بناء وتطبيق أطلس تدفق الدم الدماغي الوظيفي القائم على المنطقة الدماغية باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي - وضع العلامات على الدوران الشرياني

Summary

دمجت هذه الدراسة التصوير بالرنين المغناطيسي - صور وضع العلامات على الدوران الشرياني لاشتقاق أطلس تدفق الدم الدماغي (CBF) للمناطق الوظيفية الدماغية. كشفت مقارنة أطالس نقص التروية الدماغية الصحية والمزمنة النموذجية عن اختلافات كبيرة في توزيعات CBF الإقليمية ، مما مكن من إجراء تقييمات سريعة وغير جراحية ل CBF الوظيفي للمساعدة في التشخيص وتقييم العلاجات.

Abstract

غالبا ما تتطلب الحالات الدماغية تشخيصا ومراقبة دقيقين ، مما يستلزم تقنيات تصوير متقدمة. قد لا تكتشف الطرائق الحالية بشكل كاف العلامات المبكرة لتلف الأنسجة القابل للانعكاس ، مما يؤكد الحاجة إلى أدوات تشخيصية مبتكرة يمكنها تحديد التغيرات في تدفق الدم الدماغي (CBF) بخصوصية وحساسية عالية. تدمج هذه الدراسة وضع العلامات على الدوران الشرياني ثلاثي الأبعاد (3D-ASL) مع التصوير بالرنين المغناطيسي الهيكلي لتطوير أطالس CBF شاملة تغطي جميع المناطق الوظيفية الرئيسية للدماغ. توفر منهجية التصوير بالرنين المغناطيسي المبتكرة - وضع العلامات على الدوران الشرياني (MRI-ASL) وسيلة سريعة وغير جراحية لقياس CBF الخاص بالمنطقة ، مما يوفر عرضا مفصلا لمستويات CBF عبر مناطق وظيفية مختلفة. كشفت المقارنة بين مرضى نقص التروية الدماغية المزمن (CCI) والأشخاص الأصحاء عن تضاؤل كبير في CBF عبر المناطق الوظيفية الدماغية في أطالس CBF المبنية للأول. لا يسمح هذا النهج فقط بتحديد فعال ل CCI من خلال تحليل الانخفاضات المتزامنة في CBF عبر المناطق الحرجة المتعلقة بالتوزيعات الصحية ، ولكنه يتيح أيضا تتبع استجابات العلاج والتقدم المحرز في إعادة التأهيل من خلال أطالس CBF الطولية. يمثل أطلس CBF الذي تم تطويره باستخدام تقنية التصوير بالرنين المغناطيسي ASL تقدما جديدا في مجال التشخيص الدماغي ورعاية المرضى. من خلال مقارنة مستويات CBF الإقليمية مقابل المعايير المعيارية ، تعزز هذه الطريقة القدرات التشخيصية ، مما يمكن الأطباء من تقديم رعاية شخصية للمرضى الذين يعانون من حالات دماغية.

Introduction

في مجال التصوير العصبي ، يظل البحث عن أدوات دقيقة وغير جراحية لتقييم وظيفة الدماغ وعلم الأمراض أمرا بالغ الأهمية. من بين هؤلاء ، يقف تدفق الدم الدماغي (CBF) كمؤشر حيوي ، مما يعكس المتطلبات الأيضية والحالة الصحية لأنسجة المخ¹. غالبا ما تستلزم الأساليب التقليدية تقييمات تجريبية ، تعتمد بشكل كبير على خبرة الأطباء لتفسير الصور وتمييز التغيرات المرضية². ومع ذلك ، فإن التطورات في تقنيات التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) ، وخاصة وضع العلامات على الدوران الشرياني (ASL) ³ ، توفر وسيلة واعدة لقياس CBF بدقة وموضوعية أكبر ^4,5.

تقدم هذه الدراسة منهجية رائدة تدمج ASL ثلاثي الأبعاد (3D-ASL) مع التصوير بالرنين المغناطيسي الهيكلي لبناء أطلس CBF شامل عبر المناطق الوظيفية الدماغية⁶. من خلال الاستفادة من هذا النهج الجديد ، لا يمكن للأطباء الحصول على منظور عالمي ل CBF فحسب ، بل يمكنهم أيضا الخوض في مجالات وظيفية محددة ، مما يسمح بفهم دقيق لأنماط التروية الدماغية ^7,8. هذا التحسن في الدقة هو نتيجة مباشرة للتقدم التكنولوجي في معدات التصوير بدلا من استخدام voxels. تجدر الإشارة إلى أن غالبية أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي السائدة المتوفرة في السوق اليوم تقدم عادة دقة تصوير أفضل من 1.5 مم⁹. وقد مهدت هذه التطورات في تكنولوجيا التصوير الطريق لإجراء تقييمات أكثر تفصيلا ودقة ل CBF. يمثل هذا نقلة نوعية عن التصوير التقليدي ، والذي غالبا ما يفتقر إلى الدقة للكشف عن التغييرات الطفيفة في CBF المرتبطة بأمراض المرحلة المبكرة¹⁰.

تكمن نشأة هذه المنهجية في ضرورة مواجهة التحديات التشخيصية التي تفرضها الحالات الدماغية ، بما في ذلك نقص التروية الدماغية المزمن (CCI) والاضطرابات العصبية الأخرى^11،12. تتطلب هذه الحالات تقييمات دقيقة وفي الوقت المناسب لتوجيه التدخلات العلاجية بشكل فعال^13,14. من خلال مقارنة أطالس CBF بين الأفراد الأصحاء والمرضى الذين يعانون من CCI ، تكشف هذه الدراسة النقاب عن تفاوتات كبيرة في توزيعات CBF الإقليمية ، وتقدم نظرة ثاقبة لأمراض الأمراض وسبل العلاج المحتملة.

تمتد فائدة نهج التصوير بالرنين المغناطيسي - ASL إلى ما هو أبعد من التشخيص ، حيث تشمل التقييم العلاجي ومراقبة تطور المرض¹⁵. تبشر أطالس CBF الطولية بالخير في تتبع استجابات العلاج ونتائج إعادة التأهيل ، مما يوفر للأطباء أدوات لا تقدر بثمن لإدارة المرضى الشخصية. علاوة على ذلك ، قد تكون القدرة على تمييز التغييرات الطفيفة في CBF بمثابة علامة حيوية مبكرة لتشوهات الأنسجة الوشيكة ، مما يتيح التدخلات الاستباقية للتخفيف من الضرر العصبي قبل أن يصبح لا رجعة فيه¹⁶.

وفي حين أن هذه المنهجية تمثل أداة متقدمة، فإن هناك عدة سبل للصقل والتوسع تستحق النظر. يعد توحيد بروتوكولات المسح ، وتقنيات تطبيع CBF ، وبناء أطالس CBF صحية متعددة الموضوعات خطوات حاسمة نحو تعزيز دقة التشخيص والفائدة السريرية. تعد الجهود التعاونية عبر الأمراض الدماغية المتنوعة ضرورية للتحقق من صحة هذا النهج وتحسينه من أجل التبني السريري على نطاق واسع.

تقدم هذه الدراسة نهجا جديدا حيث تقدم أطالس CBF المشتقة من التصوير بالرنين المغناطيسي للأطباء رؤى عميقة في وظيفة الدماغ وعلم الأمراض. من خلال سد الفجوة بين مجموعة التصوير والتفسير السريري ، فإن هذه المنهجية لديها القدرة على إحداث ثورة في تشخيص وإدارة عدد لا يحصى من الحالات العصبية ، مما يبشر بمستقبل الطب الدقيق المصمم خصيصا لتلبية الاحتياجات الفريدة لكل مريض.

Protocol

تمت الموافقة على هذه الدراسة من قبل مجلس المراجعة المؤسسية لمستشفى بكين دونغتشيمن ، بكين ، الصين. تم استخدام ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي مع تسلسل ASL النبضي (PASL) بناء على صدى الدوران المتدرج التوربيني (TGSE) لوضع العلامات على الدوران الشرياني ثلاثي الأبعاد (3D-ASL) مع المعلمات التالية: TR 4000 مللي ثانية ، TE 25 مللي ثانية ، مدة البلعة 700 مللي ثانية ، وقت الانعكاس 1990 مللي ثانية. يتم سرد أدوات البرمجيات المستخدمة في هذا البحث في جدول المواد.

1. جمع البيانات وإعدادها

ملاحظة: لا يزال التباين في المعلمات غير متأثر بنهج البحث. يتم استخدام كل من تنسيقات DICOM و NIFTI لتخزين بيانات التصوير الطبي الرقمي ، مع كون DICOM هو الإخراج المعتاد من أجهزة التصوير السريري. ومع ذلك ، غالبا ما يفضل تنسيق NIFTI للراحة الحسابية في الأنشطة البحثية. يعد التحويل من DICOM إلى NIFTI ممارسة مباشرة وشائعة¹⁷. في هذه الدراسة ، تم الحصول على بيانات DICOM الأصلية وتحويلها إلى تنسيق NIFTI. تم الحصول على البيانات باستخدام ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي 1.5 تسلا. في عملية تسجيل الصور المتقاطعة لهذه الدراسة ، تم استخدام تسلسل استعادة انعكاس السوائل الموهن (FLAIR) بشكل أساسي ودمجه مع صور CBF. أداة أطلس CBF (جدول المواد) المستخدمة في هذه الدراسة هي برامج تجارية.

1. نسخ البيانات إلى دليل العمل المعين.
   1. انسخ جميع بيانات NIFTI إلى دليل عمل مخصص.
      ملاحظة: دليل العمل هو نفسه في نظام التشغيل و MATLAB. يتبع البحث معيار التوجيه الأمامي الأيمن العلوي (RAS).
   2. انتقل إلى الدليل الذي يحتوي على البيانات داخل دليل العمل الحالي ل MATLAB ، واستخدم وظيفة niftiread لتحميل بيانات FLAIR في مساحة العمل. استخدم وظيفة الحجم للتحقق من أبعاد تسلسل FLAIR. اتصل بالأمر Flair_Slice لعرض تسلسل FLAIR (كما هو موضح في الشكل 1). استخدم الأوامر المحددة كما يلي:
      FLAIR_XLF = niftiread ('FLAIR_XFL.nii');
      الحجم(FLAIR_XLF)
      Flair_Slice (FLAIR_XLF) ؛
   3. راجع الشكل 1 للحصول على صورة لواجهة المستخدم الرسومية التفاعلية (GUI) لتسلسل FLAIR. استخدم شريط التمرير السفلي لتصفح التسلسلات المختلفة بسرعة.
2. تحقق بسرعة من صور CBF.
   1. استخدم الدالة niftiread لتحميل بيانات CBF في مساحة العمل. استخدم وظيفة الحجم للتحقق من أبعاد تسلسل CBF. اتصل بالأمر CBF_Slice لعرض تسلسل CBF (كما هو موضح في الشكل 2). استخدم الأوامر المحددة كما يلي:
      CBF_XLF = نيفتريد ('CBF_XFL.nii');
      الحجم(CBF_XLF)
      CBF_Slice (CBF_XLF) ؛
   2. ارجع إلى الشكل 2 للحصول على لقطة شاشة تفاعلية لواجهة المستخدم الرسومية لتسلسل CBF. استخدم شريط التمرير السفلي لتصفح التسلسلات المختلفة بسرعة.
      ملاحظة: في الشكل 2 ، يكون نطاق قيمة CBF عادة 0-120 مل / 100 جم / دقيقة. يستخدم الشكل 2 خريطة ملونة لتمثيل مستويات CBF المختلفة بألوان مختلفة.

2. تجزئة المناطق الوظيفية الدماغية من تسلسل FLAIR

ملاحظة: يعمل تسلسل FLAIR كتصوير هيكلي ويوفر قدرات تشخيصية مرضية ممتازة. لذلك ، فإن دمج FLAIR مع CBF يحمل قيمة تشخيصية مهمة في العيادات. تقسم هذه الدراسة المناطق الوظيفية الدماغية الرئيسية من تسلسل FLAIR.

1. في مساحة العمل ، اتصل بوظيفة FLAIR_Segment وقم بتشغيل برنامج تجزئة الصور المستند إلى 3-D U-Net الذي تم تدريبه مسبقا لإنشاء طرق عرض ثلاثية المستويات تلقائيا لتجزئة المناطق الوظيفية الدماغية ، كما هو موضح في الشكل 3. يمثل كل لون في الشكل 3 منطقة وظيفية مميزة.
2. للفحص في الوقت الفعلي للمناطق الوظيفية الدماغية المختلفة ، استخدم تفاعل التقاطع (الشكل 3). انقر واسحب مركز التقاطع لإجراء فحص 3D تعسفي لتشريح الدماغ المعاد بناؤه.
   ملاحظة: تتيح واجهة المستخدم الرسومية في الشكل 3 أيضا ضبط نطاق كثافة التدرج الرمادي والتباين والسطوع لطرق العرض ثلاثية المستويات.
3. اضغط على زر الماوس الأيسر واسحبه فوق أي منطقة من الصور لتعديل مستويات السطوع والتباين في الوقت الفعلي. حرر زر الماوس لتأكيد التعديلات وإنهائها.

3. مناظر ثلاثية المستويات لتوزيع CBF عبر المناطق الوظيفية الدماغية

ملاحظة: إن فحص توزيع CBF عبر مناطق وظيفية دماغية مختلفة يسهل الأحكام السريرية الدقيقة لحالات المريض. في إطار المنطقة الوظيفية من الشكل 3 ، فإن دمج قيم CBF الدقيقة من تسلسل CBF وتقديمها في طرق عرض ثلاثية المستويات يسمح بفحص الطبيب الشامل.

1. قم باستدعاء الدالة CBF_triplanar لإنشاء طريقة عرض واجهة المستخدم الرسومية ثلاثية المستويات الموضحة في الشكل 4 ، والتي تعرض التوزيع المكاني CBF عبر المناطق الوظيفية. حرك التقاطع للسماح بفحص توزيع CBF في المناطق ذات الأهمية.
2. انقر فوق الزر تلميحات البيانات في الزاوية العلوية اليمنى من واجهة المستخدم الرسومية لعرض قيم CBF في أي موضع.
3. اضغط على زر الماوس الأيسر واسحبه فوق أي منطقة من الصور لتعديل مستويات السطوع والتباين في الوقت الفعلي. حرر زر الماوس لتأكيد التعديلات وإنهائها.

4. أطلس CBF عبر المناطق الوظيفية الدماغية الرئيسية

ملاحظة: يؤدي تطبيع توزيعات احتمال CBF عبر مناطق وظيفية مختلفة إلى إنشاء أطلس CBF للمناطق الوظيفية الدماغية ، معبرا عن مستويات CBF عبر المناطق الوظيفية الدماغية للموضوع.

1. قم باستدعاء الدالة CBF_Atlas لتحويل التوزيع المكاني CBF الموضح في الشكل 4 إلى أطلس CBF (كما هو موضح في الشكل 5).
   ملاحظة: في الشكل 5 ، يمثل المحور السيني مناطق وظيفية دماغية مختلفة ، ويمثل المحور ص مستويات مختلفة من CBF ؛ تشير الألوان المختلفة إلى مستويات احتمالية مختلفة (كلما كان اللون أكثر احمرارا ، زاد عدد voxels الموجودة).
2. انقر فوق الزر تكبير / تصغير في أعلى يمين واجهة المستخدم الرسومية الموضحة في الشكل 5 لتغيير حجم الصور الجزئية.
   ملاحظة: يربط المنحنى الوارد في الشكل 5 متوسط CBF عبر المناطق.

5. اختلافات كبيرة في CBF_Atlas بين الأشخاص الأصحاء ومرضى CCI

ملاحظة: باستخدام نفس العملية الموضحة في الأقسام 1-4 ، يمكن الحصول على متوسط قيم CBF عبر مناطق وظيفية دماغية مختلفة لمرضى CCI.

1. استخدم وظيفة CBF_Compare لإنشاء مخطط مقارن لمنحنى CBF من موضوع سليم مقابل مريض CCI (الشكل 6).
2. لاحظ الاختلافات الكبيرة بين منحنى CBF للمريض (ملون باللون الأسود) والمنحنى الصحي (ملون باللون الأحمر) (الشكل 6). تحديد المناطق الوظيفية مع قطرات CBF أكثر وضوحا في المريض. دمج الخطوة 3.3 ، إعادة فحص المناطق التي كان أداء المريض فيها أسوأ مقارنة بالمناطق الأخرى.
   ملاحظة: تسمح الخطوة 3.3 بعرض مستويات CBF للمريض في مساحة ثلاثية الأبعاد ، مما يعني أنه يمكن للأطباء استخدام عرض واجهة المستخدم الرسومية ثلاثية المستويات الموضحة في الشكل 4 لفحص CBF في أي موضع للمريض. هنا ، تختلف درجة انخفاض CBF في مواقع مختلفة لمرضى CCI. يمكن للأطباء إعادة النظر في الشكل 4 للتركيز على مناطق الدماغ ذات الانخفاض الكبير في CBF.
3. استخدم الرموز الموجودة في الزاوية اليمنى العليا من واجهة المستخدم الرسومية (الشكل 5) للوصول إلى وظائف مثل التصغير والتكبير والعودة إلى العرض العام ووضع علامة على إحداثيات البكسل المحدد.
   ملاحظة: باستخدام نفس المبدأ ، يمكن أيضا مقارنة نتائج ما قبل العلاج وما بعد العلاج من نفس المريض باستخدام النهج الوارد في الشكل 6 لتقييم الفعالية السريرية بمرور الوقت.

النتائج

يستخدم هذا التحقيق بيانات المريض الفعلية التي تم الحصول عليها باستخدام ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي 1.5 T للتحقق من صحة القياس الكمي لتدفق الدم الدماغي (CBF) ومنهجية بناء الأطلس. تضمنت خطوات المعالجة المسبقة صورا هيكلية FLAIR (الشكل 1) ، وصور CBF (الشكل 2) ، وصورا...

Discussion

وتشكل الخطوات الرئيسية (القسمان 3 و4) الأساس لبناء أطلس إطار بناء القدرات المركزي، والقياس الكمي لتوزيع إطار بناء القدرات عبر المناطق الوظيفية الدماغية. تحدد الخطوة 4.2 صراحة مستويات CBF لكل منطقة دماغية ، رائدة في تقنية جديدة. هذا لا يوفر للأطباء فقط رؤية عالمية ل CBF المريض ولكن أيضا القياسات...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
CBF Atlas	Intelligent Entropy	CBF Atlas V1.0	Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co Ltd. Modeling for Thyroid Disease
MATLAB	MathWorks	2023B	Computing and visualization
MRI Device	Siemens	Amria 1.5 T	MRI scanner