Multimodal Sertlik-Yapısal Füzyon Görüntüleme ile Hassas Non-İnvaziv Karaciğer Sirozu Kantifikasyonu

Özet

Geleneksel Manyetik Rezonans Elastografisi, sertliği ve yapısal görüntüleri ayırır ve manuel ROI tanımlaması ve radyolog girişi gerektirir. Bu çalışma, sertlik-yapısal füzyon görüntüleri ve karaciğer sertliği dağılım istatistikleri üretmek için her iki görüntü tipini birleştiren, doğru siroz evrelemesini destekleyen ve karaciğer sertliği dağılımına dayalı radyomik analizi mümkün kılan multimodal bir füzyon yöntemini tanıtmaktadır.

Özet

Geleneksel Manyetik Rezonans Elastografi (MRE), sertliği ve yapısal görüntüleri ayrı ayrı sunar ve karaciğer sertliği değerlendirmesi için manuel ROI tanımlaması gerektirir. Bu, gözlemci değişkenliğine neden olur ve tüm karaciğer sertliği dağılım modellerini doğru bir şekilde temsil edemeyen önemli lezyonları gözden kaçırabilir. Bu çalışma, sertlik haritalarını yapısal görüntülerle entegre eden multimodal görüntü füzyonunu uyguladı: (1) optimize edilmiş T1 ağırlıklı görüntüleme (TR/TE = 157.62/1.17 ms) ve MRE (60 Hz titreşimler) ile 3.0T MRG'de edinim; (2) DICOM verilerinin 3D hacimler halinde hesaplamalı ön işlemesi; (3) kesin ortak kayıt ve füzyon hesaplaması; ve (4) farklı siroz aşamalarında kantitatif karaciğer sertliği dağılım analizi. Sertlik-yapısal füzyon görüntüleme tekniği, anatomik yapıları sertlik modelleriyle tek bir görselleştirmede entegre ederek karaciğer morfolojisinin ve sertlik dağılımının aynı anda değerlendirilmesini sağladı. Karşılaştırmalı analiz, sirotik hastalar ve sağlıklı kontroller arasında net bir ayrım olduğunu ve sirotik karaciğerlerin ileri fibroz oranlarının önemli ölçüde daha yüksek olduğunu ortaya koydu. Bu teknik, manuel ROI yerleştirmeden kaynaklanan değişkenliği ortadan kaldırdı ve kapsamlı tüm karaciğer değerlendirmesi için standart bir çerçeve oluşturdu. Sertlik-yapısal füzyon görüntüleme tekniği, hassas anatomik korelasyon ile karaciğer sertliğinin kapsamlı bir şekilde görselleştirilmesini sağlar ve geleneksel MRE'ye kıyasla tanısal doğruluğu potansiyel olarak artırır. Bu yaklaşım, gözlemci değişkenliğini ortadan kaldırır, standartlaştırılmış tüm karaciğer değerlendirmesini mümkün kılar ve hastalığın ilerlemesini ve tedavi yanıtını izlemek için kantitatif bir çerçeve oluştururken, klinisyen-hasta iletişimini kolaylaştırır ve karaciğer sirozu evrelemesinde ileri radyomikler için bir temel sunar.

Giriş

Karaciğer sirozu, optimal hasta yönetimi ve tedavi planlaması için doğru evreleme çok önemli olan önemli bir küresel sağlık sorununu temsil etmektedir ^1,2. Manyetik Rezonans Elastografi (MRE), karaciğer sirozu değerlendirmesi için değerli bir non-invaziv teknik olarak ortaya çıkmıştır ve doğal örnekleme hatası riskleri ve hasta rahatsızlığı taşıyan invaziv biyopsi prosedürlerine göre avantajlar sunmaktadır ^3,4,5. Bununla birlikte, konvansiyonel MRE yaklaşımları, klinik uygulamada tanısal doğruluğu ve iş akışı verimliliğini etkileyen önemli sınırlamalar sunmaktadır.

Geleneksel MRE metodolojileri tipik olarak sertlik haritalarını ve yapısal görüntüleri ayrı varlıklar olarak sunar ve klinisyenlerin anatomik özellikleri farklı görüntü serilerindeki sertlik modelleriyle zihinsel olarak ilişkilendirmesini gerektirir ^5,6. Bu yaklaşım, karaciğer sertliği ölçümü için manuel ilgi alanı (ROI) yerleştirmesini gerektirir ve önemli ölçüde gözlemciler arası değişkenlik ve potansiyel örnekleme yanlılığı^{sunar 7,8}. Ayrıca, konvansiyonel ROI tabanlı yaklaşım, kronik karaciğer hastalığı ilerlemesinde parankimal heterojenliğin prognostik önemini vurgulayan son literatürde vurgulandığı gibi, karaciğer sertliği dağılımının heterojen doğasını yakalayamamaktadır ^9,10. Tüm karaciğer sertliği dağılımının kapsamlı bir şekilde görselleştirilememesi ve ölçülememesi, ileri radyomik analizi ve kesin hastalık karakterizasyonu için önemli bir engel teşkil etmektedir.

Karaciğer sirozu değerlendirmesi için alternatif non-invaziv teknikler arasında ultrason, elastografi ve serum biyobelirteç panelleri^{bulunur 11,12}. Geçici elastografi, karaciğer sertliğinin noktasal ölçümlerini sunarken, MRE ^13'ün kapsamlı uzamsal haritalama yeteneklerinden yoksundur. Serum biyobelirteç panelleri, fibrozun dolaylı tahminlerini sağlar, ancak parankimal değişikliklerin mekansal dağılımını görselleştiremez¹¹. Son karşılaştırmalı çalışmalar, bu alternatiflere kıyasla orta ve ileri fibroz aşamaları için MRE'nin üstün tanısal doğruluğunu tutarlı bir şekilde göstermiştir^13,14.

Bu sınırlamaları ele almak için, kantitatif sertlik haritalarını yüksek çözünürlüklü yapısal görüntülerle sorunsuz bir şekilde entegre eden yeni bir multimodal sertlik-yapısal füzyon görüntüleme tekniği geliştirdik. Bu yaklaşım, anatomik yer işaretlerinin ve sertlik modellerinin tek bir entegre temsilde eşzamanlı olarak görselleştirilmesini sağlayarak zihinsel ortak kayıt ihtiyacını ortadan kaldırır ve yorumlama sırasında bilişsel yükü azaltır^15,16. Teknik, geleneksel ROI tabanlı yöntemlerin örnekleme sınırlamalarının üstesinden gelerek kapsamlı tüm karaciğer sertliği dağılım analizi sağlar.

Bu çalışmada, elastografi özelliklerine sahip 3.0 Tesla MRI sistemleri, 4-6 saat açlık dahil standart hasta hazırlığı ve hesaplamalı analiz için Görüntü İşleme Araç Kutusu ile MATLAB kullanılmıştır. Bu gereksinimler, akademik tıp merkezlerinde ve özel görüntüleme tesislerinde giderek daha fazla mevcuttur.

Bu protokol, klinik ve araştırma ortamlarında sertlik-yapısal füzyon tekniğinin uygulanması için ayrıntılı bir metodoloji sağlar. Bu yaklaşım, tanısal hassasiyeti artırmak, klinik iş akışı verimliliğini artırmak ve kronik karaciğer hastalığının boylamsal izlenmesi için nicel çerçeveler oluşturmak isteyen MRE yeteneklerine erişimi olan merkezler için özellikle değerlidir. Teknik, kronik karaciğer hastalığının çeşitli etiyolojilerinde uygulanabilir ve sağlanan hesaplama çerçevesi kullanılarak minimum ek işlem sonrası süre ile uygulanabilir.

Protokol

Protokol, kurumsal IRB onayı altında gerçekleştirildi. Pekin Çin Tıbbı Üniversitesi Dongzhimen Hastanesi'nden bir hastaya, bilgilendirilmiş onam ile YouAn Hastanesi'nde rutin üst abdominal manyetik rezonans görüntüleme ve MRE uygulandı. Bu vaka, fibrozdan siroza doğrulanmış ilerlemesi nedeniyle araştırma metodolojisi için seçildi ve karaciğer fibrozu ile siroz arasındaki sınırın teşhisinde yaklaşımın değerini vurguladı. Çalışma ayrıca bu hastanın karaciğer sertliği dağılımı (LSD) ile sağlıklı bir karaciğerinki arasında kantitatif bir karşılaştırma sağlar. Bu çalışmada kullanılan tüm ekipman ve yazılım araçları Malzeme Tablosu'nda listelenmiştir.

1. MRI tarama stratejileri

1. Fizyolojik değişkenliği azaltmak için muayeneden önce 4-6 saatlik bir açlık süresi sağlayarak hastayı hazırlayın.
2. 16 kanallı abdominal dizi ve 32 kanallı posterior dizi bobininin bir kombinasyonunu kullanarak hastayı 3.0 Tesla MRI sistemine yerleştirin.
3. Yapısal görüntüleme edinimi
   1. Aşağıdaki parametrelerle nefes tutma eksenel 2D T1 ağırlıklı çift eko gradyan geri çağrılan yankı dizisi kullanarak anatomik görüntüleme gerçekleştirin:
      NOT: TR/TE = 157.62/1.17 ms; Çevirme açısı = 60°; Görüş alanı = 400 × 400 mm²; Edinme matrisi = 512 × 512; Dilim kalınlığı = 7 mm.
   2. Dizinin, doğal yağ-su ayırma özelliğine sahip yüksek çözünürlüklü yapısal bilgiler (0,78 × 0,78 mm² düzlem içi çözünürlük) sağladığını doğrulayın.
4. MR Elastografi alımı
   1. 60 Hz'de mekanik titreşimler uygulamak için pnömatik sürücüyü sağ ön karaciğerin üzerine yerleştirin.
   2. Aşağıdaki parametrelerle 2D eko-düzlemsel görüntüleme (EPI) tabanlı bir edinim kullanarak karaciğer sertliği haritalaması gerçekleştirin:
      NOT: TR/TE = 1050.3/63.4 ms; çevirme açısı = 90°; Görüş alanı = 420 × 420 mm²; Edinme matrisi = 256 × 256 (256 × 256 olarak yeniden yapılandırıldı); Dilim kalınlığı = 10 mm; Bant genişliği = 1953,1 Hz/piksel.
   3. Dalga yayılımını hesaplamak için sekiz faz ofseti elde edin ve kilopaskal (kPa) cinsinden ifade edilen değerlerle kantitatif sertlik haritaları (elastogramlar) oluşturun.
5. Görsel ortak kayıt stratejisi
   1. Aynı hasta pozisyonunu ve tutarlı nefes tutma talimatlarını koruyarak yapısal görüntüler ve elastogramlar arasında doğru uzamsal hizalama sağlayın.
   2. Tüm görüntülemeyi eksenel düzlemde, karaciğerin eşleşen dilim kapsamı ile gerçekleştirin.
   3. Karaciğer parankiminin optimal kapsamını sağlamak için anatomik T1 ağırlıklı görüntüleri referans olarak kullanarak MRE sekansını planlayın.
   4. Sonraki füzyon işleminde otomatik ortak kaydı kolaylaştırmak için her iki dizinin de aynı referans çerçevesini kullandığını doğrulayın.

2. Veri toplama ve hazırlama

1. Her dizinin klasörünü yeniden adlandırma
   NOT: Ekipmandan dışa aktarılan DICOM verilerinde dizi tanımlaması olmadığından, her dizi için açık adlar ekleyin. Bu, sonraki analiz ve işlemeyi kolaylaştırır.
   1. Her dizi için klasörlere açıklayıcı adlar eklemek için Description_Name işlevini yürütün.
   2. Tüm DICOM verilerini özelleştirilmiş bir çalışma dizinine kopyalayın.
   3. MATLAB'ın çalışma dizinindeki verileri içeren dizine gidin.
2. Yapısal sıranın görüntülerini hızlı bir şekilde kontrol etme
   NOT: Sertlik haritalarıyla aynı koordinat sistemini paylaşan ve sonraki sertlik dağılımı hesaplamaları için gerekli olan net karaciğer kontur görselleştirmesi sağlayan T1 görüntülemeden türetilen yapısal görüntüleri inceleyin.
   1. Aşağıdaki MATLAB kodunu kullanarak MRI dizilerinin DICOM dosyalarından bir 3B hacim matrisi oluşturun:
      f=dir('*.dcm');
      i=1:length(f) için
      V(:,:,i)=dicomread(fullfile(f(i).folder,f(i).name));
      Son
   2. Etkileşimli inceleme için MATLAB'ın sliceViewer işlevini kullanarak görüntü dizisini görselleştirin:
      şekil;
      H=dilimGörüntüleyici(V); ColorMap(Gri(1024));
      set(gcf, 'Araç Çubuğu', 'şekil');
   3. sliceViewer GUI ile etkileşim kurun. Farklı dilimlere göz atmak için kaydırma çubuğunu kullanın. Karaciğer sınırlarının, çevredeki dokulara karşı keskin bir kontrastla net bir şekilde tanımlandığını doğrulayın.
      NOT: Kabul edilebilir görüntüler, hareket artefaktları veya bulanıklık olmadan sürekli karaciğer parankimi göstermelidir (Şekil 1). Bu etkileşimli görüntüleyici, görüntü kalitesinin ve karaciğer morfolojisinin hızlı bir şekilde değerlendirilmesini sağlar.
   4. Yakınlaştırma, uzaklaştırma ve genel görünüme geri dönme simgelerini GUI'nin sağ üst köşesinde bulun. Daha fazla analiz için belirli karaciğer bölgelerinin koordinatlarını işaretlemek için Veri İpucu simgesini kullanın.
   5. Varsayılan gri renk haritasının düşük (siyah) ile yüksek (beyaz) arasındaki değerleri görüntülediğini gözlemleyin. Optimum karaciğer dokusu görselleştirmesi için farklı renk haritası seçeneklerini belirlemek üzere açılır menüdeki Renk Çubuğuna sağ tıklayın.
   6. Kontrast tatmin edici değilse, pencere seviyesini ayarlamak için şeklin ortasında yukarı ve aşağı sürüklemek için farenin sol düğmesini kullanın. Pencere genişliğini ayarlamak için sola ve sağa sürükleyin. Karşılık gelen doğru kontrast aralığı renk çubuğunda görüntülenecektir.
      NOT: Yoğunluk ve uzamsal boyutlar boyunca MRI yapısal dizi özelliklerini incelemek için bu etkileşimli kontrolleri kullanın. Bir sonraki adıma geçmeden önce karaciğer anatomik kontur bütünlüğünü ve görüntü kalitesini değerlendirin.
3. MRE sertlik haritalarının hızlı bir şekilde kontrol edilmesi
   NOT: Farklı renklerin fibrotik veya sirotik alanları tanımlamak için gerekli olan değişen sertlik derecelerini temsil ettiği kantitatif karaciğer elastikiyet ölçümleri için MRE sertlik haritalarını inceleyin.
   1. Aşağıdaki MATLAB kodunu kullanarak MRE dizilerinin DICOM dosyalarından bir 3B hacim matrisi oluşturun:
      f=dir('*.dcm');
      i=1:length(f) için
      V_LSD(:,:,i)=dicomread(fullfile(f(i).folder,f(i).name));
      Son
   2. Etkileşimli inceleme için MATLAB'ın sliceViewer işlevini kullanarak MRE sertlik haritalarını görselleştirin:
      şekil; H=dilimGörüntüleyici(V_LSD); Renk Haritası(Jet(1024)); set(gcf, 'Araç Çubuğu', 'şekil');
   3. sliceViewer GUI ile etkileşim kurun. Dizideki farklı dilimlere göz atmak için grafik kullanıcı arabiriminin (GUI) altındaki kaydırma çubuğunu kullanın (Şekil 2). Bu etkileşimli görüntüleyicinin, sertlik dağılımının ve karaciğer elastikiyet modellerinin hızlı bir şekilde değerlendirilmesine izin verdiğini unutmayın.
   4. Yakınlaştırma, uzaklaştırma ve genel görünüme geri dönme simgelerini GUI'nin sağ üst köşesinde bulun. Daha fazla analiz için belirli karaciğer bölgelerinin koordinatlarını dikkate değer sertlik değerleriyle işaretlemek için Veri İpucu simgesini kullanın.
   5. Varsayılan jet renk haritasının düşük (mavi) ile yüksek (kırmızı) arasındaki sertlik değerlerini temsil ettiğini gözlemleyin. Karaciğer sertliği gradyanlarının en iyi şekilde görselleştirilmesi için renk haritası aralığını ayarlamak üzere açılır menüdeki Renk Çubuğuna sağ tıklayın.
   6. Kontrast tatmin edici değilse, pencere seviyesini ayarlamak için şeklin ortasında yukarı ve aşağı sürüklemek için farenin sol düğmesini kullanın. Pencere genişliğini ayarlamak için sola ve sağa sürükleyin. Karşılık gelen doğru sertlik aralığı renk çubuğunda görüntülenecektir.
   7. Sertlik haritalarının karaciğer parankimi içinde yumuşak renk geçişleri gösterdiğini onaylayın. Kabul edilebilir sertlik haritalaması, minimum gürültü artefaktları göstermeli ve karaciğer dokusu (tipik olarak 1-8 kPa aralığında) ile arka plan bölgeleri arasında net bir farklılaşma göstermelidir.
      NOT: Bu etkileşimli kontroller, MRE sertlik haritalarının hem yoğunluk alanı hem de dizi konumu boyunca esnek bir şekilde incelenmesini sağlayarak, karaciğer sertliği dağılımının ve potansiyel fibroz alanlarının hızlı bir şekilde değerlendirilmesini kolaylaştırır.

3. Sertlik-yapısal füzyon

NOT: Sertlik haritaları tek başına yapısal görüntü korelasyonu olmadan lezyonları doğru bir şekilde lokalize edemediğinden, her iki modaliteyi de entegre edin.

1. Hem yapısal görüntüler hem de rijitlik haritaları için yol değişkenlerini tanımlayın ve dosyaları yaklaşık olarak aynı eksenel konumlarda tarayın.
2. Geçerli dizinde Rijitlik-Yapısal Füzyon Görüntüleri oluşturmak için Struct_Stiffness_Fusion işlevini (I_fusion = Struct_Stiffness_Fusion(I_structural, I_stiffness)) seçin.
3. Fusion görüntü dosyalarını dosya tarayıcısında bulun ve varsayılan resim görüntüleyiciyi kullanarak açın. Anatomik yapıların ve sertlik modellerinin uygun şekilde hizalandığını doğrulayın.
   NOT: Kabul edilebilir füzyon görüntüleri, yapısal ve elastografi verileri arasında uzamsal yanlış kayıt olmadan kesin kaplama göstermelidir. Yukarıdaki adımları izleyerek, hizalanmış tarama eksenel konumları, yaygın RGB görüntü görüntüleyiciler kullanılarak görüntülenebilen füzyon görüntü dizisini otomatik olarak çıkarır.

4. Karaciğer sertliği dağılımı

NOT: Şekil 3'te gösterilen füzyon görüntü analizini tamamlamak için, Şekil 4'te gösterildiği gibi karaciğer sertliği dağılım istatistikleri oluşturun.

1. Karaciğer sirozunun farklı evreleri olan hastaları incelemek için 1-3 arasındaki adımları tekrarlayın.
2. Farklı sertlik aşamalarında (Şekil 4) Hastanın LSD (Karaciğer Sertliği Dağılımı) değerlerini hesaplamak için LSD_compute fonksiyonunu ([LSD_distribution, LSD_stats] = LSD_compute(V_stiffness,^liver_mask)) seçin.
   NOT: Şekil 3'te gösterilen hasta, tüm karaciğer ortalama sertliği 5 kPa'ya ulaşan, siroza ilerlemiş geç evre karaciğer fibrozundadır. Bu nedenle Şekil 4'teki kantitatif dağılımda karaciğer dokusu sertlik değerlerinin büyük çoğunluğu F4 evresinin üzerindedir.

5. Son doğrulama ve veri arşivleme

1. Tüm füzyon görüntülerinin başarıyla oluşturulduğunu ve çalışma dizinine kaydedildiğini doğrulayın.
2. LSD analiz sonuçlarının hesaplandığını ve klinik yorumlama için belgelendiğini onaylayın.
3. Yapısal görüntüler, sertlik haritaları, füzyon görüntüleri ve nicel LSD ölçümleri dahil olmak üzere tüm işlenmiş verileri, ileride başvurmak ve boylamsal karşılaştırma yapmak için arşivleyin.
   NOT: Multimodal sertlik-yapısal füzyon görüntüleme protokolü artık tamamlanmıştır. Oluşturulan füzyon görüntüleri ve kantitatif LSD analizi, klinik yorumlama ve hasta iletişimi için hazır kapsamlı karaciğer değerlendirme verileri sağlar.

Sonuçlar

Bu çalışmada sunulan görselleştirme yaklaşımı, karaciğer yapısı ve sertlik dağılımı hakkında kapsamlı bilgiler sunarak karaciğer sirozunun hassas bir şekilde değerlendirilmesini sağlar. Şekil 1'de gösterilen GUI aracılığıyla, klinisyenler, öncelikle anatomik bütünlüğünü değerlendirerek, karaciğerin yapısal anatomisini birden fazla kesitte daha iyi anlayabilirler. Şekil 2'nin incelenmesi, izole edilmiş sertlik haritalarının kritik bir sınırlamasını ortaya koymakt...

Tartışma

Kritik adımlar
Protokoldeki birkaç kritik adım, çok modlu sertlik-yapısal füzyon görüntüleme tekniğinin başarılı bir şekilde uygulanmasını sağlamak için özel dikkat gerektirir. İlk olarak, anatomik T1 ağırlıklı görüntüler referans olarak kullanılarak MRE sekansının planlanması, karaciğer parankiminin optimal kapsamını sağlar ve müteakip otomatik ko-kaydı^{kolaylaştırır 15}. İkinci olarak, DICOM verilerinin ön işlenmesi, sıra tanımlamasının dikkatl...

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
MATLAB	GE Medikal Sistemler	SIGNA Pioneer	3.0 Tesla
MRI sistemi	Akıllı Entropi	LSD-Fusion V1.0	Pekin Akıllı Entropi Bilimi ve Technology Co Ltd. CT / MRI füzyon
modelleme Modelleme MathWorks için Araçlar		2022B	Bilgi işlem ve görselleştirme