КТ и МРТ 129Xe 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.
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.
Гиперполяризованная газовая магнитно-резонансная томография (МРТ) впервые появилась в качестве нового функционального метода визуализации легких для оценки распределения легочной вентиляции почти тридесятилетия 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 выдоха17,18 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 129Xe 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 легких26,27. 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 путей20,32, 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 косвенно34,38. 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 подходами38,45.
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-129Xe MR, чтобы учесть большую часть раздувания легких или различий в положении пациента между регистрациями; Деформируемая регистрация, как правило, не требуется. Шаг регистрации 1 H-129Xe может быть исключен с помощью одновременной регистрации 129Xe и 1H MRI в одной и той же задержке дыхания53,54.
КТ и МРТ 129Xe 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 пре…
The authors have nothing to disclose.
Это исследование было частично поддержано вычислительными ресурсами и услугами, предоставленными Advanced Research Computing в Университете Британской Колумбии, а также грантом Университета Британской Колумбии на искусственный интеллект факультета радиологии. RLE был поддержан премией Michael Smith Health Research BC Trainee Award.
3D Slicer | Brigham and Women's Hospital (BWH) | https://www.slicer.org/ | Image analysis/visualization software; open source |
ANTsPy | NA | https://github.com/ANTsX/ANTsPy | Coding infrastructure; open source |
ITK-SNAP | NA | http://www.itksnap.org/pmwiki/pmwiki.php | Image analysis/visualization software; open source |
MAGNETOM Vida 3.0T MRI | Siemens Healthineers | NA | Can be any 1.5 T or 3.0 T scanner with broadband imaging capability |
MATLAB | Mathworks | https://www.mathworks.com/products/matlab.html | General software, good for image analysis; available by subscription |
reg.py | NA | NA | Registration script (Supplementary File 1) |
Revolution HD CT scanner | GE Healthcare | NA | Can be any CT scanner with ≥64 detectors |
VIDA Insights | VIDA Diagnostics Inc. | NA | CT analysis software; can be any to generate masks |