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
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

CT ו- 129Xe MRI מספקים מידע משלים על מבנה הריאות שניתן לנצל לניתוח אזורי באמצעות רישום תמונה. כאן, אנו מספקים פרוטוקול הבונה מהספרות הקיימת עבור רישום תמונה 129Xe MR ל- CT באמצעות פלטפורמות קוד פתוח.

Abstract

MRI גז 129Xe היפרפולרי היא טכניקה מתפתחת להערכה ומדידה של תפקודי ריאות אזוריים, כולל פיזור גז ריאתי וחילופי גזים. טומוגרפיה ממוחשבת בחזה (CT) עדיין נותרה תקן הזהב הקליני להדמיית הריאות, בין היתר בשל פרוטוקולי ה- CT המהירים הרוכשים תמונות ברזולוציה גבוהה תוך שניות והזמינות הנרחבת של סורקי CT. גישות כמותיות אפשרו מיצוי מדידות פרנכימליות ריאתיות, דרכי נשימה וכלי דם מבניות מ-CT חזה שהוערכו במחקרים קליניים רבים. יחד, CT ו- 129Xe MRI מספקים מידע משלים שניתן להשתמש בו כדי להעריך את מבנה הריאות ותפקודן האזורי, וכתוצאה מכך תובנות חדשות על בריאות הריאות ומחלות. 129ניתן לבצע רישום תמונה Xe MR-CT כדי למדוד את תפקוד מבנה הריאה האזורי כדי להבין טוב יותר את הפתופיזיולוגיה של מחלות ריאה, ולבצע התערבויות ריאתיות מונחות דמיון. כאן, מתוארת שיטה לרישום 129Xe MRI-CT לתמיכה ביישום במחקר או במסגרות קליניות. שיטות רישום ויישומים שהופעלו עד כה בספרות מסוכמים גם הם, וניתנות הצעות לכיוונים עתידיים שעשויים להתגבר עוד יותר על אתגרים טכניים הקשורים לרישום תמונה 129Xe MR-CT ולהקל על יישום רחב יותר של הערכת מבנה ריאה אזורית ותפקוד.

Introduction

דימות תהודה מגנטית של גז היפרפולרי (MRI) הופיע לראשונה כשיטת דימות ריאתי תפקודית חדשנית להערכת התפלגות אוורור ריאתי לפני כמעט שלושה עשורים1. מאז, מחקרים שהשתמשו ב-MRI גז היפרפולרי חשפו תובנות רבות לגבי אופי תפקוד הריאות בחולים עם מחלות ריאה כרוניות כגון אסטמה, מחלת ריאות חסימתית כרונית (COPD) וסיסטיק פיברוזיס 2,3,4,5,6. הן גז היפרפולריזציה 3He והן 129Xe שימשו לאורך ההיסטוריה; עם זאת, 129Xe הוא כעת הגורם העיקרי בשאיפה בגלל הזמינות המוגבלת של 3גז He. 129Xe גם מתפזר בחופשיות על פני קרום הנאדיות ונספג על ידי תאי דם אדומים בנימי הריאה; במה שמכונה "הפאזה המומסת", 129Xe מהדהד בתדרים ייחודיים המאפשרים מדידה של חילופי גזים אזוריים בסריקה אחת של עצירת נשימה 4,7,8. לצורך כימות, תמונות אנטומיות1H MR תואמות נפח נרכשות בדרך כלל במקביל לרישום משותף עם 129Xe כדי לתחום את גבולות חלל בית החזה. MRI קונבנציונלי של 1H, עם זאת, אינו מספק מידע מבני נוסף על הריאות. התנופה לתרגום קליני של MRI 129Xe היפרפולרי גדלה בשנים האחרונות עם אישור ה-NHS הבריטי ב-2015 ואישור ה-FDA האמריקאי בסוף 2022 5,9, אך אפיון מבני מתקדם עדיין חסר ברובו בארסנל ה-MRI הריאתי.

טומוגרפיה ממוחשבת בחזה (CT) נותרה עמוד התווך של הערכת הדמיה קלינית של הריאות, ומספקת תמונות תלת ממדיות ברזולוציה גבוהה של מבנה הריאות באמצעות פרוטוקולי הדמיה קונבנציונליים. גישות כמותיות אפשרו מדידה מהירה וחוזרת של שלמות פרנכימלית, כגון אמפיזמה והפרעות ריאה אינטרסטיציאליות, מורפולוגיה של דרכי נשימה גדולות וכלי דם ריאתיים, ואפיון אנטומי אזורי על ידי זיהוי ופילוח של אונות ריאה10,11. בתחום המחקר, CT כמותי נמצא בשימוש נרחב כדי להבין טוב יותר שינויים מבניים ואת הקשרים שלהם עם תוצאות חולים באסתמה ו- COPD במחקרים תצפיתיים גדולים כגון תוכנית המחקר לאסתמה חמורה (SARP)12, אפידמיולוגיה גנטית של COPD (COPDGene)13, תת-אוכלוסיות ותוצאי ביניים במחקר COPD (SPIROMICS)14, הערכה של COPD לאורך לזיהוי נקודות קצה חלופיות מנבאות (ECLIPSE)15והקבוצה הקנדית של מחלת ריאות חסימתית (CanCOLD)16., שיטות CT חלופיות כגון הדמיה פגת תוקף17,18 או מודלים חישוביים19 עשויות להפיק מידע תפקודי, אך שיטות אלה הן עקיפות, ו- CT קונבנציונלי אינו מספק הרבה לאפיון פונקציונלי של הריאות.

יחד, CT ו- 129Xe MRI מספקים מידע משלים על מבנה הריאות שניתן לנצל לניתוח אזורי באמצעות רישום תמונה. אונות ריאה שזוהו ב-CT אפשרו אפיון לובארי של דפוסי אוורור MRI באסתמה20,21,22, COPD23,24, ברונכיאקטזיס25 וסרטן ריאות26,27. הפרעות אוורור MRI באסתמה הותאמו גם באופן מרחבי ישירות לדרכי נשימה גדולות 28,29,30,31 ומלכודות אוויר המצביעות על תפקוד לקוי של דרכי הנשימה הקטנות 20,32 שנמדדו ב- CT, וכדי לבחון תגובות טיפול אזוריות לאחר תרמופלסטיקה של סימפונות ריאות שלמות33. ב- COPD, הפרעות אוורור MRI נקשרו לתפקוד לקוי של דרכי הנשימה הקטנות במחלות קלות יותר ונפחת במחלות חמורות יותר 34,35,36. מעבר להדמיית הנשמה במחלת ריאות חסימתית, הודגמו גם קשרים מרחביים הטרוגניים בין הפרעות ריאה אינטרסטיציאליות של CT לבין דפוסי חילופי גזי MRI 129Xe בפיברוזיס ריאתי אידיופתי37. מחקרים כאלה סיפקו הבנה מעמיקה יותר של תפקוד מבנה הריאה האזורי במגוון מחלות ריאה שניתן להשתמש בהן כדי ליידע התערבויות מונחות דמיון עתידיות.

רישום ישיר של CT אנטומי ו- MRI גז היפרפולרי פונקציונלי הוא מאתגר, עם זאת, בשל ניגודיות הדמיה שונה באופן מהותי בין שתי השיטות, היעדר אות גז היפרפולרי באזורים של הפרעות אוורור, ונפחי ריאות שונים פוטנציאלית. איור 1 מראה ארבע דוגמאות של 129Xe ו-MRI ו-CT אנטומיים של 1H במתנדב בריא (איור 1A) ובשלושה משתתפים עם מחלת ריאות חסימתית כרונית (COPD; איור 1B-D), המדגיש דפוסי אוורור הטרוגניים של 129Xe וגבולות ריאה חסרים משתנים במקרי COPD. המפתח להתגברות על אתגרים אלה היה שימוש ב- MRI אנטומי של 1H שנרכש במקביל ל- MRI גז היפרפולרי כשלב ביניים לרישום MRI גז היפרפולרי ל- CT בעקיפין34,38. העבודה המוקדמת השתמשה בהשוואה חזותית זה לצד זה ובסגמנטציה ידנית של מבני CT, כגון אונות ריאה, על שטח MRI20. התקדמות במשאבים חישוביים וכלי עיבוד תמונה בקוד פתוח אפשרו רישום תלת-ממדי של CT ו-MRI גז היפרפולרי, לדוגמה, באמצעות תיאור שכונה עצמאי מודאלי (MIND)23,30,34,39,40,41 או רישום ערכת כלים מתקדמת לנורמליזציה (ANT) 21,22,27 ,31,32,37,38,42,43, שניהם היו בעלי הביצועים הטובים ביותר באתגר רישום תמונות ריאתי44. שיטה חדשנית אחת חיברה בין שני הרישומים במקום לטפל בהם באופן עצמאי45, שיושמה בצנרת ניתוח מלא של תמונות ריאה המיועדת לפנוטיפ מחלות ריאה46. בסך הכל, דיוק הרישום של MRI ל-CT של גז היפרפולרי השתפר באמצעות שלב ביניים 1H38 ושימוש בגישות מעוותות על פני גישות אפיניות בלבד38,45.

המטרה כאן היא לבנות מהספרות הקיימת ולספק פרוטוקול לרישום תמונה 129Xe MR ל- CT באמצעות פלטפורמות קוד פתוח 47,48,49. הפרוטוקול מיושם באמצעות ANTsPy, ובהתאם לעבודה קודמת38, רושם מסכת ריאות בעלת תווית אחת מ- MRIH 1 למסכת ריאות בעלת תווית יחידה מ- CT; הטרנספורמציה המתקבלת מוחלת לאחר מכן על תמונת 129Xe כדי למפות אותה למרחב התמונה של CT. הפרוטוקול המתואר מיועד להתאים למחקר או להגדרות קליניות, במידת הצורך, וזמין MRI 129Xe היפרפולרי.

לצורך ההקשר, רכישת תמונה וניתוח עבור הדוגמאות המובאות כאן בוצעו כדלקמן. CT חזה נרכש בהשראה מלאה (קיבולת ריאות כוללת, TLC) על פי פרוטוקול מחקר מבוססבמינון נמוך 50 עם פרמטרים: התנגשות 64 x 0.625, 120 קילו-מתח שיא, זרם צינור 100 mA, זמן סיבוב 0.5 שניות, פסיעה ספירלית 1.0, עובי פרוסה 1.25 מ"מ, מרווח פרוסה 0.80 מ"מ, גרעין שחזור סטנדרטי, שדה ראייה תצוגה מוגבל להיקפים הרוחביים ביותר של הריאות (כדי למקסם את הרזולוציה המרחבית). פילוח וניתוח CT בוצעו באמצעות תוכנה מסחרית (ראה טבלת חומרים).

129Xe ו-MRI תואם נפח 1H בוצעו בהתאם להנחיותשפורסמו 9. לפרטים מלאים על רכישת MRI ופרוטוקול, הקוראים מופנים למאמר נוסף בקובץ זה51. סגמנטציה ורישום MRI בוצעו באמצעות צינור מותאם אישית חצי אוטומטי באמצעות k-means clustering עבור 129Xe segmentation, גידול אזור זרעים עבור 1H segmentation, ורישום אפין מבוסס ציון דרך כדי למפות את התמונה1 H לתמונה 129Xe52. רישום Affine בדרך כלל מספיק עבור רישום H-129Xe MR אחד כדי להסביר את רוב ניפוח הריאות או הבדלי מיקום המטופל בין רכישות; רישום מעוות הוא בדרך כלל לא הכרחי. ניתן לבטל את שלב הרישום 1 H-129Xe עם 129Xe שנרכשו בו זמנית ו- 1H MRI באותה עצירת נשימה53,54.

Protocol

מקרי ההדמיה המוצגים כאן אושרו על ידי מועצת האתיקה של מחקר הבריאות של אוניברסיטת קולומביה הבריטית (REB# H21-01237, H21-02149, H22-01264). המשתתפים נתנו הסכמה מדעת בכתב לפני השלמת ההדמיה. הצינור הכולל מרכישת תמונה לרישום מתואר באיור 2, ופרטי הפרוטוקול כאן מתמקדים ברישום התמונה MR-CT בלבד. רכישה ופילוח של תמונות תלויים בחומרת הדמיה זמינה או מועדפת, פרוטוקולי הדמיה וכלי תוכנה לניתוח תמונה, ולכן נותרים להעדפת הקוראים. הפרוטוקול מתוכנן להיות אגנוסטי לשלבים הקודמים באמצעות מסכות עם תווית אחת של הריאות לאחר פילוח תמונה.

1. הגדרת תוכנה

  1. הורד והתקן את ANTsPy (ראה טבלת חומרים), עטיפת Python עבור ספריית עיבוד התמונה Advanced Normalization Tools 47,48,49. הדרכות זמינות בקישור תחת לשונית 'הדרכות'. ANTsPy זמין גם להתקנת Docker במידת הצורך.
    הערה: ANTsPy דורש מערכת הפעלה או סביבה מבוססת Linux. עבור הדוגמאות כאן, ANTsPy הותקן ושימש בסביבת מחשוב וירטואלית בעלת ביצועים גבוהים בתחנת עבודה מקומית. הפרוטוקול נוטה לעבוד טוב יותר באמצעות סביבת מחשוב וירטואלית בחוויית המחברים.
  2. הורד והתקן תוכנת סגמנטציה ו/או ויזואליזציה לפי בחירתך.
    הערה: במחקר הנוכחי, ITK-SNAP שימש להדמיה (ראה טבלת חומרים).
  3. הורד ושמור את קובץ ה- Script של reg.py (קובץ משלים 1).

2. עיבוד מקדים של תמונה

  1. לחץ כדי לפתוח תמונות ומסיכות בתוכנה הרצויה להדמיה של תמונות כדי לוודא התאמות בכיוון התמונה והמסיכה עבור כל קובצי CT, 1H ו- 129Xe. בהתאם לשיטת הפילוח ו/או התוכנה שבה נעשה שימוש, ייתכן שיהיה צורך להתאים את הכיוון של תמונות או מסיכות מסוימות. בהתאם לצורך, אנו ממליצים להתאים את תמונות 1H ו- 129Xe ואת כיוון המסיכה כך שיתאימו לזה של תמונת ה- CT המקורית.
  2. שמור את DICOM התמונה ומסיכות תווית יחידה (מותאם כמו בשלב 2.1 לפי הצורך) כקבצי Neuroimaging Informatics Technology Initiative (NIfTI, *.nii; שישה קבצים בסך הכל) באמצעות כלי התוכנה המועדף, באותה תיקייה כמו reg.py הנגישה למיקום שבו מותקן ANTsPy ותופעל. פעל בהתאם למוסכמות למתן שמות כמפורט להלן.
    1. 1H MRI: Proton.nii; 1מסכת MRI H: Proton_mask.nii.
      הערה: השתמש בתמונה ובמסיכה של H 1לאחר הרישום ל- 129Xe.
    2. 129Xe MRI: אוורור.nii; 129מסכת MRI Xe: Ventilation_mask.nii
    3. CT: CT.nii; מסכת CT: CT_mask.nii.
      הערה: שמות הקבצים מקודדים באופן קשיח בסקריפט הרישום, ולכן עליהם לפעול לפי התבנית שהוזכרה, או להיות מתוקנים בסקריפט כך שיתאים למוסכמה הרצויה למתן שמות. ניתן להשלים שלבים אלה יחד באמצעות כל אחד מכלי התוכנה המומלצים המפורטים בשלב 1.2. ביחס לכלי תוכנה אלה, חלקם יכתבו את פרטי הכותרת הנדרשים באופן אוטומטי בעת שמירת קבצי .nii, בעוד שאחרים דורשים שלבים נוספים כדי להעתיק ולכתוב את פרטי הכותרת.

3. רישום CT-XeMRI

  1. פתח את קובץ reg.py בהגדרת סביבת המחשוב הרצויה של Python בשלב 1.1.
    הערה: סקריפט reg.py מבוסס על כלי הרישום המובנים של ANTs; תיעוד נוסף זמין55.
  2. אם אתה משתמש בסביבה וירטואלית, הגדר את מספר יחידות העיבוד המרכזיות (CPU), הליכי המשנה המספריים וה- RAM כרצויים או כזמינים בסביבת המחשוב. עבור הדוגמאות שלהלן נעשה שימוש בסביבת מחשוב וירטואלית עם 16 CPU, הליך משנה אחד לכל CPU ו- 186 GB של זיכרון RAM זמין.
  3. הגדר את שינוי הצורה והאינטרפולציה הרצויים. טרנספורמציית SyNAggro עם אינטרפולציה ליניארית עבור תמונות ואינטרפולציה גנרית של תוויות עבור מסיכות תווית יחידה, שהן ברירת מחדל בסקריפט reg.py שסופק, שימשו כאן.
    הערה: SyNAggro היא טרנספורמציית נורמליזציה סימטרית, הכוללת טרנספורמציה אפינית + מעוותת בתוספת רישום אגרסיבי יותר באמצעות התאמה בקנה מידה עדין ועיוות רב יותר (בהשוואה ל- SyN רגיל). אלגוריתמים חלופיים של טרנספורמציה ואינטרפולציה מפורטים בקישור תיעוד הרישום של ANTs בשלב 3.155.
  4. הגדר את התמונה הקבועה ואת התמונה הנעה. כאן, ה-CT (מסיכת תווית יחידה) הוגדרה כתמונה הקבועה, וה-MRI של 1H (מסיכת תווית יחידה) הוגדר כתמונה הנעה.
  5. הפעל reg.py בסביבת המחשוב Python. הרשמה מלאה עשויה להימשך 5-10 דקות (באמצעות הפרמטרים שלנו) או יותר, בהתאם למשאבי המחשוב המשמשים או הזמינים. לאחר השלמתם, קבצים מעוותים יישמרו אוטומטית באותה ספרייה כמו קובצי התמונה המקוריים עם שמות הקבצים באופן הבא: Proton_warped.nii.gz; Ventilation_warped.nii.gz; Ventilation_label_warped.nii.gz.
    הערה: קובצי NIfTI *.nii.gz הם רק גרסאות מכווצות של קבצי *.nii וניתן לפתוח אותם או לפתוח אותם לפי הצורך. ניתן לשנות reg.py סקריפט לפי הצורך, לדוגמה, באמצעות שיטות שונות של המרה או אינטרפולציה או מיפוי או יצירה של ספריות קבצים.

4. הערכת תוצאות הרישום

  1. פתח את תמונת CT.nii כתמונת הבסיס בתוכנת ההדמיה הרצויה.
  2. פתח Ventilation_warped.nii.gz או Ventilation_label_warped.nii.gz כתמונה אחרת ושכב על תמונת CT עם מפת הצבעים הרצויה.
  3. סקור את החפיפה של התמונה או המסכה 129Xe עם תמונת CT בכל מישורי התמונה (קורונלי, צירי, קשת), והערך את היישור החזותי של ציוני דרך כגון גבולות הקרינה והריאות (היכן שזמין בתמונת 129Xe).
  4. בדוק את התוצאות. אם מרוצים מהתוצאות, ההרשמה הושלמה.
    הערה: ניתן להכפיל את התמונה/מסכה 129Xe הרשומה במסכת CT כדי להסיר את קנה הנשימה ואת דרכי הנשימה הראשיות (אם לא הוסרו לפני סגמנטציית MRI) ולהסיר כל אות שנמצא מחוץ לגבולות הריאה של CT לאחר הרישום. ניתן לבצע כימות נוסף למדידות אזוריות של מבנה-פונקציה לפי הצורך.
  5. אם אינך מרוצה מהתוצאות, הערך ומטב סוגים חלופיים של טרנספורמציה ופרמטרים קשורים לפי הצורך.

תוצאות

מחקר זה רכש באופן פרוספקטיבי CT זוגי ו- 129Xe MRI במסגרת מחקר לאפיון תפקודי מבנה ריאה אזוריים וברונכוסקופיה מונחית תמונה במגוון מחלות ומצבים ריאתיים. איור 3 מראה רישום של 129מכשירי אוורור Xe MRI ו-CT במישורי העטרה והקשת עבור ארבעה משתתפים מייצגים עם מגו...

Discussion

CT ו- 129Xe MRI מספקים מידע משלים להערכת מבנה ותפקוד ריאה אזוריים המתאפשרים בצורה הטובה ביותר באמצעות רישום תמונה. רישום תמונה רב-מודאלי יכול להיות לא טריוויאלי ליישום, ולכן הפרוטוקול המסופק כאן נועד לספק את הכלים לקוראים לרשום 129Xe MRI ל- CT. הפרוטוקול המסופק משתמש ב- ...

Disclosures

RLE מקבלת דמי ייעוץ אישיים מ- VIDA Diagnostics Inc. מחוץ לעבודה שהוגשה. JAL קיבלה מענק מוסדי מ-GE Healthcare ותואר כבוד עבור הרצאות מפיליפס ומ-GE Healthcare מחוץ לעבודה שהוגשה.

Acknowledgements

מחקר זה נתמך בחלקו באמצעות משאבים ושירותים חישוביים שסופקו על ידי Advanced Research Computing באוניברסיטת קולומביה הבריטית, ועל ידי מענק AI של המחלקה לרדיולוגיה באוניברסיטת קולומביה הבריטית. RLE נתמך על ידי פרס Michael Smith Health Research BC Trainee Award.

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

CTMRI 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