$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Простейший протокол визуализации 3D PREFUL включает в себя две последовательности. Один анатомический локализатор + одно измерение свободного дыхания с помощью 3D-набора звезд под золотым углом. Траектория скопления звезд показана на рисунке Рисунок 1. Эта траектория сочетает радиальную выборку (в плоскости) с линейной декартовой выборкой (в направлении z). Первоначально собираются образцы в направлении kz partition, за которыми следует вращение золотого угла для отбора проб в плоскости kx-k y. Схема получения данных под золотым углом способствует самостробированию с равномерным покрытием k-пространства, облегчая реконструкцию изображения с сильно недодискретизированными данными. Весь экзамен не превышает 10 минут. Более подробная информация о приобретении 3D PREFUL размещена в Таблице материалов.

Рисунок 1: Траектория вращающейся стопки звезд золотого сечения. Обратите внимание на радиальную выборку, применяемую вдоль плоскостного измерения (kx-ky), и декартову выборку, применяемую вдоль направления среза (kz). Результатом такой схемы является цилиндрическое покрытие полученного k-пространства. В этом примере изображены три секции, включающие 32 радиальные проекции на секцию. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Список типичных параметров МРТ, используемых для визуализации 3D PREFUL на сканере 1,5 Тл, представлен в таблице 1B. Для 3Т-сканера предлагаются параметры последовательности, перечисленные в таблице 2.
После завершения сбора и передачи данных начинается часть реконструкции изображения. Этот шаг выполняется с помощью кода MATLAB, который принадлежит интеллектуальной собственности (ИС) компании (BioVisioneers GmbH) и не может быть передан в открытый доступ. Скрипт полностью автоматизирован после того, как указан путь к необработанным данным. Схематический обзор процедуры реконструкции показан на рисунке Рисунок 2.

Рисунок 2: Схематический обзор метода 3D МРТ функционального легкого с фазовым разрешением (PREFUL). Сначала данные собираются с помощью 8-минутной МР-съемки со свободным дыханием и траекторией скопления звезд. После передачи данных с МР-сканера на вычислительную единицу реконструируются 3D-изображения с низким разрешением и временным разрешением примерно 100 мс. Легочная паренхима каждого изображения сегментируется, и вычисляется объем легких. Информация об объеме легких в дальнейшем используется в качестве сигнала стробирования. В зависимости от амплитуды и фазы стробируемого сигнала радиальные проекции сортируются по дыхательным бункерам, которые охватывают один дыхательный цикл. За частью биннинга следует динамическая реконструкция изображений с полным разрешением, которые впоследствии регистрируются до конечного инспираторного уровня. После нескольких этапов постобработки рассчитывается цикл регионарной вентиляции (RVent) и выполняется часть анализа изображения, включая извлечение параметров. Цикл RVent оценивается путем вычисления объемной петли потока (FVL) для каждого воксела. Карты вентиляции FVL-CM извлекаются путем оценки каждого вокселя FVL относительно здорового референсного FVL, при этом сходство оценивается с помощью метрики взаимной корреляции. Как для RVent, так и для FVL-CM были количественно определены глобальные значения общего процента дефектов вентиляции (VDP). Кроме того, динамика цикла RVent анализируется с помощью анализа времени до пика, в результате чего создается карта параметров вентиляции до пика (VTTP). Кроме того, отклонение ожидаемой пиковой вентиляции на 50% от цикла RVent количественно измеряется на карте VTTPDev. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
После процедуры восстановления изображения все изображения пространственно выравниваются до одного фиксированного состояния. Сама регистрация выполняется на процессоре с помощью Advanced Normalization Tools (ANTs27) или пакета регистрации Forsberg28. В то время как пакет ANTs остается золотым стандартом для задач регистрации изображений в МРТ и КТ, регистрация Форсберга обеспечивает в 10 раз более быструю процедуру регистрации до 9 минут с сопоставимыми результатами19. Пакет регистрации может быть выбран в зависимости от приоритетов пользователей и доступных вычислительных единиц. После завершения регистрации зарегистрированные морфологические изображения снова инвертируются таким образом, чтобы легкое выглядело темным на изображении в оттенках серого.
В На рисунке 3 изображен следующий этап конвейера, который включает сегментацию паренхимы легких. Во-первых, паренхима легких сегментируется от конечного инспираторного изображения с помощью сверточной нейронной сети с nnUnet architecture29. За сегментацией паренхимы легких следует распознавание сосудов class<="xref">30, которое исключается из окончательной маски сегментации.

Рисунок 3: Примерные результаты сегментации на основе глубокого обучения для 32-летнего мужчины. В верхнем ряду представлены морфологические изображения восьми репрезентативных корональных срезов. Во втором и третьем рядах можно наблюдать соответствующую маску паренхимы легких и завершающую маску с исключением сосудов соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Пример неправильной сегментации паренхимы легких изображен в Рисунок 4. Важно визуально проверить сегментации, основанные на глубоком обучении, и если они будут признаны неудовлетворительными, следует рассмотреть возможность ручной коррекции для повышения точности окончательной маски паренхимы легких.

Рисунок 4: Примерные результаты неправильной сегментации на основе глубокого обучения для 57-летнего мужчины. В верхнем ряду представлены морфологические изображения восьми репрезентативных корональных срезов. Во втором и третьем рядах можно наблюдать соответствующую маску паренхимы легких и завершающую маску с исключением сосудов соответственно. Как видно, некоторые фиброзные области ошибочно распознаются как сосуды или нелегочные структуры. Эти неточности были исправлены вручную, как показано в четвертом ряду. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
После нескольких этапов фильтрации, описанных в протоколе, суррогаты вентиляции calculated. 3D PREFUL MRI генерирует количественные карты для статической региональной вентиляции (RVent), метрики динамической корреляции потока и объема (FVL-CM) и два параметра на основе анализа времени вентиляции до пика (VTTP), как показано на рисунке Рисунок 5. На этом рисунке представлены восемь корональных срезов 32-летнего здорового мужчины. Обратите внимание на ожидаемое равномерное распределение всех параметров вентиляции.

Рисунок 5: 3D PREFUL МРТ здорового добровольца (32-летний мужчина). Репрезентативные морфологические (верхний ряд) и 3D PREFUL MRI параметры вентиляции (второй-пятый ряды) для здорового добровольца (32-летний мужчина). Статическая регионарная вентиляция представлена регионарной вентиляцией (RVent), в то время как динамика вентиляции оценивается с помощью метрики корреляции поток-объемный контур (FVL-CM), времени до пика вентиляции (VTTP) и отклонения VTTP (VTTPDev) представляют собой параметры вентиляции, оценивающие динамику вентиляции. Как и ожидалось, для всех карт параметров вентиляции наблюдаются однородные значения вентиляции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Чтобы упростить карты вентиляции, для RVent и FVL-CM создаются карты дефектов вентиляции (VD), что позволяет быстрее интерпретировать результаты. Примеры карт VD представлены в Рисунок 6. Для VDRVent и VDFVL-CM значения VDP составили 3,6% и 3,0% соответственно, находясь в пределах здорового нормального диапазона. В идеале, и в зависимости от возраста здоровых добровольцев, значение VDP не должно превышать 10%. Вышеупомянутые параметры (RVent, FVL-CM и их карты VD) были проверены в нескольких исследованиях11,12,35,36 и чувствительны при обнаружении заболеваний, а также при обнаружении эффектов, вызванных терапией20,34,37,38,39.

Рисунок 6: Репрезентативные карты RVent и FVL-CM, включая их карты дефектов вентиляции. Изображены карты RVent (верхний ряд) и FVL-CM (второй ряд), включая их карты дефектов вентиляции (третий и четвертый ряд), полученные с помощью 3D PREFUL MRI для здорового добровольца (32-летний мужчина). На картах ВД здоровые регионы обозначены зеленым цветом, а области с дефицитом вентиляции отмечены красным. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Сообщалось о нескольких исследованиях МРТ легких при напряженности магнитного поля как 1,5 Тл, так и 3 Тл. Несмотря на то, что теоретическое преимущество 3T связано с повышенным отношением сигнал/шум (SNR), это преимущество может быть перевешено более выраженными эффектами магнитной восприимчивости при 3T. Точное влияние напряженности магнитного поля на качество изображения карт вентиляции 3D PREFUL в настоящее время неизвестно. Здесь мы представляем результаты выполнимости (Рисунок 7), полученные для здорового добровольца (35-летнего мужчины) с помощью МР-сканера 3 Тл. Обратите внимание на более неоднородный внешний вид параметров вентиляции при 3 Тл по сравнению с 1,5 Т (Рисунок 5).

Рисунок 7: 3D PREFUL MRI здорового добровольца (35-летний мужчина). Репрезентативные морфологические (верхний ряд) и параметры вентиляции 3D PREFUL MRI (второй-пятый ряды) для здорового добровольца (35-летний мужчина) при 3Тл. Статическая регионарная вентиляция представлена регионарной вентиляцией (RVent), в то время как динамика вентиляции оценивается с помощью метрики корреляции поток-объемный контур (FVL-CM), времени до пика вентиляции (VTTP) и отклонения VTTP (VTTPDev) представляют собой параметры вентиляции, оценивающие динамику вентиляции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Сравнение/проверка 3D PREFUL, полученного с помощью более прямых измерений, в настоящее время не опубликовано. Есть несколько исследований, сообщающих о положительной корреляции между значениями VDP и пространственным перекрытием дефектов вентиляции между методом 2D PREFUL и 129Xe11,12,14 и 19F MRI35. Недавнее сравнение измерений вентиляции с помощью 3D PREFUL и прямой вентиляции с использованием МРТ 19F у пациентов с хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ), астмой и здоровых добровольцев выявило корреляцию от умеренной до сильной на глобальном уровне40. Представлен пример сравнения (Рисунок 8) для пациента с диагнозом хроническая обструктивная болезнь легких (54-летняя женщина, ОФВ1 = 42% прогнозируемого значения), который был обследован с помощью 3D PREFUL и МРТ 19F.

Рисунок 8: 3D PREFUL МРТ 54-летней пациентки с ХОБЛ. Представлены морфологические изображения (верхний ряд), параметры вентиляции и соответствующие карты дефектов вентиляции 54-летней женщины с ХОБЛ (ОФВ1 = 42 % пред., ФЖЕЛ = 102 % пред.), полученные с помощью 3D PREFUL МРТ (2-й и 3-й ряд) и 19Ф МРТ (4-й и 5-й ряд), а также сравнение карт дефектов вентиляции по обоим методам (последний ряд). В целом, по всем срезам коэффициент Соренсена-Дайса составил 25,5% в дефектных областях и 80,6% в здоровых регионах, в результате чего общее пространственное перекрытие составило 69,2%. Примечательно, что существует визуальная корреляция между совпадающими зонами вентиляции в здоровых и дефектных регионах (изображены темно-зеленым цветом). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
3D PREFUL MRI можно использовать для измерения региональных реакций на терапию20. В качестве примера, Рисунок 9 показывает сравнение трех срезов из легкого субъекта с муковисцидозом (43-летняя женщина) на исходном уровне (слева, ОФВ-1 = прогнозируемое значение 94%) и после терапии CFTR-модулятором (справа, ОФВ1 = прогнозируемое значение 112%). Поскольку оба измерения пространственно совпадают, 3D PREFUL позволяет анализировать региональную реакцию на лечение, как показано в нижней части Рисунок 9. Обратите внимание на повышенные значения метрики корреляции поток-объем-петля, а также на уменьшение дефектов вентиляции после терапии.

Рисунок 9: 3D PREFUL измерения 43-летней пациентки с муковисцидозом (МВ). Примерные карты маркеров вентиляции исходного уровня (слева) и после лечения (справа) 3D PREFUL измерений 43-летней пациентки с муковисцидозом. VDPFVL-CM снизилась с 18,0% (исходный уровень) до 3,6% (после обработки). ОФРЭ1 % пред. исходный уровень: 94%, ОФВ1 % пред. последующая обработка: 112%. Исходный уровень ЛКИ: 10,48, последующая обработка ЛКИ: 9,39. Соответствующие карты ответов на лечение изображены внизу. Обратите внимание на зеленые зоны, указывающие на разрешение вентиляции после терапии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Таблица 1: Список типичных параметров МРТ, используемых для локализации и сбора данных 3D PREFUL на сканере 1,5 Тл. (A) Localizer и (B) 3D PREFUL. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.
Таблица 2: Предлагаемые параметры МРТ для сбора данных 3D PREFUL на 3T-сканере. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.
Таблица 3: Примерный статистический отчет по параметрам 3D PREFUL для здорового добровольца (35-летнего мужчины) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.