Multimodlu Pulmoner Görüntüleme: Akciğer Yapısını-Fonksiyonunu Değerlendirmek için BT ve Hiperpolarize 129Xe MRG'den Tamamlayıcı Bilgilerin Kullanılması

Summary

BT ve ¹²⁹Xe MRG, görüntü kaydı kullanılarak bölgesel analiz için kullanılabilecek tamamlayıcı akciğer yapısı-fonksiyon bilgileri sağlar. Burada, açık kaynaklı platformlar kullanarak ¹²⁹Xe MR'dan CT'ye görüntü kaydı için mevcut literatürden yola çıkan bir protokol sunuyoruz.

Abstract

Hiperpolarize ¹²⁹Xe gaz MRG, pulmoner gaz dağılımı ve gaz değişimi dahil olmak üzere bölgesel akciğer fonksiyonunu değerlendirmek ve ölçmek için yeni ortaya çıkan bir tekniktir. Göğüs bilgisayarlı tomografisi (BT), kısmen saniyeler içinde yüksek çözünürlüklü görüntüler elde eden hızlı BT protokolleri ve BT tarayıcılarının yaygın kullanılabilirliği nedeniyle, akciğerlerin görüntülenmesi için hala klinik altın standart olmaya devam etmektedir. Kantitatif yaklaşımlar, birçok klinik araştırma çalışmasında değerlendirilen göğüs BT'sinden yapısal akciğer parankimali, hava yolu ve vasküler ölçümlerin çıkarılmasını sağlamıştır. BT ve ¹²⁹Xe MRG birlikte, bölgesel akciğer yapısını ve işlevini değerlendirmek için kullanılabilecek tamamlayıcı bilgiler sağlayarak akciğer sağlığı ve hastalığı hakkında yeni bilgiler sağlar. ¹²⁹Akciğer hastalığı patofizyolojisini daha iyi anlamak ve görüntü kılavuzluğunda pulmoner girişimleri gerçekleştirmek için bölgesel akciğer yapı-fonksiyonunu ölçmek için Xe MR-BT görüntü kaydı yapılabilir. Burada, araştırma veya klinik ortamlarda uygulamayı desteklemek için ¹²⁹Xe MRI-CT kaydı için bir yöntem özetlenmiştir. Literatürde bugüne kadar kullanılan kayıt yöntemleri ve uygulamaları da özetlenmekte ve ¹²⁹Xe MR-BT görüntü kaydı ile ilgili teknik zorlukların daha da üstesinden gelebilecek ve bölgesel akciğer yapı-fonksiyon değerlendirmesinin daha geniş bir şekilde uygulanmasını kolaylaştırabilecek gelecekteki yönergeler için öneriler sunulmaktadır.

Introduction

Hiperpolarize gaz manyetik rezonans görüntüleme (MRG) ilk olarak yaklaşık otuz yıl önce pulmoner ventilasyon dağılımını değerlendirmek için yeni bir fonksiyonel pulmoner görüntüleme yöntemi olarak ortaya çıkmıştır¹. O zamandan beri, hiperpolarize gaz MRG kullanan araştırma çalışmaları, astım, kronik obstrüktif akciğer hastalığı (KOAH) ve kistik fibroz^gibi kronik akciğer hastalıkları olan hastalarda akciğer fonksiyonunun doğası hakkında çok sayıda bilgi ortaya çıkarmıştır 2,3,4,5,6. Hem hiperpolarize ³He hem de ¹²⁹Xe gazı tarihsel olarak kullanılmıştır; bununla birlikte, ¹²⁹Xe, ³He gazının sınırlı mevcudiyeti nedeniyle artık birincil solunan ajandır. ¹²⁹Xe ayrıca alveolar zar boyunca serbestçe yayılır ve pulmoner kılcal damarlardaki kırmızı kan hücreleri tarafından emilir; 'çözünmüş faz' olarak adlandırılan bu fazda, ¹²⁹Xe, tek bir nefes tutma taramasında bölgesel gaz değişiminin ölçülmesine izin veren benzersiz frekanslarda rezonansa girer ^4,7,8. Kantifikasyon için, hacim uyumlu anatomik ¹H MR görüntüleri, torasik boşluğun sınırlarını belirlemek için ^{tipik olarak 129}Xe ile birlikte kayıt için eş zamanlı olarak elde edilir. Bununla birlikte, konvansiyonel ¹H MRG, daha fazla akciğer yapısal bilgisi sağlamaz. Hiperpolarize ¹²⁹Xe MRG'nin klinik çevirisi için itici güç, 2015'te Birleşik Krallık NHS onayı ve 2022'nin sonlarında ABD FDA onayı ile son yıllarda arttı ^5,9, ancak gelişmiş yapısal karakterizasyon, pulmoner MRG cephaneliğinde hala çoğunlukla eksiktir.

Göğüs bilgisayarlı tomografisi (BT), konvansiyonel görüntüleme protokollerini kullanarak akciğer yapısının üç boyutlu yüksek çözünürlüklü görüntülerini sağlayarak, akciğerlerin klinik görüntüleme değerlendirmesinin temel dayanağı olmaya devam etmektedir. Kantitatif yaklaşımlar, amfizem ve interstisyel akciğer anormallikleri, büyük hava yolu morfolojisi ve pulmoner vaskülatür gibi parankimal bütünlüğün hızlı ve tekrarlanabilir ölçümünü ve akciğer loblarının tanımlanması ve segmentasyonu ile bölgesel anatomik karakterizasyonu sağlamıştır^10,11. Araştırma alanında, kantitatif BT, Şiddetli Astım Araştırma Programı (SARP)¹², KOAH'ın Genetik Epidemiyolojisi (KOAH)¹³, KOAH Çalışmasında Alt Popülasyonlar ve Ara Sonuçlar (SPIROMICS)¹⁴, Öngörücü Vekil Son Noktaları Belirlemek için KOAH'ın Boylamsal Olarak Değerlendirilmesi (ECLIPSE)¹⁵ gibi büyük gözlemsel çalışmalarda astım ve KOAH'ta yapısal değişiklikleri ve bunların hasta sonuçlarıyla ilişkilerini daha iyi anlamak için yaygın olarak kullanılmaktadırve Kanada Obstrüktif Akciğer Hastalığı Kohortu (CanCOLD)¹⁶. Ekspiratuar görüntüleme^17,18 veya hesaplamalı modeller¹⁹ gibi alternatif BT yöntemleri fonksiyonel bilgi elde edebilir, ancak bu yöntemler dolaylıdır ve konvansiyonel BT, akciğerlerin fonksiyonel karakterizasyonu için fazla bir şey sağlamaz.

Birlikte ele alındığında, BT ve ¹²⁹Xe MRG, görüntü kaydı kullanılarak bölgesel analiz için kullanılabilecek tamamlayıcı akciğer yapısı-fonksiyon bilgileri sağlar. Bilgisayarlı tomografide tanımlanan akciğer lobları, astım^20,21,22, KOAH^23,24, bronşektazi²⁵ ve akciğer kanseri 26,27'de MRG ventilasyon paternlerinin lober karakterizasyonuna izin vermiştir. Astımdaki MRG ventilasyon anormallikleri, BT'de ölçülen anormal şekilde yeniden şekillenmiş büyük hava yolları 28,29,30,31 ve küçük hava yolları disfonksiyonunun ^20,32 göstergesi olan hava hapsi ile doğrudan mekansal olarak eşleştirilmiştir ve tüm akciğer bronşiyal termoplastisini takiben bölgesel tedavi yanıtlarını araştırmak için³³. KOAH'ta MRG ventilasyon anormallikleri daha hafif hastalıklarda küçük hava yolu disfonksiyonu ve daha ciddi hastalıklarda amfizem ile ilişkilendirilmiştir 34,35,36. Obstrüktif akciğer hastalığında ventilasyon görüntülemenin ötesinde, BT interstisyel akciğer anormallikleri ile ¹²⁹Xe MRG gaz değişim paternleri arasındaki heterojen mekansal ilişkiler de idiyopatik pulmoner fibroziste^{gösterilmiştir 37}. Bu tür çalışmalar, gelecekteki görüntü kılavuzluğunda müdahaleleri bilgilendirmek için kullanılabilecek bir dizi akciğer hastalığında bölgesel akciğer yapısı-işlevi hakkında daha derin bir anlayış sağlamıştır.

Bununla birlikte, anatomik BT ve fonksiyonel hiperpolarize gaz MRG'nin doğrudan kaydı, iki yöntem arasındaki temelde farklı görüntüleme kontrastı, ventilasyon anormallikleri bölgelerinde hiperpolarize gaz sinyalinin olmaması ve potansiyel olarak farklı akciğer hacimleri nedeniyle zordur. Şekil 1, sağlıklı bir gönüllüde (Şekil 1A) ve kronik obstrüktif akciğer hastalığı (KOAH) olan üç katılımcıda ¹²⁹Xe ve eşleştirilmiş anatomik ¹H MRI ve BT'nin dört örneğini göstermektedir; Şekil 1B-D), KOAH olgularında heterojen ¹²⁹Xe ventilasyon paternlerini ve değişen eksik akciğer sınırlarını vurgulamaktadır. Bu zorlukların üstesinden gelmenin anahtarı, hiperpolarize gaz MRG ile eş zamanlı olarak elde edilen anatomik ¹H MRG'yi, hiperpolarize gaz MRG'yi dolaylı olarak BT'ye kaydetmek için bir ara adım olarak kullanmaktır^34,38. İlk çalışmalarda yan yana görsel karşılaştırma ve akciğer lobları gibi BT yapılarının MRI alanı^20'ye manuel segmentasyonu kullanıldı. Hesaplama kaynaklarındaki ve açık kaynaklı görüntü işleme araçlarındaki gelişmeler, örneğin modaliteden bağımsız komşuluk tanımlayıcısı (MIND)23,30,34,39,40,41 veya Gelişmiş Normalleştirme Araç Seti (ANT'ler) kaydı 21,22,27 kullanılarak BT ve hiperpolarize gaz MRG'nin üç boyutlu kaydedilmesini sağlamıştır^,31,32,37,38,42,43, her ikisi de pulmoner görüntü kayıt yarışmasında en iyi performans gösterenlerdi⁴⁴. Yeni bir yöntem, iki kaydı bağımsız olarak tedavi etmek yerine^{birleştirdi 45}, bu da akciğer hastalığının fenotiplendirilmesi için tasarlanmış tam bir pulmoner görüntü analizi boru hattında^{uygulanmıştır 46}. Genel olarak, hiperpolarize gaz MRG'den BT'ye kayıt doğruluğu, ara ¹H adım³⁸ kullanılarak ve yalnızca afin yaklaşımlar^38,45 yerine deforme olabilen yaklaşımlar kullanılarak iyileştirildi.

Buradaki amaç, mevcut literatürden yola çıkmak ve açık kaynaklı platformları^47,48,49 kullanarak ¹²⁹Xe MR'den CT'ye görüntü kaydı için bir protokol sağlamaktır. Protokol, ANTsPy kullanılarak uygulanır ve önceki çalışma³⁸ ile uyumlu olarak, ¹H MRG'den tek etiketli bir akciğer maskesini BT'den tek etiketli akciğer maskesine kaydeder; Elde edilen dönüşüm daha sonra CT görüntü alanına eşlemek için ¹²⁹Xe görüntüsüne uygulanır. Belirtilen protokolün, uygulanabilir olduğunda araştırma veya klinik ortamlar için uygun olması amaçlanmıştır ve hiperpolarize ¹²⁹Xe MRG mevcuttur.

Bağlam açısından, burada verilen örnekler için görüntü elde etme ve analiz aşağıdaki gibi gerçekleştirilmiştir. Göğüs BT, 64 x 0.625 kolimasyon, 120 tepe kilovoltaj, tüp akımı 100 mA, 0.5 s devir süresi, spiral adım 1.0, 1.25 mm kesit kalınlığı, 0.80 mm kesit aralığı, standart rekonstrüksiyon çekirdeği, akciğerlerin en lateral uzantılarıyla sınırlı ekran görüş alanı (uzamsal çözünürlüğü en üst düzeye çıkarmak için) ile kurulmuş bir düşük doz araştırma protokolüne⁵⁰ göre tam inspirasyonda (toplam akciğer kapasitesi, TLC) elde edildi. BT segmentasyonu ve analizi ticari yazılımlar kullanılarak gerçekleştirildi (bkz. Malzeme Tablosu).

¹²⁹Xe ve hacim uyumlu ¹H MRG, yayınlanmış kılavuzlara⁹ göre yapıldı. Tam MRG edinme detayları ve protokolü için okuyucular bu koleksiyondaki başka bir makaleye yönlendirilir⁵¹. MRG segmentasyonu ve kaydı, ¹²⁹Xe segmentasyonu için k-ortalama kümeleme, ¹H segmentasyonu için tohumlanmış bölge büyümesi ve ¹H görüntüsünü ¹²⁹Xe görüntüsü⁵² ile eşleştirmek için dönüm noktası tabanlı afin kaydı kullanılarak yarı otomatik bir özel boru hattı kullanılarak gerçekleştirildi. Afin kaydı, çoğu akciğer şişirmesini veya edinimler arasındaki hasta pozisyonu farklılıklarını hesaba katmak için ^{tipik olarak 1 H-129}Xe MR kaydı için yeterlidir; Deforme olabilen kayıt genellikle gerekli değildir. ^{1 H-129}Xe kayıt adımı, aynı nefes tutma^53,54'te aynı anda elde edilen ¹²⁹Xe ve ¹H MRG ile elimine edilebilir.

Protocol

Burada gösterilen görüntüleme vakaları, British Columbia Üniversitesi Providence Sağlık Hizmetleri Araştırma Etik Kurulu (REB # H21-01237, H21-02149, H22-01264) tarafından onaylanmıştır. Katılımcılar, görüntülemeyi tamamlamadan önce yazılı bilgilendirilmiş onam verdiler. Görüntü alımından kayda kadar olan genel boru hattı Şekil 2'de özetlenmiştir ve buradaki protokol ayrıntıları yalnızca MR-CT görüntü kaydına odaklanmaktadır. Görüntü elde etme ve segmentasyon, mevcut veya tercih edilen görüntüleme donanımına, görüntüleme protokollerine ve görüntü analizi yazılım araçlarına bağlıdır ve bu nedenle okuyucuların tercihine bırakılmıştır. Protokol, görüntü segmentasyonunu takiben akciğerlerin tek etiketli maskelerini kullanan önceki adımlara agnostik olacak şekilde tasarlanmıştır.

1. Yazılım kurulumu

1. Gelişmiş Normalleştirme Araçları görüntü işleme kitaplığı^47,48,49 için Python sarmalayıcısı olan ANTsPy'yi (Malzeme Tablosuna bakın) indirin ve yükleyin. Öğreticiler, 'öğreticiler' sekmesi altındaki bağlantıda mevcuttur. İstenirse Docker kurulumu için ANTsPy de kullanılabilir.
   NOT: ANTsPy, Linux tabanlı bir işletim sistemi veya ortamı gerektirir. Buradaki örnekler için, ANTsPy yerel bir iş istasyonunda sanal bir yüksek performanslı bilgi işlem ortamında kuruldu ve kullanıldı. Protokol, yazarların deneyiminde sanal bir bilgi işlem ortamı kullanarak daha iyi çalışma eğilimindeydi.
2. Tercih ettiğiniz segmentasyon ve/veya görselleştirme yazılımını indirin ve yükleyin.
   NOT: Bu çalışmada görselleştirme için ITK-SNAP kullanılmıştır (bkz.
3. reg.py komut dosyasını indirin ve kaydedin (Ek Dosya 1).

2. Görüntü ön işleme

1. Tüm CT, ¹H ve ¹²⁹Xe dosyaları için görüntü ve maske yönü eşleşmelerini doğrulamak üzere görüntüleri ve maskeleri istenen görüntü görselleştirme yazılımında açmak için tıklayın. Kullanılan segmentasyon yöntemine ve/veya yazılıma bağlı olarak, bazı görüntülerin veya maskelerin yönünün ayarlanması gerekebilir. Gerektiğinde, ¹H ve ¹²⁹Xe görüntülerini ve maske yönünü yerel CT görüntüsününkiyle eşleşecek şekilde ayarlamanızı öneririz.
2. Görüntü DICOM'larını ve tek etiketli maskeleri (gerektiğinde adım 2.1'deki gibi ayarlanır) Nörogörüntüleme Bilişim Teknolojisi Girişimi dosyaları (NIfTI, *.nii; toplam altı dosya) olarak, tercih edilen yazılım aracını kullanarak, ANTsPy'nin kurulu olduğu ve çalıştırılacağı konumun erişebildiği reg.py ile aynı klasöre kaydedin. Aşağıda belirtilen adlandırma kurallarına uyun.
   1. ¹H MRG: Proton.nii; ¹H MRG maskesi: Proton_mask.nii.
      NOT: ¹²⁹Xe'ye kayıt olduktan sonra ¹H görüntüsünü ve maskeyi kullanın.
   2. ¹²⁹Xe MRG: Ventilasyon.nii; ¹²⁹Xe MRI maskesi: Ventilation_mask.nii
   3. Bilgisayarlı Tomografi: CT.nii; CT maskesi: CT_mask.nii.
      NOT: Dosya adları, kayıt komut dosyasına sabit olarak kodlanmıştır ve bu nedenle, belirtilen biçime uymalı veya istenen adlandırma kuralına uyacak şekilde komut dosyasında revize edilmelidir. Bu adımlar, adım 1.2'de listelenen önerilen yazılım araçlarından herhangi biri kullanılarak birlikte tamamlanabilir. Bu yazılım araçlarıyla ilgili olarak, bazıları .nii dosyalarını kaydederken gerekli başlık bilgilerini otomatik olarak yazarken, diğerleri başlık bilgilerini kopyalamak ve yazmak için ek adımlar gerektirir.

3. CT-XeMRI kaydı

1. reg.py dosyasını adım 1.1'de istenen Python bilgi işlem ortamı kurulumunda açın.
   NOT: Komut dosyası reg.py, yerleşik ANTs kayıt araçlarını temel alır; Ek belgeler mevcuttur⁵⁵.
2. Sanal bir ortam kullanıyorsanız, merkezi işlem birimlerinin (CPU), iş parçacığı sayısını ve RAM'i istediğiniz veya bilgi işlem ortamında kullanılabilir olan şekilde ayarlayın. Buradaki örnekler için 16 CPU, CPU başına 1 iş parçacığı ve 186 GB kullanılabilir RAM'e sahip bir sanal bilgi işlem ortamı kullanılmıştır.
3. İstenen dönüşümü ve enterpolasyonu ayarlayın. Görüntüler için doğrusal enterpolasyonlu SyNAggro dönüşümü ve sağlanan reg.py komut dosyasında varsayılan olan tek etiketli maskeler için genel etiket enterpolasyonu burada kullanılmıştır.
   NOT: SyNAggro, afin + deforme olabilen dönüşümün yanı sıra ince ölçekli eşleştirme ve daha fazla deformasyon (düz SyN ile karşılaştırıldığında) kullanarak daha agresif kayıt içeren simetrik bir normalleştirme dönüşümüdür. Alternatif dönüşüm ve enterpolasyon algoritmaları, adım 3.1^55'teki ANT'lerin kayıt belgeleri bağlantısında listelenmiştir.
4. Sabit ve hareketli görüntüyü ayarlayın. Burada CT (tek etiketli maske) sabit görüntü olarak, ¹H MRI (tek etiketli maske) ise hareketli görüntü olarak ayarlandı.
5. reg.py Python bilgi işlem ortamında çalıştırın. Tam kayıt, kullanılan veya mevcut bilgi işlem kaynaklarına bağlı olarak 5-10 dakika (parametrelerimizi kullanarak) veya daha uzun sürebilir. Tamamlandığında, çarpıtılmış dosyalar otomatik olarak orijinal görüntü dosyalarıyla aynı dizine kaydedilir ve dosya adları aşağıdaki gibi olur: Proton_warped.nii.gz; Ventilation_warped.nii.gz; Ventilation_label_warped.nii.gz.
   NOT: NIfTI *.nii.gz dosyaları, *.nii dosyalarının yalnızca sıkıştırılmış sürümleridir ve istenildiği gibi açılabilir veya açılabilir. Komut dosyası reg.py, örneğin farklı dönüştürme veya enterpolasyon yöntemleri kullanılarak veya dosya dizinlerine eşleme veya dosya dizinleri oluşturma gibi istenildiği gibi değiştirilebilir.

4. Kayıt sonuçlarının değerlendirilmesi

1. CT.nii görüntüsünü istenen görselleştirme yazılımında temel görüntü olarak açın.
2. Ventilation_warped.nii.gz veya Ventilation_label_warped.nii.gz başka bir görüntü olarak açın ve istediğiniz renk haritasıyla CT görüntüsünün üzerine yerleştirin.
3. Karina ve akciğer sınırları gibi yer işaretlerinin görsel hizalamasını değerlendirerek ( ¹²⁹Xe görüntüsünde varsa) tüm görüntü düzlemlerinde (koronal, eksenel, sagital) ¹²⁹Xe görüntüsünün veya maskesinin BT görüntüsüyle örtüşmesini gözden geçirin.
4. Sonuçları kontrol edin. Sonuçlardan memnun kalırsanız, kayıt tamamlanmıştır.
   NOT: Kayıtlı ¹²⁹Xe görüntüsü/maskesi, trakea ve ana hava yollarını çıkarmak (MRI segmentasyonundan önce çıkarılmazsa) ve kayıttan sonra BT akciğer sınırlarının dışında kalan herhangi bir sinyali çıkarmak için BT maskesi ile çarpılabilir. Bölgesel yapı-fonksiyon ölçümleri için daha fazla nicelik tayini istenildiği gibi gerçekleştirilebilir.
5. Sonuçlardan memnun kalmazsanız, alternatif dönüştürme türlerini ve ilgili parametreleri gerektiği gibi değerlendirin ve optimize edin.

Results

Bu çalışma, bir dizi akciğer hastalığı ve durumunda bölgesel akciğer yapısı-fonksiyon karakterizasyonu ve görüntü kılavuzluğunda bronkoskopi için bir araştırma ortamında eşleştirilmiş BT ve ¹²⁹Xe MRG'yi prospektif olarak elde etti. Şekil 3, bir dizi MRI ventilasyon modeline sahip dört temsili katılımcı için (Şekil 1'in aynı katılımcıları için) koronal ve sagital düzlemlerde kayıtlı ¹²⁹Xe MRI ventilasyonu ve BT'yi göstermektedir. Kayıtlı ¹²⁹Xe MR etiketli maske, ventilasyon kusurundan veya sinyal boşluğundan hiperintense kadar ¹²⁹Xe sinyal yoğunluğu kümesini gösterir ve trakea ve ana hava yollarını çıkarmak için CT etiket maskesi ile çarpılmıştır. Görsel muayene, sağ akciğerdeki kosofrenik açı hariç, homojen ventilasyon ile sağlıklı katılımcı (Şekil 3A) için tüm akciğer sınırlarının iyi bir şekilde hizalandığını gösterir. Bu tutarsızlık, iki modalite arasındaki çözünürlük farklılıklarından veya ¹²⁹Xe/¹H MRG'deki geometrik bozulmadan kaynaklanıyor olabilir; Bununla birlikte, toplam akciğer hacminin küçük bir kısmıdır. KOAH'lı üç katılımcıda, mümkün olduğunda akciğer sınırlarının iyi bir şekilde hizalanması da vardı. Buradaki KOAH örnekleri, diffüz ventilasyon anormallikleri (Şekil 3B), apikal akciğer sınırları olmayan üst lob ventilasyon anormallikleri (Şekil 3C) ve diyafragmatik akciğer sınırları olmayan alt lob ventilasyon anormallikleri (Şekil 3D) arasında değişmektedir.

Yazarlar tipik olarak kayıtlı görüntülerin görsel olarak incelenmesini tercih ederler ve BT ile ¹²⁹Xe MRG arasındaki çok modlu kontrast farklılıklarının doğası gereği kayıt performansını prospektif olarak kantitatif olarak değerlendirmezler. Kayıt performansının yaygın nicel ölçütleri, Zar katsayısı veya hedef kayıt hatasıdır (TRE). Zar katsayıları, kaydedilen ¹H (hareketli) ve CT (sabit) görüntüler arasında değerlendirilebilir; bununla birlikte, ¹H görüntüleri ¹²⁹Xe görüntüsünü kaydetmek için bir ara köprü olarak kullanıldığından ve ilgilenilen ölçümler ¹²⁹Xe MRG'den geldiğinden, bu dolaylı olacaktır. TRE, sabit ve hareketli görüntülere referans yer işaretleri yerleştirilerek ölçülebilir; bununla birlikte, referansların yerleştirilmesi zaman alıcı bir manuel işlemdir ve ¹²⁹Xe MRG ventilasyon anormalliklerinin doğası, sınırlı anatomik işaretlerin mevcut olabileceği anlamına gelir. Trakeal karina ve kosofrenik açılar tipik olarak kolay yer işaretleri olarak hizmet etse de, Şekil 3C,D'deki katılımcılar, sınırlı belirgin yer işaretlerinin mevcut olduğu ciddi örnekleri vurgulamaktadır. ANT'lerde benzer bir kayıt çerçevesi kullanarak, Tahir ve ark. 8.8 mm ila 19.7 mm³⁸ arasında bir TRE elde etti, bu da akciğerlerin boyutuna göre küçüktür (tipik görüş alanı 350-400 mm) ve bu nedenle kabul edilebilir; yazarlar, TRE'nin mevcut çerçeveyi kullanarak benzer olabileceğini tahmin ediyorlar.

Resim 1: Pulmoner ¹²⁹Xe ve ¹saat ve BT. Sağlıklı bir katılımcı (A) ve kronik obstrüktif akciğer hastalığı (KOAH) olan üç katılımcı için eşleştirilmiş BT ile ¹²⁹Xe ve hacim uyumlu anatomik ¹H MRG örnekleri; B, C, D) ¹²⁹Xe ventilasyon modeli aralığını gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: Genel görüntü analizi ve kayıt hattı. Giriş BT, ¹²⁹Xe MR ve ¹H MR görüntüleri önce tek etiketli maskeler oluşturmak için bölümlere ayrılır. ¹H MR görüntüsü/maskesi önce ¹²⁹Xe görüntüsüne/maskesine dönüştürülür. Tüm CT, ¹²⁹Xe ve ¹H görüntüleri ve maskeleri NIfTI dosyalarına dönüştürülür ve bunlar daha sonra ¹²⁹Xe-CT kaydı için kullanılır. ¹H maskesi CT görüntü alanına dönüştürülür ve dönüştürme daha sonra ¹²⁹Xe görüntüsüne/maskesine uygulanır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Resim 3: ¹²⁹Xe MRI-CT kayıt sonucu. Şekil 1'de gösterilen dört temsili katılımcı için kayıt sonuçları, ^{burada 129}Xe, CT üzerinde gri tonlamalı olarak kaplanmış camgöbeği ile gösterilmiştir. Sağ akciğerdeki kosofrenik açı hariç, homojen ventilasyon ile sağlıklı katılımcı (A) için tüm akciğer sınırlarının iyi bir şekilde hizalanması vardı. KOAH'lı üç katılımcıda, mevcut olduğunda, diffüz ventilasyon anormallikleri (B), apikal akciğer sınırları olmayan üst lob ventilasyon anormallikleri (C) ve diyafragmatik akciğer sınırları olmayan alt lob ventilasyon anormallikleri (D) arasında değişen akciğer sınırlarının iyi bir şekilde hizalanması vardı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: KOAH'lı bir katılımcıda lober yapı-fonksiyon ölçümleri. 129 Xe MR-CT kaydından sonra oluşturulan -950 Hounsfield Ünitesinden (LAA950, sarı) daha düşük zayıflama alanları ve ¹²⁹Xe MRG ventilasyon kusuru yüzdesi (VDP, camgöbeği) ile ölçülen Lobar BT amfizemi, görüntü kılavuzluğunda bir tedavi planı için örnek bir bölgesel değerlendirme olarak. Lobar ana hatlarının şeması sagital düzlemlerde gösterilmiştir. RUL = sağ üst lob; RML = sağ orta lob; RLL = sağ alt lob; LUL = sol üst lob; LLL = sol alt lob. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Dosya 1: reg.py komut dosyası. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Discussion

BT ve ¹²⁹Xe MRG, görüntü kaydı kullanılarak en iyi şekilde kolaylaştırılan bölgesel akciğer yapısını ve fonksiyonunu değerlendirmek için tamamlayıcı bilgiler sağlar. Çok modlu görüntü kaydının uygulanması önemsiz olmayabilir ve bu nedenle burada sağlanan protokol, okuyucuların ¹²⁹Xe MRG'yi BT'ye kaydetmeleri için araçlar sağlamayı amaçlamaktadır. Sağlanan protokol, geleneksel ANT'lerde olduğu gibi C++ yerine Python kullanarak geniş bir görüntü işleme deneyimi yelpazesine sahip kullanıcılar için daha kolay uygulama için ANTsPy'yi kullanır. Genel olarak, ANT'ler, farklı metrikler ve/veya görüntü çiftleri için ayarlama ihtiyacını azaltan ve tekrarlanabilir araştırma uygulamalarını destekleyen açık kaynaklı bir görüntü kayıt çerçevesi sağlar⁴⁹. Optimal kayıt elde etmek için ANT'lerde tipik olarak üç ardışık algoritmadan oluşan bir set kullanılır: (1) yalnızca döndürme ve öteleme kullanarak katı kayıt, (2) döndürme ve öteleme artı ölçekleme ve kesme kullanarak afin kayıt ve (3) deforme olabilir, doğrusal olmayan kayıt. Daha derin bir düzeyde, CT-MR kaydı için burada sağlanan varsayılan protokolün üç adımı şunlardır: (1) CT ve MR görüntüleri arasındaki büyük benzerlikleri yakalamak için ilk benzerlik (katı) dönüşümü, görüntüleri sonraki, daha rafine dönüşümler için hazırlama. Bu adım, 32 histogram bölmeli Mattes karşılıklı bilgi benzerlik metriği⁴⁹ , örneklenmiş %0,2 piksel ile düzenli örnekleme, adım boyutu 0,25 ile gradyan iniş optimizasyonu, dört seviyeli aşağı örnekleme faktörü ile çok çözünürlüklü Gauss piramidi 6 x 4 x 2 x 1 (yinelemeler 2100 1200 1200 10) ve karşılık gelen yumuşatma Gauss sigmaları 3 mm x 2 mm x 1 mm x 0 mm kullanır. (2) Benzerlik aşamasından elde edilen çıktıyı kullanarak afin dönüşümü ilk dönüşüm. Bu adım, 16 histogram kutusu ile Mattes karşılıklı bilgi benzerliği metriği, %0,2 piksel örneklenmiş düzenli örnekleme, adım boyutu 0,25 ile gradyan iniş optimizasyonu, dört seviyeli aşağı örnekleme faktörü ile çok çözünürlüklü Gauss piramidi 4 x 2 x 2 x 1 (yinelemeler 2100 1200 1200 100) ve karşılık gelen yumuşatma Gauss sigmaları 3 mm x 2 mm x 1 mm x 0 mm kullanır. (3) SyNAggro dönüşümü, dönüşümü daha da iyileştirmek için son adım olarak doğrusal olmayan, deforme olabilen kayıt. Bu adım, 16 histogram bölmeli Mattes karşılıklı bilgi benzerliği metriği, tam örnekleme, adım boyutu 0.2 ile gradyan iniş optimizasyonu, üç seviyeli aşağı örnekleme faktörü 4 x 2 x 1 (yinelemeler 40 20 0) ile çok çözünürlüklü Gauss piramidi ve karşılık gelen yumuşatma Gauss sigmaları 2 mm x 1 mm x 0 mm, güncelleme dönüşümü alanının yumuşatılması için 3 voksellik Gauss düzenlileştirme çekirdek genişliği. Bunlar, SyNAggro dönüştürme algoritması için varsayılan ayarlardır.

Daha önce tarif edildiği ve BT ile hiperpolarize gaz MRG³⁸ arasında görüntü kaydı için kullanıldığı gibi, burada simetrik normalizasyon (SyN) dönüşümünün bir varyasyonu kullanılmıştır, çünkü pulmoner görüntü kayıt zorluğunda en yüksek performanslı algoritma olduğu gösterilmiştir⁴⁴. Karşılıklı bilgi benzerliği metriği, çok modaliteli görüntüleme için en iyi performansı gösterme eğiliminde olduğu için kullanılmıştır⁵⁶. Çok modlu görüntü kontrast farklılıklarının daha da üstesinden gelmek için, protokol, ilk olarak Tahir ve ^ark.38 tarafından tanımlandığı gibi ¹²⁹Xe MRG'yi BT'ye dolaylı olarak kaydetmek için hacim uyumlu ¹H MRG'yi kullanır ve aslında tek etiketli ¹H maskesini görüntüler yerine CT maskesine kaydeder, elde edilen dönüşüm daha sonra ¹²⁹Xe görüntüsüne ve maskesine uygulanır. Çok etiketli maskeler, örneğin lober veya segmental BT maskeleri 21,22,23,45 veya MRI yoğunluk kutuları⁵⁷ de kullanılabilir. Kayıt, BT yapısal özelliklerinin kantitasyonu için BT çözünürlüğünü korumak için ¹H MRG'nin BT boşluğuna eşlenmesiyle gerçekleştirilir, ancak kayıt yönü istenildiği gibi tersine çevrilebilir. Kayıt ardışık düzenine girdi olarak protokol, görüntüleri ve tek etiketli maskeleri NIfTI biçiminde işler, çünkü bu şekilde bir 3B görüntüdeki tüm kesit dilimleri tek bir dosyada yer alır. Bu protokolü, iki merkezden bağımsız olarak (British Columbia Üniversitesi ve Kansas Üniversitesi Tıp Merkezi) eşleştirilmiş ^CT-129Xe MRI verileri üzerinde iyi bir performansla değerlendirdik ve bu nedenle protokolün diğer veri kümelerinde iyi bir şekilde uygulanacağını tahmin ediyoruz. Bununla birlikte, dönüştürme parametreleri gerektiğinde yerel veri kümelerindeki performansı artırmak için iyileştirilebilir.

Protokol, kasıtlı olarak görüntü elde etme ve segmentasyondan çoğunlukla bağımsız olacak şekilde tasarlanmıştır, çünkü bu adımlar mevcut veya tercih edilen görüntüleme donanımına, görüntüleme protokollerine ve görüntü analizi yazılım araçlarına bağlıdır. BT protokolü ideal olarak, doğrulanmış kantitatif parankimal, hava yolu ve/veya vasküler metriklerin 10,11,50 ölçümünü sağlamak için standart eşdeğer rekonstrüksiyon çekirdeği ile ince dilimli, kontrastsız olmalıdır. BT, kantitatif ölçümler¹⁰ için en iyi şekilde doğrulanan tam inspirasyonda elde edilebilir veya aynı akciğer şişirme hacminde ^24,30 CT-MRG kaydını ve çift yapı-fonksiyon ölçümlerini daha iyi kolaylaştırmak için MRG ile hacim eşleştirilebilir. Ekspiratuar BT de yapılabilir ve hava hapsedilmesinin miktarını belirlemek için inspiratuar BT'ye^{kaydedilebilir} 17,18,34. Segmentasyon ve kantitatif analiz için, çeşitli CT yazılım araçları ticari olarak⁵⁸ veya açık kaynaklı⁵⁹ olarak mevcuttur. Öte yandan, ^{şu anda 129}Xe ve ¹H MRG için ayrı nefes tutma alımları öneren ¹²⁹Xe MRG edinim protokolü 9 yayınlanmıştır. Aynı nefes tutma^{53,54'te 129}Xe ve ¹H MRG elde eden ve bu nedenle ^{1 H-129}Xe kayıt ön işleme adımını ortadan kaldırabilen yeni protokoller geliştirilmiştir. Ayrıca, bu protokol ¹²⁹Xe MR ventilasyon görüntülemesine odaklanır, ancak benzer şekilde ¹²⁹Xe gaz değişimi görüntülemesi için de geçerlidir. Gelişmekte olan bir yöntem olarak, ¹²⁹Xe/¹H MRG segmentasyonu ve kantitasyonu henüz standardize edilmemiştir; Literatürde burada kullanılabilecek birçok yöntem bildirilmiştir ve yakın tarihli bir derlemede güzel bir şekilde özetlenmiştir⁶⁰. CT ve ^{1 H-129}Xe MR görüntülerinin nasıl elde edildiğine ve tek etiketli maskelerinin nasıl elde edildiğine bakılmaksızın, bu kayıt protokolünün geniş çapta uygulanabilir olması amaçlanmıştır.

Mevcut protokolün sınırlamalarını, öncelikle kayıt için hazırlanmak ve kayıt performansının değerlendirilmesi için ön işleme için biraz manuel olduğunu kabul ediyoruz. Otomatik yöntemler daha önce^{önerilmiştir 45} ve otomasyona yönelik mevcut protokoldeki iyileştirmeler, sorunsuz klinik çeviri için önemli olacaktır. Mevcut kayıt da CPU tabanlıdır; CPU işleme muhtemelen daha yaygın olarak kullanılabilir ve kayıt yaklaşık 10 dakika içinde çalışır, ancak grafik işleme birimleri (GPU) ve/veya derin öğrenme ile uygulama, çalışma süresini daha da kısaltabilir ve potansiyel olarak kayıt doğruluğunu artırabilir. Son olarak, BT ve 1 H/¹²⁹Xe MR görüntü segmentasyonu için öneriler veya metodoloji sağlanmamıştır. Her ikisi için de çok çeşitli yöntemler mevcuttur, bu nedenle bu okuyucuların seçimine bırakılmıştır; Bununla birlikte, klinik çeviriyi daha da hızlandırmak için otomatik segmentasyon ve kaydı kapsayan bir boru hattı için muazzam bir fırsat vardır.

Bu kayıt protokolü, hiperpolarize ¹²⁹Xe MRG'nin mevcut olduğu araştırma veya klinik ortamlar için uygulanabilir. Araştırma ortamında, tamamlayıcı BT ve ¹²⁹Xe MRG, örneğin astım 20,21,22,28,29,30,31,32,KOAH 24,25,34,35 ve İPF ^37'de bölgesel akciğer yapısı-fonksiyonuna ilişkin yeni içgörülerin keşfini büyük ölçüde desteklemiştir^{. 61}. Bununla birlikte, klinik çeviriye giden köprü, görüntü kılavuzluğunda pulmoner müdahalelerde gelir. Şiddetli astımı olan hastalarda BT ve ¹²⁹Xe MRG kullanılarak yapılan görüntü kılavuzluğunda bronşiyal termoplasti, geleneksel tüm akciğer tedavisine kıyasla daha az bronkoskopik prosedür, daha az peri-prosedür advers olay ve hasta tarafından bildirilen daha düşük olmayan sonuçlar sağlamıştır^62,63. KOAH'da, kantitatif BT yapısı ve ¹²⁹Xe MRG fonksiyonu, BT amfizem ve MRG ventilasyon anormalliklerinin en büyük lober yüküne dayalı olarak farklı bronkoskopik akciğer hacmi azaltma hedefleri önerebilir ve yapı ve fonksiyonun birlikte ele alınmasının önemini vurgulayabilir²³. Ayrıca, MRG'de korunmuş ventilasyon ve gaz değişim işlevine sahip bölgeleri aşırı radyasyon maruziyetinden korumak için fonksiyonel akciğerden kaçınma radyoterapi şemaları^40,64 önerilmiştir. Pulmoner girişimlerde görüntü kılavuzluğunda ek fırsatlar arasında cerrahi akciğer kanseri rezeksiyonu⁶⁵, KOAH'ta hava yolu stenti ve valf yerleştirilmesi ve KOAH veya kronik bronşit için termal buhar ablasyonu, kriyoterapi veya reoplasti gibi diğer yeni bronkoskopik tedaviler^{yer alır 66,67}. Şekil 4, KOAH'lı bir hasta için tedavi planlamasında dikkate alınabilecek lober BT amfizem ve MRG ventilasyon anormalliklerini göstermektedir. Akciğerler, görüntü güdümlü müdahaleler için insan vücudunun son sınırlarından biri olmaya devam ediyor; BT ve ¹²⁹Xe MRG birlikte, akciğer yapısı-işlevi hakkındaki anlayışımızı geliştiren ve artık görüntü kılavuzluğunda pulmoner müdahaleler için uygulanabilen tamamlayıcı bilgiler sağlar. Burada sağlanan ^CT-129Xe MRI kayıt protokolü, solunum yolu hastalığı olan hastalar için daha iyi bakım, tedavi ve sonuçlara yönelik görüntü kılavuzlu müdahalelerin yanı sıra akciğer yapısının-fonksiyonunun daha fazla keşfedilmesini sağlayabilir.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D Dilimleyici	Brigham and Women's Hospital (BWH)	https://www.slicer.org/	Görüntü analizi/görselleştirme yazılımı; açık kaynak
kodlu ANTsPy	NA	https://github.com/ANTsX/ANTsPy	Kodlama altyapısı; açık kaynaklı
ITK-SNAP	NA		Görüntü analizi/görselleştirme yazılımı; açık kaynaklı
MAGNETOM Vida 3.0T MR	Siemens Healthineers	NA	Geniş bant görüntüleme özelliğine sahip herhangi bir 1.5 T veya 3.0 T tarayıcı olabilir
MATLAB	Mathworks	https://www.mathworks.com/products/matlab.html	Genel yazılım, görüntü analizi için iyi; NA NA reg.py abonelikle edinilebilir
			Kayıt komut dosyası (Ek Dosya 1)
Devrim HD CT tarayıcı	GE Sağlık	NA	&ge ile herhangi bir CT tarayıcı olabilir; 64 dedektör
VIDA Insights	VIDA Diagnostik A.Ş.	NA	CT analiz yazılımı; maske üretmek için herhangi biri olabilir