기능 추적을 사용하여 자기 공명이 유래 심근 스트레인 평가

Summary

심근 조직의 변형과 같은 매개 변수를 측정하는 정확하고 실용적인 방법은 그것이 게재되어 있기 때문에, 그 변형이 자주 사용하는 매개 변수 EF보다 수축성 장애에 대한보다 민감한 이전 마커이며, 훌륭한 임상 가치입니다.

Abstract

목적 : 심근 조직의 변형과 같은 매개 변수를 측정하는 정확하고 실용적인 방법, 훌륭한 임상 가치가 게재되어 있기 때문에, 그 변형이 자주 사용하는 매개 변수 EF보다 수축성 장애에 대한보다 민감한 이전 마커입니다. CMR에 대한 현재 기술은 시간이 소요 및 임상 실천에 구현하기가 어렵습니다. 기능 추적 비교 방법보다 시간이 소비와 의료 영상의 정량 분석​​보다 automization과 견고을 초래할 수있는 기술입니다.

방법 : 단일 단계에서 자동 또는 수동 입력이 시스템은 시간이 지남에 따라 해부 학적 구조를 대표하는 각 패턴의 변위를 추적하기 시작하는 초기화 역할을합니다. 이 방법의 전문은 이미지가 CMR 이미지의 예 : 태그처럼 미리 어떤 방식으로 조작하실 필요가 없습니다 것입니다.

결과 : 방법은 잘 근육 조직을 추적이 허용 정량 myocardium의 정교 또한 혈액의 흐름과 함께 적합합니다.

결론 :이 새로운 방법은 CMR 이미지의 일반 시퀀스에 변위, 속도 및 변형 매개 변수로 심근 조직과 혈액 수치 강력한 시간 절약 절차를 제공합니다. 그것은 그러므로 임상 연습에서 구현할 수 있습니다.

Protocol

1. 소개

국경의 자동 감지 이미지 분석에 근본적인 문제입니다. 심장 영상에서 좌심실의 이미징에 endocardial 국경의 자동 검출의 가능성은 심실 볼륨의 객관적 측정 및 심근 변형 (응력)을 제공합니다. 이것은 작은 반점 추적 기술과 echocardiography에 달성했습니다. 자동 경계 탐지를위한 신뢰할 수있는 방법의 개발은 심장 자기 공명 (CMR)에 일반적으로 신뢰할 수있는 솔루션을받지 않은 어려운 작업입니다. 사실, 임상 연습에서, 국경 중 운영자에 의해 수동으로 그려진 또는 소프트웨어 myocardium와 공동 ^1,2 사이의 인터페이스를 감지하고 있습니다. 현재 문서에서 우리는 국경이 '발견'되지 않은 다른 접근 방법을 소개, 오히려 그들은 "추적", 즉 일반적으로하지만 반드시 - 수동으로 숙련된 운영자에 의해 그려진 아니라 하나의 신뢰할 수있는 기존의 즉각 추적에서 시작 시간을 준수 개 이상의 싱글 프레임. 이러한 첫 번째 안정적인 추적을 구성하는 각각의 포인트는 다음 프레임의 동네 한 지점에 대한 것과 동일한 기능을 검색하여 시간에 따라 수 있습니다. 추적 기능은 조직 따라 다른 캐비티 - 조직 경계 또는 해부 학적 요소 수 있습니다. 그들은 두 프레임 사이에 관심의 두 지역에서 최대 가능성의 방법으로 볼 수 있습니다.

로컬 프레임 - 투 - 프레임 변위는 로컬 속도 (변위와 시간 간격 사이의 비율)을 평가하는 것과 같습니다. 지점에서 속도의 자동 평가 연속 2 프레임에서 해당 지점에 대한 이미지 데이터의 변위의 비교에서 결정됩니다. 이러한 방법은 많은 연구 분야에서 여러 가지 공법에 사용되었습니다. 그들은 고급 이미지 분석 ^3,4에서 광학 플로우로 알려진 일반적인 범주에 가을. 이러한 판매율이 생리적 운동 ^{5, 6를} 수행하기 위해 사용뿐만 아니라,이 방법은 기능 추적이나 보더 추적으로 추천하는 등 CMR과 같은 다른 이미지 양상에 적용하는 경우 echographic 영상에서 추적 스페클로 그들은 일반적으로 추천하고 있습니다.

2. 재료와 방법

기능 추적 방법

2D CMR 신의 Endocardial 또는 epicardial 테두리가 수동으로 임의의 프레임 (그림 1 참조)에서 추적됩니다. 미드 - 심근 기능은 물론 추적할 수 있습니다. 이러한 경계는 다음 I = 1 ... N과 (X _I, Y _I) 자신의 좌표 쌍으로 식별 N 지점의 순서로 정의됩니다. 각 단일 지점을 추적하여 수익을 추적 경계는 이러한 추적은 여러 스케일에서 계층적 알고리즘을 적절히 공간 확장 2D를 감지하는 데 필요한 높은 정확성과 2D 추적을 보장 1D 추적 기술의 조합에 의해 기반으로합니다 있습니다.

먼저 국경의 큰 기하학적 변위를 캡처하기 위해 추적은 캐비티 - 조직 경계가 가장 인식할 수있는 국경 자체에 직교 방향으로 수행됩니다. 이 방향을 따라 추적 다음과 같이 transmural 상처 (그림 3 참조)의 방법을 사용하여 수행됩니다. 지점을 통과하고 그것에 직교, 벽을 건너 라인이 그려져 있습니다. transmural 라인을 따라 이동 픽셀은 이미지의 순서 중 하나가 프레임에 각 열에 해당하는, 열에 배치됩니다. 이런식으로 transmural 상처를 따라 진화 한 축은 라인을 따라 거리이며, 다른 축은 (그림 2 참조) 시간 2 차원 표현에서 한 번에 모든 instants에 대해 표현할 수 있습니다. 이 표현은 "스카우트"함수에 자세한 내용을 해당 CMR에 Echocardiography에서 M - 모드로 불리는 것과 비슷합니다. 노이즈 비율 낮은 신호 가난한 이미지의 경우에 분석의 품질을 개선하기 위해, 우주 시간 표현은 5 픽셀의 두께로 transmural 절단을위한 라인을 사용하여 만들어집니다. 경계 추적 후 시공간 이미지를 따라 수행됩니다.

국경의 2D 변위, 표준 차원 추적 (광 흐름 기반)에 대한 계정으로 두 번째 단계에서는 항상 이전에 예상 국경 지점에 중심 MxM 움직이는 윈도우에서 독립적으로 각각의 포인트에 대해, 수행됩니다. 첫 번째 추정의 절반이 두 번째 추적 통로 센터에서 이동 윈도우에 고용이 어디 2D 추적은 두 단계로 수행됩니다. 창문은 다음 두 개의 구절에서 32에서 16로 줄어 듭니다.

회전과 토션을 추정하는 데 사용되는 경계 움직임의 정확성을 개선하기 위해, 1D 추적 곡선 테두리 (그림 3 참조) "평행"두껍고 상처에서 내장 시공간 이미지를 따라 수행됩니다. 각각의 시점에서, 독립적으로, 픽셀이동 경계 촬영, 이동 국경 지점에서 중심으로, 이미지의 순서 중 하나가 프레임에 각 열에 해당하는, 열에 배치됩니다. 분석의 품질을 향상하고, 최상의 국경에있는 라인이 조직 (하위 endocardium)에 5 픽셀의 확장 기능을 캡처합니다. 경계 추적 그런 다음 위에서 설명한 동일한 절차와 시공간 이미지를 따라 수행됩니다. 추적 국경의 공간적 일관성, 3 지점 평균 필터와 3 점 가우스 필터 (무게 0.25, 0.5, 0.25)은 보장하기 위해하는 것은 각 단계에서 인접 지점에서 계산된 변위에 대해 적용됩니다.

2D 공간 - 시간 이미지를 따라 추적

이 섹션은 한 순간에 알려진 위치에서 시작하는 2 차원 이미지 (M 모드와 같은)에 한 방향을 따라 국경을 다음의 절차를 설명합니다.

X는 수평 방향과 수직 방향으로 Y로 정의됩니다. 열 주석 X _I, I = 1 ... M, M은 이미지의 열 번호입니다됩니다. 추적 열을 X _K에게 Y _K는 해당 알려진 지점에서 시작, 실제 숫자 Y _I = Y (X _I)의 이산 일련의 결정에 의해 주어진다.

알려진 지점 Y _K에서 지점 Y _K +1 변위가 X _K 1에서 전체 열이 X _K의 전체 열 사이의 교차 상관 관계를 평가하여 추정된다. 교차 상관 함수가 최대를 제공합니다, 최대의 위치는 두 개의 열이 사이의 유사성을 최대화하는 데 필요한 수직 변위의 가치를 제공, 따라서 Y _K 1은 Y _K 이러한 변위를 추가하여 추정된다. 이 절차는 인근의 모든 열을 쌍 사이의 반복과 결과는 Y _I 전체 국경의 추정, I = 1 ... M.입니다 교차 상관이 여기에 계산 시간을 줄이기 위해 고속 푸리에 변환 알고리즘을 사용하여 계산됩니다.

처음 견적 Y는 _내가 더 반복 세련됩니다. 이 목표를 달성하기 위해 이미지의 일부는 이전의 견적 Y _I와 그의 중심 _나는 생성되고 수정 추적에 사용되는 시퀀스 Y에 해당하는 새로운 이미지를 위 아래에 몇 가지를 취하여 추출됩니다. 아무런 수정이 발견되지 때까지이 상세가 반복됩니다.

개선하고 더 자연스러운 결과가 다음 시공간 이미지에 따라 최종 뱀 절차 [5]에 의해 이루어집니다, 이미지 밝기 수준 그것은 고정 소수점 Y _K를 통해 전달합니다. 전체 과정은 정기적인 결과를 보장하고 표류 효과를 피하기 위해 시간 주기성을 사용합니다.

기능 추적의 기술적 제한

경계 추적 기술은 어떤 추적 작은 반점 방식처럼, 다른 한 프레임에서 픽셀 밝기의 변화 부량에 따라 달라집니다. 이것은 그것이 다음 프레임에있는 인근 픽셀로 이동 한 프레임에 하나의 픽셀입니다 작은 반점 볼 필요가 관련이 속도에 낮은 한계를 제공합니다. 이 제한은 그러므로

방정식 1
Δx가 어디 픽셀 크기와 Δt는 두 프레임 사이의 시간 간격입니다. 계수 K는 추적 알고리즘의 품질과 동적 하위 픽셀 변화를 평가하는 기능에 따라 달라집니다. 이 제한가이 한도 이상의 아르 판매율이 좋은 정확도로 추정되는 의미, 그러한 정확성은 속도 값 접근 때 감소하고 아래와 같은 제한을 가을입니다.

이 제한은 또한 한쪽에 인수 프레임 속도 (Δt의 감소)의 증가가 큰 판매율과 급속한 변화 (isovolumic 단계에서와 같은)의 평가를 쉽게 허용 의미합니다. 반대편에서 프레임 속도 (Δt의 감소)의 증가는이 제한을 증가하고는 공간 해상도의 비슷한 증가 (Δx의 감소)와 함께하지 않습니다 때까지 낮은 판매율의 평가에 감소 정확성을 암시.

팬텀 이미지 준비

인공 컴퓨터 생성 루프 시리즈는 단순하고 완벽하게 통제 조건에서 이미지 분석 절차의 테스트를 수 있도록 준비되었습니다. 이를 위해 이상적인 좌심실의 짧은 축 투영의 유령은 다음과 같이 준비했습니다.

endocardial와 epicardial 테두리는 반경 R ₀ (t)와 각각 R ₁ (T), 두 개의 동심 동그라미로 표시됩니다. 이미지는 고리를 만들어 준비하는 represenTS 두 경계선 사이의 조직, 검정 배경에 컬러로 균일하게 회색. 다음 8x8 최고 모자 선형 필터는 unphysical 불연속을 피하기 위해 적용됩니다.

epicardium 운동이 [mm]에 취해, R ₀ (T)로 T는 T로 찍은 하트 비트 기간입니다 = 10 5 왜냐하면 (2πt / T) = 1S. 이론 endocardial 운동학은 경계 일정 오직, 속도는 요골과에 의해 주어진다 시간에 따라 V0 (t) = DR ₀ / DT =-에서 π 죄 (2πt / T) [cm / s의]. 국경을 시간 제로 가진 길이를 기준으로 계산된 비율 스트레인은, 세인트 ₀ (T) = 100x (R ₀ (T) - R ₀ (0)) / R ₀ (0)이다 = 100 (왜냐하면 (2πt / T ) -1) / 3, 변형 속도는 (1) SR로 ₀ (T) = 10 V0 / R _0, [S ^-1]에 따릅니다. epicardium는 일정한 두께에 따라 R ₁ (T)을 이동으로 어느 가정 = R ₀ (T) 5mm, 또는 여전히 R ₁ (T) = R ₀ (0) 5mm.

각 이미지는 조직 고리를 중심으로 48mm의 크기의 사각형이며, 해상도 NxN 있습니다. 변형율 및 변형 속도 시간 프로필은 그림 4, 접시 C와 D.에 표시됩니다, 예제 이미지는 접시 A와 B, 그림 4에 표시됩니다 루프는 해상도 N, 프레임 속도 FR, 그리고 운동의 epicardial 유형을 변화하여 준비가되어 있습니다.
endocardial 추적 방법은 첫 번째 프레임에 균일하게 원형 endocardium 따라 간격 포인트 수를 N _P를 복용하여 이러한 이미지에 적용됩니다.

3. 대표 결과

팬텀 연구

컴퓨터 - 생성 환상의 이미지에 대한 이미지 분석 방법의 응용 프로그램이 여기에 분석이다. 최종 오류 글로벌 측정은 정사각형 비율 차이를 의미 루트로 계산됩니다. 루트는 endocardium 스트레인에 사각형 평균 및 최대 오류로 정의된 의미

방정식 2
세인트 ₀ (t)가 정확한 가치를 어디에, 세인트 (T)는 이미지 분석에 의해 계산된 값이며, summations 모든 프레임을 통해 확장 N _F = FRxT. 같은 정의는 반경, 속도 및 변형 속도에 사용됩니다. 추적 endocardium 따라 위치에서에 대한 독립적이고, 서로 다른 지점의 차이점은 잘 1퍼센트은 다음과 같습니다.

결과는 공간 해상도를 변화와 함께 15 유령에 대한 표 I에 요약, 프레임 속도, 그리고 운동의 epicardial 테두리 유형, endocardial 국경을 추적하는 데 사용되는 포인트의 수를 변화의 효과도 볼 수있다.

오류가 모든 경우에 완전한 수량 (반경과 변형율)에 대한 매우 작고 이전의 파생 관련된 차등 수량 (속도 및 변형 속도)에 대한 약간 큽니다. 파생 연산자는 오류를 증폭하기 때문에 이것은 예상했다. 결과의 품질은 해상도가 감소되었을 때 타락, 사실, 정확성이 (느슨한 의미에서) 다른 한 프레임에서 읽을 수있는 최소한의 변위를 나타내는 픽셀의 크기와 관련되어 있습니다. 프레임 속도가 충분 때까지 시간 해상도는 프레임 변위에 의해 프레임이 픽셀 크기보다 낮은되고 있기 때문에 개선하지 매우 높은 프레임 속도 결과에서 크게 결과에 영향을주지 않습니다. 이것은 공간 해상도의 증가와 함께 있지 않을 때 프레임 속도의 증가가 거의 없거나 전혀없는 유틸리티는 것을 보여줍니다.

그러나, 여기서 고려 간단한 사인 움직임은 극단적인 시간 해상도를 필요로하지 않습니다. 마찬가지로 몇 가지 8로 포인트의 사용은 간단하게, 원형, endocardial 모양을 따라 충분하다. Endocardial 결과는 appreciably epicardium가 겪습되는 운동의 종류에 의해 영향을하지 않습니다. 우리는 또한 그 결과가 크게 채택된 이미지 필터링에 의해 영향을받지는 것을 확인했습니다.

이 instants에서 계산된 endocardial 테두리가 환상의 이미지 (접시 A와 B)을 통해보고 어디에 결과의 시각적인 표현은 그림 4에 있습니다. 변형 및 변형 속도의 경우 # 1과 작은 해상도 사건 # 8 (접시 C와 D)에보고됩니다. 경우에 변형 및 변형 속도 # 1 (사각형)은 이론 값 각각 0.6 %와 3 %로 동일되는 의미 오류와 함​​께 훌륭한 합의를 표시합니다. 계약 경우 이미지 해상도가 각각 오류와 함​​께, 0.9 % 및 변형과 변형율 속도에 대해 4.5 %를 halved입니다 # 8에서만 약간 더 있습니다.

임상 유효성 검사 ^1.

우리는 191 Duchene 근육질 영양 장애의 patie의 고조파 위상 이미징 (하프) 및 FT 기법에 의해 중반 LV 전체 슬라이스 원주 심근 변형 (ε _CC) 비교국세청은 제어 과목을 심장 장애의 나이와 심각도에 따라 그룹화 42 나이와 일치. 회고, 오프 라인 분석 일치 태그와 SSFP 조각에서 수행되었다. 전체 학습 인구 (n은 = 233), FT ε _CC (-13.3 ± 3.8 %) 높은 0.899의 피어슨 상관 계수와 하프 ε _CC (-13.6 ± 3.4 %)와 상관되었습니다을 뜻합니다. 하프 (-12.52 ± 2.69 %)과 FT에 의해 결정 DMD 환자의 평균 ε의 _CC는 (-12.16 ± 3.12 %) (P = NS) 크게 다르지 않아. 마찬가지로, 결정 하프 (-18.85 ± 1.86)과 FT (-18.81 ± 1.83)에 의해 제어 대상의 의미 ε의 _CC는 (P = NS) 크게 다르지 않아. 우리는 ε의 _CC의 FT 기반의 평가가 심장 기능 장애의 다양한 대형 DMD 환자 인구 태그 이미지에서 파생된 ε의 _CC와 함께 높은 상호 결론 지었다.

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

표 1 endocardial 경계 추적의 팬텀 분석 :. 루트 광장과 최대 percentual 오류를 의미 [%] 팬텀 다른 매개 변수의 통신에서 가장 기본 수량에 대해 계산됩니다. 매개 변수가 굵게 표시는 팬텀 # 1에서 변형을 나타내는 표시. 추적 포인트의 프레임 속도, 해상도, 및 숫자에 대한 의존도가 간주됩니다. epicardial 운동의 종류의 영향은 epicardial 테두리가 이동하지 않을 때 두 가지 경우에 대한 고려 제한 (NO 모션) 또는 엔도 (NO 굵게)로 이동합니다. 마지막으로 팬텀은 (*) 밝기 하나의 픽셀에 갑자기 변화와 기본 stepwise 이미지를 필터링하지 않고 만들어졌습니다. 10% 위의 오류가 굵게 표시됩니다.

그림 1. 추적할 endocardial 국경 길이 축보기 (왼쪽 사진)과 짧은 축 전망 (오른쪽 사진)에서 좌심실의 CMR 이미지는, 위에 그려진.

그림 2. 이미지 시퀀스의 공간이 transmural 절단 함께있다 공간 - 시간 표현,. transmural 컷은 그림 3에있는 출발점으로 이루어집니다. 자동 추적의 출발점, 시간의 진화가보고됩니다.

그림 3. transmural 상처과 곡선 테두리를 병렬 인하와 함께 긴 축보기에서 좌심실, 이미지.

그림 4. 팬텀 공부합니다. 두 이미지(대소문자 # 2) 최대 확장시 (판)과 수축 (플레이트 B), 계산 endocardial 국경 지점 overlapped 있습니다. 변형 (접시 C)과 변형 속도 (플레이트 D)는 두 개의 다른 유령이 (가지 경우 # 1과 # 8) 효과적인 가치에 비해 표시됩니다와 계산.

그림 5. 일반적인 환자의 글로벌 원주 (검정 곡선)과 segmental 스트레인 (색상 곡선)의 예 (A). 우울 왼쪽 심실 기능과 왼쪽 번들 지점 블록 (B) 환자의 글로벌 원주 (검정 곡선)과 segmental circumferental starain (색상 곡선)의 예. 왼쪽 심실 dyssynchrony의 존재를 나타내는 최대 원주 응력의 다른 타이밍을 참고

Discussion

우리는 SSFP 이미지에서 파생된 심근 조직의 변형 및 변위 매개 변수를 측정하는 새로운 방법을 "추적 기능"을 설명합니다. 이 방법은 최근에 Duchenne 근육질 영양 장애 (1) 환자의 큰 인구 피크 글로벌 원주 응력의 평가에 하프에 대해 확인했다. 우리는 두 기법 사이의 우수한 상관 관계를 발견했습니다. 특징 추적 기술은 사용에 비교적 간단하고 같은 태그, 감각 또는 고밀도로 추가 이미지 시퀀스를 필요가 없습니다. FT는 세로 방향과 요골 LV 변형뿐 아니라 세로 방향 오른쪽 심실 긴장을 예측 할 수있는 강력한 기술하는 것뿐만 아니라 최대 글로벌 ECC의 임상 검증 평가 이외에, 지역 스트레인 데이터를 얻을 수 있습니다.

더 많은 연구가 정확하게 이미지의 시간적 및 공간적 해상도에 관한 기술의 한계를 결정하기 위해 수행해야합니다. 기본 원리는 동일하므로 FT는 echocardiography 다른 modalities에 걸쳐 비교 가능합니다.

결론

기능 추적은 시간이 소비 분석 및 추가 수집 절차의 필요성을 제거 이후 임상 연습에 통합 될 가능성이있다. FT는 왼쪽과 오른쪽 심실 전세계를 대상으로하며, segmental 변종, 왼쪽 심실 dyssynchrony의 평가에 사용될 수 있습니다. 또한 임상 연구는 임상 심장에 FT의 유용성을 평가하기 위해 진행되고 있습니다.

Materials

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