Прецизионная неинвазивная количественная оценка цирроза печени с помощью мультимодальной визуализации жесткости и структурного слияния

Краткое содержание

Традиционная магнитно-резонансная эластография разделяет жесткость и структурные изображения, требуя ручного определения окупаемости инвестиций и ввода данных радиологом. В этом исследовании представлен метод мультимодального слияния, который сочетает в себе оба типа изображений для получения изображений жесткости и структурного слияния и статистики распределения жесткости печени, поддерживая точное определение стадии цирроза и позволяя проводить радиомический анализ на основе распределения жесткости печени.

Аннотация

Традиционная магнитно-резонансная эластография (МРТ) представляет изображения жесткости и структуры отдельно, требуя ручного определения ROI для оценки жесткости печени. Это приводит к вариабельности наблюдателя и может упустить из виду значительные поражения, не сумев точно представить закономерности распределения жесткости по всей печени. В настоящем исследовании реализовано мультимодальное объединение изображений, интегрирующее карты жесткости со структурными изображениями с использованием: (1) получения данных на МРТ 3,0 Тл с оптимизированной Т1-взвешенной визуализацией (TR/TE = 157,62/1,17 мс) и MRE (вибрации 60 Гц); (2) вычислительная предварительная обработка данных DICOM в 3D-объемы; (3) точная совместная регистрация и расчет слияния; и (4) количественный анализ распределения жесткости печени по различным стадиям цирроза. Метод визуализации жесткости и структурного слияния объединил анатомические структуры с шаблонами жесткости в одной визуализации, что позволяет одновременно оценить морфологию печени и распределение жесткости. Сравнительный анализ выявил четкую дифференциацию между пациентами с циррозом печени и здоровой контрольной группой, при этом циррозная печень демонстрирует значительно более высокую долю прогрессирующего фиброза. Этот метод устранил вариабельность из-за ручного размещения ROI и установил стандартизированную основу для всесторонней оценки всей печени. Метод визуализации жесткости и структуры обеспечивает всестороннюю визуализацию жесткости печени с точной анатомической корреляцией, потенциально повышая точность диагностики по сравнению с обычным MRE. Этот подход устраняет вариабельность наблюдателя, позволяет проводить стандартизированную оценку всей печени и создает количественную основу для мониторинга прогрессирования заболевания и ответа на лечение, одновременно способствуя улучшению коммуникации между врачом и пациентом и предлагая основу для передовой радиомики в определении стадии цирроза печени.

Введение

Цирроз печени представляет собой серьезную глобальную проблему здравоохранения, при этом точное определение стадии имеет решающее значение для оптимального ведения пациента и планирования лечения ^1,2. Магнитно-резонансная эластография (МРТ) стала ценным неинвазивным методом оценки цирроза печени, предлагая преимущества по сравнению с инвазивными процедурами биопсии, которые несут в себе риски ошибок при заборе проб и дискомфорта для пациента ^3,4,5. Тем не менее, традиционные подходы к МРЭ имеют значительные ограничения в клинической практике, которые влияют на точность диагностики и эффективность рабочего процесса.

Традиционные методологии МРЭ обычно представляют карты жесткости и структурные изображения как отдельные объекты, требуя от клиницистов мысленного соотнесения анатомических особенностей с паттернами жесткости в различных сериях изображений ^5,6. Этот подход требует ручного размещения области интереса (ROI) для количественной оценки жесткости печени, что приводит к значительной вариабельности между наблюдателями и потенциальной систематической ошибке выборки ^7,8. Кроме того, традиционный подход, основанный на ROI, не учитывает гетерогенную природу распределения жесткости печени, как подчеркивается в недавней литературе, подчеркивающей прогностическое значение гетерогенности паренхимы в прогрессировании хронического заболевания печени ^9,10. Невозможность всесторонне визуализировать и количественно оценить распределение жесткости всей печени представляет собой значительное препятствие для передового радиомического анализа и точной характеристики заболевания.

Альтернативные неинвазивные методы оценки цирроза печени включают ультразвуковую эластографию и панели биомаркеров сыворотки^11,12. В то время как транзиентная эластография предлагает точечные измерения жесткости печени, ей не хватает всеобъемлющих возможностей пространственного картирования MRE ¹³. Панели биомаркеров сыворотки крови позволяют косвенно оценить фиброз, но не могут визуализировать пространственное распределение паренхиматозных изменений¹¹. Недавние сравнительные исследования неизменно демонстрируют превосходную диагностическую точность МРЭ при промежуточных и поздних стадиях фиброза по сравнению с этими альтернативами^13,14.

Чтобы устранить эти ограничения, мы разработали новый мультимодальный метод визуализации жесткости и структурного слияния, который бесшовно интегрирует количественные карты жесткости со структурными изображениями с высоким разрешением. Такой подход позволяет одновременно визуализировать анатомические ориентиры и паттерны жесткости в едином интегрированном представлении, устраняя необходимость умственной совместной регистрации и снижая когнитивную нагрузку во время интерпретации^15,16. Этот метод обеспечивает комплексный анализ распределения жесткости всей печени, преодолевая ограничения выборки традиционных методов, основанных на ROI.

В этом исследовании использовались системы МРТ мощностью 3,0 Тесла с возможностями эластографии, стандартная подготовка пациента, включая 4-6-часовое голодание, и MATLAB с набором инструментов обработки изображений для вычислительного анализа. Эти требования все чаще становятся доступными в академических медицинских центрах и специализированных учреждениях визуализации.

Этот протокол предоставляет подробную методологию реализации техники слияния жесткости и структуры в клинических и исследовательских условиях. Этот подход особенно ценен для центров, имеющих доступ к возможностям MRE, стремящихся повысить точность диагностики, повысить эффективность клинического рабочего процесса и создать количественные рамки для лонгитюдного мониторинга хронических заболеваний печени. Метод применим при различных этиологиях хронических заболеваний печени и может быть реализован с минимальным дополнительным временем обработки с использованием предоставленной вычислительной базы.

Протокол

Протокол был выполнен с одобрения институционального IRB. Пациент из больницы Дунчжимэнь Пекинского университета китайской медицины прошел рутинную магнитно-резонансную томографию верхних отделов брюшной полости и МРТ в больнице YouAn с информированного согласия. Этот случай был выбран для методологии исследования в связи с подтвержденным прогрессированием от фиброза к циррозу, что подчеркивает ценность подхода в диагностике границы между фиброзом печени и циррозом печени. В исследовании также представлено количественное сравнение между распределением жесткости печени (ЛСД) у этого пациента и здоровой печени. Все оборудование и программные средства, использованные в данном исследовании, перечислены в Таблице материалов.

1. Стратегии сканирования МРТ

1. Подготовьте пациента, обеспечив период голодания за 4-6 часов до обследования, чтобы уменьшить физиологическую вариабельность.
2. Расположите пациента на системе МРТ 3,0 Тесла с помощью комбинации 16-канальной абдоминальной решетки и 32-канальной катушки задней решетки.
3. Получение структурной визуализации
   1. Выполнение анатомической визуализации с использованием аксиальной 2D T1-взвешенной последовательности эхо-эхо с двойным эхо-градиентом и вызовом со следующими параметрами:
      ПРИМЕЧАНИЕ: TR/TE = 157,62/1,17 мс; Угол откидывания = 60°; Поле зрения = 400 × 400 мм²; Матрица сбора данных = 512 × 512; Толщина ломтика = 7 мм.
   2. Убедитесь, что последовательность предоставляет структурную информацию с высоким разрешением (разрешение в плоскости 0,78 × 0,78^мм2) с присущей ей способностью отделения жировой воды.
4. Получение данных МР-эластографии
   1. Поместите пневматический драйвер над правой передней частью печени, чтобы подать механические колебания с частотой 60 Гц.
   2. Выполните картирование жесткости печени с помощью 2D эхопланарной визуализации (EPI) со следующими параметрами:
      ПРИМЕЧАНИЕ: TR/TE = 1050,3/63,4 мс; Угол откидывания = 90°; Поле зрения = 420 × 420 мм²; Матрица сбора данных = 256 × 256 (восстановлена до 256 × 256); Толщина ломтика = 10 мм; Полоса пропускания = 1953,1 Гц/пиксель.
   3. Получение данных о восьми смещениях фаз для вычисления распространения волн и создания количественных карт жесткости (эластограмм) со значениями, выраженными в килопаскалях (кПа).
5. Стратегия совместной регистрации изображений
   1. Обеспечьте точное пространственное выравнивание между структурными изображениями и эластограммами, сохраняя идентичное положение пациента и последовательные инструкции по задержке дыхания.
   2. Выполняйте всю визуализацию в осевой плоскости с соответствующим охватом среза печени.
   3. Спланируйте последовательность МРЭ, используя анатомические Т1-взвешенные изображения в качестве эталона, чтобы обеспечить оптимальное покрытие паренхимы печени.
   4. Убедитесь, что обе последовательности используют одну и ту же систему отсчета, чтобы облегчить автоматическую совместную регистрацию в последующем процессе слияния.

2. Сбор и подготовка данных

1. Переименование папки каждой последовательности
   ПРИМЕЧАНИЕ: Добавьте явные имена для каждой последовательности, так как в данных DICOM, экспортированных с оборудования, отсутствует идентификация последовательности. Это облегчает последующий анализ и обработку.
   1. Выполните функцию Description_Name , чтобы добавить описательные имена в папки для каждой последовательности.
   2. Скопируйте все данные DICOM в настраиваемый рабочий каталог.
   3. Перейдите в каталог, содержащий данные, в рабочем каталоге MATLAB.
2. Быстрая проверка изображений структурной последовательности
   ПРИМЕЧАНИЕ: Изучите структурные изображения, полученные с помощью визуализации T1, которые используют ту же систему координат с картами жесткости и обеспечивают четкую визуализацию контуров печени, необходимую для последующих расчетов распределения жесткости.
   1. Сгенерируйте 3D-матрицу объема из файлов DICOM последовательностей МРТ, используя следующий код MATLAB:
      f=dir('*.dcm');
      for i=1:length(f)
      V(:,:,i)=dicomread(fullfile(f(i).folder,f(i).name));
      Конец
   2. Визуализируйте последовательность изображений с помощью функции MATLAB sliceViewer для интерактивного исследования:
      цифра;
      H=sliceViewer(V); colormap(серый(1024));
      set(gcf, 'Панель инструментов', 'рисунок');
   3. Взаимодействуйте с графическим интерфейсом sliceViewer . Используйте полосу прокрутки для просмотра различных фрагментов. Убедитесь, что границы печени четко очерчены с резким контрастом на фоне окружающих тканей.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Допустимые изображения должны показывать непрерывную паренхиму печени без артефактов движения или размытия (Рисунок 1). Этот интерактивный просмотрщик позволяет быстро оценить качество изображения и морфологию печени.
   4. Значки для увеличения, уменьшения масштаба и возврата к глобальному виду находятся в правом верхнем углу графического интерфейса. Используйте значок «Подсказки », чтобы отметить координаты определенных областей печени для дальнейшего анализа.
   5. Обратите внимание, что серая цветовая карта по умолчанию отображает значения от низкого (черный) до высокого (белый). Щелкните правой кнопкой мыши по цветовой шкале во всплывающем меню, чтобы выбрать различные варианты цветовой карты для оптимальной визуализации тканей печени.
   6. Если контраст неудовлетворительный, используйте левую кнопку мыши для перетаскивания вверх и вниз в середине рисунка, чтобы отрегулировать уровень окна. Перетаскивайте влево и вправо, чтобы настроить ширину окна. Соответствующий точный диапазон контрастности будет отображаться на цветовой шкале.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте эти интерактивные элементы управления для проверки характеристик структурной последовательности МРТ по интенсивности и пространственным размерам. Оцените целостность анатомического контура печени и качество изображения, прежде чем переходить к следующему этапу.
3. Быстрая проверка карт жесткости MRE
   ПРИМЕЧАНИЕ: Изучите карты жесткости МРЭ для количественных измерений эластичности печени, где разные цвета представляют различную степень жесткости, что важно для выявления фиброзных или цирротических областей.
   1. Сгенерируйте 3D объемную матрицу из DICOM-файлов последовательностей MRE с использованием следующего кода MATLAB:
      f=dir('*.dcm');
      for i=1:length(f)
      V_LSD(:,:,i)=dicomread(fullfile(f(i).folder,f(i).name));
      Конец
   2. Визуализируйте карты жесткости MRE с помощью функции MATLAB sliceViewer для интерактивного обследования:
      цифра; H=sliceViewer(V_LSD); colormap(jet(1024)); set(gcf, 'Панель инструментов', 'рисунок');
   3. Взаимодействуйте с графическим интерфейсом sliceViewer . Используйте полосу прокрутки в нижней части графического пользовательского интерфейса (GUI) для просмотра различных фрагментов в последовательности (рис. 2). Обратите внимание, что этот интерактивный просмотрщик позволяет быстро оценить распределение жесткости и эластичность печени.
   4. Значки для увеличения, уменьшения масштаба и возврата к глобальному виду находятся в правом верхнем углу графического интерфейса. Используйте значок «Подсказки », чтобы отметить координаты определенных областей печени с заметными значениями жесткости для дальнейшего анализа.
   5. Обратите внимание, что цветовая карта струи по умолчанию представляет значения жесткости от низкого (синий) до высокого (красный). Щелкните правой кнопкой мыши по цветовой шкале во всплывающем меню, чтобы настроить диапазон цветовой карты для оптимальной визуализации градиентов жесткости печени.
   6. Если контраст неудовлетворительный, используйте левую кнопку мыши для перетаскивания вверх и вниз в середине рисунка, чтобы отрегулировать уровень окна. Перетаскивайте влево и вправо, чтобы настроить ширину окна. Соответствующий точный диапазон жесткости будет отображаться на цветовой шкале.
   7. Убедитесь, что карты жесткости отображают плавные цветовые переходы в паренхиме печени. Приемлемое картирование жесткости должно показывать минимальные шумовые артефакты и четкую дифференциацию между тканью печени (обычно в диапазоне 1-8 кПа) и фоновыми областями.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эти интерактивные элементы управления обеспечивают гибкий контроль карт жесткости МРЭ как в пространстве интенсивности, так и в месте расположения последовательности, способствуя быстрой оценке распределения жесткости печени и потенциальных областей фиброза.

3. Слияние жесткости и структуры

ПРИМЕЧАНИЕ: Интегрируйте оба метода, поскольку карты жесткости сами по себе не могут точно локализовать поражения без корреляции структурных изображений.

1. Определите переменные траектории как для структурных изображений, так и для карт жесткости, а также для файлов сканирования примерно в одинаковых осевых положениях.
2. Выберите функцию Struct_Stiffness_Fusion (I_fusion = Struct_Stiffness_Fusion(I_structural, I_stiffness)) для создания изображений слияния жесткости и конструкций в текущем каталоге.
3. Найдите файлы изображений слияния в файловом браузере и откройте их с помощью программы просмотра изображений по умолчанию. Убедитесь, что анатомические структуры и шаблоны жесткости правильно выровнены.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Приемлемые изображения слияния должны демонстрировать точное наложение без пространственных искажений между структурными и эластографическими данными. Следуя описанным выше шагам, выровненные осевые положения сканирования автоматически выводят последовательность изображений слияния, которую можно просмотреть с помощью обычных программ просмотра изображений RGB.

4. Распределение жесткости печени

ПРИМЕЧАНИЕ: В дополнение к анализу изображения слияния, показанному на рисунке 3, сгенерируйте статистику распределения жесткости печени, как показано на рисунке 4.

1. Повторите шаги 1-3 для обследования пациентов с различными стадиями цирроза печени.
2. Выберите функцию LSD_compute ([LSD_distribution, LSD_stats] = LSD_compute(V_stiffness, liver_mask)) для вычисления значений ЛСД (распределения жесткости печени) пациента на разных стадиях жесткости¹⁵ (рис. 4).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Пациент, показанный на рисунке 3 , находится на поздней стадии фиброза печени, который уже прогрессировал до цирроза, при этом средняя жесткость всей печени достигает 5 кПа. Таким образом, в количественном распределении на рисунке 4 большинство значений жесткости тканей печени находятся выше стадии F4.

5. Итоговая проверка и архивирование данных

1. Убедитесь, что все образы Fusion были успешно созданы и сохранены в рабочем каталоге.
2. Подтвердите, что результаты анализа ЛСД были рассчитаны и задокументированы для клинической интерпретации.
3. Архивируйте все обработанные данные, включая структурные изображения, карты жесткости, изображения слияния и количественные метрики LSD, для дальнейшего использования и продольного сравнения.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Протокол мультимодальной визуализации жесткости и структурного слияния завершен. Сгенерированные изображения слияния и количественный анализ ЛСД предоставляют исчерпывающие данные оценки печени, готовые к клинической интерпретации и общению с пациентом.

Результаты

Подход к визуализации, представленный в этом исследовании, дает всестороннее представление о структуре печени и распределении жесткости, что позволяет точно оценить цирроз печени. С помощью графического интерфейса, изображенного на рисунке 1, клиницисты могут лучше понять структурную анатомию печени в различных срезах, в первую очередь оценивая ее анатомическую целостность. Изучение рисунка 2 показывает критическое ограничение изолированных карт жесткости: без с...

Обсуждение

Критические шаги
Несколько критических этапов протокола требуют особого внимания для обеспечения успешной реализации мультимодального метода визуализации жесткости и структуры слияния. Во-первых, планирование последовательности MRE с использованием анатомических Т1-взвешенных изображений в качестве эталона обеспечивает оптимальный охват паренхимы печени и облегчает последующую автоматическую совместную^{регистрацию15}. Во-вторых, предварительная о...

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Система МРТ MATLAB	GE Medical Systems	SIGNA Pioneer	3.0 Тесла
	Интеллектуальная энтропия	LSD-Fusion V1.0	Пекин Интеллектуальная энтропия Наука и Technology Co Ltd. Моделирование для КТ/МРТ
Инструменты для моделирования	MathWorks	2022B	Вычисления и визуализация