Мультимодальная визуализация легких: использование дополнительной информации от КТ и гиперполяризованной МРТ 129Xe для оценки структуры-функции легких

Summary

КТ и ^{МРТ 129}Xe предоставляют дополнительную информацию о структуре и функции легких, которую можно использовать для регионального анализа с использованием регистрации изображений. Здесь мы предоставляем протокол, основанный на существующей литературе по регистрации изображений ¹²⁹Xe MR в CT с использованием платформ с открытым исходным кодом.

Abstract

Гиперполяризованная газовая МРТ ¹²⁹Xe — это новый метод оценки и измерения регионарной функции легких, включая распределение легочных газов и газообмен. Компьютерная томография грудной клетки (КТ) по-прежнему остается клиническим золотым стандартом для визуализации легких, отчасти благодаря быстрым протоколам КТ, которые позволяют получать изображения с высоким разрешением за считанные секунды, и широкой доступности компьютерных томографов. Количественные подходы позволили извлечь структурные измерения паренхимы легких, дыхательных путей и сосудов из КТ грудной клетки, которые были оценены во многих клинических исследованиях. Вместе КТ и МРТ ¹²⁹Xe предоставляют дополнительную информацию, которую можно использовать для оценки региональной структуры и функции легких, что позволяет получить новое представление о здоровье и заболеваниях легких. ¹²⁹Регистрация изображений Xe MR-CT может быть выполнена для измерения регионарной структуры и функции легких, чтобы лучше понять патофизиологию заболевания легких, а также для выполнения пластических вмешательств под визуальным контролем. В этой статье описывается метод регистрации МРТ-КТ ¹²⁹Xe для поддержки внедрения в исследовательских или клинических условиях. Также обобщены методы регистрации и приложения, которые использовались до настоящего времени в литературе, а также представлены предложения по будущим направлениям, которые могут еще больше преодолеть технические проблемы, связанные с регистрацией изображений ¹²⁹Xe MR-CT, и способствовать более широкому внедрению оценки структуры и функции региональных легких.

Introduction

Гиперполяризованная газовая магнитно-резонансная томография (МРТ) впервые появилась в качестве нового функционального метода визуализации легких для оценки распределения легочной вентиляции почти три^{десятилетия назад.} С тех пор научные исследования с использованием МРТ с использованием гиперполяризованной газовой МРТ позволили получить многочисленные сведения о природе функции легких у пациентов с хроническими заболеваниями легких, такими как астма, хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ) и муковисцидоз 2,3,4,5,6. Оба гиперполяризованных газа ³He и ¹²⁹Xe использовались исторически; однако в настоящее время ¹²⁹Xe является основным ингаляционным агентом из-за ограниченной доступности газа ³He. ¹²⁹Xe также свободно диффундирует по альвеолярной мембране и поглощается эритроцитами в легочных капиллярах; в этой так называемой «растворенной фазе» ¹²⁹Xe резонирует на уникальных частотах, которые позволяют измерить региональный газообмен за одно сканирование с задержкой дыхания ^4,7,8. Для количественного определения обычно одновременно получаются согласованные по объему анатомические изображения ¹Н МРТ для совместной регистрации с ¹²⁹Xe для определения границ грудной полости. Обычная МРТ ¹Ч, однако, не дает дополнительной информации о структуре легких. В последние годы импульс для клинической трансляции гиперполяризованной МРТ ¹²⁹Xe вырос с одобрением Национальной службы здравоохранения Великобритании в 2015 году и одобрением FDA США в конце 2022 года ^5,9, однако передовая структурная характеристика по-прежнему в основном отсутствует в арсенале МРТ легких.

Компьютерная томография грудной клетки (КТ) остается основой клинической визуализационной оценки легких, обеспечивая трехмерные изображения структуры легких с высоким разрешением с использованием традиционных протоколов визуализации. Количественные подходы позволили быстро и многократно измерить целостность паренхимы, такую как эмфизема и интерстициальные аномалии легких, морфология больших дыхательных путей и легочная сосудистая сеть, а также регионарная анатомическая характеристика путем идентификации и сегментации долей легких ^10,11. В исследовательском пространстве количественная КТ широко используется для лучшего понимания структурных изменений и их связи с исходами лечения пациентов при астме и ХОБЛ в крупных обсервационных исследованиях, таких как Программа исследования тяжелой астмы (SARP)¹², Генетическая эпидемиология ХОБЛ (ХОБЛ)¹³, Субпопуляции и промежуточные исходы в исследовании ХОБЛ (СПИРОМИКА)¹⁴, Оценка ХОБЛ в продольном направлении для определения предиктивных суррогатных конечных точек (ECLIPSE)¹⁵и Канадская когорта обструктивной болезни легких (CanCOLD)¹⁶. Альтернативные методы КТ, такие как визуализация выдоха^17,18 или вычислительные модели¹⁹, могут получить функциональную информацию, но эти методы являются косвенными, и обычная КТ в остальном не дает большого результата для функциональной характеристики легких.

Взятые вместе, КТ и ^{МРТ 129}Xe предоставляют дополнительную информацию о структуре и функции легких, которая может быть использована для регионального анализа с использованием регистрации изображений. Доли легких, выявленные на КТ, позволили охарактеризовать долевые характеристики моделей вентиляции МРТ при астме 20,21,22, ХОБЛ ^23,24, бронхоэктазах²⁵ и раке легких^26,27. Аномалии вентиляции МРТ при астме также были непосредственно пространственно сопоставлены с аномально реконструированными крупными дыхательными путями 28,29,30,31 и захватом воздуха, указывающим на дисфункцию малых дыхательных путей^20,32, измеренными на КТ, а также с зондированием региональных реакций на лечение после термопластики бронхов всего легкого³³. При ХОБЛ аномалии вентиляции МРТ были связаны с дисфункцией небольших дыхательных путей при более легких заболеваниях и эмфиземой при более тяжелых заболеваниях 34,35,36. Помимо визуализации вентиляции при обструктивной болезни легких, гетерогенные пространственные отношения между интерстициальными аномалиями легких КТ и моделями газообмена ¹²⁹Xe МРТ также были продемонстрированы при идиопатическом легочном фиброзе³⁷. Такие исследования обеспечили более глубокое понимание регионарной структуры и функции легких при ряде заболеваний легких, что может быть использовано для информирования будущих вмешательств под визуальным контролем.

Однако прямая регистрация анатомической КТ и функциональной гиперполяризованной газовой МРТ является сложной задачей из-за принципиально разного контраста визуализации между двумя методами, отсутствия гиперполяризованного газового сигнала в областях аномалий вентиляции и потенциально разного объема легких. На рисунке 1 показаны четыре примера ¹²⁹Xe и парной анатомической МРТ и КТ ¹Н у здорового добровольца (Рисунок 1A) и трех участников с хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ; Рисунок 1B-D), на котором выделены гетерогенные модели вентиляции ¹²⁹Xe и различные отсутствующие границы легких в случаях ХОБЛ. Ключом к преодолению этих проблем является использование анатомической МРТ ¹Н, полученной одновременно с МРТ с гиперполяризованной газовой МРТ, в качестве промежуточного шага для регистрации гиперполяризованной газовой МРТ на КТ косвенно^34,38. В ранних работах использовалось параллельное визуальное сравнение и ручная сегментация структур КТ, таких как доли легких, в пространстве МРТ²⁰. Достижения в области вычислительных ресурсов и инструментов обработки изображений с открытым исходным кодом позволили проводить трехмерную регистрацию КТ и гиперполяризованной газовой МРТ, например, с использованием независимого от модальности дескриптора окрестности (MIND)23,30,34,39,40,41 или регистрации Advanced Normalization Toolkit (ANTs) 21,22,27^,31,32,37,38,42,43, оба из которых показали лучшие результаты в конкурсе по регистрации легочных изображений ⁴⁴. Один из новых методов объединил две регистрации, а не лечил их по отдельности⁴⁵, что было реализовано в рамках полного конвейера анализа легочных изображений, предназначенного для фенотипирования заболеваний легких⁴⁶. В целом, точность регистрации гиперполяризованной газовой МРТ-КТ была повышена с использованием промежуточного шага ¹Н³⁸ и с использованием деформируемых подходов по сравнению с аффинными подходами^38,45.

Цель здесь состоит в том, чтобы на основе существующей литературы предоставить протокол для регистрации изображений ¹²⁹Xe MR в CT с использованием платформ с открытым исходным кодом 47,48,49. Протокол реализован с использованием ANTsPy и, в соответствии с предыдущей работой³⁸, регистрирует одноадресную маску легких от ¹Н МРТ до однометной маски легких от КТ; полученное преобразование впоследствии применяется к изображению ¹²⁹Xe для отображения его в пространстве изображения КТ. Описанный протокол предназначен для проведения исследований или клинических условий, где это применимо, и для него доступна гиперполяризованная МРТ ¹²⁹Xe.

Для контекста, получение и анализ изображений для приведенных здесь примеров были выполнены следующим образом. КТ грудной клетки проводили на полном вдохе (общая емкость легких, ОАК) в соответствии с установленным протоколом исследования низких доз⁵⁰ с параметрами: коллимация 64 x 0,625, пиковое килонапряжение 120, ток в трубке 100 мА, время оборота 0,5 с, шаг спирали 1,0, толщина среза 1,25 мм, расстояние между срезами 0,80 мм, стандартное ядро реконструкции, поле зрения дисплея ограничено наиболее латеральными зонами легких (для максимального пространственного разрешения). Сегментацию и анализ КТ проводили с помощью коммерческого программного обеспечения (см. таблицу материалов).

¹²⁹Xe и МРТ с согласованным объемом ¹Н выполняли в соответствии с опубликованными рекомендациями⁹. Для получения полной информации о МРТ и протоколе сканирования читатели могут ознакомиться с другой статьей в этом сборнике⁵¹. Сегментацию и регистрацию МРТ выполняли с использованием полуавтоматического пользовательского конвейера с использованием кластеризации k-средних для сегментации ¹²⁹Xe, выращивания засеянной области для сегментации ¹H и аффинной регистрации на основе ориентиров для сопоставления изображения ¹H с изображением ¹²⁹Xe⁵². Аффинная регистрация, как правило, достаточна для ^{регистрации 1 H-129}Xe MR, чтобы учесть большую часть раздувания легких или различий в положении пациента между регистрациями; Деформируемая регистрация, как правило, не требуется. Шаг регистрации ^{1 H-129}Xe может быть исключен с помощью одновременной регистрации ¹²⁹Xe и ¹H MRI в одной и той же задержке дыхания^53,54.

Protocol

Представленные здесь случаи визуализации были одобрены Советом по этике исследований в области здравоохранения Университета Британской Колумбии (REB# H21-01237, H21-02149, H22-01264). Участники предоставили письменное информированное согласие до завершения визуализации. Общий конвейер от получения изображения до регистрации показан на рисунке 2, а детали протокола здесь сосредоточены только на регистрации изображения МР-КТ. Получение и сегментация изображений зависят от доступного или предпочитаемого оборудования для обработки изображений, протоколов визуализации и программных инструментов для анализа изображений и, следовательно, остаются на усмотрение читателей. Протокол разработан таким образом, чтобы быть независимым от предыдущих этапов с использованием однометных масок легких после сегментации изображения.

1. Настройка программного обеспечения

1. Загрузите и установите ANTsPy (см. Таблицу материалов), оболочку Python для библиотеки обработки изображений Advanced Normalization Tools 47,48,49. Туториалы доступны по ссылке во вкладке 'tutorials'. ANTsPy также доступен для установки Docker при желании.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Для ANTsPy требуется операционная система или среда на базе Linux. В приведенных здесь примерах ANTsPy был установлен и использован в виртуальной высокопроизводительной вычислительной среде на локальной рабочей станции. По опыту авторов, протокол имеет тенденцию работать лучше при использовании виртуальной вычислительной среды.
2. Загрузите и установите программное обеспечение для сегментации и/или визуализации по вашему выбору.
   ПРИМЕЧАНИЕ: В настоящем исследовании для визуализации использовался ITK-SNAP (см. Таблицу материалов).
3. Скачайте и сохраните reg.py скрипт (Дополнительный файл 1).

2. Предварительная обработка изображения

1. Нажмите, чтобы открыть изображения и маски в нужном программном обеспечении для визуализации изображений, чтобы проверить совпадение ориентации изображений и масок для всех файлов CT, ¹H и ¹²⁹Xe. В зависимости от используемого метода сегментации и/или используемого программного обеспечения может потребоваться корректировка ориентации некоторых изображений или масок. При необходимости мы рекомендуем настроить изображения ¹H и ¹²⁹Xe и ориентацию маски в соответствии с исходным изображением компьютерной томографии.
2. Сохраните изображения DICOM и маски с одной меткой (скорректированные в соответствии с шагом 2.1 по мере необходимости) в виде файлов Инициативы по нейровизуализационным информационным технологиям (NIfTI, *.nii; всего шесть файлов) с помощью предпочитаемого программного инструмента, в той же папке, что и reg.py, доступная к месту, где установлен и будет запущен ANTsPy. Следуйте соглашениям об именовании, как указано ниже.
   1. ¹Н МРТ: Proton.nii; ¹H Маска МРТ: Proton_mask.nii.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте изображение и ^{маску 1}H после регистрации до ¹²⁹Xe.
   2. ¹²⁹Xe MRI: Ventilation.nii; ¹²⁹Маска МРТ Xe: Ventilation_mask.nii
   3. КТ: CT.NII; Маска для компьютерной томографии: CT_mask.nii.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Имена файлов жестко закодированы в сценарии регистрации и, следовательно, должны соответствовать указанному формату или быть изменены в сценарии в соответствии с желаемым соглашением об именовании. Эти шаги можно выполнить вместе, используя любой из рекомендованных программных инструментов, перечисленных в шаге 1.2. Что касается этих программных инструментов, некоторые из них автоматически записывают необходимую информацию заголовка при сохранении файлов .nii, в то время как другие требуют дополнительных действий для копирования и записи информации заголовка.

3. Регистрация КТ-КсеМРТ

1. Откройте файл reg.py в нужной настройке вычислительной среды Python на шаге 1.1.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Скрипт reg.py основан на встроенных средствах регистрации ANTs; имеется дополнительная документация⁵⁵.
2. При использовании виртуальной среды задайте необходимое или доступное в вычислительной среде количество центральных процессоров (ЦП), количество потоков и ОЗУ. Для приведенных здесь примеров использовалась виртуальная вычислительная среда с 16 ЦП, 1 потоком на ЦП и 186 ГБ доступной оперативной памяти.
3. Задайте желаемое преобразование и интерполяцию. Здесь было использовано преобразование SyNAggro с линейной интерполяцией для изображений и общей интерполяцией меток для масок с одной меткой, которые являются стандартными в предоставленном reg.py скрипте.
   ПРИМЕЧАНИЕ: SyNAggro - это симметричное нормализующее преобразование, которое включает аффинное + деформируемое преобразование плюс более агрессивную регистрацию с использованием мелкомасштабного согласования и большую деформацию (по сравнению с обычным SyN). Альтернативные алгоритмы преобразования и интерполяции перечислены по ссылке на регистрационную документацию ANTs на шаге 3.1⁵⁵.
4. Установите неподвижное и движущееся изображение. Здесь КТ (однометочная маска) была установлена в качестве фиксированного изображения, а 1-часовая МРТ (однометочная маска) была установлена в качестве движущегося изображения.
5. Запустите reg.py в вычислительной среде Python. Полная регистрация может занять 5-10 минут (по нашим параметрам) или дольше, в зависимости от используемых или доступных вычислительных ресурсов. Когда все будет готово, деформированные файлы будут автоматически сохранены в том же каталоге, что и исходные файлы изображений, со следующими именами файлов: Proton_warped.nii.gz; Ventilation_warped.nii.gz; Ventilation_label_warped.nii.gz.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Файлы NIfTI *.nii.gz являются просто заархивированными версиями файлов *.nii и могут быть распакованы или открыты по желанию. Сценарий reg.py может быть изменен по желанию, например, с помощью различных методов преобразования или интерполяции, сопоставления или создания каталогов файлов.

4. Оценка результатов регистрации

1. Откройте изображение CT.nii в качестве базового изображения в нужном программном обеспечении для визуализации.
2. Откройте Ventilation_warped.nii.gz или Ventilation_label_warped.nii.gz как другое изображение и наложите на изображение КТ нужную цветовую карту.
3. Просмотрите перекрытие изображения или маски ¹²⁹Xe с изображением КТ во всех плоскостях изображения (корональной, аксиальной, сагиттальной), оценивая визуальное выравнивание ориентиров, таких как киль и границы легких (если это доступно на изображении ¹²⁹Xe).
4. Проверьте результаты. Если результаты удовлетворены, регистрация завершена.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Зарегистрированное изображение/маска ¹²⁹Xe может быть умножено на маску КТ для удаления трахеи и магистральных дыхательных путей (если они не были удалены до сегментации МРТ) и удаления любого сигнала, который выходит за пределы КТ легких после регистрации. Дальнейшая количественная оценка для региональных структурно-функциональных измерений может быть выполнена по желанию.
5. Если результаты не удовлетворены, оцените и оптимизируйте альтернативные типы преобразований и связанные с ними параметры по мере необходимости.

Results

В этом исследовании были проспективно получены парные КТ и ^{МРТ 129}Xe в условиях исследования для регионарной характеристики структуры и функции легких и бронхоскопии под визуальным контролем при ряде заболеваний и состояний легких. На рисунке 3 показаны зарегистрированные ¹²⁹Xe МРТ вентиляция и КТ в корональной и сагиттальной плоскостях для четырех репрезентативных участников с диапазоном паттернов МРТ вентиляции (для тех же участников, что и на рисунке 1). Зарегистрированная маска с меткой ¹²⁹Xe MR показывает кластеры интенсивности сигнала ¹²⁹Xe от дефекта вентиляции или пустоты сигнала до гиперинтенсивности, и была умножена на маску метки КТ для удаления трахеи и магистральных дыхательных путей. Визуальный осмотр показывает хорошее выравнивание всех границ легких у здорового участника (рис. 3А) при однородной вентиляции, за исключением кософренического угла в правом легком. Это расхождение может быть связано с разницей в разрешении между двумя модальностями или геометрическими искажениями в МРТ ¹²⁹Xe/¹H; Тем не менее, это небольшая доля от общего объема легких. У трех участников с ХОБЛ также наблюдалось хорошее выравнивание границ легких, где это было возможно. Примеры ХОБЛ варьируются от аномалий диффузной вентиляции (рисунок 3B), аномалий вентиляции верхней доли с отсутствующими апикальными границами легких (рисунок 3C) и аномалий вентиляции нижней доли с отсутствующими границами диафрагмального легкого (рисунок 3D).

Авторы обычно выбирают визуальный осмотр зарегистрированных изображений и не проводят проспективную количественную оценку эффективности регистрации из-за характера различий в мультимодальном контрасте между КТ и ^{МРТ 129}Xe. Распространенными количественными метриками производительности регистрации являются коэффициент Dice или целевая ошибка регистрации (TRE). Коэффициенты игральных костей могут быть оценены между зарегистрированными изображениями ¹H (движущееся) и CT (фиксированное); однако это было бы косвенно, поскольку изображения ¹H используются в качестве промежуточного моста для регистрации ^{изображений 129}Xe, а интересующие нас измерения получены с помощью МРТ ¹²⁹Xe. TRE может быть количественно определен путем размещения координатных ориентиров на фиксированных и движущихся изображениях; однако установка реперных точек связи является трудоемким ручным процессом, а характер аномалий вентиляции ¹²⁹Xe MRI означает, что анатомические ориентиры могут быть ограничены. Несмотря на то, что киль трахеи и кософренические углы обычно служат легкими ориентирами, участники на рисунке 3C, D выделяют серьезные примеры, когда очевидные ориентиры ограничены. Используя аналогичную систему регистрации у ANT, Tahir et al. достигли TRE от 8,8 мм до 19,7 мм³⁸, что является небольшим по сравнению с размером легких (типичное поле зрения 350-400 мм) и, следовательно, приемлемым; авторы ожидают, что TRE может быть аналогичным при использовании текущей структуры.

Рисунок 1: Легочные ¹²⁹Xe и ¹H и КТ. Примеры анатомической МРТ 1 Н с ¹²⁹Xe и согласованным по объему с парной КТ для здорового участника (А) и трех участников с хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ; B, C, D), показывающие диапазон ¹²⁹моделей вентиляции Xe. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 2: Общий анализ изображений и конвейер регистрации. Входные изображения КТ, ¹²⁹Xe MR и ¹H MR сначала сегментируются для создания однометочных масок. ^{Изображение/}маска 1 H MR сначала преобразуется в изображение/маску ¹²⁹Xe. Все изображения и маски КТ, ¹²⁹Xe и ¹H преобразуются в файлы NIfTI, которые затем используются для регистрации ¹²⁹Xe-CT. Маска ¹H преобразуется в пространство изображений компьютерной томографии, а затем преобразование применяется к изображению/маске ¹²⁹Xe. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Иллюстрация 3: ^{Результаты регистрации МРТ-КТ 129}Xe. Результаты регистрации для четырех репрезентативных участников показаны на рисунке 1, где ¹²⁹Xe показан голубым цветом, наложенным на КТ в оттенках серого. Наблюдалось хорошее выравнивание всех границ легких у здорового участника (А) при гомогенной вентиляции, за исключением костофренного угла в правом легком. Также наблюдалось хорошее выравнивание границ легких у трех участников с ХОБЛ, где это возможно, начиная от диффузных аномалий вентиляции (B), аномалий вентиляции верхней доли с отсутствующими апикальными границами легких (C) и аномалий вентиляции нижней доли с отсутствующими диафрагмальными границами легких (D). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 4: Структурно-функциональные измерения долевой доли у участника с ХОБЛ. Эмфизема ЛОБАР КТ, измеренная по областям с низким ослаблением менее -950 единиц по шкале Хаунсфилда (LAA950, желтый) и ¹²⁹проценту дефектов вентиляции МРТ (VDP, голубой) после регистрации ¹²⁹Xe MR-CT, в качестве примера региональной оценки для плана лечения под визуальным контролем. Схема долевых контуров показана в сагиттальных плоскостях. RUL = правая верхняя доля; RML = правая средняя доля; RLL = правая нижняя доля; LUL = левая верхняя доля; LLL = левая нижняя доля. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Дополнительный файл 1: Сценарий reg.py. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Discussion

КТ и ^{МРТ 129}Xe предоставляют дополнительную информацию для оценки структуры и функции региональных легких, что лучше всего облегчается с помощью регистрации изображений. Мультимодальная регистрация изображений может быть нетривиальной в реализации, поэтому представленный здесь протокол предназначен для предоставления считывателям инструментов для регистрации МРТ ¹²⁹Xe на КТ. Предоставленный протокол использует ANTsPy для более простой реализации для пользователей с широким спектром опыта обработки изображений с использованием Python, а не C++, как в обычных ANTs. В целом, ANT обеспечивают платформу регистрации изображений с открытым исходным кодом, которая снижает потребность в настройке для различных метрик и/или пар изображений и поддерживает воспроизводимые исследовательские практики⁴⁹. Для достижения оптимальной регистрации в ANT обычно используется набор из трех последовательных алгоритмов: (1) жесткая регистрация, использующая только вращение и перемещение, (2) аффинная регистрация, использующая вращение и перемещение, а также масштабирование и сдвиг, и (3) деформируемая, нелинейная регистрация. На более глубоком уровне три шага стандартного протокола, представленного здесь для регистрации КТ-МРТ, следующие: (1) Первоначальное преобразование сходства (жесткое) для захвата грубого сходства между изображениями КТ и МРТ, подготовка изображений к последним, более точным преобразованиям. На этом шаге используется метрика взаимного информационного сходства^{Матта 49} с 32 ячейками гистограммы, регулярная выборка с выборкой 0,2% пикселей, оптимизация градиентного спуска с размером 0,25, пирамида Гаусса с несколькими разрешениями и четырьмя уровнями понижающих коэффициентов дискретизации 6 x 4 x 2 x 1 (итерации 2100 1200 10) и соответствующая сглаживание гауссовых сигм 3 мм x 2 мм x 1 мм x 0 мм. (2) Аффинное преобразование с использованием выходных данных этапа подобия в качестве Первоначальное преобразование. На этом шаге используется метрика взаимного информационного сходства Матта с 16 ячейками гистограммы, регулярная выборка с выборкой 0,2% пикселей, оптимизация градиентного спуска с размером 0,25, пирамида Гаусса с несколькими разрешениями и четырьмя уровнями понижающих коэффициентов дискретизации 4 x 2 x 2 x 1 (итерации 2100 1200 1200 100) и соответствующие сглаживающие гауссовы сигмы 3 мм x 2 мм x 1 мм x 0 мм. (3) Преобразование SyNAggro в качестве последнего шага для дальнейшего уточнения преобразования с использованием Нелинейная, деформируемая регистрация. На этом шаге используется метрика взаимного информационного сходства Матта с 16 бинами гистограмм, полная выборка, оптимизация градиентного спуска с размером 0,2, пирамида Гаусса с несколькими разрешениями с тремя уровнями понижающих коэффициентов дискретизации 4 x 2 x 1 (итерации 40 20 0) и соответствующие сглаживающие гауссовы сигмы 2 мм x 1 мм x 0 мм, ширина ядра гауссова регуляризации 3 вокселя для сглаживания поля преобразования обновления. Это настройки по умолчанию для алгоритма преобразования SyNAggro.

Как описано ранее и использовалось для регистрации изображений между КТ и гиперполяризованной газовой МРТ³⁸, здесь была использована вариация преобразования симметричной нормализации (SyN), поскольку было показано, что она является наиболее эффективным алгоритмом в задаче регистрации легочных изображений⁴⁴. Метрика взаимного информационного сходства была использована, потому что она, как правило, наиболее эффективна для мультимодальной визуализации⁵⁶. Для дальнейшего преодоления мультимодальных различий в контрасте изображений, протокол использует ^{согласованную по}объему 1 H МРТ для косвенной регистрации ¹²⁹Xe MRI в КТ, как впервые описано Tahir et al.38, и фактически регистрирует однометную маску ¹H на КТ-маске вместо изображений, полученное преобразование впоследствии применяется к изображению и маске ¹²⁹Xe. Также могут быть использованы маски с несколькими метками, например, долевые или сегментарные КТ-маски 21,22,23,45 или контейнеры интенсивности 57 МРТ. Регистрация выполняется путем отображения ¹Н МРТ в пространство КТ для поддержания разрешения КТ для количественной оценки структурных особенностей КТ, хотя направление регистрации может быть изменено по желанию. В качестве входных данных для конвейера регистрации протокол обрабатывает изображения и маски с одной меткой в формате NIfTI, поскольку таким образом все поперечные срезы в 3D-изображении содержатся в одном файле. Мы оценили этот протокол на парных данных МРТ ^CT-129Xe из двух независимых центров (Университет Британской Колумбии и Медицинский центр Университета Канзаса) с хорошей производительностью, и поэтому ожидаем, что протокол будет хорошо применяться в других наборах данных. Тем не менее, параметры преобразования могут быть оптимизированы для повышения производительности в локальных наборах данных по мере необходимости.

Протокол специально разработан таким образом, чтобы быть в основном независимым от получения и сегментации изображений, поскольку эти шаги зависят от доступного или предпочитаемого оборудования для визуализации, протоколов визуализации и программных инструментов для анализа изображений. Протокол КТ в идеале должен быть тонким, без контрастирования, со стандартным эквивалентным ядром реконструкции, позволяющим измерить валидированные количественные показатели паренхимы, дыхательных путей и/или сосудов 10,11,50. КТ может быть получена на полном вдохе, что лучше всего подтверждается для количественных измерений¹⁰, или согласована по объему с МРТ для лучшего облегчения регистрации КТ-МРТ и измерений парной структуры-функции при том же объеме раздувания легких^24,30. КТ на выдохе также может быть выполнена и зарегистрирована на КТ на вдохе для количественной оценки захвата воздуха 17,18,34. Для сегментации и количественного анализа доступны различные программные инструменты КТ на коммерческой основе⁵⁸ или с открытым исходным кодом⁵⁹. С другой стороны, были опубликованы протоколы регистрации ¹²⁹МРТ Xe⁹, которые в настоящее время рекомендуют раздельную регистрацию данных о задержке дыхания для ¹²⁹Xe и ¹H МРТ. Были разработаны новые протоколы, которые получают ¹²⁹Xe и ¹H MRI за одну и ту же задержку дыхания^53,54 и, следовательно, могут избежать этапа предварительной обработки регистрации ^{1 H-129}Xe. Кроме того, этот протокол ориентирован на МРТ-визуализацию ¹²⁹Xe, но аналогичным образом применим и к газообменной визуализации ¹²⁹Xe. Сегментация и количественная оценка МРТ ¹²⁹Xe/¹H еще не стандартизированы; В литературе сообщалось о многих методах, которые можно было бы использовать здесь, и они были хорошо обобщены в^{недавнем обзоре}. Независимо от того, как получены изображения КТ и ^{1 H-129}Xe MR и их однометочные маски, этот протокол регистрации должен быть широко применимым.

Мы признаем ограничения текущего протокола, в первую очередь то, что он в некоторой степени ручной, особенно для предварительной обработки для подготовки к регистрации и для оценки эффективности регистрации. Автоматизированные методы были предложены^ранее45, и улучшения в существующем протоколе в сторону автоматизации будут иметь важное значение для бесшовного клинического перевода. Текущая регистрация также основана на CPU; В то время как обработка на ЦП, вероятно, более доступна и регистрация выполняется в течение примерно 10 минут, реализация с помощью графических процессоров (GPU) и/или глубокого обучения может еще больше сократить время выполнения и потенциально повысить точность регистрации. Наконец, рекомендации или методология для КТ и сегментации МРТ-изображений ¹H/¹²⁹Xe не предоставлены. Существует широкий спектр методов, доступных для обоих, поэтому выбор читателей остается на усмотрение; Тем не менее, существуют огромные возможности для конвейера, включающего автоматическую сегментацию и регистрацию, чтобы еще больше ускорить клинический перевод.

Этот протокол регистрации может быть применен в исследовательских или клинических условиях, где доступна гиперполяризованная МРТ ¹²⁹Xe. В исследовательском ландшафте комплементарная КТ и МРТ ¹²⁹Xe в значительной степени способствовали открытию новых идей о структуре и функции региональных легких, например, при астме 20,21,22,28,29,30,31,32, ХОБЛ 24,25,34,35 и ИЛФ ^{37. 61}. Однако мост к клиническому переводу лежит через легочные вмешательства под визуальным контролем. Бронхиальная термопластика под визуальным контролем с использованием КТ и ^{МРТ 129}Xe у пациентов с тяжелой астмой привела к меньшему количеству бронхоскопических процедур, меньшему количеству побочных эффектов в перипроцедурном периоде и не худшим результатам, о которых сообщали пациенты, по сравнению с обычной терапией всего легкого^62,63. При ХОБЛ количественная структура КТ и функция МРТ ¹²⁹Xe могут указывать на различные цели по уменьшению объема бронхоскопических легких на основе наибольшей долевой нагрузки эмфиземы КТ и аномалий вентиляции МРТ, что подчеркивает важность рассмотрения структуры и функции вместе²³. Кроме того, были предложены схемы функциональной лучевой терапии с избеганием^{легких40,64} для сохранения областей с сохраненной вентиляционной и газообменной функцией на МРТ от чрезмерного облучения. Дополнительные возможности визуализационного контроля при легочных вмешательствах включают хирургическую резекцию рака легкого⁶⁵, стентирование дыхательных путей и установку клапанов при ХОБЛ, а также другие новые бронхоскопические методы лечения ХОБЛ или хронического бронхита, такие как термическая паровая абляция, криотерапия или реопластика^66,67. На рисунке 4 показаны аномалии долевой КТ, эмфиземы и вентиляции МРТ у пациента с ХОБЛ, которые могут быть учтены при планировании лечения. Легкие остаются одним из последних рубежей человеческого организма для вмешательств под визуальным контролем; Вместе КТ и МРТ ¹²⁹Xe предоставляют дополнительную информацию, которая улучшила наше понимание структуры и функции легких, что теперь может быть реализовано для вмешательств в легкие под визуальным контролем. Представленный здесь протокол регистрации МРТ ^CT-129Xe может способствовать дальнейшему изучению структуры и функции легких, а также вмешательствам под визуальным контролем для улучшения ухода, лечения и исходов для пациентов с респираторными заболеваниями.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D Slicer	Brigham and Women's Hospital (BWH)	https://www.slicer.org/	Программное обеспечение для анализа/визуализации изображений; инфраструктура
кодирования AN http://www.itksnap.org/pmwiki/pmwiki.php TsPy	NA	https://github.com/ANTsX/ANTsPy	с открытым исходным кодом;
для			анализа/визуализации изображений с открытым исходным кодом
MAGNETOM Vida с открытым исходным кодом 3,0 Тл МРТ	Siemens Healthineers	NA	Может быть любым сканером 1,5 Тл или 3,0 Тл с возможностью широкополосной визуализации
MATLAB	Mathworks	https://www.mathworks.com/products/matlab.html	Общее программное обеспечение, хорошо подходит для анализа изображений; доступно по подписке
reg.py	NA		NA Регистрационный скрипт (Дополнительный файл 1)
Revolution HD КТ	сканер GE Healthcare	NA	Может быть любой компьютерный томограф с ≥ 64 детектора
VIDA Insights	VIDA Diagnostics Inc.	Программное обеспечение для анализа КТ NA	; может быть любым для создания масок