תהודה מגנטית נגזר מסננים הערכה שריר הלב באמצעות מעקב אחר תכונות

Summary

שיטה מדויקת ומעשית כדי למדוד פרמטרים כמו זן ברקמת שריר הלב הוא בעל ערך קליני רב, שכן הוכח, כי הלחץ הוא סמן רגיש יותר מוקדם עבור תפקוד כויץ מאשר שימוש תכוף פרמטר EF.

Abstract

מטרה: שיטה מדויקת ומעשית כדי למדוד פרמטרים כמו זן ברקמת שריר הלב הוא בעל ערך קליני רב, שכן הוכח, כי הלחץ הוא סמן רגיש יותר מוקדם מאשר עבור תפקוד כויץ הפרמטר EF שימוש תכוף. טכנולוגיות נוכחי עבור CMR הם זמן רב וקשה ליישם בפרקטיקה הקלינית. מעקב תכונה היא טכנולוגיה אשר יכול להוביל automization יותר וחוסנם של ניתוח כמותי של תמונות רפואיות עם צריכת פחות זמן מאשר בשיטות דומות.

שיטות: הזנה אוטומטית או ידנית בשלב אחד משמש אתחול שממנו המערכת מתחילה לעקוב אחרי עקירה של דפוסי בודדים המייצגים מבנים אנטומיים לאורך זמן. המומחיות של שיטה זו הוא כי התמונות לא צריך לטפל בכל דרך שהיא מראש כמו למשל תיוג תמונות CMR.

תוצאות: השיטה מתאימה מאוד למעקב רקמות שרירים עם פירוט זה כמותי המאפשר של שריר הלב וגם את זרימת הדם.

מסקנות: זו שיטה חדשה מציעה חיסכון בהליך חזקים הזמן לכמת רקמת שריר הלב בדם ועם פרמטרים, עקירה מהירות דפורמציה על רצפים קבועים של CMR הדמיה. לפיכך ניתן ליישם בפרקטיקה הקלינית.

Protocol

1. הקדמה

זיהוי אוטומטי של גבולות הוא נושא מהותי ניתוח התמונה. בשנת הדמיה לב, את האפשרות של זיהוי אוטומטי של הגבול endocardial בתחום ההדמיה של החדר השמאלי היה נותן מדידה אובייקטיבית של הכרכים חדרית, ועל עיוות שריר הלב (זן). זה הושג ב אקו עם טכניקה רבב מעקב. הפיתוח של שיטות אמינות לגילוי אוטומטי את הגבול היא משימה מאתגרת כי לא קיבל פתרון אמין בדרך כלל תהודה מגנטית לב (CMR). למעשה, בעבודה הקלינית, גבולות משורטטים באופן ידני או על ידי מפעיל התוכנה מזהה ממשק בין שריר הלב ו ^1,2 חלל. במאמר הנוכחי אנו מציגים גישה שונה שבו הגבולות אינם "זוהה", אלא הם "מסומנים", כלומר לאחר זמן, החל להתחקות אמין one מיידי הקיימת בדרך כלל, אבל לא נמשכים בהכרח, באופן ידני על ידי מפעיל מנוסה על אחד מסגרת. נקודות הפרט להלחין כגון עקבות אמין הראשונים הם הלכו זמן על ידי חיפוש את אותן תכונות כי הם בערך נקודה אחת בשכונה שלה במסגרות הבאות. כולל מעקב אחר יכול להיות חלל רקמות גבול או אנטומי אלמנטים שונים לאורך הרקמות. הם נמצאים על ידי שיטות של הסבירות המקסימלית בשני אזורים אינטרסים בין שתי מסגרות.

עקירה המקומי מסגרת אל מסגרת שווה הערכת מהירות מקומית (היחס בין עקירה לבין מרווח הזמן). הערכה אוטומטית של מהירות בנקודה נקבע מההשוואה של עקירה של נתוני התמונה על נקודה כזו בשתי מסגרות רצופות. שיטות כאלה היו בשימוש, בניסוחים שונים, בתחומי מחקר רבים. הם נופלים בקטגוריה הכללית המכונה זרימה אופטית, ניתוח תמונה מתקדמים ^3,4. הם מכונים בכינויו רבב מעקב בתחום ההדמיה echographic כאשר מהירויות כאלה משמשים לעקוב בתנועה הפיזיולוגית ^{5, 6,} אך חלים גם על שיטת כל תמונה אחרים כגון CMR שבו שיטות אלה נקראות כמו תכונת מעקב או מעקב הגבול.

2. חומרים ושיטות

תכונה שיטת מעקב

הגבול Endocardial או epicardial של CMR 2D cine הוא איתר באופן ידני על מסגרת אחת שרירותי (ראה תרשים 1). אמצע שריר הלב תכונות ניתן לייחס גם כן. גבול כזה מוגדר אז כרצף של N נקודות, שזוהה על ידי זוגות לתאם שלהם (x _i, y _i) עם i = 1 ... N. הגבול מעקב התמורה על ידי מעקב אחר כל נקודה אחת, כגון מעקב אחר מבוסס על אלגוריתם היררכי בקני מידה מרובות על ידי שילוב של טכניקות מעקב 1D, אשר מבטיחה דיוק גבוהה, מעקב 2D, אשר הכרחי שצריך לזהות את 2D המורחבת מרחבית תכונות.

על מנת ללכוד הראשון תזוזה גיאומטריות גדולות של הגבול, המעקב מתבצע בכיוון אורתוגונלי לגבול עצמו היכן הגבול חלל רקמות לזיהוי הוא הטוב ביותר. מעקב לאורך בכיוון זה מבוצעת באמצעות השיטה של ​​קיצוץ transmural כדלקמן (ראה תרשים 3). קו חוצה את החומה, העובר דרך הנקודה ואת אורתוגונליים אליה נמשך. פיקסלים נלקח לאורך קו transmural ממוקמים עמודות, עמודה המתאים מסגרת אחת ברצף של תמונות. בדרך זו אבולוציה לאורך חתך transmural יכול להיות מיוצג על כל הרגעים בבת אחת בייצוג דו מימדי שבו ציר אחד הוא המרחק לאורך קו והציר השני הוא הזמן (ראה איור 2). ייצוג זה דומה למה שמכונה למצב-M של אקו, על CMR היא תואמת יותר את הפונקציה "סקאוט". כדי לשפר את איכות הניתוח, במקרה של תמונות עניים עם אות נמוך יחס רעש, ייצוג הזמן חלל נבנה באמצעות קו עבור לחתוך את transmural עם עובי של 5 פיקסלים. מעקב הגבול מתבצע ואז לאורך התמונה חלל הזמן.

במקום השני בשלב לתת דין וחשבון על העקירה 2D של הגבול, מעקב 2D סטנדרטי (אופטי הזרימה מבוססות) מבוצע, עבור כל נקודה באופן עצמאי, על חלון נע MxM כי הוא מרוכז תמיד על סף הגבול נאמד בעבר. מעקב 2D מתבצע בשני שלבים, כאשר מחצית האומדן הראשון הוא מועסק למרכז חלונות נעים במעבר מעקב השני. החלון מצטמצם אז 32-16 בשני קטעים נוספים.

כדי לשפר את הדיוק של תנועה לאורך הגבול המשמש אומדן סיבוב פיתול, מעקב אחר 1D מתבצע לאורך מרחב הזמן תמונות בנוי חתכים עבה "במקביל" על גבול מפותל (ראה איור 3). בשלב זה, באופן עצמאי, את פיקסליםנלקח לאורך הגבול זז, מרוכז בנקודות הגבול זז, ממוקמים עמודות, עמודה המתאים מסגרת אחת ברצף של תמונות. כדי לשפר את איכות הניתוח, ועל הטובה ביותר ללכוד את התכונות בגבול הקו המורחבת של 5 פיקסלים לתוך הרקמה (תת endocardium). מעקב הגבול מתבצע ואז לאורך התמונה חלל הזמן עם הליך זהה שתוארו לעיל. כדי להבטיח את לכידות מרחבית בגבול במעקב, מסנן חציון 3 נקודות 3 נקודת מסנן גאוס (משקולות של 0.25, 0.5, 0.25) הוא הגיש בקשה העקירה מחושב בנקודות השכנות בכל שלב.

מעקב לאורך תמונה החלל-Time 2D

סעיף זה מתאר הליך הבאה גבול לאורך בכיוון אחד בתמונה דו מימדי (M-mode, כמו) החל מעמדת ידוע ברגע אחד.

X מוגדר בכיוון אופקי ו-y את הכיוון האנכי. עמודות x המבואר _i, i = 1 ... m, כאשר m הוא מספר העמודות בתמונה. מעקב ניתנת על ידי קביעת רצף של מספרים ממשיים בדידה y _i = y (x _i), החל מנקודת ידוע y _k המתאים העמודות x _k.

עקירה מנקודת ידוע y _k לנקודת y _k 1 מוערך על ידי הערכת צולבות קורלציה בין הטור כולו ב x _k עם העמודה כולה ב x _k 1. הפונקציה חוצה מתאם יציג המרבי, את המיקום של מקסימום נותן את הערך של תזוזה אנכית הנדרשים על מנת למקסם את הדמיון בין שתי העמודות, ולכן y _k 1 מוערכת על ידי הוספת כזה עקירה כדי y _k. הליך זה חוזר על עצמו בין כל זוגות העמודות סמוך התוצאה היא אומדן של הגבול כולו y _i, i = 1 מ '... צולבות מתאם מחושב כאן באמצעות אלגוריתם Fast Fourier Transform כדי לקצר את זמן החישוב.

Y האומדן הראשון _שאני הוא מעודן יותר iteratively. כדי להשיג מטרה זו משנה של התמונה מופק על ידי נקיטת כמה נקודות מעל ומתחת האומדן הקודם y _i ו תמונה חדשה שבמרכזה המתאים y רצף _i נוצר המשמש למעקב אחר תיקון. עידון זה חוזר על עצמו עד אין תיקון נמצא.

תוצאה משופרת טבעי יותר מושגת על ידי כך הליך נחש הסופי [5] לעקוב, בתמונה חלל הזמן, רמת בהירות התמונה שעובר דרך הנקודה y _k קבוע. התהליך כולו עושה שימוש מחזוריות הזמן כדי להבטיח תוצאה תקופתית למנוע את אפקט להיסחף.

הגבלת הטכנית של מעקב מאפיין

הטכניקה מעקב הגבול, כמו כל שיטה רבב מעקב, מבוסס על כימות של שינויים על בהירות פיקסל ממסגרת אחת לשנייה. זה נותן הגבול התחתון למהירות הקשורים הצורך לראות רבב כי הוא פיקסל אחד בכל מסגרת אחת, לעבור פיקסל השכנה בפריים הבא. הגבלה זו היא אפוא

משוואה 1
שם Δx הוא בגודל Δt פיקסל והוא מרווח הזמן בין שתי המסגרות. K מקדם תלוי באיכות של אלגוריתם מעקב על יכולתו להעריך דינמי משנה פיקסל וריאציות. להגביל את משמעות הדבר היא כי מהירויות כי הם הרבה מעל גבול זה מוערך בדייקנות רבה, דיוק כזה מצטמצם כאשר הערכים גישה מהירות ליפול מתחת כזה גבול.

מגבלה זו גם מרמז כי עלייה ברכישת מסגרת הדולר (ירידה של Δt) מצד אחד מאפשר הערכה גדולה יותר של מהירויות ווריאציות המהירה שלהם (כמו במהלך שלבי isovolumic). בצד השני, גידול של מסגרת הדולר (ירידה של Δt) להגדיל את מגבלת ו מרמזות על דיוק מופחת בהערכת מהירויות נמוכות עד שזה לא מלווה עלייה דומה של רזולוציה מרחבית (הפחתה של Δx).

פנטום הכנת תמונה

סדרה של לולאות מחשב שנוצר מלאכותית הוכן על מנת לאפשר בדיקה של ההליך ניתוח התמונה בתנאים מבוקרים פשוט מושלם. לשם כך, רוח רפאים של היטל ציר קצר של החדר השמאלי האידיאלי הוכן כדלקמן.

הגבולות endocardial ו epicardial מיוצגים על ידי שני מעגלים עם רדיוס R ₀ (t) ו-R ₁ (t), בהתאמה. התמונה שהוכן על ידי ביצוע annulus, אשר הייצוגts הרקמה בין שני גבולות, אפור בצבע אחיד על רקע שחור. ואז לסנן 8x8 העליונה כובע ליניארי מוחל כדי למנוע שיבושים unphysical.

התנועה epicardium נלקח, ב [מ"מ], כמו R ₀ (t) = 10 5 cos (2πt / T) שבו T היא התקופה דופק נלקח ט = 1s. קינמטיקה endocardial התיאורטי הוא קבוע לאורך הגבול תלוי זמן בלבד, מהירות הוא רדיאלי בלבד ניתנה על ידי V0 (t) = ₀ DR / dt =- חטא π (2πt / T), ב [cm / s]. זן אחוז, מחושב באופן יחסי לאורך הגבול יש בזמן אפס, היא סנט ₀ (t) = 100x (R ₀ (t)-R ₀ (0)) / R _{0 (0)} = 100 (cos (2πt / T ) -1) / 3, ושיעור המתח נובע (1) כמו SR ₀ (t) = V0 10 / R _0, ב [s ^-1]. Epicardium ההנחה או כפי נע בהתאם לעובי קבוע, R ₁ (t) = R ₀ (t) 5 מ"מ, או עדיין R ₁ (t) = R ₀ (0) 5 מ"מ.

כל תמונה היא ריבוע בגודל של 48mm, התרכזו annulus הרקמה, ויש לו NxN החלטה. תמונות דוגמה מוצגים בתרשים 4, צלחות a ו-b, את המתח ואת קצב זן פרופילים זמן מוצגים 4 דמות, צלחות C ו-D לולאות מוכנים ידי שינוי N ברזולוציה, מסגרת שיעור FR, ואת סוג epicardial של תנועה.
שיטת מעקב endocardial מוחל על תמונות כאלה על ידי לקיחת על מסגרת ראשונה מספר N _p נקודות במרווחים אחיד לאורך endocardium מעגלית.

3. נציג תוצאות

פנטום מחקר

היישום של שיטת ניתוח התמונה על המחשב שנוצר תמונות רפאים מנותח כאן. מדד גלובלי של השגיאה בסופו של דבר מחושב לפי שורש ממוצע ההבדל אחוז רבועים. שורש ממוצע טעויות רבועים, הממוצע המרבי המתח endocardium מוגדרים

משוואה 2
שם סנט ₀ (t) הוא הערך המדויק, סנט (t) הוא ערך מחושב לפי ניתוח התמונה, סיכומים משתרעים על פני כל המסגרות N _F = FRxT. ההגדרה אותה משמש רדיוס, מהירות, וקצב זן. מעקב עצמאי על מעמדה לאורך endocardium, את ההבדלים בין נקודות שונות היא הרבה מתחת 1%.

תוצאות מסוכמים בטבלה אני 15 עבור רוחות משתנות עם רזולוציה מרחבית, מסגרת הדולר, וסוג הגבול epicardial של תנועה; את ההשפעה של שינוי מספר הנקודות להשתמש כדי לעקוב אחר גבול endocardial מוצג גם.

טעויות הן בכל המקרים קטן מאוד כמויות בלתי נפרד (רדיוס ומתח) ו מעט גדול עבור כמויות ההפרש (מהירות וקצב זן) הקשורות נגזרת של לשעבר. זה היה צפוי כי המפעיל נגזרות מגביר טעויות. איכות התוצאות נפגעת כאשר הרזולוציה מצטמצם, למעשה, את הדיוק קשורה לגודל פיקסל המייצג (במובן רופף) תזוזה מינימלית קריא ממסגרת אחת לשנייה. ההחלטה הזמן אינו משפיע על התוצאות באופן משמעותי עד מסגרת שיעור מספיק, בכל תוצאה מסגרת שיעור גבוה מאוד לא לשפר כי מסגרת ידי התקות מסגרת הופך נמוך יותר מאשר גודל הפיקסל. זה מראה כי עלייה בשיעור מסגרת היא התועלת קטנה או לא, כאשר זה לא מלווה עלייה ברזולוציה מרחבית.

עם זאת, תנועה סינוסי פשוט נחשב כאן אינו מחייב החלטה בזמן קיצוניים. בדומה לכך, השימוש כמה כמו 8 נקודות די לעקוב אחר פשוט, צורה עגולה, endocardial. תוצאות Endocardial לא מושפעים במידה ניכרת על ידי סוג של תנועה epicardium עובר. יש לנו אימות גם כי התוצאות אינן מושפעות באופן משמעותי על ידי סינון תמונה מאומץ.

הצגה ויזואלית של תוצאות ניתנת באיור 4 איפה הגבול endocardial מחושב על שני רגעים היא דיווחה על תמונות רפאים (פלטות A ו-B). המתח ואת קצב זן מדווחים (לוחות ג ו - ד) למקרה מס '1 לבין המקרה ברזולוציה קטן # 8. המתח ואת קצב זן במקרה # 1 (ריבועים) מציג הסכם מצוין עם הערך התיאורטי, השגיאה אומר להיות שווה ל 0.6% ו -3% בהתאמה. ההסכם הוא רק קצת יותר גרוע במקרה # 8, בו רזולוציית התמונה הוא חצוי, עם שגיאות 0.9% ו -4.5% עבור מתח וקצב זן, בהתאמה.

אימות קליני ^1.

השווינו אמצע LV פרוסה שלמה ההיקפי מתח שריר הלב _(סמ"ק ε) על ידי הדמיה שלב הרמוני (נבל) וטכניקות FT ב patie Duchene 191 ניוון שריריםNTS מקובצים לפי גיל וחומרת תפקוד לב בגיל 42 בהתאמה, קבוצת הבקרה. ניתוח רטרוספקטיבי, את קו בוצעה על פרוסות מתויג SSFP מתאימים. עבור כל אוכלוסיית המחקר (n = 233), אומר FT ε _סמ"ק (-13.3 ± 3.8%) היו בקורלציה גבוהה עם נבל ε _סמ"ק (-13.6 ± 3.4%) עם מקדם מתאם של פירסון 0.899. Ε אומר _סמ"ק של חולי DMD נקבע על ידי נבל (-12.52 ± 2.69%) ו FT (-12.16 ± 3.12%) לא היו שונים משמעותית (p = NS). באופן דומה, _סמ"ק ε הממוצע של קבוצת הבקרה שנקבע על ידי נבל (-18.85 ± 1.86) ו FT (-18.81 ± 1.83) לא היו שונים משמעותית (p = NS). הגענו למסקנה כי FT-מבוסס הערכת _סמ"ק ε בקורלציה גבוהה עם _סמ"ק ε נגזר תמונות מתויגות באוכלוסייה המטופל גדול DMD עם מגוון רחב של בעיות בתפקוד הלב.

פנטום #	Frame Rate	Resol. N	Epicardial תנועה	N p	ε R	ε R max	ε V	ε V max	ε SR	ε SR מקסימום	ε סנט	ε סנט מקסימום
1	32	401	עם אנדו	16	0.57	1.10	3.98	8.26	2.95	6.55	0.59	1.34
2	32	401	אין תנועה	16	0.27	0.60	3.62	8.53	2.90	5.99	0.75	1.29
3	64	401	עם אנדו	16	0.35	0.62	1.75	4.92	3.08	10.47	0.34	0.86
4	64	401	אין תנועה	16	0.39	0.73	1.78	5.48	2.38	6.46	0.32	0.63
5	128	401	עם אנדו	16	0.22	0.40	1.57	3.66	2.73	8.39	0.35	0.89
6	16	401	עם אנדו	16	0.41	0.92	12.10	18.27	7.12	15.17	0.88	1.93
7	32	201	עם אנדו	16	0.43	0.82	3.84	7.03	4.21	7.79	0.83	1.52
8	32	201	אין תנועה	16	0.49	0.90	4.00	8.54	4.54	10.84	0.93	1.64
9	32	101	עם אנדו	16	2.58	3.87	5.70	17.44	9.22	18.27	4.44	6.77
10	32	401	עם אנדו	64	0.32	0.73	3.98	8.09	3.11	8.86	0.48	1.10
11	32	401	אין תנועה	64	0.33	0.53	3.56	7.83	2.78	7.44	0.70	0.98
12	32	401	עם אנדו	32	0.44	1.00	3.99	8.16	2.99	6.82	0.63	1.49
13	32	401	עם אנדו	8	0.20	0.41	3.64	6.84	3.09	9.10	0.43	0.74
14	32	401	אין תנועה	8	0.22	0.41	3.36	7.42	2.76	5.93	0.58	1.01
15 *	32	401	עם אנדו	16	1.35	2.42	5.54	9.68	7.02	16.58	2.62	4.46

טבלה 1 ניתוח פנטום מעקב הגבול endocardial:. שורש ממוצע טעויות percentual מרובע המרבי [%] מחושבות עבור כמויות העיקרי התכתבות של פרמטרים שונים רפאים. הפרמטרים המסומנים מודגש מצביעים על וריאציות של פנטום # 1. התלות על מסגרת שיעור, מספר רזולוציה, נקודות מעקב נחשב. ההשפעה של סוג של תנועה epicardial נחשב עבור שני המקרים מגבילים כאשר הגבול epicardial לא זז (ללא תנועה) או עברה עם אנדו (ללא עיבוי). הפאנטום האחרון (*) נבנה ללא סינון את התמונות בשלבים הבסיסיים עם בהירות משתנה לפתע פיקסל אחד. שגיאות מעל 10% מסומנים בהדגשה.

באיור 1. CMR תמונה של החדר השמאלי, לאור ציר זמן (תמונה משמאל) בתצוגה ציר קצר (תמונה מימין), עם גבול endocardial לייחס נמשך למעלה.

איור 2. שטח בזמן ייצוג, שבהם יש מקום לאורך חתך transmural, רצף של התמונה. לחתוך transmural נלקח כמו עבור נקודת המוצא באיור 3. האבולוציה הזמן לנקודת ההתחלה, מעקב אוטומטי, הוא דיווח.

איור 3. תמונה של החדר השמאלי, לאור ציר זמן, עם חותך transmural חתכים מקבילים הגבול מעוקל.

איור 4. מחקר פנטום. שתי תמונות(במקרה # 2) בבית הרחבת היותר (צלחת) והתכווצות (ציור ב), נקודות endocardial מחושב הגבול הם חופפים. המתח (צלחת ג) ושיעור זן (ציור ד) מחושב עם שתי רוחות שונות (המקרים # 1 # 8) מוצגים בהשוואה לערכים יעיל.

איור 5. דוגמאות זן היקפיים (עקום שחור) סגמנטלי העולמי (עקומות צבע) בחולים נורמלי (א). דוגמה starain העולמי circumferental היקפיים (עקום שחור) סגמנטלי (עקומות צבע) בחולים עם תפקוד מדוכא החדר השמאלי ואת צרור שמאל סניף לחסום (ב). הערה עיתוי שונה של זן ההיקפי שיא מעיד על נוכחות של dyssynchrony החדר השמאלי

Discussion

אנו מתארים שיטה חדשה "התכונה מעקב" כדי למדוד פרמטרים דפורמציה ועקירה ברקמת שריר הלב הנגזרות תמונות SSFP. שיטה זו היה תוקף לאחרונה נגד נבל בהערכה של מתח שיא ההיקפי העולמי אוכלוסייה גדולה של חולים עם ניוון שרירים מסוג דושן (1). מצאנו קורלציה מצוינת בין אלו שתי טכניקות. טכנולוגיית מעקב תכונה פשוטה יחסית השימוש לא צריך שום רצפים הדמיה נוספות כגון תחושת תיוג, או צפוף. בנוסף הערכה קלינית תוקף של השיא העולמי ECC, נתונים זן האזורי ניתן לגזור גם FT נראה טכניקה חזקים מסוגלים להעריך האורך רדיאלי זן LV, כמו גם חדרי האורך המתח הנכון.

מחקרים נוספים צריך להיעשות על מנת לקבוע בדיוק את גבולות הטכניקה לגבי ברזולוציה של זמן ומרחב של התמונה. FT מאפשרת השוואה על פני שיטות אחרות, כגון אקו מאז העיקרון הבסיסי הוא זהה.

מסקנה

מעקב תכונה יש את הפוטנציאל להיות משולב בעבודה הקלינית שכן הוא מבטל את הצורך של ניתוח זמן רב הליך הרכישה נוספים. FT יכול לשמש לצורך הערכה של זנים החדר השמאלי והימני העולמי סגמנטלי, dyssynchrony החדר השמאלי. מחקרים קליניים נוספים נערכים על מנת להעריך השימושיות של FT בקרדיולוגיה קלינית.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Diogenes® Feature Tracking software	TomTec Imaging Systems, Fulda, Germany