Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

يوفر التصوير المقطعي المحوسب و 129Xe MRI معلومات تكميلية عن بنية الرئة ووظيفة يمكن استغلالها للتحليل الإقليمي باستخدام تسجيل الصور. هنا ، نقدم بروتوكولا يبني من الأدبيات الموجودة لتسجيل صور 129Xe MR إلى CT باستخدام منصات مفتوحة المصدر.

Abstract

التصوير بالرنين المغناطيسي للغاز 129Xe مفرط الاستقطاب هو تقنية ناشئة لتقييم وقياس وظائف الرئة الإقليمية بما في ذلك توزيع الغازات الرئوية وتبادل الغازات. لا يزال التصوير المقطعي المحوسب للصدر (CT) هو المعيار الذهبي السريري لتصوير الرئتين ، ويرجع ذلك جزئيا إلى بروتوكولات التصوير المقطعي المحوسب السريعة التي تحصل على صور عالية الدقة في ثوان والتوافر الواسع النطاق لأجهزة التصوير المقطعي المحوسب. مكنت الأساليب الكمية من استخراج قياسات متني الرئة الهيكلية ومجرى الهواء والأوعية الدموية من التصوير المقطعي المحوسب للصدر والتي تم تقييمها في العديد من الدراسات البحثية السريرية. يوفر التصوير المقطعي المحوسب و 129Xe MRI معا معلومات تكميلية يمكن استخدامها لتقييم بنية الرئة الإقليمية ووظيفتها ، مما يؤدي إلى رؤى جديدة حول صحة الرئة وأمراضها. 129يمكن إجراء تسجيل صورة Xe MR-CT لقياس وظيفة بنية الرئة الإقليمية لفهم الفيزيولوجيا المرضية لأمراض الرئة بشكل أفضل ، ولإجراء التدخلات الرئوية الموجهة بالصور. هنا ، تم تحديد طريقة لتسجيل 129Xe MRI-CT لدعم التنفيذ في البحث أو الإعدادات السريرية. كما يتم تلخيص طرق التسجيل والتطبيقات التي تم استخدامها حتى الآن في الأدبيات ، ويتم تقديم اقتراحات للاتجاهات المستقبلية التي قد تتغلب بشكل أكبر على التحديات التقنية المتعلقة بتسجيل صورة 129Xe MR-CT وتسهيل التنفيذ الأوسع لتقييم وظيفة بنية الرئة الإقليمية.

Introduction

ظهر التصوير بالرنين المغناطيسي للغاز مفرط الاستقطاب (MRI) لأول مرة كطريقة تصوير رئوي وظيفية جديدة لتقييم توزيع التهوية الرئوية منذ ما يقرب من ثلاثة عقود1. منذ ذلك الحين ، كشفت الدراسات البحثية التي تستخدم التصوير بالرنين المغناطيسي للغاز مفرط الاستقطاب عن العديد من الأفكار حول طبيعة وظائف الرئة لدى المرضى الذين يعانون من أمراض الرئة المزمنة مثل الربو ومرض الانسداد الرئوي المزمن (COPD) والتليف الكيسي2،3،4،5،6. تم استخدام كل من غاز 3He و 129Xe تاريخيا. ومع ذلك ، فإن 129Xe هو الآن العامل الأساسي المستنشق بسبب التوافر المحدود لغاز 3He. 129ينتشر Xe أيضا بحرية عبر الغشاء السنخي وتمتصه خلايا الدم الحمراء في الشعيرات الدموية الرئوية. في ما يسمى ب "المرحلة المذابة" ، يتردد صدى 129Xe بترددات فريدة تسمح بقياس تبادل الغازات الإقليمي في مسح واحد لحبس النفس4،7،8. للقياس الكمي ، عادة ما يتم الحصول على صور تشريحية 1H MR متطابقة الحجم بشكل متزامن للتسجيل المشترك مع 129Xe لترسيم حدود التجويف الصدري. ومع ذلك ، فإن التصوير بالرنين المغناطيسي التقليدي 1H لا يوفر المزيد من المعلومات الهيكلية للرئة. نما الزخم للترجمة السريرية للتصوير بالرنين المغناطيسي 129Xe مفرط الاستقطاب في السنوات الأخيرة بموافقة NHS في المملكة المتحدة في عام 2015 وموافقة إدارة الغذاء والدواء الأمريكية في أواخر عام 2022 5,9 ، ومع ذلك لا يزال التوصيف الهيكلي المتقدم مفقودا في الغالب من ترسانة التصوير بالرنين المغناطيسي الرئوي.

يظل التصوير المقطعي المحوسب للصدر (CT) الدعامة الأساسية لتقييم التصوير السريري للرئتين ، حيث يوفر صورا ثلاثية الأبعاد عالية الدقة لبنية الرئة باستخدام بروتوكولات التصوير التقليدية. مكنت الأساليب الكمية من القياس السريع والمتكرر لسلامة متني ، مثل انتفاخ الرئة وتشوهات الرئة الخلالية ، ومورفولوجيا مجرى الهواء الكبير والأوعية الدموية الرئوية ، والتوصيف التشريحي الإقليمي عن طريق تحديد وتجزئة فصوص الرئة10،11. في مجال البحث ، تم استخدام التصوير المقطعي المحوسب الكمي على نطاق واسع لفهم التغيرات الهيكلية وعلاقاتها بنتائج المرضى في الربو ومرض الانسداد الرئوي المزمن بشكل أفضل في الدراسات القائمة على الملاحظة الكبيرة مثل برنامج أبحاث الربو الحاد (SARP) 12 ، علم الأوبئة الوراثية لمرض الانسداد الرئوي المزمن (COPDGene) 13 ، المجموعات السكانية الفرعية والنتائج الوسيطة في دراسة مرض الانسداد الرئوي المزمن (SPIROMICS) 14 ، تقييم مرض الانسداد الرئوي المزمن طوليا لتحديد نقاط النهاية البديلة التنبؤية (ECLIPSE) 15، والمجموعة الكندية لمرض الرئة الانسدادي (CanCOLD)16. قد تستمد طرق التصوير المقطعي المحوسب البديلة مثل التصوير الزفيري17،18 أو النماذج الحسابية19 معلومات وظيفية ، لكن هذه الطرق غير مباشرة ، ولا يوفر التصوير المقطعي المحوسب التقليدي الكثير للتوصيف الوظيفي للرئتين.

يوفر التصوير المقطعي المحوسب و 129Xe MRI معا معلومات تكميلية عن بنية الرئة ووظائفها التي يمكن استغلالها للتحليل الإقليمي باستخدام تسجيل الصور. سمحت فصوص الرئة التي تم تحديدها في التصوير المقطعي المحوسب بتوصيف الفص لأنماط تهوية التصوير بالرنين المغناطيسي في الربو20،21،22 ، ومرض الانسداد الرئويالمزمن 23،24 ، وتوسع القصبات25 ، وسرطان الرئة26،27. كما تمت مطابقة تشوهات التهوية بالرنين المغناطيسي في الربو بشكل مباشر مكانيا مع الممرات الهوائية الكبيرة المعاد تشكيلها بشكل غير طبيعي28،29،30،31 وحبس الهواء الذي يشير إلى خلل في الشعب الهوائية الصغيرة20,32 تم قياسه على التصوير المقطعي المحوسب ، والتحقيق في استجابات العلاج الإقليمية بعد الرأب الحراري القصبي الرئوي بالكامل33. في مرض الانسداد الرئوي المزمن ، تم ربط تشوهات التهوية بالرنين المغناطيسي بخلل بسيط في مجرى الهواء في الأمراض الأكثر اعتدالا وانتفاخ الرئة في الأمراض الأكثر شدة34،35،36. بالإضافة إلى تصوير التهوية في مرض الرئة الانسدادي ، تم أيضا إثبات العلاقات المكانية غير المتجانسة بين تشوهات الرئة الخلالية المقطعية وأنماط تبادل الغازات بالرنين المغناطيسي 129Xe في التليف الرئوي مجهول السبب37. قدمت مثل هذه الدراسات فهما أعمق لوظيفة بنية الرئة الإقليمية في مجموعة من أمراض الرئة التي يمكن استخدامها لإبلاغ التدخلات المستقبلية الموجهة بالصور.

ومع ذلك ، فإن التسجيل المباشر للتصوير المقطعي المحوسب التشريحي والتصوير بالرنين المغناطيسي للغاز المفرط الاستقطاب الوظيفي يمثل تحديا ، نظرا لتباين التصوير المختلف اختلافا جوهريا بين الطريقتين ، وغياب إشارة الغاز مفرط الاستقطاب في مناطق تشوهات التهوية ، وأحجام الرئة المختلفة المحتملة. يوضح الشكل 1 أربعة أمثلة ل 129Xe والتصوير بالرنين المغناطيسي التشريحي المزدوج 1H والتصوير المقطعي المحوسب في متطوع سليم (الشكل 1A) وثلاثة مشاركين يعانون من مرض الانسداد الرئوي المزمن (COPD; الشكل 1B-D) ، يسلط الضوء على أنماط التهوية غير المتجانسة 129Xe وحدود الرئة المفقودة المتغيرة في حالات مرض الانسداد الرئوي المزمن. كان مفتاح التغلب على هذه التحديات هو استخدام التصوير بالرنين المغناطيسي التشريحي 1H المكتسب بالتزامن مع التصوير بالرنين المغناطيسي للغاز شديد الاستقطاب كخطوة وسيطة لتسجيل التصوير بالرنين المغناطيسي للغاز شديد الاستقطاب إلى التصوير المقطعي المحوسب بشكل غير مباشر34,38. استخدم العمل المبكر المقارنة البصرية جنبا إلى جنب والتجزئة اليدوية لهياكل التصوير المقطعي المحوسب ، مثل فصوص الرئة ، على مساحة التصوير بالرنين المغناطيسي20. مكنت التطورات في الموارد الحسابية وأدوات معالجة الصور مفتوحة المصدر من التسجيل ثلاثي الأبعاد للتصوير المقطعي المحوسب والتصوير بالرنين المغناطيسي للغاز مفرط الاستقطاب ، على سبيل المثال ، باستخدام واصف الحي المستقل (MIND)23،30،34،39،40،41 أو تسجيل مجموعة أدوات التطبيع المتقدمة (ANTs)21،22،27، 31،32،37،38،42،43 ، وكلاهما كان الأفضل أداء في تحدي تسجيل الصور الرئوية44. اقترنت إحدى الطرق الجديدة بين التسجيلين بدلا من معالجتهما بشكل مستقل45 ، والذي تم تنفيذه في خط أنابيب كامل لتحليل الصور الرئوية مصمم للتنميط الظاهري لأمراض الرئة46. بشكل عام ، تم تحسين دقة تسجيل التصوير بالرنين المغناطيسي للغاز شديد الاستقطاب إلى التصوير المقطعي المحوسب باستخدام الخطوة الوسيطة 1H38 وباستخدام مناهج قابلة للتشوه على النهج الدقيقةفقط 38,45.

الهدف هنا هو البناء من الأدبيات الموجودة وتوفير بروتوكول لتسجيل صور 129Xe MR إلى CT باستخدام منصات مفتوحة المصدر47،48،49. يتم تنفيذ البروتوكول باستخدام ANTsPy ، وتمشيا مع العمل السابق38 ، يسجل قناع الرئة أحادي التسمية من 1H MRI إلى قناع الرئة أحادي التسمية من CT ؛ يتم تطبيق التحويل الناتج لاحقا على صورة 129Xe لتعيينها إلى مساحة صورة التصوير المقطعي. يهدف البروتوكول المبين إلى أن يكون مناسبا للبحث أو الإعدادات السريرية ، عند الاقتضاء ، ويتوفر التصوير بالرنين المغناطيسي 129Xe مفرط الاستقطاب.

بالنسبة للسياق ، تم إجراء الحصول على الصور وتحليلها للأمثلة الواردة هنا على النحو التالي. تم الحصول على التصوير المقطعي المحوسب للصدر بإلهام كامل (السعة الإجمالية للرئة ، TLC) وفقا لبروتوكول بحث منخفض الجرعة50 مع المعلمات: 64 × 0.625 موازاة ، 120 ذروة كيلوفولت ، تيار الأنبوب 100 مللي أمبير ، 0.5 ثانية وقت الثورة ، الملعب الحلزوني 1.0 ، سمك شريحة 1.25 مم ، تباعد شرائح 0.80 مم ، نواة إعادة البناء القياسية ، مجال رؤية العرض يقتصر على معظم النطاقات الجانبية للرئتين (لزيادة الدقة المكانية إلى أقصى حد). تم إجراء تجزئة وتحليل التصوير المقطعي المحوسب باستخدام برامج تجارية (انظر جدول المواد).

129تم إجراء Xe والتصوير بالرنين المغناطيسي 1H المطابق للحجم وفقا للإرشادات المنشورة9. للحصول على تفاصيل وبروتوكول الحصول على التصوير بالرنين المغناطيسي الكامل ، يتم توجيه القراء إلى مقال آخر في هذه المجموعة51. تم إجراء تجزئة وتسجيل التصوير بالرنين المغناطيسي باستخدام خط أنابيب مخصص شبه آلي باستخدام تجميع k-means لتجزئة 129Xe ، ونمو المنطقة المصنفة لتجزئة 1H ، وتسجيل affine القائم على المعالم لتعيين صورة 1H إلى صورة 129Xe52. عادة ما يكون تسجيل Affine كافيا لتسجيل 1 H-129Xe MR لحساب معظم تضخم الرئة أو اختلافات موضع المريض بين عمليات الاستحواذ. عادة ما يكون التسجيل المشوه غير ضروري. يمكن التخلص من خطوة تسجيل 1 H-129Xe من خلال التصوير بالرنين المغناطيسي 129Xe و 1H المكتسبة في نفس الوقت في نفس التنفس53,54.

Protocol

تمت الموافقة على حالات التصوير الموضحة هنا من قبل مجلس أخلاقيات أبحاث الرعاية الصحية بجامعة كولومبيا البريطانية (REB # H21-01237 ، H21-02149 ، H22-01264). قدم المشاركون موافقة خطية مستنيرة قبل الانتهاء من التصوير. تم توضيح خط الأنابيب الإجمالي من الحصول على الصور إلى التسجيل في الشكل 2 ، وتركز تفاصيل البروتوكول هنا على تسجيل صورة MR-CT فقط. يعتمد الحصول على الصور وتجزئتها على أجهزة التصوير المتاحة أو المفضلة وبروتوكولات التصوير وأدوات برامج تحليل الصور ، وبالتالي تترك لتفضيلات القراء. تم تصميم البروتوكول ليكون محايدا لتلك الخطوات السابقة باستخدام أقنعة أحادية التسمية للرئتين بعد تجزئة الصورة.

1. إعداد البرنامج

  1. قم بتنزيل وتثبيت ANTsPy (انظر جدول المواد) ، غلاف Python لمكتبة معالجة الصور Advanced NormalizationTools 47،48،49. تتوفر البرامج التعليمية على الرابط الموجود أسفل علامة التبويب "البرامج التعليمية". ANTsPy متاح أيضا لتثبيت Docker إذا رغبت في ذلك.
    ملاحظة: يتطلب ANTsPy نظام تشغيل أو بيئة تستند إلى Linux. للحصول على الأمثلة هنا ، تم تثبيت ANTsPy واستخدامه في بيئة حوسبة افتراضية عالية الأداء على محطة عمل محلية. يميل البروتوكول إلى العمل بشكل أفضل باستخدام بيئة حوسبة افتراضية في تجربة المؤلفين.
  2. قم بتنزيل وتثبيت برنامج التجزئة و / أو التصور الذي تختاره.
    ملاحظة: بالنسبة للدراسة الحالية ، تم استخدام ITK-SNAP للتصور (انظر جدول المواد).
  3. قم بتنزيل وحفظ البرنامج النصي reg.py (الملف التكميلي 1).

2. المعالجة المسبقة للصور

  1. انقر لفتح الصور والأقنعة في برنامج تصور الصور المطلوب للتحقق من تطابق اتجاه الصورة والقناع لجميع ملفات CT و 1H و 129Xe. اعتمادا على طريقة التجزئة و / أو البرنامج المستخدم ، قد يلزم تعديل اتجاه بعض الصور أو الأقنعة. حسب الحاجة، نوصي بضبط صور 1H و129Xe واتجاه القناع لمطابقة اتجاه صورة التصوير المقطعي المحوسب الأصلية.
  2. احفظ DICOMs للصورة والأقنعة أحادية التسمية (تم تعديلها كما في الخطوة 2.1 حسب الحاجة) كملفات مبادرة تكنولوجيا معلوماتية التصوير العصبي (NIfTI ، * .nii ؛ إجمالي ستة ملفات) باستخدام أداة البرنامج المفضلة ، في نفس المجلد مثل reg.py الذي يمكن الوصول إليه في الموقع حيث تم تثبيت ANTsPy وسيتم تشغيله. اتبع اصطلاحات التسمية كما هو مذكور أدناه.
    1. 1H التصوير بالرنين المغناطيسي: Proton.nii; 1قناع التصوير بالرنين المغناطيسي H: Proton_mask.nii.
      ملاحظة: استخدم صورة 1H والقناع بعد التسجيل في 129Xe.
    2. 129Xe التصوير بالرنين المغناطيسي: Ventilation.nii; 129قناع التصوير بالرنين المغناطيسي Xe: Ventilation_mask.nii
    3. CT: CT.nii; قناع التصوير المقطعي المحوسب: CT_mask.nii.
      ملاحظة: يتم ترميز أسماء الملفات في البرنامج النصي للتسجيل ، وبالتالي ، يجب أن تتبع التنسيق المذكور ، أو تتم مراجعتها في البرنامج النصي لمطابقة اصطلاح التسمية المطلوب. يمكن إكمال هذه الخطوات معا باستخدام أي من أدوات البرامج الموصى بها المدرجة في الخطوة 1.2. فيما يتعلق بأدوات البرامج هذه ، سيكتب البعض معلومات الرأس المطلوبة تلقائيا عند حفظ ملفات .nii ، بينما يتطلب البعض الآخر خطوات إضافية لنسخ معلومات الرأس وكتابتها.

3. تسجيل CT-XeMRI

  1. افتح ملف reg.py في إعداد بيئة حوسبة Python المطلوب في الخطوة 1.1.
    ملاحظة: يستند البرنامج النصي reg.py إلى أدوات تسجيل ANTs المضمنة; تتوفر وثائق إضافية55.
  2. في حالة استخدام بيئة ظاهرية، قم بتعيين عدد وحدات المعالجة المركزية (CPU) ومؤشرات ترابط الأرقام وذاكرة الوصول العشوائي حسب الرغبة أو المتوفرة في بيئة الحوسبة. تم استخدام بيئة حوسبة افتراضية مع 16 وحدة معالجة مركزية و 1 مؤشر ترابط لكل وحدة معالجة مركزية و 186 جيجابايت من ذاكرة الوصول العشوائي المتوفرة للأمثلة الواردة هنا.
  3. تعيين التحويل المطلوب والاستيفاء. تم استخدام تحويل SyNAggro مع الاستيفاء الخطي للصور واستيفاء التسمية العامة للأقنعة أحادية التسمية ، والتي تكون افتراضية في البرنامج النصي reg.py المقدم ، هنا.
    ملاحظة: SyNAggro هو تحويل تطبيع متماثل ، والذي يتضمن تحويل affine + قابل للتشوه بالإضافة إلى تسجيل أكثر قوة باستخدام مطابقة دقيقة والمزيد من التشوه (مقارنة ب SyN العادي). يتم سرد خوارزميات التحويل والاستيفاء البديلة في رابط وثائق تسجيل ANTs في الخطوة 3.155.
  4. اضبط الصورة الثابتة والمتحركة. هنا ، تم تعيين CT (قناع أحادي التسمية) كصورة ثابتة ، وتم تعيين 1H MRI (قناع أحادي التسمية) كصورة متحركة.
  5. قم بتشغيل reg.py في بيئة حوسبة Python. قد يستغرق التسجيل الكامل من 5 إلى 10 دقائق (باستخدام معاييرنا) أو أكثر ، اعتمادا على موارد الحوسبة المستخدمة أو المتاحة. عند اكتمالها ، سيتم حفظ الملفات المشوهة تلقائيا في نفس الدليل مثل ملفات الصور الأصلية مع أسماء الملفات على النحو التالي: Proton_warped.nii.gz; Ventilation_warped.nii.gz. Ventilation_label_warped.nii.gz.
    ملاحظة: ملفات NIfTI *.nii.gz هي مجرد إصدارات مضغوطة من ملفات *.nii ويمكن فك ضغطها أو فتحها حسب الرغبة. يمكن تعديل reg.py البرنامج النصي حسب الرغبة ، على سبيل المثال ، باستخدام طرق تحويل أو استيفاء مختلفة أو تعيين أو إنشاء دلائل الملفات.

4. تقييم نتائج التسجيل

  1. افتح صورة CT.nii كصورة أساسية في برنامج التصور المطلوب.
  2. افتح Ventilation_warped.nii.gz أو Ventilation_label_warped.nii.gz كصورة أخرى وقم بالتراكب على صورة التصوير المقطعي المحوسب مع خريطة الألوان المطلوبة.
  3. راجع تداخل صورة أو قناع 129Xe مع صورة التصوير المقطعي المحوسب في جميع مستويات الصورة (الإكليلية والمحورية والسهمية) ، وتقييم المحاذاة المرئية للمعالم مثل حدود carina والرئة (حيثما كانت متوفرة في صورة 129Xe).
  4. تحقق من النتائج. إذا كنت راضيا عن النتائج ، يكتمل التسجيل.
    ملاحظة: يمكن ضرب صورة / قناع 129Xe المسجل بواسطة قناع التصوير المقطعي المحوسب لإزالة القصبة الهوائية والممرات الهوائية الرئيسية (إذا لم تتم إزالتها قبل تجزئة التصوير بالرنين المغناطيسي) وإزالة أي إشارة تقع خارج حدود الرئة بالأشعة المقطعية بعد التسجيل. يمكن إجراء مزيد من القياس الكمي لقياسات وظيفة الهيكل الإقليمية حسب الرغبة.
  5. إذا لم تكن راضيا عن النتائج ، فقم بتقييم وتحسين الأنواع البديلة للتحويل والمعلمات المرتبطة بها حسب الحاجة.

النتائج

اكتسبت هذه الدراسة مستقبلا التصوير المقطعي المحوسب المزدوج و 129Xe MRI في بيئة بحثية لتوصيف وظيفة بنية الرئة الإقليمية وتنظير القصبات الموجه بالصور عبر مجموعة من أمراض الرئة وحالاتها. يوضح الشكل 3 129تهوية Xe MRI مسجلة و CT في المستويات الإكليلية وال?...

Discussion

يوفر التصوير المقطعي المحوسب و 129Xe MRI معلومات تكميلية لتقييم بنية الرئة الإقليمية ووظيفتها التي يتم تسهيلها بشكل أفضل باستخدام تسجيل الصور. يمكن أن يكون تسجيل الصور متعدد الوسائط غير سهل التنفيذ ، وبالتالي فإن البروتوكول المقدم هنا يهدف إلى توفير الأدوات للقراء ل?...

Disclosures

تتلقى RLE رسوم الاستشارات الشخصية من VIDA Diagnostics Inc. خارج العمل المقدم. حصلت جال على منحة مؤسسية من جنرال إلكتريك للرعاية الصحية وتكريم لمحاضرات من فيليبس وجنرال إلكتريك للرعاية الصحية خارج العمل المقدم.

Acknowledgements

تم دعم هذا البحث جزئيا من خلال الموارد والخدمات الحسابية التي تقدمها الحوسبة البحثية المتقدمة في جامعة كولومبيا البريطانية ، ومن قبل قسم الأشعة بجامعة كولومبيا البريطانية الذكاء الاصطناعي جرانت. تم دعم RLE من قبل جائزة مايكل سميث للبحوث الصحية BC للمتدربين.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
3D SlicerBrigham and Women's Hospital (BWH)https://www.slicer.org/Image analysis/visualization software; open source
ANTsPyNAhttps://github.com/ANTsX/ANTsPyCoding infrastructure; open source
ITK-SNAPNAhttp://www.itksnap.org/pmwiki/pmwiki.phpImage analysis/visualization software; open source
MAGNETOM Vida 3.0T MRISiemens HealthineersNACan be any 1.5 T or 3.0 T scanner with broadband imaging capability
MATLABMathworkshttps://www.mathworks.com/products/matlab.htmlGeneral software, good for image analysis; available by subscription
reg.pyNANARegistration script (Supplementary File 1)
Revolution HD CT scannerGE HealthcareNACan be any CT scanner with ≥64 detectors
VIDA InsightsVIDA Diagnostics Inc.NACT analysis software; can be any to generate masks

References

  1. Albert, M. S., et al. Biological magnetic resonance imaging using laser-polarized 129Xe. Nature. 370 (6486), 199-201 (1994).
  2. Sheikh, K., Coxson, H. O., Parraga, G. This is what COPD looks like. Respirology. 21 (2), 224-236 (2016).
  3. Ebner, L., et al. The role of hyperpolarized (129)xenon in MR imaging of pulmonary function. Eur J Radiol. 86, 343-352 (2017).
  4. Eddy, R. L., Parraga, G. Pulmonary xenon-129 MRI: New opportunities to unravel enigmas in respiratory medicine. Eur Respir J. 55 (2), 1901987 (2020).
  5. Stewart, N. J., et al. Lung MRI with hyperpolarised gases: Current & future clinical perspectives. Br J Radiol. 95 (1132), 20210207 (2022).
  6. Kooner, H. K., et al. Pulmonary functional MRI: Detecting the structure-function pathologies that drive asthma symptoms and quality of life. Respirology. 27 (2), 114-133 (2022).
  7. Mugler, J. P., Altes, T. A. Hyperpolarized 129Xe MRI of the human lung. J Magn Reson Imaging. 37 (2), 313-331 (2013).
  8. Kaushik, S. S., et al. Single-breath clinical imaging of hyperpolarized (129)Xe in the airspaces, barrier, and red blood cells using an interleaved 3D radial 1-point Dixon acquisition. Magn Reson Med. 75 (129), 1434-1443 (2016).
  9. Niedbalski, P. J., et al. Protocols for multi-site trials using hyperpolarized (129) Xe MRI for imaging of ventilation, alveolar-airspace size, and gas exchange: A position paper from the (129) Xe MRI clinical trials consortium. Magn Reson Med. 86 (6), 2966-2986 (2021).
  10. Lynch, D. A., Al-Qaisi, M. A. Quantitative computed tomography in chronic obstructive pulmonary disease. J Thorac Imaging. 28 (5), 284-290 (2013).
  11. Motahari, A., et al. Repeatability of pulmonary quantitative computed tomography measurements in chronic obstructive pulmonary disease. Am J Respir Crit Care Med. 208 (6), 657-665 (2023).
  12. Jarjour, N. N., et al. Severe asthma: Lessons learned from the national heart, lung, and blood institute severe asthma research program. Am J Respir Crit Care Med. 185 (4), 356-362 (2012).
  13. Regan, E. A., et al. Genetic epidemiology of COPD (copdgene) study design. COPD. 7 (1), 32-43 (2010).
  14. Couper, D., et al. Design of the subpopulations and intermediate outcomes in COPD study (SPIROMICS). Thorax. 69 (5), 491-494 (2014).
  15. Vestbo, J., et al. Evaluation of COPD longitudinally to identify predictive surrogate end-points (eclipse). Eur Respir J. 31 (4), 869-873 (2008).
  16. Bourbeau, J., et al. Canadian cohort obstructive lung disease (cancold): Fulfilling the need for longitudinal observational studies in COPD. Copd. 11 (2), 125-132 (2014).
  17. Galbán, C. J., et al. Computed tomography-based biomarker provides unique signature for diagnosis of COPD phenotypes and disease progression. Nat Med. 18 (11), 1711-1715 (2012).
  18. Kirby, M., et al. A novel method of estimating small airway disease using inspiratory-to-expiratory computed tomography. Respiration. 94 (4), 336-345 (2017).
  19. Kim, M., Doganay, O., Hwang, H. J., Seo, J. B., Gleeson, F. V. Lobar ventilation in patients with COPD assessed with the full-scale airway network flow model and xenon-enhanced dual-energy CT. Radiology. 298 (1), 201-209 (2021).
  20. Fain, S. B., et al. Evaluation of structure-function relationships in asthma using multidetector CT and hyperpolarized He-3 MRI. Acad Radiol. 15 (6), 753-762 (2008).
  21. Zha, W., et al. Regional heterogeneity of lobar ventilation in asthma using hyperpolarized helium-3 MRI. Acad Radiol. 25 (2), 169-178 (2018).
  22. Tahir, B. A., et al. Comparison of CT-based lobar ventilation with 3He MR imaging ventilation measurements. Radiology. 278 (2), 585-592 (2016).
  23. Adams, C. J., Capaldi, D. P. I., Di Cesare, R., McCormack, D. G., Parraga, G. On the potential role of MRI biomarkers of COPD to guide bronchoscopic lung volume reduction. Acad Radiol. 25 (2), 159-168 (2018).
  24. Pike, D., et al. Regional heterogeneity of chronic obstructive pulmonary disease phenotypes: Pulmonary (3)He magnetic resonance imaging and computed tomography. COPD. 13 (3), 601-609 (2016).
  25. Svenningsen, S., Guo, F., McCormack, D. G., Parraga, G. Noncystic fibrosis bronchiectasis: Regional abnormalities and response to airway clearance therapy using pulmonary functional magnetic resonance imaging. Acad Radiol. 24 (1), 4-12 (2017).
  26. Sheikh, K., et al. Magnetic resonance imaging biomarkers of chronic obstructive pulmonary disease prior to radiation therapy for non-small cell lung cancer. Eur J Radiol Open. 2, 81-89 (2015).
  27. Tahir, B. A., et al. Spatial comparison of CT-based surrogates of lung ventilation with hyperpolarized helium-3 and xenon-129 gas MRI in patients undergoing radiation therapy. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 102 (4), 1276-1286 (2018).
  28. Svenningsen, S., et al. What are ventilation defects in asthma. Thorax. 69 (1), 63-71 (2014).
  29. Svenningsen, S., Nair, P., Guo, F., McCormack, D. G., Parraga, G. Is ventilation heterogeneity related to asthma control. Eur Respir J. 48 (2), 370-379 (2016).
  30. Eddy, R. L., et al. Is computed tomography airway count related to asthma severity and airway structure and function. Am J Respir Crit Care Med. 201 (8), 923-933 (2020).
  31. Mummy, D. G., et al. Mucus plugs in asthma at CT associated with regional ventilation defects at (3)He MRI. Radiology. 303 (3), 184-190 (2022).
  32. Carey, K. J., et al. Comparison of hyperpolarized (3)He-MRI, CT based parametric response mapping, and mucus scores in asthmatics. Front Physiol. 14, 1178339 (2023).
  33. Thomen, R. P., et al. Regional ventilation changes in severe asthma after bronchial thermoplasty with (3)He MR imaging and CT. Radiology. 274 (3), 250-259 (2015).
  34. Capaldi, D. P., et al. Pulmonary imaging biomarkers of gas trapping and emphysema in COPD: (3)He MR imaging and CT parametric response maps. Radiology. 279 (3), 597-608 (2016).
  35. MacNeil, J. L., et al. Pulmonary imaging phenotypes of chronic obstructive pulmonary disease using multiparametric response maps. Radiology. 295 (1), 227-236 (2020).
  36. Kirby, M., et al. Pulmonary ventilation visualized using hyperpolarized helium-3 and xenon-129 magnetic resonance imaging: Differences in COPD and relationship to emphysema. J Appl Physiol. 114 (1985), 707-715 (2013).
  37. Hahn, A. D., et al. Hyperpolarized (129)Xe MR spectroscopy in the lung shows 1-year reduced function in idiopathic pulmonary fibrosis. Radiology. 305 (129), 688-696 (2022).
  38. Tahir, B. A., et al. A method for quantitative analysis of regional lung ventilation using deformable image registration of CT and hybrid hyperpolarized gas/1h MRI. Phys Med Biol. 59 (23), 7267-7277 (2014).
  39. Heinrich, M. P., et al. MIND: Modality independent neighbourhood descriptor for multi-modal deformable registration. Med Image Anal. 16 (7), 1423-1435 (2012).
  40. Yaremko, B. P., et al. Functional lung avoidance for individualized radiation therapy: Results of a double-masked, randomized controlled trial. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 113 (5), 1072-1084 (2022).
  41. Westcott, A., et al. Chronic obstructive pulmonary disease: Thoracic CT texture analysis and machine learning to predict pulmonary ventilation. Radiology. 293 (3), 676-684 (2019).
  42. Tahir, B. A., et al. Comparison of CT ventilation imaging and hyperpolarised gas MRI: Effects of breathing manoeuvre. Phys Med Biol. 64 (5), 055013 (2019).
  43. Astley, J. R., et al. A hybrid model- and deep learning-based framework for functional lung image synthesis from multi-inflation CT and hyperpolarized gas MRI. Med Phys. 50 (9), 5657-5670 (2023).
  44. Murphy, K., et al. Evaluation of registration methods on thoracic CT: The empire10 challenge. IEEE Trans Med Imaging. 30 (11), 1901-1920 (2011).
  45. Guo, F., et al. Thoracic CT-MRI coregistration for regional pulmonary structure-function measurements of obstructive lung disease. Med Phys. 44 (5), 1718-1733 (2017).
  46. Guo, F., et al. Development of a pulmonary imaging biomarker pipeline for phenotyping of chronic lung disease. J Med Imaging (Bellingham). 5 (2), 026002 (2018).
  47. Avants, B. B., et al. A reproducible evaluation of ANTs similarity metric performance in brain image registration. Neuroimage. 54 (3), 2033-2044 (2011).
  48. Tustison, N. J., Avants, B. B. Explicit B-spline regularization in diffeomorphic image registration. Front Neuroinform. 7, 39 (2013).
  49. Avants, B. B., et al. The Insight ToolKit image registration framework. Front Neuroinform. 8, 44 (2014).
  50. Sieren, J. P., et al. SPIROMICS protocol for multicenter quantitative computed tomography to phenotype the lungs. Am J Respir Crit Care Med. 194 (7), 794-806 (2016).
  51. Garrison, W. J., et al. Acquiring hyperpolarized 129Xe magnetic resonance images of lung ventilation. J Vis Exp. (201), e65982 (2023).
  52. Kirby, M., et al. Hyperpolarized 3He magnetic resonance functional imaging semiautomated segmentation. Acad Radiol. 19 (2), 141-152 (2012).
  53. Niedbalski, P. J., et al. A single-breath-hold protocol for hyperpolarized (129) Xe ventilation and gas exchange imaging. NMR Biomed. 36 (8), e4923 (2023).
  54. Collier, G. J., et al. Single breath-held acquisition of coregistered 3D (129) Xe lung ventilation and anatomical proton images of the human lung with compressed sensing. Magn Reson Med. 82 (1), 342-347 (2019).
  55. . Registration Available from: https://antspy.readthedocs.io/en/latest/registration.html (2017)
  56. Maes, F., Vandermeulen, D., Suetens, P. Medical image registration using mutual information. Proceedings of the IEEE. 91 (10), 1699-1722 (2003).
  57. He, M., et al. Extending semiautomatic ventilation defect analysis for hyperpolarized (129)Xe ventilation MRI. Acad Radiol. 21 (12), 1530-1541 (2014).
  58. Wang, J. M., Ram, S., Labaki, W. W., Han, M. K., Galbán, C. J. CT-based commercial software applications: Improving patient care through accurate COPD subtyping. Int J Chron Obstruct Pulmon Dis. 17, 919-930 (2022).
  59. Estepar, R. S. J., et al. Chest imaging platform: An open-source library and workstation for quantitative chest imaging. Am J Respir Crit Care Med. 191, 4975 (2015).
  60. Sharma, M., et al. Quantification of pulmonary functional MRI: State-of-the-art and emerging image processing methods and measurements. Phys Med Biol. 67 (22), (2022).
  61. Wang, J. M., et al. Using hyperpolarized (129)Xe MRI to quantify regional gas transfer in idiopathic pulmonary fibrosis. Thorax. 73 (129), 21-28 (2018).
  62. Hall, C. S., et al. Single-session bronchial thermoplasty guided by (129)Xe magnetic resonance imaging. A pilot randomized controlled clinical trial. Am J Respir Crit Care Med. 202 (129), 524-534 (2020).
  63. Svenningsen, S., et al. Bronchial thermoplasty guided by hyperpolarised gas magnetic resonance imaging in adults with severe asthma: A 1-year pilot randomised trial. ERJ Open Res. 7 (3), 00268 (2021).
  64. Rankine, L. J., et al. Hyperpolarized (129)Xe magnetic resonance imaging for functional avoidance treatment planning in thoracic radiation therapy: A comparison of ventilation- and gas exchange-guided treatment plans. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 111 (129), 1044-1057 (2021).
  65. Radadia, N., et al. Comparison of ventilation defects quantified by technegas spect and hyperpolarized (129)Xe MRI. Front Physiol. 14, 1133334 (2023).
  66. Criner, G. J. Surgical and interventional approaches in COPD. Respir Care. 68 (7), 939-960 (2023).
  67. Hartman, J. E., Garner, J. L., Shah, P. L., Slebos, D. J. New bronchoscopic treatment modalities for patients with chronic bronchitis. Eur Respir Rev. 30 (159), 200281 (2021).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

129Xe

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved