Construção e Aplicação de Atlas de Fluxo Sanguíneo Cerebral Baseado na Região Funcional Cerebral Usando Imagem de Ressonância Magnética - Marcação de Spin Arterial

Summary

Este estudo integrou imagens de ressonância magnética e marcação de spin arterial para derivar o atlas do fluxo sanguíneo cerebral (CBF) para regiões funcionais cerebrais. A comparação dos atlas típicos de FSC de isquemia cerebral saudável e crônica revelou diferenças significativas nas distribuições regionais do FSC, permitindo avaliações rápidas e não invasivas do FSC funcional para auxiliar no diagnóstico e avaliar a terapêutica.

Abstract

As condições cerebrais geralmente requerem diagnóstico e monitoramento precisos, necessitando de técnicas avançadas de imagem. As modalidades atuais podem não detectar adequadamente sinais precoces de dano tecidual reversível, destacando a necessidade de ferramentas diagnósticas inovadoras que possam quantificar as alterações no fluxo sanguíneo cerebral (FSC) com alta especificidade e sensibilidade. Este estudo integra a marcação tridimensional do spin arterial (3D-ASL) com ressonância magnética estrutural para desenvolver atlas CBF abrangentes que cobrem todas as principais regiões funcionais do cérebro. Esta metodologia inovadora de ressonância magnética - marcação de spin arterial (MRI-ASL) fornece um meio rápido e não invasivo de quantificar o CBF específico da região, oferecendo uma visão detalhada dos níveis de CBF em diferentes regiões funcionais. A comparação entre pacientes com isquemia cerebral crônica (ICC) e indivíduos saudáveis revelou CBF significativamente diminuído nas regiões funcionais cerebrais nos atlas CBF construídos para os primeiros. Essa abordagem não apenas permite a identificação eficiente do ICC, analisando reduções simultâneas no CBF em áreas críticas em relação às distribuições saudáveis, mas também permite o rastreamento das respostas ao tratamento e do progresso da reabilitação por meio de atlas longitudinais do CBF. O atlas CBF desenvolvido usando a técnica MRI-ASL representa um novo avanço no campo do diagnóstico cerebral e atendimento ao paciente. Ao comparar os níveis regionais de CBF com os padrões normativos, esse método aprimora as capacidades de diagnóstico, permitindo que os médicos forneçam atendimento personalizado a pacientes com condições cerebrais.

Introduction

No campo da neuroimagem, a busca por ferramentas precisas e não invasivas para avaliar a função cerebral e a patologia continua sendo fundamental. Dentre estes, o fluxo sanguíneo cerebral (FSC) destaca-se como um indicador vital, refletindo as demandas metabólicas e o estado de saúde do tecido cerebral¹. As abordagens tradicionais geralmente envolvem avaliações empíricas, dependendo fortemente da experiência dos médicos para interpretar imagens e discernir alterações patológicas². No entanto, os avanços nas técnicas de ressonância magnética (RM), particularmente a marcação arterial spin (ASL)³, oferecem um caminho promissor para quantificar o FSC com maior precisão e objetividade ^4,5.

Este estudo apresenta uma metodologia pioneira que integra ASL tridimensional (3D-ASL) com ressonância magnética estrutural para construir um atlas CBF abrangente em regiões funcionais cerebrais⁶. Ao alavancar essa nova abordagem, os médicos podem não apenas obter uma perspectiva global do FSC, mas também se aprofundar em áreas funcionais específicas, permitindo uma compreensão diferenciada dos padrões de perfusão cerebral ^7,8. Essa melhoria na resolução é um resultado direto do progresso tecnológico em equipamentos de imagem, e não do uso de voxels interpolados. Vale a pena notar que a maioria dos principais dispositivos de ressonância magnética disponíveis no mercado hoje normalmente oferece precisão de imagem melhor que 1,5 mm⁹. Esses avanços na tecnologia de imagem abriram caminho para avaliações CBF mais detalhadas e precisas. Isso representa uma mudança de paradigma em relação à imagem convencional, que muitas vezes carece de resolução para detectar alterações sutis no FSC associadas a patologias em estágio inicial¹⁰.

A gênese dessa metodologia reside no imperativo de enfrentar os desafios diagnósticos impostos pelas condições cerebrais, incluindo isquemia cerebral crônica (ICC) e outros distúrbios neurológicos ^11,12. Essas condições requerem avaliações precisas e oportunas para orientar as intervenções terapêuticas de forma eficaz^13,14. Ao comparar os atlas de CBF entre indivíduos saudáveis e pacientes com ICC, este estudo revela disparidades significativas nas distribuições regionais de CBF, oferecendo insights sobre a patologia da doença e possíveis vias de tratamento.

A utilidade dessa abordagem de RM-ASL vai além do diagnóstico, abrangendo avaliação terapêutica e monitoramento da progressão da doença¹⁵. Os atlas longitudinais CBF são promissores no rastreamento das respostas ao tratamento e dos resultados da reabilitação, fornecendo aos médicos ferramentas inestimáveis para o gerenciamento personalizado do paciente. Além disso, a capacidade de discernir alterações sutis no FSC pode servir como um biomarcador precoce para anormalidades teciduais iminentes, permitindo intervenções proativas para mitigar o dano neurológico antes que se torne irreversível¹⁶.

Embora essa metodologia represente uma ferramenta avançada, vários caminhos para refinamento e expansão merecem consideração. A padronização de protocolos de varredura, técnicas de normalização de CBF e a construção de atlas de CBF saudáveis com vários sujeitos são etapas cruciais para aumentar a precisão diagnóstica e a utilidade clínica. Esforços colaborativos em diversas patologias cerebrais são essenciais para validar e refinar essa abordagem para adoção clínica generalizada.

Este estudo apresenta uma nova abordagem em que os atlas CBF derivados de ressonância magnética oferecem aos médicos insights profundos sobre a função e patologia cerebral. Ao preencher a lacuna entre o grupo de imagem e a interpretação clínica, essa metodologia tem o potencial de revolucionar o diagnóstico e o tratamento de uma infinidade de condições neurológicas, inaugurando um futuro da medicina de precisão adaptado às necessidades exclusivas de cada paciente.

Protocol

Este estudo foi aprovado pelo Conselho de Revisão Institucional do Hospital Dongzhimen de Pequim, Pequim, China. Um scanner de ressonância magnética foi usado com sequência ASL pulsada (PASL) baseada em turbo gradient spin echo (TGSE) para marcação de spin arterial 3D (3D-ASL) com os seguintes parâmetros: TR 4000 ms, TE 25 ms, duração do bolo 700 ms, tempo de inversão 1990 ms. As ferramentas de software utilizadas nesta pesquisa estão listadas na Tabela de Materiais.

1. Coleta e preparação de dados

NOTA: A variação nos parâmetros permanece inalterada pela abordagem de pesquisa. Os formatos DICOM e NIFTI são usados para armazenar dados de imagens médicas digitais, sendo DICOM a saída usual de dispositivos de imagens clínicas. No entanto, o formato NIFTI é frequentemente preferido por conveniência computacional em atividades de pesquisa. A conversão de DICOM para NIFTI é uma prática direta e comum¹⁷. Neste estudo, dados DICOM autênticos foram adquiridos e convertidos para o formato NIFTI. Os dados foram adquiridos usando um scanner de ressonância magnética de 1,5 Tesla. No processo de registro de imagens cruzadas deste estudo, a sequência de recuperação de inversão atenuada por fluido (FLAIR) foi usada principalmente e fundida com imagens CBF. A ferramenta CBF Atlas (Tabela de Materiais) utilizada neste estudo é um software comercial.

1. Copie os dados para o diretório de trabalho designado.
   1. Copie todos os dados NIFTI para um diretório de trabalho personalizado.
      NOTA: O diretório de trabalho é o mesmo no sistema operacional e no MATLAB. A pesquisa segue o padrão de orientação Ântero-Superior Direito (SRA).
   2. Vá para o diretório que hospeda os dados no diretório de trabalho atual do MATLAB e use a função niftiread para carregar dados FLAIR no espaço de trabalho. Use a função de tamanho para verificar as dimensões da sequência FLAIR. Chame o comando Flair_Slice para exibir a sequência FLAIR (como mostrado na Figura 1). Use os comandos específicos da seguinte maneira:
      FLAIR_XLF = niftiread('FLAIR_XFL.nii');
      Tamanho (FLAIR_XLF)
      Flair_Slice (FLAIR_XLF);
   3. Consulte a Figura 1 para obter uma imagem da interface gráfica interativa do usuário (GUI) para a sequência FLAIR. Use a barra de rolagem inferior para navegar rapidamente pelas diferentes sequências.
2. Verifique rapidamente as imagens da CBF.
   1. Use a função niftiread para carregar dados CBF no espaço de trabalho. Use a função de tamanho para verificar as dimensões da sequência CBF. Chame o comando CBF_Slice para exibir a sequência CBF (como mostrado na Figura 2). Use os comandos específicos da seguinte maneira:
      CBF_XLF = niftiread('CBF_XFL.nii');
      Tamanho (CBF_XLF)
      CBF_Slice(CBF_XLF);
   2. Consulte a Figura 2 para obter uma captura de tela interativa da GUI da sequência CBF. Use a barra de rolagem inferior para navegar rapidamente pelas diferentes sequências.
      NOTA: Na Figura 2, a faixa de valores de CBF é geralmente de 0-120 mL/100 g/min. A Figura 2 usa um mapa de cores para representar diferentes níveis de CBF em cores diferentes.

2. Segmentação de regiões funcionais cerebrais a partir da sequência FLAIR

NOTA: A sequência FLAIR serve como imagem estrutural e fornece excelentes recursos de diagnóstico patológico. Portanto, a fusão do FLAIR com o CBF tem um importante valor diagnóstico nas clínicas. Este estudo segmenta as principais regiões funcionais cerebrais da sequência FLAIR.

1. No espaço de trabalho, chame a função FLAIR_Segment e execute o programa de segmentação de imagem baseado em U-Net 3-D pré-treinado para gerar automaticamente visualizações triplanares da segmentação das regiões funcionais cerebrais, conforme mostrado na Figura 3. Cada cor na Figura 3 representa uma região funcional distinta.
2. Para inspeção em tempo real de diferentes regiões funcionais cerebrais, use a interação da mira (Figura 3). Clique e arraste o centro da mira para um exame 3D arbitrário da anatomia cerebral reconstruída.
   NOTA: A GUI na Figura 3 também permite o ajuste da faixa de intensidade da escala de cinza, contraste e brilho das visualizações triplanares.
3. Pressione e arraste o botão esquerdo do mouse sobre qualquer região das imagens para modificação em tempo real dos níveis de brilho e contraste. Solte o botão do mouse para confirmar e finalizar os ajustes.

3. Visões triplanares da distribuição do FSC nas regiões funcionais cerebrais

NOTA: Examinar a distribuição do FSC em diferentes regiões funcionais cerebrais facilita julgamentos clínicos precisos das condições do paciente. Sob a estrutura da região funcional da Figura 3, incorporar os valores exatos de CBF da sequência CBF e apresentá-los em vistas triplanares permite uma inspeção médica abrangente.

1. Chame a função CBF_triplanar para gerar a visualização triplanar da GUI mostrada na Figura 4, exibindo a distribuição espacial do CBF entre regiões funcionais. Mova a mira para permitir o exame da distribuição do CBF nas regiões de interesse.
2. Clique no botão Dicas de dados no canto superior direito da GUI para exibir os valores de CBF em qualquer posição.
3. Pressione e arraste o botão esquerdo do mouse sobre qualquer região das imagens para modificação em tempo real dos níveis de brilho e contraste. Solte o botão do mouse para confirmar e finalizar os ajustes.

4. Atlas CBF nas principais regiões funcionais cerebrais

NOTA: A normalização das distribuições de probabilidade do FSC em diferentes regiões funcionais gera o Atlas CBF das Regiões Funcionais Cerebrais, expressando os níveis de FSC nas regiões funcionais cerebrais do sujeito.

1. Chame a função CBF_Atlas para converter a distribuição espacial CBF mostrada na Figura 4 em um Atlas CBF (como mostrado na Figura 5).
   NOTA: Na Figura 5, o eixo x representa diferentes regiões funcionais cerebrais e o eixo y representa diferentes níveis de FSC; As diferentes cores denotam diferentes níveis de probabilidade (quanto mais vermelha a cor, mais voxels presentes).
2. Clique no botão Aumentar/Diminuir zoom no canto superior direito da GUI mostrada na Figura 5 para dimensionar imagens parciais.
   NOTA: A curva na Figura 5 conecta o CBF médio entre as regiões.

5. Diferenças significativas na CBF_Atlas entre indivíduos saudáveis e pacientes com ICC

NOTA: Usando o mesmo processo descrito nas seções 1-4, os valores médios de CBF em diferentes regiões funcionais cerebrais podem ser obtidos para pacientes com ICC.

1. Utilize a função CBF_Compare para gerar um gráfico comparativo da curva CBF de um indivíduo saudável versus um paciente com ICC (Figura 6).
2. Observe as diferenças significativas entre a curva de FSC do paciente (colorida em preto) e a curva saudável (colorida em vermelho) (Figura 6). Identifique as regiões funcionais com quedas de FSC mais pronunciadas no paciente. Integrando a etapa 3.3, reexamine as regiões onde o paciente teve pior desempenho em comparação com as outras regiões.
   NOTA: A etapa 3.3 permite a visualização dos níveis de FSC do paciente no espaço tridimensional, o que significa que os médicos podem utilizar a visualização da GUI triplanar mostrada na Figura 4 para examinar o FSC em qualquer posição do paciente. Aqui, o grau de declínio do FSC varia em diferentes locais para pacientes com ICC. Os médicos podem revisitar a Figura 4 para se concentrar nas regiões do cérebro com declínio significativo do FSC.
3. Use os ícones no canto superior direito da GUI (Figura 5) para acessar funções como diminuir o zoom, aumentar o zoom, retornar à visualização global e marcar as coordenadas do pixel selecionado.
   NOTA: Usando o mesmo princípio, os resultados pré-tratamento e pós-tratamento do mesmo paciente também podem ser comparados usando a abordagem da Figura 6 para avaliar a eficácia clínica ao longo do tempo.

Results

Esta investigação utiliza dados reais do paciente adquiridos usando um scanner de ressonância magnética de 1,5 T para validar a quantificação do fluxo sanguíneo cerebral (CBF) e a metodologia de construção do atlas. As etapas de pré-processamento incluíram imagens estruturais FLAIR (Figura 1), imagens CBF (Figura 2) e imagens fundidas triplanares (Figura 3 e Figura 4).

As regiões funcionais cerebrais foram segmentadas a partir de varreduras FLAIR usando um modelo de aprendizado profundo pré-treinado (Figura 3). As imagens ASL-CBF foram então registradas para se alinharem com o espaço FLAIR. A fusão dos rótulos de região com os valores de CBF correspondentes gerou visualizações triplanares exibindo a distribuição de CBF em áreas segmentadas (Figura 4).

O processamento posterior construiu um atlas CBF para o indivíduo saudável (Figura 5) e o paciente CCI (Figura 6). O eixo x denota regiões, o eixo y denota os níveis de CBF e a intensidade da cor reflete a probabilidade. A curva indica o CBF regional médio. A comparação dos dois atlas CBF revelou CBF significativamente reduzido em todas as regiões funcionais cerebrais no paciente com ICC versus o indivíduo saudável.

Essa técnica diferenciou com sucesso a distribuição normal versus anormal do FSC nos níveis de resolução global e regional. A construção de atlas CBF de regiões funcionais cerebrais 3D com base em imagens de ressonância magnética-ASL tem um potencial substancial para o diagnóstico assistido de várias fisiopatologias cerebrais.

Figura 1: Interface gráfica interativa do usuário para visualização de fatias FLAIR. A figura mostra a GUI para visualizar fatias FLAIR. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Interface gráfica interativa do usuário para visualização de fatia CBF. A figura mostra a GUI para visualizar fatias CBF. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Segmentação das regiões funcionais cerebrais com base na sequência de imagens FLAIR. Extração de regiões funcionais cerebrais e vistas triplanares com base na sequência FLAIR. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Vistas triplanares da distribuição espacial do FSC nas regiões funcionais cerebrais. Vistas triplanares mostrando a distribuição do FSC nas regiões cerebrais. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: Atlas CBF das regiões funcionais cerebrais. Atlas CBF construído pela distribuição de probabilidade dos níveis de CBF específicos da região. Este estudo adota uma segmentação comumente usada de 32 regiões. Essas regiões incluem fundo, substância branca cerebral esquerda, córtex cerebral esquerdo, ventrículo lateral esquerdo, ventrículo lateral inferior esquerdo, substância branca do cerebelo esquerdo, córtex do cerebelo esquerdo, tálamo esquerdo, caudado esquerdo, putâmen esquerdo, pálido esquerdo, terceiro ventrículo, quarto ventrículo, tronco encefálico, hipocampo esquerdo, amígdala esquerda, área accumbens esquerda, DC ventral esquerda, substância branca cerebral direita, córtex cerebral direito, ventrículo lateral direito, ventrículo lateral inferior direito, substância branca do cerebelo direito, córtex do cerebelo direito, tálamo direito, caudado direito, putâmen direito, pálido direito, hipocampo direito, amígdala direita, área accumbens direita e DC ventral direita. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6: Comparação das regiões funcionais cerebrais CBF Atlas. A comparação revela CBF significativamente reduzido nas regiões funcionais cerebrais em um paciente com ICC versus um indivíduo saudável. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

As etapas principais (seções 3 e 4) constituem a base para a construção do Atlas CBF, quantificando a distribuição do CBF nas regiões funcionais cerebrais. A etapa 4.2 delineia explicitamente os níveis de CBF para cada área do cérebro, sendo pioneira em uma nova técnica. Isso não apenas fornece aos médicos uma visão global do FSC do paciente, mas também medições quantitativas de regiões funcionais individuais. A etapa 5.1 demonstra que o CBF Atlas possui utilidade substancial de diagnóstico clínico que distingue o ICC de controles saudáveis.

Vários refinamentos técnicos podem aprimorar esse protocolo promissor, principalmente utilizando imagens de ressonância magnética-ASL. É necessária a padronização em relação à precisão da varredura, normalização do CBF e sincronização de imagens estruturais e CBF. Além disso, a construção de um Atlas CBF saudável com vários sujeitos como uma linha de base diagnóstica por meio de coortes expandidas justifica investigações adicionais. O acúmulo de padrões de atlas CBF em diversas fisiopatologias cerebrais por meio de colaborações clínicas também representa um importante trabalho futuro.

Uma limitação atual é que o CBF, embora inestimável, não é o único biomarcador para condições cerebrais^18,19. A integração de outros marcadores clínicos vitais, como a proteína tau fosforilada (p-tau) no líquido cefalorraquidiano, eletroencefalografia (EEG) e taxas metabólicas cerebrais (por exemplo, taxa metabólica de glicose) pode aumentar o diagnóstico.

Calcular com precisão a distribuição CBF para cada região funcional do cérebro e apresentá-la na forma de um atlas requer o alinhamento da imagem estrutural funcional do cérebro com as sequências CBF no espaço tridimensional e o cálculo da distribuição CBF para cada região. Esse esforço representa a principal inovação de nosso estudo. O atlas resultante do FSC, com o eixo x representando as regiões funcionais do cérebro e o eixo y mostrando a distribuição do FSC para cada região, permite comparar os resultados pré e pós-tratamento em pacientes e permite comparações quantitativas entre grupos saudáveis e doentes²⁰. Isso torna a avaliação do AMC mais precisa (permitindo uma comparação precisa da distribuição do AMC entre as regiões), em vez de depender de julgamentos experimentais²¹.

Além disso, o potencial dos atlas longitudinais CBF para monitorar a eficácia do tratamento e rastrear a progressão das condições neurológicas ao longo do tempo oferece um caminho promissor para a medicina personalizada. Ao estabelecer uma linha de base da distribuição do FSC em regiões funcionais cerebrais saudáveis, os médicos podem avaliar com mais precisão o impacto das intervenções terapêuticas e tomar decisões informadas sobre o atendimento ao paciente.

Em conclusão, o desenvolvimento do CBF Atlas utilizando imagens de ressonância magnética-ASL é um passo promissor para melhorar o cenário diagnóstico e terapêutico para condições cerebrais. Essa técnica tem o potencial de contribuir para uma compreensão mais abrangente da dinâmica do fluxo sanguíneo cerebral e pode apoiar o desenvolvimento de abordagens de medicina de precisão que visam adaptar as intervenções com base nos padrões de perfusão cerebral de cada paciente. As direções futuras para esta pesquisa incluem refinar a metodologia, padronizar protocolos e expandir as validações clínicas para realizar plenamente o potencial dos atlas CBF em neurologia e além.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
CBF Atlas	Entropia Inteligente	CBF Atlas V1.0	Pequim Entropia Inteligente Ciência & Technology Co Ltd. Modelagem para doenças da tireoide
MATLAB	MathWorks	2023B	de computação e visualização
	Scanner de	ressonância magnética	Amria 1.5 T