نموذج رقمي ثلاثي الأبعاد للتشخيص المبكر للتليف الكبدي على أساس التصوير الإلستوجرافي بالرنين المغناطيسي

Summary

كان الهدف من هذه الدراسة هو تطوير نموذج رقمي ثلاثي الأبعاد جديد للتشخيص المبكر للتليف الكبدي ، والذي يتضمن صلابة كل فوكسل في كبد المريض ، وبالتالي يمكن استخدامه لحساب نسبة توزيع كبد المريض في مراحل التليف المختلفة.

Abstract

التليف الكبدي هو مرحلة مبكرة من تليف الكبد ، ولا توجد طرق أفضل غير جراحية ومريحة للكشف عن المرض وتقييمه. على الرغم من التقدم الجيد الذي تم إحرازه في خريطة تصلب الكبد (LSM) بناء على التصوير الإلستوجرافي بالرنين المغناطيسي (MRE) ، لا تزال هناك بعض القيود التي يجب التغلب عليها ، بما في ذلك تحديد التركيز اليدوي ، والاختيار اليدوي لمناطق الاهتمام (ROIs) ، وبيانات LSM المتقطعة بدون معلومات هيكلية ، مما يجعل من المستحيل تقييم الكبد ككل. في هذه الدراسة ، نقترح نموذجا رقميا جديدا ثلاثي الأبعاد (3D) للتشخيص المبكر للتليف الكبدي على أساس التصوير الإلستوجرافي بالألمانيوران.

التصوير الإلستوجرافي بالرنين المغناطيسي هو تقنية تصوير غير جراحية تستخدم التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) لقياس تصلب الكبد في موقع المسح من خلال التفاعل بين الإنسان والحاسوب. أشارت الدراسات إلى وجود علاقة إيجابية كبيرة بين LSM التي تم الحصول عليها من خلال التصوير بالرنين المغناطيسي ودرجة التليف الكبدي. ومع ذلك ، للأغراض السريرية ، من الضروري إجراء تقدير كمي شامل ودقيق لدرجة التليف الكبدي. لمعالجة هذا ، تم اقتراح مفهوم توزيع تصلب الكبد (LSD) في هذه الدراسة ، والذي يشير إلى حجم صلابة 3D لكل فوكسل الكبد الذي تم الحصول عليه عن طريق محاذاة صور أنسجة الكبد ثلاثية الأبعاد ومؤشرات التصوير بالرنين المغناطيسي. هذا يوفر أداة سريرية أكثر فعالية لتشخيص وعلاج التليف الكبدي.

Introduction

يشير التليف الكبدي إلى تكوين نسيج ندبي مفرط في الكبد ، عادة نتيجة لتلف الكبد أو المرض¹،²،^3،4. غالبا ما ينشأ نتيجة لإصابة الكبد المزمنة ويرتبط عادة بأمراض الكبد ، مثل التهاب الكبد الفيروسي المزمن ومرض الكبد الدهني غير الكحولي وأمراض الكبد الكحولية. إذا ترك دون علاج ، يمكن أن يتطور التليف الكبدي إلى تليف الكبد ، وهي حالة قد تهدد الحياة وترتبط باعتلال ووفيات كبيرة.

يهدف البحث النشط في هذا المجال إلى توضيح الآليات الخلوية والجزيئية الكامنة وراء التسبب في التليف الكبدي ، وكذلك تطوير استراتيجيات تشخيصية وعلاجية جديدة لتحسين نتائج المرضى. هدف آخر هو الكشف غير الباضع عن مرحلة التليف الكبدي ، وهو جانب حاسم يرتبط ارتباطا مباشرا بتشخيص المرض واختيار العلاج وتقييم التشخيص. على الرغم من أهمية التشخيص الدقيق ومراقبة التليف الكبدي ، فإن طرق التشخيص التقليدية ، مثل خزعة الكبد ، غازية وترتبط بمخاطر كبيرة. في المقابل ، يعد التصوير الإلستوجرافي بالرنين المغناطيسي ^5,6 (MRE) تقنية تصوير واعدة غير جراحية أثبتت إمكاناتها في تشخيص ومراقبة التليف الكبدي عن طريق تحديد تصلب الكبد.

في السنوات الأخيرة ، كانت هناك أبحاث مهمة تركز على تقييم دقة وموثوقية التصوير بالرنين المغناطيسي في تشخيص التليف الكبدي ، فضلا عن مزاياه المحتملة على طرق التشخيص التقليدية. تم منح مقياس تصلب الكبد ل MRE الموافقة من قبل إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) للتشخيص السريري ، وتم إجراء تحليل مقارن واسع النطاق مع النتائج المرضية في الممارسة السريرية. أظهرت النتائج أن خرائط الصلابة الناتجة عن التصوير الإلستوجرافي بالإلستوجرافي تظهر ارتباطا إيجابيا قويا مع مراحل مختلفة من تليف الكبد⁷،⁸،⁹،^10،11،12. ومع ذلك ، حتى الآن ، فإن عمل التقييم الدقيق وتتبع تطور تليف الكبد لدى المرضى من خلال التحليل الكمي لتوزيع تصلب الكبد (LSD) عن طريق مطابقة صور بنية الكبد مع التصوير الإلستوجرافي بمخاطر الألغام لم يحرز تقدما كبيرا.

في هذه الدراسة ، تم تقديم تقنية تحليل مجموعة التصوير الطبي¹³،¹⁴،¹⁵ لتحقيق محاذاة دقيقة لصور بنية الكبد مع خريطة الصلابة التي تم إنشاؤها بواسطة التصوير بالرنين المغناطيسي في الفضاء ثلاثي الأبعاد ^، مما يتيح حساب قيم تصلب الكبد لكل فوكسل من الكبد بأكمله. استنادا إلى نموذج 3D-digital ل LSD ، يمكن حساب وتقييم التوزيع الدقيق لمراحل تليف الكبد الخاصة بالمريض. هذا يضع أساسا متينا للتشخيص الكمي الدقيق لتليف الكبد في مرحلة مبكرة.

Protocol

استخدمت هذه الدراسة نمذجة LSD الرقمية 3D لإعادة بناء الكبد لمريض نموذجي مصاب بالتليف الكبدي المؤكد سريريا. تم تجنيد المريض من مؤسسة معروفة لعلاج أمراض الكبد ، "مستشفى يو آن" في بكين ، الصين ، وخضع للتصوير بالرنين المغناطيسي الروتيني في الجزء العلوي من البطن (MRI) والتصوير بالرنين المغناطيسي بعد تقديم الموافقة. تم اختيار المريض كدراسة حالة لهذه الطريقة البحثية بسبب تأكيد التليف الكبدي من خلال الفحص المرضي وعدم وجود أعراض سريرية واضحة ، مما يؤكد على قابلية التطبيق والقيمة السريرية لهذا البحث في تشخيص مرضى التليف الكبدي في المراحل المبكرة. تقدم هذه الورقة أيضا مقارنة كمية بين كبد هذا المريض والكبد السليم. يتم سرد أدوات البرمجيات المستخدمة في هذه الدراسة في جدول المواد.

1. جمع البيانات وإعدادها

ملاحظة: فرق المعلمة غير حساس لطريقة البحث.

1. استراتيجيات مسح التصوير بالرنين المغناطيسي
   ملاحظة: استخدمت هذه الدراسة بيانات DICOM الفعلية التي تم الحصول عليها من التصوير السريري باستخدام جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) الذي تصنعه جنرال إلكتريك. يتضمن محتوى البيانات IDEAL (التحلل التكراري للماء والدهون مع عدم تناسق الصدى وتقدير المربعات الصغرى) تصوير فصل الماء عن الدهون والتصوير الإلستوجرافي بالرنين المغناطيسي (MRE).
   1. تأكد من أن بيانات IDEAL لها دقة أفقية تبلغ 256 بكسل × 256 بكسل ، مع تباعد بكسل يبلغ 1.5625 مم وسمك شريحة يبلغ 10 مم.
      ملاحظة: يمكن تحسين استراتيجية المسح بشكل أكبر ، لكن المنهجية المستخدمة في هذه الدراسة قابلة للتطبيق على التصوير الطبي عالي الدقة.
2. أعد تسمية مجلد كل تسلسل.
   ملاحظة: نظرا لأن بيانات DICOM المصدرة من الجهاز لا توفر صراحة أسماء تسلسلية ، أثناء مرحلة المعالجة المسبقة ، من الضروري إضافة أسماء صريحة لكل تسلسل لتسهيل التحليل والمعالجة اللاحقة.
   1. انسخ جميع بيانات DICOM إلى دليل عمل مخصص.
   2. انتقل إلى الدليل الذي يحتوي على البيانات في دليل عمل MATLAB.
   3. قم بتنفيذ الدالة Description_Name لإضافة أسماء وصفية إلى المجلدات لكل تسلسل.
   4. انظر الشكل 1 للمقارنة قبل وبعد إعادة التسمية. أضف اسم وصف إلى كل مجلد تسلسل صور لتسهيل تحديد تسلسلات الصور اللازمة لأغراض تحليلية مختلفة.
3. تحقق بسرعة من صور IDEAL.
   1. قم بتغيير دليل مجلدات المراحل المختلفة ، بما في ذلك المراحل الداخلية والخارجية والمائية والدهنية ، والتي تم تخزينها في مجلدات منفصلة للتصوير باستخدام IDEAL.
   2. قم بتنفيذ وظيفة Slice_View لعرض تسلسلات التأثير لكل مرحلة.
   3. انظر الشكل 2 للحصول على صورة لواجهة المستخدم الرسومية التفاعلية (GUI) لتسلسل التصوير بالرنين المغناطيسي. استخدم شريط التمرير في الجزء السفلي من واجهة المستخدم الرسومية لتصفح التسلسلات المختلفة بسرعة.
   4. استخدم تسلسل الطور الخارجي MRI-IDEAL كنوع من تسلسل التصوير بالرنين المغناطيسي لتقديم أوصاف أوضح لحدود أنسجة الكبد.
      ملاحظة: في العمليات التالية ، سيكون التركيز على استخدام تسلسل الطور الخارجي ل IDEAL لتحديد منطقة 3D من الكبد.

2. استخراج المنطقة 3D من الكبد

ملاحظة: تعمل الفوكسل الفردية في منطقة 3D من الكبد كناقلات مكانية ل LSD ، مع اشتقاق قيمة الصلابة لكل فوكسل من التصوير بالرنين المغناطيسي. استخراج منطقة 3D من أنسجة الكبد هو خطوة ضرورية قبل الانصهار. في حين يمكن استخدام التعلم العميق لإنجاز هذه المهمة بشكل أكثر كفاءة ، إلا أنه ليس محور هذه الدراسة. لذلك ، لا تزال تستخدم أدوات البرامج الناضجة (على سبيل المثال ، MIMICS) هنا لاستخراج منطقة 3D من أنسجة الكبد.

1. لبدء برنامج MIMICS ، حدد مشروع جديد وفي مربع الحوار التالي ، انتقل إلى المجلد الذي يحتوي على صور IDEAL خارج الطور. تابع بالنقر فوق NEXT | الزر " تحويل" ، وبالتالي الدخول إلى حالة تحرير التسلسل.
2. لإنشاء قناع فارغ ، انقر فوق الزر "جديد" في مربع الحوار MASK الموجود على الجانب الأيمن وحدد الحد الأقصى.
3. لتحديد مساحة الكبد في كل طرق العرض الأفقية، استخدم أداة تحرير الأقنعة الموجودة أسفل تسمية القطع .
4. لإنشاء الجزء المكاني 3D من الكبد ، حدد قناع الكبد الذي تم تحديده وانقر على زر حساب الجزء من القناع . يوضح الشكل 3 المنطقة ثلاثية الأبعاد المستخرجة من الكبد.
5. انقر فوق ملف | تصدير | حدد أمر Dicom. في مربع الحوار المنبثق ، اختر قناع الكبد ، وقم بتعيين مسار الملف وأسماء الملفات ، وانقر فوق OK زر لإكمال تصدير منطقة 3D من الكبد إلى ملفات DICOM المحددة.

3. تسلسل خريطة تصلب الكبد

ملاحظة: عادة ما يكون نطاق تصلب التصوير الإلستوجرافي بالرنين المغناطيسي في المرضى الذين يعانون من التليف المبكر أقل من 8 كيلو باسكال. لعرض هذا ، يجب تحديد صورة التسلسل المسماة "SE27_ST8K_ (Pa)".

1. قم بتغيير الدليل إلى مجلد 'SE27_ST8K_(Pa)'، الذي يحتوي على تسلسل خريطة تصلب الكبد.
2. لتصفح كل خريطة صلابة ، قم بتنفيذ الدالة MRE_show في مساحة عمل Matlab ، مع كون وسيطة الوظيفة هي اسم الملف الموجود في المسار المحدد.
3. خريطة تصلب الكبد الموضحة في الشكل 4 هي صورة RGB بالألوان الحقيقية ، مع بنية بيانات 512 بكسل × 512 بكسل في 3 مصفوفة ، حيث تحتوي كل نقطة بكسل على ثلاث قيم تمثل الألوان الأساسية الثلاثة ، RBG. لاحظ شريط الألوان الموجود على اليسار والذي يعرض قيم الصلابة المقابلة لوحدات البكسل الملونة المختلفة. احسب الصلابة الدقيقة لكل بكسل باستخدام الارتباطات الخاصة بكل منها.
4. تتضمن المعلومات التكميلية في الشكل 4 بيانات مثل وصف التسلسل وموضع المسح والوقت ومعلومات المريض ومعلمات الصورة. استخدم هذه البيانات ، وخاصة معلمات الصورة ، لإنشاء العلاقة المكانية بين تسلسلات MRE و IDEAL.

4.3D-حجم توزيع تصلب الكبد

ملاحظة: يمثل كل فوكسل في حجم تصلب الكبد ثلاثي الأبعاد قيمة الصلابة للفوكسل المقابل في منطقة الكبد ثلاثية الأبعاد ، والتي يتم اشتقاقها من قيمة الصلابة لكل بكسل في الشكل 4. من خلال محاذاة منطقة الكبد ثلاثية الأبعاد في الشكل 3 مع خريطة الصلابة في الشكل 4 ، يمكن استخراج قيمة الصلابة لكل فوكسل ، مما يؤدي إلى توليد حجم تصلب الكبد ثلاثي الأبعاد.

1. استدعي دالة LSD_Slice مع منطقة الكبد ثلاثية الأبعاد الموضحة في الشكل 3 وخريطة تصلب الكبد في الشكل 4 كمعلمات إدخال للحصول على الحجم ثلاثي الأبعاد لتوزيع تصلب الكبد ، كما هو موضح في الشكل 5.
2. اعرض خريطة الصلابة لكل طبقة من طبقات الكبد عن طريق سحب شريط التمرير أسفل واجهة المستخدم الرسومية الموضحة في الشكل 5.
   ملاحظة: ومع ذلك ، على عكس الشكل 4 ، يتم الاحتفاظ بأنسجة الكبد فقط بدقة هنا.
3. لاحظ الرموز الموجودة في الزاوية اليمنى العليا من واجهة المستخدم الرسومية (الشكل 5) مثل التكبير والتصغير والعودة إلى العرض العام ووضع علامة على إحداثيات البكسل المحدد.
   ملاحظة: شريط الألوان الافتراضي هو خريطة ألوان "jet" مما يعني أن القيم المقابلة (Unit kpa) من الأزرق إلى الأحمر منخفضة إلى عالية.
4. نفذ دالة LSD_Volume بنفس المدخلات مثل LSD_Slice للحصول على التوزيع المكاني ل LSD للكبد ثلاثي الأبعاد ، كما هو موضح في الشكل 6. عرض حجم 3D من LSD من أي منظور عن طريق الضغط باستمرار على زر الماوس الأيسر وسحب الشاشة (الشكل 6).

5. التحليل الكمي LSD

ملاحظة: التركيز المهم للتحليل الكمي لهذه الدراسة هو توفير نسبة المراحل المختلفة من voxels LSD في كبد المريض. يوضح الشكل 6 أن توزيع تليف الكبد لدى المرضى غير متساو في المواقع المكانية المختلفة. السبب في أن الأعراض السريرية ليست واضحة بعد يرجع أساسا إلى نسبة كبيرة من أنسجة الكبد في مرحلة طبيعية. لذلك ، من الضروري تحديد الفرق بدقة بين المرضى والأفراد الأصحاء. هذا مفهوم كمي مهم لهذه الدراسة.

1. أوجد النطاقات العددية لقيم التيبس للمراحل المختلفة للتليف الكبدي، كما هو موضح في الشكل 7.
2. احسب توزيع فوكسل الكبد بالكامل للمريض في مراحل التليف المختلفة (الشكل 8) عن طريق استدعاء وظيفة Hepatic_Fibrosis مع معلمة الإدخال لحجم 3D من LSD الموضح في الشكل 6.
3. استخدم نفس الخطوات لحساب ومقارنة نتائج الكبد السليم تماما مع مريض تليف الكبد النموذجي الموصوف أعلاه (الشكل 9).

النتائج

من خلال استخدام المعلومات الموجودة في الحقل Description_Name لملفات DICOM ، يمكن إعادة تسمية مجلد التصوير بالرنين المغناطيسي الأصلي لتسهيل التوطين السريع لتسلسل التصوير المطلوب أثناء عملية التحليل في مجموعة التصوير. تسلسل الطور الخارجي MRI-IDEAL هو نوع تسلسل التصوير بالرنين المغناطيسي المس...

Discussion

في الممارسة السريرية ، من الصعب تحديد وتتبع حالة مرضى التليف الكبدي في المراحل المبكرة بدقة. تعكس المقارنة الموضحة في الشكل 9 تماما درجة التليف الكبدي لدى المريض مقارنة بالكبد السليم. بالطبع ، يمكن أن يكون هذا الرقم أيضا مقارنة بين فترتين مختلفتين للمريض ، تستخدم لتقييم فع...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
MATLAB	MathWorks	2022B	Computing and visualization
Mimics	Materialise	Mimics Research V20	Model format transformation
Tools for 3D_LSD	Intelligent Entropy	HepaticFibrosis V1.0	Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co Ltd. Modeling for CT/MRI fusion