Yöntem makalesi

Üç Boyutlu Faz Çözümlü Fonksiyonel Akciğer Manyetik Rezonans Görüntüleme

DOI:

10.3791/66385

⸱

21 Haziran 2024

 ,  ,  , 
1Institute of Diagnostic and Interventional Radiology, Hannover Medical School, 2Biomedical Research in Endstage and Obstructive Lung Disease Hannover (BREATH), Member of the German Centre for Lung Research (DZL)

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Üç boyutlu (3D) faz çözümlü fonksiyonel akciğer (PREFUL), 8 dakika boyunca tidal solunum ve kontrast madde içermeyen edinim kullanarak tüm insan akciğer hacminin bölgesel ventilasyonunun ölçülmesine izin veren fonksiyonel bir manyetik rezonans görüntüleme (MRI) tekniğidir. Burada, 3D PREFUL görüntüleme verilerini toplamak ve analiz etmek için bir MR protokolü sunuyoruz.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Pulmoner manyetik rezonans görüntüleme (MRG), bölgesel akciğer ventilasyonunu veya vekillerini değerlendirmek için özel olarak tasarlanmış çeşitli radyasyonsuz teknikler sunar. Bu teknikler, hiperpolarize gaz MRG ve florlu gaz MRG ile örneklenen doğrudan ölçümlerin yanı sıra oksijenle güçlendirilmiş MRG ve proton bazlı Fourier ayrışması (FD) MRG ile kolaylaştırılan dolaylı ölçümleri kapsar. Son zamanlarda, FD MRG alanında, uzamsal/zamansal çözünürlüğün iyileştirilmesini, dizi tasarımının ve son işlemenin iyileştirilmesini ve kapsamlı bir tüm akciğer yaklaşımının geliştirilmesini içeren önemli ilerlemeler kaydedilmiştir.

İki boyutlu (2D) faz çözümlü fonksiyonel akciğer (PREFUL) MRG, bölgesel ventilasyon ve perfüzyon dinamiklerinin kapsamlı değerlendirmesi için geliştirilmiş FD tabanlı bir yaklaşım olarak öne çıkıyor ve hepsi tek bir MR edinimi içinde. Son zamanlarda, kendi kendine kapılı bir sekans ile 8 dakikalık muayene kullanarak tüm akciğerin dinamik ventilasyonunu değerlendirmek için 3D PREFUL'un geliştirilmesiyle yeni bir ilerleme kaydedilmiştir.

3D PREFUL edinimi, altın açı artışıyla bir yıldız yığını şımarık-gradyan-yankı dizisinin kullanılmasını içerir. Yaklaşık 40 solunum fazının sıkıştırılmış algılama görüntüsü rekonstrüksiyonunu takiben, solunumla çözülen tüm görüntüler sabit bir solunum fazına kaydedilir. Daha sonra, havalandırma parametreleri kayıtlı görüntülerden çıkarılır.

Sağlıklı gönüllüler ve kronik obstrüktif akciğer hastalığı olan hastalardan oluşan bir çalışma kohortunda, 3D PREFUL ventilasyon parametreleri solunum fonksiyon testlerinden elde edilen ölçümlerle güçlü korelasyonlar göstermiştir. Ek olarak, 3D PREFUL tekniğinin taramalar arası tekrarlanabilirliği kabul edilebilir olarak kabul edildi ve bu da aynı kişilerin tekrarlanan değerlendirmeleri için güvenilirliğini gösterdi.

Özetle, 3D PREFUL ventilasyon MRG, tüm akciğer kapsamını sağlar ve 2D'ye kıyasla gelişmiş uzamsal çözünürlükle ventilasyon dinamiklerini yakalar PREFUL. 3D PREFUL tekniği, hiperpolarize 129Xe MRG'ye uygun maliyetli bir alternatif sunarak, pulmoner ventilasyonun hasta dostu değerlendirmesi için çekici bir seçenek haline getirir.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dünya Sağlık Örgütü'ne (WHO) göre, kronik solunum yolu hastalıkları üçüncü önde gelen ölüm nedenidir ve sağlık hizmetleri üzerinde önemli bir yük oluşturur1. Çeşitli solunum yolu hastalıklarının tanısı ve izlenmesi, mekansal bilgi eksikliği olan ve genç hastalarda mümkün olmayabilen pulmoner fonksiyonel testleri içerir. Pozitron emisyon tomografisi (PET)2, tek foton emisyonlu bilgisayarlı tomografi (SPECT)3 veya bilgisayarlı tomografi4 gibi diğer birçok nükleer tıp modalitesi mekansal ventilasyon ölçümleri sağlar. Bu tekniklerin önemli bir dezavantajı, görüntüleme için iyonlaştırıcı radyasyonun kullanılmasıdır. Bu nedenle, bu ölçümler çocuklar gibi hassas popülasyonlarda veya klinik çalışmalarda tekrarlanan ölçümler için mümkün değildir.

Manyetik rezonans görüntüleme yöntemleri, solunum fonksiyonunun radyasyonsuz ölçümünü sağladıkları için son yirmi yılda ilgi görmeye başladı. Her şeyden önce, hiperpolarize gaz MRG teknikleri5, sağlıklı kontrollerde ve akciğer hastalığı olan hastalarda pulmoner ventilasyonun değerlendirilmesi için kullanılmış ve 19F6 veya oksijenle zenginleştirilmiş MRI7 ile karşılaştırıldığında üstün bir sinyal-gürültü (SNR) oranı elde edilmiştir. Gaz MRG tekniklerinin yaygın dezavantajları arasında ek personel gereksinimi, donanım maliyetleri veya nefes ölçümü sırasında hasta işbirliğine duyulan ihtiyaç yer alır. Bu sınırlamaları ele almak için, pulmoner ventilasyon ve perfüzyonu değerlendirmek için Fourier Ayrıştırması (FD) MRI8'e dayalı yöntemler tanıtılmıştır. FD MRG'ye alternatif olarak, faz çözümlü fonksiyonel akciğer (PREFUL) MRI9 geliştirildi, validated10,11,12 ve çok merkezli çalışmalar dahil olmak üzere çok sayıda çalışmada test edildi13,14. Bununla birlikte, 2D edinim, tam akciğer kapsamı ve sınırlı uzamsal çözünürlük için uzun çekim sürelerine neden olur. Perfüzyon information15,16,17 pahasına da olsa, kendi kendine kapılı 3D alımlarla zarif bir çözüm sunulur. Bu tekniklerden biri olan 3D PREFUL MRI17, 8 dakikalık bir MR incelemesi sırasında sadece statik ventilasyonu değil, aynı zamanda ventilasyon dinamiklerini de değerlendirmek için geliştirilmiştir ve 2D yöntemlere kıyasla üstün görüntü çözünürlüğü sağlar.

Metodu17'yi açıklayan orijinal yayının ardından, tekniğin tekrarlanabilirliği değerlendirildi ve klinik olarak iyi bilinen spirometrik ölçümler18 ile karşılaştırıldı ve daha yakın zamanda, ventilasyon parametrelerinin tekrarlanabilirliğini iyileştirirken ve ventilasyon maps19'un görüntü kalitesini korurken hızlandırılmış bir görüntü kayıt çerçevesi tanıtıldı. İnsan akciğerindeki bölgesel ventilasyonu kantitatif olarak haritalayabilen bu hasta dostu ve kolayca ölçeklenebilir teknik, solunum yolu hastalığının erken teşhisine, teşhisine veya tedavi etkilerinin takip izlemesine önemli ölçüde katkıda bulunma potansiyeline sahiptir20. İyileştirilmiş ventilasyon hacmi gibi bölgesel akciğer fonksiyonundaki bu tedavi değişiklikleri, tedavilerin etkisini değerlendirmek için biyobelirteç olma potansiyeline sahiptir ve çok merkezli klinik çalışmalarda yararlı bir araç olabilir.

Makale, bu tekniğin daha geniş bir çevirisini teşvik etmek amacıyla 3D PREFUL teknolojisinin kapsamlı ve görsel bir açıklamasını sağlamayı amaçlamaktadır.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışma, Hannover Tıp Fakültesi etik kurulundan onay almış ve araştırma süreci boyunca titiz etik standartlara bağlı kalmayı sağlamıştır. Soruşturma, tıbbi araştırmaların etik olarak yürütülmesini vurgulayan Helsinki Bildirgesi'nde belirtilen yönergeleri sıkı bir şekilde takip etti. Ek olarak, MRG incelemesine katılmadan önce tüm çalışma katılımcılarından (veya ebeveynlerinden veya yasal vasilerinden) özenle bilgilendirilmiş onam alınmıştır.

NOT: 3D PREFUL MRG içeren çalışmalar için dahil etme/çıkarma kriterleri değişiklik gösterir ve çalışma tasarımına bağlıdır. Tipik olarak, sağlıklı gönüllüler için bir 3D PREFUL MRG incelemesine dahil edilme kriterleri, (a) çalışma sonuçlarını etkileyebilecek herhangi bir önemli tıbbi durumdan arınmış, (b) MRG sonuçlarına müdahale edebilecek herhangi bir ilaç almayan, (c) klostrofobisi, anksiyetesi, metalik implantları veya cihazları olmayan, (d) çalışma hedefleriyle ilgili belirli yaş ve cinsiyet kriterlerini karşılayan, (e) sigara içme öyküsü olmaması, (f) normal spirometri bulgularına sahip olması (FEV1 / FVC > 0.7 ve hem FEV1













    1. figure-protocol-1




    6. figure-protocol-2

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

En basit 3D PREFUL görüntüleme protokolü iki dizi içerir. Bir anatomik lokalizatör + altın açılı 3D yıldız yığını elde etme kullanarak bir serbest solunum ölçümü. Yıldız yığınının yörüngesi Şekil 1'de gösterilmiştir. Bu yörünge, radyal örneklemeyi (düzlem içi) doğrusal kartezyen örneklemeyle (z yönünde) birleştirir. İlk olarak, kz bölme yönündeki örnekler elde edilir, ardından kxk y düzlemini örneklemek için altın açının döndürülmesi takip edilir. Altın açı elde etme şeması, k-uzayının tek tip kapsama alanıyla kendi kendine geçitlemeyi teşvik eder ve çok az örneklenmiş verilerle görüntü yeniden yapılandırmasını kolaylaştırır. Sınavın tamamı 10 dakikayı geçmez. 3D PREFUL satın alımıyla ilgili daha fazla ayrıntı Malzeme Tablosunda yer almaktadır.

figure-results-1
Şekil 1: Altın oran döndürülmüş yıldız yığını yörüngesi. Düzlem içi boyut (kx-ky) boyunca uygulanan radyal örneklemeyi ve dilim yönü (kz) boyunca uygulanan Kartezyen örneklemeyi not edin. Bu şema, elde edilen k-uzayının silindirik kapsama alanı ile sonuçlanır. Bu örnekte, bölüm başına 32 radyal projeksiyon dahil olmak üzere üç bölüm gösterilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

1.5 T tarayıcıda 3D PREFUL görüntüleme için kullanılan tipik MRG parametrelerinin bir listesi Tablo 1B'de sunulmuştur. 3T tarayıcı için, Tablo 2'de listelenen dizi parametreleri önerilmiştir.

Veri toplama ve veri aktarımı tamamlandıktan sonra görüntü yeniden yapılandırma kısmı başlar. Bu adım, bir şirketin (BioVisioneers GmbH) fikri mülkiyetine (IP) ait olan ve açık olarak paylaşılamayan bir MATLAB kodu ile yapılır. Ham verilere giden yol sağlandıktan sonra komut dosyası tamamen otomatikleştirilir. Yeniden yapılandırma prosedürünün şematik bir genel bakışı Şekil 2'de gösterilmiştir.

figure-results-2
Şekil 2: 3D Faz Çözümlü Fonksiyonel Akciğer (PREFUL) MRG yöntemine şematik genel bakış. İlk başta, veriler, bir yıldız yığını yörüngesi ile 8 dakikalık serbest nefes alan bir MR çekimi kullanılarak elde edilir. Veriler MR tarayıcıdan bir bilgi işlem ünitesine aktarıldıktan sonra, yaklaşık 100 ms zamansal çözünürlüğe sahip düşük çözünürlüklü 3D görüntüler yeniden oluşturulur. Her görüntünün akciğer parankimi bölümlere ayrılır ve akciğer hacmi hesaplanır. Akciğer hacmi bilgisi ayrıca bir geçit sinyali olarak kullanılır. Geçit sinyalinin genliğine ve fazına bağlı olarak, radyal çıkıntılar, bir solunum döngüsünü kapsayan solunum bölmelerine ayrılır. Gruplama kısmını, daha sonra inspiratuar son seviyeye kaydedilen tam çözünürlüklü görüntülerin dinamik olarak yeniden yapılandırılması takip eder. Birkaç işlem sonrası adımdan sonra, bölgesel ventilasyon (RVent) döngüsü hesaplanır ve parametre ekstraksiyonu da dahil olmak üzere görüntü analizi kısmı gerçekleştirilir. RVent döngüsü, her voksel için akış-hacim döngüsü (FVL) hesaplanarak değerlendirilir. FVL-CM ventilasyon haritaları, her bir voksel FVL'nin sağlıklı referans FVL'ye karşı değerlendirilmesi yoluyla çıkarılır ve benzerlik çapraz korelasyon metriği kullanılarak değerlendirilir. Hem RVent hem de FVL-CM için, küresel toplam ventilasyon kusuru yüzdesi (VDP) değerleri ölçüldü. Ayrıca, RVent döngüsünün dinamikleri, zirveye kadar geçen süre analizi yoluyla analiz edilir ve bu da bir ventilasyon zirveye kadar geçen süre (VTTP) parametre haritası ile sonuçlanır. Ek olarak, RVent döngüsünün P'sinde beklenen tepe ventilasyonun sapması VTTPDev haritasında ölçülür. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Görüntü yeniden yapılandırma prosedüründen sonra, tüm görüntüler uzamsal olarak tek bir sabit duruma hizalanır. Kaydın kendisi, Gelişmiş Normalleştirme Araçları (ANTs27) veya Forsberg kayıt package28 kullanılarak CPU üzerinde gerçekleştirilir. ANT paketi, MRI ve CT görüntülemede görüntü kayıt görevleri için altın standart olmaya devam ederken, Forsberg kaydı, karşılaştırılabilir sonuçlarla 9 dakikaya kadar 10 kat daha hızlı bir kayıt prosedürünü kolaylaştırır19. Kayıt paketi, kullanıcı önceliklerine ve mevcut bilgi işlem birimlerine bağlı olarak seçilebilir. Kayıt yapıldıktan sonra, kaydedilen morfolojik görüntüler, gri tonlamalı görüntüde akciğerin koyu görünmesi için tekrar ters çevrilir.

Şekil 3'te, akciğer parankimi segmentasyonunu içeren boru hattının bir sonraki adımı tasvir edilmiştir. İlk olarak, akciğer parankimi, nnUnet mimarisi29 ile evrişimli bir nöronal ağ kullanılarak inspiratuar son görüntüden bölümlere ayrılır. Akciğer parankimi segmentasyonunu, son segmentasyon maskesinden hariç tutulan bir damar tanıma30 takip eder.

figure-results-3
Şekil 3: 32 yaşında bir erkek denek için derin öğrenme tabanlı segmentasyonun örnek sonuçları. Üst sıra, sekiz temsili koronal dilimin morfolojik görüntülerini gösterir. İkinci ve üçüncü sıralarda, sırasıyla ilgili akciğer parankimi maskesi ve damarların dışlanmasıyla son maske gözlemlenebilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Yanlış akciğer parankimi segmentasyonunun bir örneği Şekil 4'te gösterilmiştir. Derin öğrenme tabanlı segmentasyonları görsel olarak incelemek önemlidir ve tatmin edici görülmezse, nihai akciğer parankimi maskesinin doğruluğunu artırmak için manuel düzeltmeler düşünülmelidir.

figure-results-4
Şekil 4: 57 yaşındaki bir erkek denek için yanlış derin öğrenme tabanlı segmentasyonun örnek sonuçları. Üst sıra, sekiz temsili koronal dilimin morfolojik görüntülerini gösterir. İkinci ve üçüncü sıralarda, sırasıyla ilgili akciğer parankimi maskesi ve damarların dışlanmasıyla son maske gözlemlenebilir. Açıkça görüldüğü gibi, birkaç fibrotik bölge hatalı bir şekilde damarlar veya pulmoner olmayan yapılar olarak kabul edilir. Bu yanlışlıklar, dördüncü satırda gösterildiği gibi manuel olarak düzeltilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Protokolde belirtilen birkaç filtreleme adımından sonra, ventilasyon vekilleri calculated. 3D PREFUL MRI, statik bölgesel ventilasyon (RVent), dinamik akış-hacim korelasyon metrikleri (FVL-CM) ve Şekil 5. Bu rakam, 32 yaşındaki sağlıklı bir erkeğin sekiz koronal dilimini sunmaktadır. Tüm ventilasyon parametrelerinin beklenen homojen dağılımına dikkat edin.

figure-results-5
Şekil 5: Sağlıklı bir gönüllünün (32 yaşında erkek) 3D PREFUL MRG'ı. Sağlıklı bir gönüllü (32 yaşında erkek) için temsili morfolojik (üst sıra) ve 3D PREFUL MRG ventilasyon parametreleri (ikinci ila beşinci sıra) haritaları. Statik bölgesel ventilasyon, bölgesel ventilasyon (RVent) ile temsil edilirken, ventilasyon dinamikleri, akış-hacim döngü korelasyonu metriği (FVL-CM) kullanılarak değerlendirilirken, ventilasyon zirveye ulaşma süresi (VTTP) ve VTTP sapması (VTTPDev), ventilasyon dinamiklerini değerlendiren ventilasyon parametrelerini temsil eder. Beklendiği gibi, tüm ventilasyon parametre haritaları için homojen ventilasyon değerlerine uyulur. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Ventilasyon haritalarını basitleştirmek için, sonuçların daha hızlı yorumlanmasını sağlayan RVent ve FVL-CM için ventilasyon kusuru (VD) haritaları türetilmiştir. Örnek VD haritaları Şekil 6'da sunulmuştur. Hem VDRVent hem de VDFVL-CM için VDP değerleri sırasıyla %3.6 ve %3.0 olarak bulundu ve sağlıklı normal aralıkta bulundu. İdeal olarak ve sağlıklı gönüllülerin yaşına bağlı olarak, VDP değeri 'u geçmemelidir. Yukarıda belirtilen parametreler (RVent, FVL-CM ve VD haritaları) çeşitli çalışmalarda doğrulanmıştır11,12,35,36 ve hastalığın tespitinde ve tedaviye bağlı etkilerin tespitinde hassastır20,34,37,38,39.

figure-results-6
Şekil 6: Ventilasyon kusur haritaları da dahil olmak üzere temsili RVent ve FVL-CM haritaları. Sağlıklı bir gönüllü (32 yaşında erkek) için 3D PREFUL MRG ile türetilen ventilasyon kusur haritaları (üçüncü ve dördüncü sıra) dahil olmak üzere RVent (üst sıra) ve FVL-CM (ikinci sıra) haritaları tasvir edilmiştir. VD haritalarında sağlıklı bölgeler yeşil, havalandırma açığı olan bölgeler ise kırmızı ile işaretlenmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Hem 1.5 T hem de 3 T manyetik alan kuvvetlerinde çeşitli pulmoner MRG çalışmaları bildirilmiştir. Artan sinyal-gürültü oranı (SNR) nedeniyle 3T'nin teorik avantajı olsa da, bu avantaj 3T'de daha belirgin manyetik duyarlılık etkileri ile ağır basabilir. Manyetik alan kuvvetlerinin 3D PREFUL havalandırma haritalarının görüntü kalitesi üzerindeki kesin etkisi şu anda bilinmemektedir. Burada, 3 T MR tarayıcı kullanılarak sağlıklı bir gönüllü (35 yaşında erkek) için elde edilen fizibilite sonuçlarını (Şekil 7) sunuyoruz. 1,5 T ile karşılaştırıldığında 3 T'de ventilasyon parametrelerinin daha heterojen görünümüne dikkat edin (Şekil 5).

figure-results-7
Şekil 7: Sağlıklı bir gönüllünün (35 yaşında erkek) 3D PREFUL MRG'ı. 3T'de sağlıklı bir gönüllü (35 yaşında erkek) için temsili morfolojik (üst sıra) ve 3D PREFUL MRG ventilasyon parametreleri (ikinci ila beşinci sıra) haritaları. Statik bölgesel ventilasyon, bölgesel ventilasyon (RVent) ile temsil edilirken, ventilasyon dinamikleri, akış-hacim döngü korelasyonu metriği (FVL-CM) kullanılarak değerlendirilirken, ventilasyon zirveye ulaşma süresi (VTTP) ve VTTP sapması (VTTPDev), ventilasyon dinamiklerini değerlendiren ventilasyon parametrelerini temsil eder. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Daha doğrudan ölçümlerle türetilen 3D PREFUL'un karşılaştırılması/doğrulanması şu anda yayınlanmamıştır. 2D PREFUL tekniği ile 129Xe11,12,14 ve 19 F MRI35 arasında VDP değerleri ile ventilasyon kusurlarının mekansal örtüşmesi arasında pozitif bir korelasyon olduğunu bildiren birkaç çalışma vardır. Kronik obstrüktif akciğer hastalığı (KOAH), astım ve sağlıklı gönüllüleri olan hastalarda 19F MRG kullanılarak 3D PREFUL türevi ventilasyon ve doğrudan ventilasyon ölçümleri arasında yakın zamanda yapılan bir karşılaştırma, küresel düzeyde orta ila güçlü bir korelasyon ortaya çıkardı40. Kronik obstrüktif akciğer hastalığı tanısı alan bir hasta (54 yaşında kadın, FEV1 = B tahmin edilen değer) için 3D PREFUL ve 19F yıkama MRG kullanılarak incelenen örnek bir karşılaştırma (Şekil 8) sunulmuştur.

figure-results-8
Şekil 8: 54 yaşında bir kadın KOAH hastasının 3D PREFUL MRG'ı. 54 yaşında bir kadın KOAH hastasının (FEV1 = B pred., FVC = 2 pred.), 3D PREFUL MRG (2. ve 3. sıra) ve 19

figure-results-9

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

En kritik tuzaklardan biri satın almanın kendisidir. MR sekansı parametrelerinin doğru şekilde ayarlandığından emin olmak için özen gösterilmelidir. Daha da önemlisi, yankı süresi, tekrarlama süresi, dilim sayısı, matris boyutu ve piksel bant genişliği çok önemli parametrelerdir. Önerilen ayarlardan sapmalar, yetersiz zamansal çözünürlüğe veya uzun süreli alımlara neden olabilir. Ayrıca, verilerin değerlendirilmek üzere seçilen bilgisayara veya sunucuya eksiksiz olarak iletilmesini sağlamak için veri aktarımı önemlidir. Elde edilen verilere giden yol ayarlandıktan sonra veri değerlendirmesi tamamen otomatik olarak ilerler. İşlem sonrası, geriye dönük gruplamanın çok önemli bir rol oynadığı görüntünün yeniden yapılandırılmasıyla başlar. Solunum düzeninin net bir şekilde tasvir edilmesini sağlamak için gruplama sinyalinin doğrulanması önerilir. Gruplama sinyalini inceledikten sonra, algoritmanın kendisi aykırı değerleri (95. yüzdelik dilimin üzerindeki ve 10. yüzdelik dilimin altındaki veri noktaları) hariç tutarak zayıf solunum modellerini ele aldığından, ek adımlara gerek yoktur. Görüntü yeniden yapılandırmasından sonra, görüntü kayıt işlemi gerçekleşir. Bu adım şu şekilde doğrulanmalıdır: kaydedilen görüntülerde solunum ve kalp hareketi olmamalıdır. Spesifik olarak, diyafram ve kalbin pozisyonları 'dondurulmalıdır'. Bir sonraki adım, akciğer parankiminin ve damarlarının derin öğrenmeye dayalı segmentasyonunu içerir. Bu segmentasyon işlemi, tüm 3D akciğer hacmi için oldukça zaman alıcıdır; dolayısıyla yapay zeka tabanlı araçların kullanılması faydalıdır. Ancak çevresel konsolidasyonların meydana gelmesi gibi bazı durumlarda bu algoritmalar doğru sonuçlar vermeyebilir. Sonuç olarak, segmentasyon maskesi iyice kontrol edilmeli ve gerekirse manuel olarak düzeltilmelidir. Tüm bu adımlar havalandırma parametrelerinin değerlendirilmesi için kritik öneme sahiptir ve yanlış hesaplamalara neden olabilir.

Orijinal yayından17 bu yana, 3D PREFUL tekniğinde çeşitli geliştirmeler yapılmıştır. Elde edilen radyal projeksiyonların sıralama algoritması tamamen otomatikleştirilmiş ve geliştirilmiştir, böylece tüm akciğer Otsu'nun eşikleme yöntemi kullanılarak bölümlere ayrılır ve verileri solunum fazlarına gruplamak için bir navigatör sinyali olarak kullanılır. Ayrıca, manuel akciğer parankiminin ve damar segmentasyonunun yerini, zaman alan prosedürleri azaltmak için tam otomatik derin öğrenme tabanlı algoritmalar almıştır. Ek olarak, Forsberg kayıt araç kutusu uygulanırsa, görüntü kaydı bölümünün işlem süresi 10 dakikaya kadar azaltılabilir19. Önceki gelişmelerle birlikte, uygulanan kod, iki zaman noktasının (takip ölçümleri) görüntülerini birlikte kaydetmeyi ve hastalığın voksel ilerlemesini veya tedaviye bağlı ventilasyon değişikliklerini20 değerlendirmeyi sağlar. Matlab betiğinin mevcut sürümü herhangi bir kullanıcı etkileşimi gerektirmez ve gelecekte belirli bayraklarla verilerin otomatik olarak işlenmesi için bir boru hattında uygulanabilir.

3D PREFUL'un ana dezavantajı, uyarma için seçici olmayan bir sert RF darbesi kullanıldığında içeri akış etkisi yakalanamadığından, yerel kan akışı ölçümünün mümkün olmamasıdır. İkinci olarak, şu anda, tüm son işleme (veri aktarımı, görüntü rekonstrüksiyonu, görüntü kaydı ve havalandırma analizi dahil) her denek için 2 saat gerektirmektedir. Üçüncüsü, şu anda, 3D PREFUL'dan türetilen ventilasyon parametrelerinin daha doğrulanmış tekniklerle yalnızca bir ön karşılaştırması gösterilmiştir40. Dördüncüsü, elde edilen verilerin değerlendirilmesi yüksek performanslı bir bilgisayarda gerçekleştirilir; bu nedenle, sonuçlar konsoldaki hekime doğrudan sunulmaz. Beşinci olarak, 3D PREFUL'un farklı saha güçleri ve çeşitli tarayıcı satıcıları üzerinde fizibilite çalışmaları eksiktir.

3D Faz Çözümlü Fonksiyonel Akciğer (PREFUL) MRG, serbest solunum sırasında tüm insan akciğerinin bölgesel ventilasyon dinamiklerinin kantitatif haritalanmasına izin verir17. 3D PREFUL'un spirometri veya çoklu nefes yıkama teknikleri gibi uygun maliyetli birkaç alternatifi vardır; Bununla birlikte, her ikisi de uzamsal bilgiden yoksundur ve nefes alma manevraları gerektirir ve bu nedenle küçük çocuklar veya yenidoğanlar için uygun değildir. Alternatif görüntüleme yöntemleri, hastaları nükleer tıp yöntemleri BT gibi iyonlaştırıcı radyasyona maruz bırakır veya yaygın olarak bulunmaz (MRI kullanılarak hiperpolarize 129Xe veya 19F gaz görüntüleme). 3D PREFUL, ventilasyon dinamiklerinin bir değerlendirmesini sağlar, standart bir klinik tarayıcı kullanılarak gerçekleştirilebilir ve kontrast madde gerektirmez, bu da onu bir klinik araştırma ortamına çevrilmeyi çekici kılar. 3D PREFUL'un radyasyon veya kontrast madde kullanımını gerektirmemesi ve hasta dostu, serbest nefes alma olanağı sunması, tedaviye bölgesel yanıtları kantitatif olarak değerlendiren tekrarlı veya boylamsal çalışmalar için çok uygun olmasını sağlar. İkinci olarak, akciğer ventilasyonunun 3D PREFUL değerlendirmesi, radyasyona maruz kalmaktan kaçınılması gereken küçük çocuklarda özellikle değerli olabilir.

3D PREFUL'un insan akciğerinin fonksiyonel ventilasyon görüntülerini oluşturma yeteneği, erken teşhis potansiyeli taşır. Spesifik olarak, tekrarlanabilir ve kantitatif bölgesel ventilasyon haritaları üretme yeteneği, örneğin hastalığın ilerlemesi veya tedavi etkilerinin izlenmesi gibi boylamsal çalışmalara izin verir. Ayrıca, ventilasyon dinamikleri hakkındaki bölgesel bilgiler, solunum fonksiyon testleri ile saptanamayan akciğer hastalığına bağlı erken değişikliklere karşı daha fazla duyarlılık sağlayabilir.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Filip Klimeš, Andreas Voskrebenzev ve Jens Vogel-Claussen, pulmoner manyetik rezonans görüntüleme yöntemleriyle ilgilenen bir şirket olan BioVisioneers GmbH'nin hissedarlarıdır.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışma Alman Akciğer Araştırmaları Merkezi (DZL) tarafından finanse edilmiştir. Yazarlar, meslektaşlarıyla, özellikle Marcel Gutberlet, Agilo Kern, Lea Behrendt, Arnd Obert, Julian Glandorf, Till Kaireit, Tawfik Moher Alsady, Gesa Pöhler, Maximilian Zubke, Robin Müller, Marius Wernz, Cristian Crisosto, Milan Speth, Julienne Scheller ve Sonja Lüdiger ile yapılan bir dizi yararlı tartışmadan yararlandılar. Yazarlar, MR görüntüleme dizisini yazdığı için Robert Grimm'e (Siemens Healthineers) teşekkür eder ve ayrıca yazarlar, MRG incelemelerinin gerçekleştirilmesinde olağanüstü teknik yardım için Radyoloji Bölümü'nden (Hannover Tıp Fakültesi) Frank Schröder ve Sven Thiele'ye teşekkür eder.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
ANT'lerAçık kaynaklı tıbbi görüntü analizi araştırma topluluğuGörüntü kayıt araç kutusu
BARTAçık kaynaklı görüntülemehttps://www.opensourceimaging.org/project/berkeley-advanced-reconstruction-toolbox-bart/Görüntü rekonstrüksiyon araç kutusu
Vücut bobiniSiemens / Philips / GE https://www.siemens-healthineers.com/en-us/magnetic-resonance-imaging/options-and-upgrades/coilsEn az 6 kanallı gövde bobini; Philips [https://www.usa.philips.com/healthcare/solutions/magnetic-resonance/coils-overview ]
ForsbergGörüntü kayıt araç kutusuhttps://github.com/fordanic/image-registrationGörüntü kayıt araç kutusu
Görüntü rekonstrüksiyon koduBioVisioneers GmbHwww.biovisioneers.comMR rekonstrüksiyonu ve analizi için yazılım
MatlabMathworksYazılım
MRISiemens / Philips / GE https://www.siemens-healthineers.com/magnetic-resonance-imagingPhilips [https://www.philips.co.in/healthcare/solutions/magnetic-resonance], GE [https://www.gehealthcare.com/products/magnetic-resonance-imaging]; 1.5 T / 3 T
DizisiSiemens / Philips / GEMRI dizisi, yıldız yığını yörüngesi ve altın açı artışı ile 3D gradyan yankı dizisi; 1. Siemens kavrama-titreşim dizisi - https://t.ly/P31kM , 2. Philips Multi Vane XD Dizisi https://t.ly/wMWZZ, 3. GE Lava-Star, Disko Yıldızı - https://t.ly/vimm2

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. https://www.who.int/health-topics/chronic-respiratory-diseases#tab=tab_1 (2021).">Chronic respiratory diseases. World Health Organization. , Available from: https://www.who.int/health-topics/chronic-respiratory-diseases#tab=tab_1 (2021).
  2. Topographical distribution of pulmonary perfusion and ventilation, assessed by PET in supine and prone humans. J Appl Physiol. 93 (5), 1841-1851 (2002).">Musch, G., et al. Topographical distribution of pulmonary perfusion and ventilation, assessed by PET in supine and prone humans. J Appl Physiol. 93 (5), 1841-1851 (2002).
  3. Physiological imaging of the lung: single-photon-emission computed tomography (SPECT). J Appl Physiol. 102 (1), 468-476 (2007).">Petersson, J., Sánchez-Crespo, A., Larsson, S. A., Mure, M. Physiological imaging of the lung: single-photon-emission computed tomography (SPECT). J Appl Physiol. 102 (1), 468-476 (2007).
  4. Evaluation of fractional regional ventilation using 4D-CT and effects of breathing maneuvers on ventilation. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 87 (4), 825-831 (2013).">Mistry, N. N., et al. Evaluation of fractional regional ventilation using 4D-CT and effects of breathing maneuvers on ventilation. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 87 (4), 825-831 (2013).
  5. Hyperpolarized 3 He and 129 Xe MR imaging in healthy volunteers and patients with chronic obstructive pulmonary disease. Radiology. 265 (2), 600-610 (2012).">Kirby, M., et al. Hyperpolarized 3 He and 129 Xe MR imaging in healthy volunteers and patients with chronic obstructive pulmonary disease. Radiology. 265 (2), 600-610 (2012).
  6. Imaging lungs using inert fluorinated gases. Magn Reson Med. 39 (1), 85-88 (1998).">Kuethe, D. O., Caprihan, A., Fukushima, E., Waggoner, R. A. Imaging lungs using inert fluorinated gases. Magn Reson Med. 39 (1), 85-88 (1998).
  7. Dynamic oxygen-enhanced MRI versus quantitative CT: Pulmonary functional loss assessment and clinical stage classification of smoking-related COPD. Am J Roentgenol. 190 (2), W93-W99 (2008).">Ohno, Y., et al. Dynamic oxygen-enhanced MRI versus quantitative CT: Pulmonary functional loss assessment and clinical stage classification of smoking-related COPD. Am J Roentgenol. 190 (2), W93-W99 (2008).
  8. Non-contrast-enhanced perfusion and ventilation assessment of the human lung by means of fourier decomposition in proton MRI. Magn Reson Med. 62 (3), 656-664 (2009).">Bauman, G., et al. Non-contrast-enhanced perfusion and ventilation assessment of the human lung by means of fourier decomposition in proton MRI. Magn Reson Med. 62 (3), 656-664 (2009).
  9. Feasibility of quantitative regional ventilation and perfusion mapping with phase-resolved functional lung (PREFUL) MRI in healthy volunteers and COPD, CTEPH, and CF patients. Magn Reson Med. 79 (4), 2306-2314 (2018).">Voskrebenzev, A., et al. Feasibility of quantitative regional ventilation and perfusion mapping with phase-resolved functional lung (PREFUL) MRI in healthy volunteers and COPD, CTEPH, and CF patients. Magn Reson Med. 79 (4), 2306-2314 (2018).
  10. Validation of automated perfusion-weighted phase-resolved functional lung (PREFUL)-MRI in patients with pulmonary diseases. J Magn Reson Imaging. 52 (1), 103-114 (2020).">Behrendt, L., et al. Validation of automated perfusion-weighted phase-resolved functional lung (PREFUL)-MRI in patients with pulmonary diseases. J Magn Reson Imaging. 52 (1), 103-114 (2020).
  11. Flow volume loop and regional ventilation assessment using phase-resolved functional lung (PREFUL) MRI: Comparison with 129Xenon ventilation MRI and lung function testing. J Magn Reson Imaging. 53 (4), 1092-1105 (2021).">Kaireit, T. F., et al. Flow volume loop and regional ventilation assessment using phase-resolved functional lung (PREFUL) MRI: Comparison with 129Xenon ventilation MRI and lung function testing. J Magn Reson Imaging. 53 (4), 1092-1105 (2021).
  12. Comparison of functional free-breathing pulmonary 1H and hyperpolarized 129Xe magnetic resonance imaging in pediatric cystic fibrosis. Acad Radiol. 28 (8), e209-e218 (2020).">Couch, M. J., et al. Comparison of functional free-breathing pulmonary 1H and hyperpolarized 129Xe magnetic resonance imaging in pediatric cystic fibrosis. Acad Radiol. 28 (8), e209-e218 (2020).
  13. Validation of automated perfusion-weighted phase-resolved functional lung (PREFUL)-MRI in patients with pulmonary diseases. J Magn Reson Imaging. 52 (1), 103-114 (2019).">Behrendt, L., et al. Validation of automated perfusion-weighted phase-resolved functional lung (PREFUL)-MRI in patients with pulmonary diseases. J Magn Reson Imaging. 52 (1), 103-114 (2019).
  14. 129Xe and free-breathing 1H ventilation MRI in patients with cystic fibrosis: A dual-center study. J Magn Reson Imaging. 57 (6), 1908-1921 (2022).">Marshall, H., et al. 129Xe and free-breathing 1H ventilation MRI in patients with cystic fibrosis: A dual-center study. J Magn Reson Imaging. 57 (6), 1908-1921 (2022).
  15. UTE-SENCEFUL: first results for 3D high-resolution lung ventilation imaging. Magn Reson Med. 81 (4), 2464-2473 (2018).">Mendes Pereira, L., et al. UTE-SENCEFUL: first results for 3D high-resolution lung ventilation imaging. Magn Reson Med. 81 (4), 2464-2473 (2018).
  16. 3D magnetic resonance spirometry. Sci Rep. 10 (1), 16012(2020).">Boucneau, T., Fernandez, B., Larson, P., Darrasse, L., Maître, X. 3D magnetic resonance spirometry. Sci Rep. 10 (1), 16012(2020).
  17. 3D phase-resolved functional lung ventilation MR imaging in healthy volunteers and patients with chronic pulmonary disease. Magn Reson Med. 85 (2), 912-925 (2021).">Klimeš, F., et al. 3D phase-resolved functional lung ventilation MR imaging in healthy volunteers and patients with chronic pulmonary disease. Magn Reson Med. 85 (2), 912-925 (2021).
  18. Repeatability of dynamic 3D phase-resolved functional lung (PREFUL) ventilation MR Imaging in patients with chronic obstructive pulmonary disease and healthy volunteers. J Magn Reson Imaging. 54 (2), 618-629 (2021).">Klimeš, F., et al. Repeatability of dynamic 3D phase-resolved functional lung (PREFUL) ventilation MR Imaging in patients with chronic obstructive pulmonary disease and healthy volunteers. J Magn Reson Imaging. 54 (2), 618-629 (2021).
  19. Evaluation of image registration algorithms for 3D phase-resolved functional lung ventilation magnetic resonance imaging in healthy volunteers and chronic obstructive pulmonary disease patients. NMR Biomed. 36 (3), e4860(2022).">Klimeš, F., Voskrebenzev, A., Gutberlet, M., Grimm, R., Wacker, F., Vogel-Claussen, J. Evaluation of image registration algorithms for 3D phase-resolved functional lung ventilation magnetic resonance imaging in healthy volunteers and chronic obstructive pulmonary disease patients. NMR Biomed. 36 (3), e4860(2022).
  20. Effect of CFTR modulator therapy with elexacaftor/tezacaftor/ivacaftor on pulmonary ventilation derived by 3D phase-resolved functional lung MRI in cystic fibrosis patients. Eur Radiol. 34 (1), 80-89 (2024).">Klimeš, F., et al. Effect of CFTR modulator therapy with elexacaftor/tezacaftor/ivacaftor on pulmonary ventilation derived by 3D phase-resolved functional lung MRI in cystic fibrosis patients. Eur Radiol. 34 (1), 80-89 (2024).
  21. Simple auto-calibrated gradient delay estimation from few spokes using Radial Intersections (RING). Magn Reson Med. 81 (1), 1898-1906 (2019).">Rosenzweig, S., Holme, H. C. M., Uecker, M. Simple auto-calibrated gradient delay estimation from few spokes using Radial Intersections (RING). Magn Reson Med. 81 (1), 1898-1906 (2019).
  22. Berkeley advanced reconstruction toolbox. Proc Intl Soc Mag Reson Med. 23 (1), 2486(2015).">Uecker, M., et al. Berkeley advanced reconstruction toolbox. Proc Intl Soc Mag Reson Med. 23 (1), 2486(2015).
  23. A threshold selection method from gray-level histograms. IEEE Trans Syst Man Cybern. 9 (1), 62-66 (1979).">Otsu, N. A threshold selection method from gray-level histograms. IEEE Trans Syst Man Cybern. 9 (1), 62-66 (1979).
  24. k-Space weighted image contrast (KWIC) for contrast manipulation in projection reconstruction MRI. Magn Reson Med. 44 (6), 825-832 (2000).">Song, H. K., Dougherty, L. k-Space weighted image contrast (KWIC) for contrast manipulation in projection reconstruction MRI. Magn Reson Med. 44 (6), 825-832 (2000).
  25. Dynamic MRI with projection reconstruction and KWIC processing for simultaneous high spatial and temporal resolution. Magn Reson Med. 52 (4), 815-824 (2004).">Song, H. K., Dougherty, L. Dynamic MRI with projection reconstruction and KWIC processing for simultaneous high spatial and temporal resolution. Magn Reson Med. 52 (4), 815-824 (2004).
  26. Low-pass imaging of dynamic acquisitions (LIDA) with a group-oriented registration (GOREG) for proton MR imaging of lung ventilation. Magn Reson Med. 78 (4), 1496-1505 (2017).">Voskrebenzev, A., Gutberlet, M., Kaireit, T. F., Wacker, F., Vogel-Claussen, J. Low-pass imaging of dynamic acquisitions (LIDA) with a group-oriented registration (GOREG) for proton MR imaging of lung ventilation. Magn Reson Med. 78 (4), 1496-1505 (2017).
  27. A reproducible evaluation of ANTs similarity metric performance in brain image registration. Neuroimage. 54 (3), 2033-2044 (2011).">Avants, B. B., Tustison, N. J., Song, G., Cook, P. A., Klein, A., Gee, J. C. A reproducible evaluation of ANTs similarity metric performance in brain image registration. Neuroimage. 54 (3), 2033-2044 (2011).
  28. https://github.com/fordanic/image-registration (2014).">Forsberg, D. fordanicimage-registration. , Available from: https://github.com/fordanic/image-registration (2014).
  29. nnU-Net: a self-configuring method for deep learning-based biomedical image segmentation. Nat Methods. 18 (2), 203-211 (2021).">Isensee, F., Jaeger, P. F., Kohl, S. A. A., Petersen, J., Maier-Hein, K. H. nnU-Net: a self-configuring method for deep learning-based biomedical image segmentation. Nat Methods. 18 (2), 203-211 (2021).
  30. Influence of lung vessel segmentation on the reproducibility of PREFUL MRI. Proc IWPFI. 10 (1), 73(2022).">Wernz, M., et al. Influence of lung vessel segmentation on the reproducibility of PREFUL MRI. Proc IWPFI. 10 (1), 73(2022).
  31. Guided image filtering. IEEE Trans Pattern Anal Mach Intell. 35 (6), 1397-1409 (2013).">He, K., Sun, J., Tang, X. Guided image filtering. IEEE Trans Pattern Anal Mach Intell. 35 (6), 1397-1409 (2013).
  32. Free-breathing quantification of regional ventilation derived by phase-resolved functional lung (PREFUL) MRI. NMR Biomed. 32 (6), e4088(2019).">Klimeš, F., et al. Free-breathing quantification of regional ventilation derived by phase-resolved functional lung (PREFUL) MRI. NMR Biomed. 32 (6), e4088(2019).
  33. Repeatability of phase-resolved functional lung (PREFUL)-MRI ventilation and perfusion parameters in healthy subjects and COPD patients. J Magn Reson Imaging. 53 (3), 915-927 (2020).">Pöhler, G. H., et al. Repeatability of phase-resolved functional lung (PREFUL)-MRI ventilation and perfusion parameters in healthy subjects and COPD patients. J Magn Reson Imaging. 53 (3), 915-927 (2020).
  34. MRI-derived regional flow-volume loop parameters detect early-stage chronic lung allograft dysfunction. J Magn Reson Imaging. 50 (6), 1873-1882 (2019).">Moher Alsady, T., et al. MRI-derived regional flow-volume loop parameters detect early-stage chronic lung allograft dysfunction. J Magn Reson Imaging. 50 (6), 1873-1882 (2019).
  35. Comparison of quantitative regional ventilation-weighted fourier decomposition MRI with dynamic fluorinated gas washout MRI and lung function testing in COPD patients. J Magn Reson Imaging. 47 (6), 1534-1541 (2018).">Kaireit, T. F., et al. Comparison of quantitative regional ventilation-weighted fourier decomposition MRI with dynamic fluorinated gas washout MRI and lung function testing in COPD patients. J Magn Reson Imaging. 47 (6), 1534-1541 (2018).
  36. Inter- and intravisit repeatability of free-breathing MRI in pediatric cystic fibrosis lung disease. Magn Reson Med. 89 (5), 2048-2061 (2023).">Munidasa, S., et al. Inter- and intravisit repeatability of free-breathing MRI in pediatric cystic fibrosis lung disease. Magn Reson Med. 89 (5), 2048-2061 (2023).
  37. Free-breathing low-field MRI of the lungs detects functional alterations associated with persistent symptoms after COVID-19 infection. Invest Radiol. 57 (1), 742-751 (2022).">Lévy, S., et al. Free-breathing low-field MRI of the lungs detects functional alterations associated with persistent symptoms after COVID-19 infection. Invest Radiol. 57 (1), 742-751 (2022).
  38. Detection of chronic lung allograft dysfunction using ventilation-weighted Fourier decomposition MRI. Am J Transplant. 18 (8), 2050-2060 (2018).">Voskrebenzev, A., et al. Detection of chronic lung allograft dysfunction using ventilation-weighted Fourier decomposition MRI. Am J Transplant. 18 (8), 2050-2060 (2018).
  39. PREFUL MRI depicts dual bronchodilator changes in COPD: A Retrospective analysis of a randomized controlled trial. Radiol Cardiothorac Imaging. 4 (2), e210147(2022).">Voskrebenzev, A., et al. PREFUL MRI depicts dual bronchodilator changes in COPD: A Retrospective analysis of a randomized controlled trial. Radiol Cardiothorac Imaging. 4 (2), e210147(2022).
  40. Comparison of free-breathing 3D phase-resolved functional lung (PREFUL) MRI with dynamic 19F ventilation MRI in patients with obstructive lung disease and healthy volunteers. J Magn Reson Imaging. , (2024).">Klimeš, F., et al. Comparison of free-breathing 3D phase-resolved functional lung (PREFUL) MRI with dynamic 19F ventilation MRI in patients with obstructive lung disease and healthy volunteers. J Magn Reson Imaging. , (2024).

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Functional Lung MRIPhase Resolved MRIThree Dimensional PREFULRegional VentilationVentilation Defect MapsCompressed SensingDeep Learning ReconstructionLung Parenchyma SegmentationVentilation DynamicsPulmonary Function Tests

İlgili makaleler