Costruzione e applicazione dell'atlante del flusso sanguigno cerebrale basato sulla regione funzionale cerebrale utilizzando la risonanza magnetica-marcatura dello spin arterioso

Riepilogo

Questo studio ha integrato la risonanza magnetica e le immagini di marcatura dello spin arterioso per derivare l'atlante del flusso sanguigno cerebrale (CBF) per le regioni funzionali cerebrali. Il confronto tra gli atlanti CBF tipici di ischemia cerebrale sana e cronica ha rivelato differenze significative nelle distribuzioni regionali di CBF, consentendo valutazioni rapide e non invasive del CBF funzionale per aiutare nella diagnosi e valutare le terapie.

Abstract

Le condizioni cerebrali spesso richiedono una diagnosi e un monitoraggio precisi, richiedendo tecniche di imaging avanzate. Le modalità attuali potrebbero non rilevare adeguatamente i primi segni di danno tissutale reversibile, sottolineando la necessità di strumenti diagnostici innovativi in grado di quantificare i cambiamenti nel flusso sanguigno cerebrale (CBF) con elevata specificità e sensibilità. Questo studio integra l'etichettatura tridimensionale dello spin arterioso (3D-ASL) con la risonanza magnetica strutturale per sviluppare atlanti CBF completi che coprono tutte le principali regioni funzionali del cervello. Questa innovativa metodologia di risonanza magnetica per la marcatura dello spin arterioso (MRI-ASL) fornisce un mezzo rapido e non invasivo per quantificare il CBF specifico della regione, offrendo una visione dettagliata dei livelli di CBF in diverse regioni funzionali. Il confronto tra i pazienti con ischemia cerebrale cronica (CCI) e i soggetti sani ha rivelato una significativa diminuzione della CBF nelle regioni funzionali cerebrali negli atlanti CBF costruiti per i primi. Questo approccio non solo consente l'identificazione efficiente dell'ICC analizzando le diminuzioni concomitanti del CBF in aree critiche rispetto alle distribuzioni sane, ma consente anche il monitoraggio delle risposte al trattamento e dei progressi della riabilitazione attraverso atlanti CBF longitudinali. L'atlante CBF sviluppato con la tecnica MRI-ASL rappresenta un nuovo progresso nel campo della diagnostica cerebrale e della cura del paziente. Confrontando i livelli regionali di CBF con gli standard normativi, questo metodo migliora le capacità diagnostiche, consentendo ai medici di fornire cure personalizzate ai pazienti con condizioni cerebrali.

Introduzione

Nell'ambito del neuroimaging, la ricerca di strumenti precisi e non invasivi per valutare la funzione cerebrale e la patologia rimane fondamentale. Tra questi, il flusso sanguigno cerebrale (CBF) è un indicatore vitale, che riflette le richieste metaboliche e lo stato di salute del tessuto cerebrale¹. Gli approcci tradizionali spesso comportano valutazioni empiriche, che si basano fortemente sull'esperienza dei medici per interpretare le immagini e discernere i cambiamenti patologici². Tuttavia, i progressi nelle tecniche di risonanza magnetica (MRI), in particolare la marcatura dello spin arterioso (ASL)³, offrono una strada promettente per quantificare la CBF con maggiore precisione e obiettività ^4,5.

Questo studio presenta una metodologia pionieristica che integra l'ASL tridimensionale (3D-ASL) con la risonanza magnetica strutturale per costruire un atlante CBF completo attraverso le regioni funzionali cerebrali⁶. Sfruttando questo nuovo approccio, i medici possono non solo ottenere una prospettiva globale della CBF, ma anche approfondire specifiche aree funzionali, consentendo una comprensione sfumata dei modelli di perfusione cerebrale ^7,8. Questo miglioramento della risoluzione è il risultato diretto del progresso tecnologico nelle apparecchiature di imaging piuttosto che dell'uso di voxel interpolati. Vale la pena notare che la maggior parte dei dispositivi MRI tradizionali disponibili oggi sul mercato offre in genere una precisione di imaging migliore di 1,5 mm⁹. Questi progressi nella tecnologia di imaging hanno aperto la strada a valutazioni CBF più dettagliate e accurate. Ciò rappresenta un cambiamento di paradigma rispetto all'imaging convenzionale, che spesso manca della risoluzione per rilevare sottili cambiamenti nella CBF associati a patologie in stadio iniziale¹⁰.

La genesi di questa metodologia risiede nell'imperativo di affrontare le sfide diagnostiche poste dalle condizioni cerebrali, tra cui l'ischemia cerebrale cronica (CCI) e altri disturbi neurologici^11,12. Queste condizioni richiedono valutazioni precise e tempestive per guidare efficacemente gli interventi terapeutici^13,14. Confrontando gli atlanti CBF tra individui sani e pazienti con CCI, questo studio svela disparità significative nelle distribuzioni regionali di CBF, offrendo approfondimenti sulla patologia della malattia e sulle potenziali vie di trattamento.

L'utilità di questo approccio MRI-ASL va oltre la diagnosi, comprendendo la valutazione terapeutica e il monitoraggio della progressione della malattia¹⁵. Gli atlanti CBF longitudinali sono promettenti nel tracciare le risposte al trattamento e i risultati della riabilitazione, fornendo ai medici strumenti inestimabili per la gestione personalizzata dei pazienti. Inoltre, la capacità di discernere sottili cambiamenti di CBF può fungere da biomarcatore precoce per imminenti anomalie tissutali, consentendo interventi proattivi per mitigare il danno neurologico prima che diventi irreversibile¹⁶.

Sebbene questa metodologia rappresenti uno strumento avanzato, diverse strade per il perfezionamento e l'espansione meritano di essere prese in considerazione. La standardizzazione dei protocolli di scansione, le tecniche di normalizzazione CBF e la costruzione di atlanti CBF sani multi-soggetto sono passi cruciali per migliorare l'accuratezza diagnostica e l'utilità clinica. Gli sforzi collaborativi tra diverse patologie cerebrali sono essenziali per convalidare e perfezionare questo approccio per un'adozione clinica diffusa.

Questo studio introduce un nuovo approccio in base al quale gli atlanti CBF derivati dalla risonanza magnetica offrono ai medici una visione approfondita della funzione cerebrale e della patologia. Colmando il divario tra il gruppo di imaging e l'interpretazione clinica, questa metodologia ha il potenziale per rivoluzionare la diagnosi e la gestione di una miriade di condizioni neurologiche, inaugurando un futuro della medicina di precisione su misura per le esigenze uniche di ogni paziente.

Protocollo

Questo studio è stato approvato dall'Institutional Review Board del Beijing Dongzhimen Hospital, Pechino, Cina. È stato utilizzato uno scanner MRI con sequenza ASL pulsata (PASL) basata su turbo gradient spin echo (TGSE) per l'etichettatura 3D dello spin arterioso (3D-ASL) con i seguenti parametri: TR 4000 ms, TE 25 ms, durata bolo 700 ms, tempo di inversione 1990 ms. Gli strumenti software utilizzati in questa ricerca sono elencati nella Tabella dei Materiali.

1. Raccolta e preparazione dei dati

NOTA: La varianza dei parametri rimane inalterata dall'approccio di ricerca. Entrambi i formati DICOM e NIFTI vengono utilizzati per l'archiviazione dei dati di imaging medico digitale, con DICOM che è l'output abituale dei dispositivi di imaging clinico. Tuttavia, il formato NIFTI è spesso preferito per comodità computazionale nelle attività di ricerca. La conversione da DICOM a NIFTI è una pratica semplice e comune¹⁷. In questo studio, i dati DICOM autentici sono stati acquisiti e convertiti in formato NIFTI. I dati sono stati acquisiti utilizzando uno scanner MRI da 1,5 Tesla. Nel processo di registrazione di immagini incrociate di questo studio, è stata utilizzata principalmente la sequenza di recupero dell'inversione attenuata dal fluido (FLAIR) e fusa con immagini CBF. Lo strumento CBF Atlas (Table of Materials) utilizzato in questo studio è un software commerciale.

1. Copiare i dati nella directory di lavoro designata.
   1. Copia tutti i dati NIFTI in una directory di lavoro personalizzata.
      NOTA: La directory di lavoro è la stessa nel sistema operativo e in MATLAB. La ricerca segue lo standard di orientamento Anteriore Superiore Destro (RAS).
   2. Vai alla directory che ospita i dati all'interno della directory di lavoro corrente di MATLAB e usa la funzione niftiread per caricare i dati FLAIR nell'area di lavoro. Utilizzare la funzione di dimensione per controllare le dimensioni della sequenza FLAIR. Chiamare il comando Flair_Slice per visualizzare la sequenza FLAIR (come mostrato nella Figura 1). Utilizzare i comandi specifici come segue:
      FLAIR_XLF = niftiread('FLAIR_XFL.nii');
      Taglia(FLAIR_XLF)
      Flair_Slice(FLAIR_XLF);
   3. Fare riferimento alla Figura 1 per un'immagine dell'interfaccia utente grafica interattiva (GUI) per la sequenza FLAIR. Usa la barra di scorrimento in basso per sfogliare rapidamente le diverse sequenze.
2. Controlla rapidamente le immagini di CBF.
   1. Utilizzare la funzione niftiread per caricare i dati CBF nell'area di lavoro. Utilizzare la funzione di dimensione per controllare le dimensioni della sequenza CBF. Chiamare il comando CBF_Slice per visualizzare la sequenza CBF (come illustrato nella Figura 2). Utilizzare i comandi specifici come segue:
      CBF_XLF = niftiread('CBF_XFL.nii');
      Taglia(CBF_XLF)
      CBF_Slice(CBF_XLF);
   2. Fare riferimento alla Figura 2 per una schermata interattiva della GUI della sequenza CBF. Usa la barra di scorrimento in basso per sfogliare rapidamente le diverse sequenze.
      NOTA: Nella Figura 2, l'intervallo di valori CBF è solitamente compreso tra 0 e 120 ml/100 g/min. La Figura 2 utilizza una mappa a colori per rappresentare diversi livelli di CBF in colori diversi.

2. Segmentazione di regioni funzionali cerebrali da sequenza FLAIR

NOTA: La sequenza FLAIR funge sia da imaging strutturale che da eccellente capacità diagnostica patologica. Pertanto, la fusione di FLAIR con CBF ha un importante valore diagnostico nelle cliniche. Questo studio segmenta le principali regioni funzionali cerebrali dalla sequenza FLAIR.

1. Nell'area di lavoro, chiamare la funzione FLAIR_Segment ed eseguire il programma di segmentazione delle immagini basato su U-Net 3D pre-addestrato per generare automaticamente viste triplanari della segmentazione delle regioni funzionali cerebrali, come mostrato nella Figura 3. Ogni colore nella Figura 3 rappresenta una regione funzionale distinta.
2. Per l'ispezione in tempo reale di diverse regioni funzionali cerebrali, utilizzare l'interazione a mirino (Figura 3). Fai clic e trascina il centro del mirino per un esame 3D arbitrario dell'anatomia del cervello ricostruito.
   NOTA: L'interfaccia grafica nella Figura 3 consente anche di regolare l'intervallo di intensità della scala di grigi, il contrasto e la luminosità delle viste triplanari.
3. Premi e trascina il pulsante sinistro del mouse su qualsiasi regione delle immagini per modificare in tempo reale i livelli di luminosità e contrasto. Rilasciare il pulsante del mouse per confermare e finalizzare le regolazioni.

3. Viste triplanari della distribuzione del CBF nelle regioni funzionali cerebrali

NOTA: L'esame della distribuzione del CBF in diverse regioni funzionali cerebrali facilita giudizi clinici precisi sulle condizioni del paziente. Nell'ambito del quadro delle regioni funzionali della Figura 3, l'incorporazione dei valori esatti di CBF dalla sequenza CBF e la loro presentazione in viste triplanari consente un'ispezione completa da parte del medico.

1. Chiamare la funzione CBF_triplanar per generare la vista GUI triplanare illustrata nella Figura 4, che mostra la distribuzione spaziale CBF tra le regioni funzionali. Spostare il mirino per consentire l'esame della distribuzione del CBF nelle regioni di interesse.
2. Fare clic sul pulsante Suggerimenti dati nell'angolo in alto a destra della GUI per visualizzare i valori CBF in qualsiasi posizione.
3. Premi e trascina il pulsante sinistro del mouse su qualsiasi regione delle immagini per modificare in tempo reale i livelli di luminosità e contrasto. Rilasciare il pulsante del mouse per confermare e finalizzare le regolazioni.

4. Atlante CBF nelle principali regioni funzionali cerebrali

NOTA: La normalizzazione delle distribuzioni di probabilità CBF tra diverse regioni funzionali genera l'Atlante CBF delle Regioni Funzionali Cerebrali, che esprime i livelli di CBF nelle regioni funzionali cerebrali del soggetto.

1. Chiamare la funzione CBF_Atlas per convertire la distribuzione spaziale CBF mostrata nella Figura 4 in un atlante CBF (come mostrato nella Figura 5).
   NOTA: Nella Figura 5, l'asse x rappresenta diverse regioni funzionali cerebrali e l'asse y rappresenta diversi livelli di CBF; I diversi colori denotano diversi livelli di probabilità (più rosso è il colore, più voxel sono presenti).
2. Fare clic sul pulsante Zoom avanti/indietro in alto a destra della GUI mostrata nella Figura 5 per ridimensionare le immagini parziali.
   NOTA: la curva nella Figura 5 collega il CBF medio tra le regioni.

5. Differenze significative nella CBF_Atlas tra soggetti sani e pazienti con ICC

NOTA: Utilizzando lo stesso processo descritto nelle sezioni 1-4, è possibile ottenere i valori medi di CBF in diverse regioni funzionali cerebrali per i pazienti con CCI.

1. Utilizzare la funzione CBF_Compare per generare un grafico comparativo della curva CBF da un soggetto sano rispetto a un paziente con CCI (Figura 6).
2. Osservare le differenze significative tra la curva CBF del paziente (colorata in nero) e la curva sana (colorata in rosso) (Figura 6). Identificare le regioni funzionali con cali di CBF più pronunciati nel paziente. Integrando il passaggio 3.3, riesaminare le regioni in cui il paziente ha ottenuto risultati peggiori rispetto alle altre regioni.
   NOTA: Il passaggio 3.3 consente la visualizzazione dei livelli di CBF del paziente nello spazio tridimensionale, il che significa che i medici possono utilizzare la vista GUI triplanare mostrata nella Figura 4 per esaminare il CBF in qualsiasi posizione del paziente. Qui, il grado di declino del CBF varia in diverse sedi per i pazienti con ICC. I medici possono rivisitare la Figura 4 per concentrarsi sulle regioni cerebrali con un significativo declino del CBF.
3. Utilizzare le icone nell'angolo in alto a destra della GUI (Figura 5) per accedere a funzioni quali lo zoom indietro, lo zoom avanti, il ritorno alla vista globale e la marcatura delle coordinate del pixel selezionato.
   NOTA: Utilizzando lo stesso principio, i risultati pre-trattamento e post-trattamento dello stesso paziente possono essere confrontati utilizzando l'approccio nella Figura 6 per valutare l'efficacia clinica nel tempo.

Risultati

Questa indagine utilizza i dati effettivi del paziente acquisiti utilizzando uno scanner MRI da 1,5 T per convalidare la quantificazione del flusso sanguigno cerebrale (CBF) e la metodologia di costruzione dell'atlante. Le fasi di pre-elaborazione includevano immagini strutturali FLAIR (Figura 1), immagini CBF (Figura 2) e immagini fuse triplanari (Figura 3 e Figura 4).

Le re...

Discussione

I passaggi chiave (sezioni 3 e 4) costituiscono la base per la costruzione dell'Atlante CBF, quantificando la distribuzione CBF nelle regioni funzionali cerebrali. La fase 4.2 delinea esplicitamente i livelli di CBF per ogni area del cervello, aprendo la strada a una nuova tecnica. In questo modo i medici non solo hanno una visione globale della CBF dei pazienti, ma anche misurazioni quantitative delle singole regioni funzionali. Il passaggio 5.1 dimostra che l'Atlante CBF ha una sostanziale utilità diagnostica clinica ...

Materiali

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