatomical proton images of the human lung with compressed sensing. Magn Reson Med. 82 (1), 342-347 (2019).
  55. ANTsPy Contributors. Registration. , Available from: https://antspy.readthedocs.io/en/latest/registration.html (2017).
  56. Maes, F., Vandermeulen, D., Suetens, P. Medical image registration using mutual information. Proceedings of the IEEE. 91 (10), 1699-1722 (2003).
  57. He, M., et al. Extending semiautomatic ventilation defect analysis for hyperpolarized (129)Xe ventilation MRI. Acad Radiol. 21 (12), 1530-1541 (2014).
  58. Wang, J. M., Ram, S., Labaki, W. W., Han, M. K., Galbán, C. J. CT-based commercial software applications: Improving patient care through accurate COPD subtyping. Int J Chron Obstruct Pulmon Dis. 17, 919-930 (2022).
  59. Estepar, R. S. J., et al. Chest imaging platform: An open-source library and workstation for quantitative chest imaging. Am J Respir Crit Care Med. 191, 4975(2015).
  60. Sharma, M., et al. Quantification of pulmonary functional MRI: State-of-the-art and emerging image processing methods and measurements. Phys Med Biol. 67 (22), (2022).
  61. Wang, J. M., et al. Using hyperpolarized (129)Xe MRI to quantify regional gas transfer in idiopathic pulmonary fibrosis. Thorax. 73 (129), 21-28 (2018).
  62. Hall, C. S., et al. Single-session bronchial thermoplasty guided by (129)Xe magnetic resonance imaging. A pilot randomized controlled clinical trial. Am J Respir Crit Care Med. 202 (129), 524-534 (2020).
  63. Svenningsen, S., et al. Bronchial thermoplasty guided by hyperpolarised gas magnetic resonance imaging in adults with severe asthma: A 1-year pilot randomised trial. ERJ Open Res. 7 (3), 00268(2021).
  64. Rankine, L. J., et al. Hyperpolarized (129)Xe magnetic resonance imaging for functional avoidance treatment planning in thoracic radiation therapy: A comparison of ventilation- and gas exchange-guided treatment plans. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 111 (129), 1044-1057 (2021).
  65. Radadia, N., et al. Comparison of ventilation defects quantified by technegas spect and hyperpolarized (129)Xe MRI. Front Physiol. 14, 1133334(2023).
  66. Criner, G. J. Surgical and interventional approaches in COPD. Respir Care. 68 (7), 939-960 (2023).
  67. Hartman, J. E., Garner, J. L., Shah, P. L., Slebos, D. J. New bronchoscopic treatment modalities for patients with chronic bronchitis. Eur Respir Rev. 30 (159), 200281(2021).

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