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Resumo

A TC e a ressonância magnética com 129Xe fornecem informações complementares sobre a função da estrutura pulmonar que podem ser exploradas para análise regional usando registro de imagem. Aqui, fornecemos um protocolo que se baseia na literatura existente para 129Xe MR para registro de imagem de TC usando plataformas de código aberto.

Resumo

A ressonância magnética hiperpolarizada com gás 129Xe é uma técnica emergente para avaliar e medir a função pulmonar regional, incluindo distribuição de gases pulmonares e trocas gasosas. A tomografia computadorizada (TC) de tórax ainda continua sendo o padrão-ouro clínico para imagens dos pulmões, em parte devido aos protocolos rápidos de TC que adquirem imagens de alta resolução em segundos e à ampla disponibilidade de tomógrafos. Abordagens quantitativas permitiram a extração de medidas estruturais do parênquima pulmonar, das vias aéreas e vasculares da TC de tórax que foram avaliadas em muitos estudos de pesquisa clínica. Juntos, a TC e a ressonância magnética 129Xe fornecem informações complementares que podem ser usadas para avaliar a estrutura e a função pulmonar regional, resultando em novos insights sobre a saúde e a doença pulmonar. 129O registro de imagem Xe MR-CT pode ser realizado para medir a função da estrutura pulmonar regional para entender melhor a fisiopatologia da doença pulmonar e realizar intervenções pulmonares guiadas por imagem. Aqui, um método para registro de ressonância magnética-TC de 129Xe é descrito para apoiar a implementação em ambientes clínicos ou de pesquisa. Os métodos de registro e as aplicações que foram empregados até o momento na literatura também são resumidos, e sugestões são fornecidas para direções futuras que podem superar ainda mais os desafios técnicos relacionados ao registro de imagens de 129Xe MR-CT e facilitar a implementação mais ampla da avaliação regional da função da estrutura pulmonar.

Introdução

A ressonância magnética (RM) com gás hiperpolarizado surgiu pela primeira vez como uma nova modalidade de imagem pulmonar funcional para avaliar a distribuição da ventilação pulmonar há quase três décadas1. Desde então, estudos de pesquisa usando ressonância magnética com gás hiperpolarizado revelaram vários insights sobre a natureza da função pulmonar em pacientes com doenças pulmonares crônicas, como asma, doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC) e fibrose cística 2,3,4,5,6. Ambos os gases hiperpolarizados 3He e 129Xe foram usados historicamente; no entanto, 129Xe é agora o principal agente inalado devido à disponibilidade limitada de gás 3He. 129Xe também se difunde livremente através da membrana alveolar e é absorvido pelos glóbulos vermelhos nos capilares pulmonares; nesta chamada 'fase dissolvida', 129Xe ressoa em frequências únicas que permitem a medição das trocas gasosas regionais em uma única varredura de apneia 4,7,8. Para quantificação, imagens anatômicas de RM de 1H com volume compatível são normalmente adquiridas contemporaneamente para co-registro com 129Xe para delinear os limites da cavidade torácica. A ressonância magnética convencional de 1H, no entanto, não fornece mais informações estruturais pulmonares. O ímpeto para a tradução clínica da ressonância magnética hiperpolarizada de 129Xe cresceu nos últimos anos com a aprovação do NHS do Reino Unido em 2015 e a aprovação do FDA dos EUA no final de 2022 5,9, mas a caracterização estrutural avançada ainda está ausente do arsenal de ressonância magnética pulmonar.

A tomografia computadorizada (TC) de tórax continua sendo a base da avaliação clínica por imagem dos pulmões, fornecendo imagens tridimensionais de alta resolução da estrutura pulmonar usando protocolos de imagem convencionais. Abordagens quantitativas têm permitido a mensuração rápida e repetível da integridade do parênquima, como enfisema e anormalidades pulmonares intersticiais, morfologia das grandes vias aéreas e vasculatura pulmonar e caracterização anatômica regional por identificação e segmentação dos lobospulmonares10,11. No espaço de pesquisa, a TC quantitativa tem sido amplamente utilizada para entender melhor as alterações estruturais e suas relações com os desfechos dos pacientes em asma e DPOC em grandes estudos observacionais, como o Severe Asthma Research Program (SARP)12, Epidemiologia Genética da DPOC (COPDGene)13, Subpopulações e Resultados Intermediários no Estudo da DPOC (SPIROMICS)14, Avaliação da DPOC Longitudinalmente para Identificar Desfechos Substitutos Preditivos (ECLIPSE)15e Coorte Canadense de Doença Pulmonar Obstrutiva (CanCOLD)16. Métodos alternativos de TC, como imagens expiratórias17,18 ou modelos computacionais19, podem derivar informações funcionais, mas esses métodos são indiretos, e a TC convencional não fornece muito para a caracterização funcional dos pulmões.

Juntos, a TC e a ressonância magnética com 129Xe fornecem informações complementares sobre a função da estrutura pulmonar que podem ser exploradas para análise regional usando o registro de imagens. Os lobos pulmonares identificados na TC permitiram a caracterização lobar dos padrões de ventilação por RM na asma 20,21,22, DPOC 23,24, bronquiectasias25 e câncer de pulmão26,27. As anormalidades da ventilação por ressonância magnética na asma também foram diretamente combinadas espacialmente com grandes vias aéreas anormalmente remodeladas28 , 29 , 30 , 31 e aprisionamento de ar indicativo de disfunção das pequenas vias aéreas20 , 32 medido na TC e para sondar as respostas regionais ao tratamento após a termoplastia brônquica de todo o pulmão33. Na DPOC, as anormalidades ventilatórias na RM têm sido associadas à disfunção das pequenas vias aéreas em doenças mais leves e ao enfisema em doenças mais graves 34,35,36. Além da imagem de ventilação na doença pulmonar obstrutiva, relações espaciais heterogêneas entre anormalidades pulmonares intersticiais na TC e padrões de troca gasosa de ressonância magnética de 129Xe também foram demonstradas na fibrose pulmonar idiopática37. Tais estudos forneceram uma compreensão mais profunda da função da estrutura pulmonar regional em uma variedade de doenças pulmonares que podem ser usadas para informar futuras intervenções guiadas por imagem.

O registro direto da TC anatômica e da ressonância magnética funcional com gás hiperpolarizado é um desafio, no entanto, devido ao contraste de imagem fundamentalmente diferente entre os dois métodos, à ausência de sinal de gás hiperpolarizado em regiões de anormalidades ventilatórias e aos volumes pulmonares potencialmente diferentes. A Figura 1 mostra quatro exemplos de 129Xe e ressonância magnética e TC anatômicas pareadas de 1H em um voluntário saudável (Figura 1A) e três participantes com doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC; Figura 1B-D), destacando padrões heterogêneos de ventilação com 129Xe e limites pulmonares ausentes variados nos casos de DPOC. A chave para superar esses desafios tem sido usar a RM anatômica de 1H adquirida simultaneamente com a RM com gás hiperpolarizado como uma etapa intermediária para registrar indiretamente a RM com gás hiperpolarizadona TC 34,38. Os primeiros trabalhos empregaram comparação visual lado a lado e segmentação manual de estruturas de TC, como lobos pulmonares, no espaço de ressonância magnética20. Avanços em recursos computacionais e ferramentas de processamento de imagem de código aberto permitiram o registro tridimensional de TC e ressonância magnética com gás hiperpolarizado, por exemplo, usando o descritor de vizinhança independente de modalidade (MIND)23,30,34,39,40,41 ou o registro do Advanced Normalization Toolkit (ANTs)21,22,27,31,32,37,38,42,43, ambos com melhor desempenho em um desafio de registro de imagem pulmonar44. Um novo método acoplou os dois registros em vez de tratá-los independentemente45, que foi implementado em um pipeline completo de análise de imagem pulmonar projetado para fenotipagem de doenças pulmonares46. No geral, a precisão da ressonância magnética com gás hiperpolarizado para registro de TC foi melhorada usando o passo intermediário de 1H38 e usando abordagens deformáveis em vez de abordagens somente afins38,45.

O objetivo aqui é construir a partir da literatura existente e fornecer um protocolo para registro de imagens de 129Xe MR para TC usando plataformas de código aberto 47,48,49. O protocolo é implementado usando ANTsPy e, em consonância com trabalhos anteriores38, registra uma máscara pulmonar de rótulo único de ressonância magnética de 1H para a máscara pulmonar de rótulo único de TC; a transformação resultante é posteriormente aplicada à imagem 129Xe para mapeá-la para o espaço da imagem CT. O protocolo descrito destina-se a ser apropriado para pesquisa ou ambientes clínicos, quando aplicável, e ressonância magnética hiperpolarizada de 129Xe está disponível.

Para contextualizar, a aquisição e análise de imagens para os exemplos aqui fornecidos foram realizadas da seguinte forma. A TC de tórax foi adquirida com inspiração total (capacidade pulmonar total, CPT) de acordo com um protocolo de pesquisa de baixa doseestabelecido 50 com parâmetros: colimação de 64 x 0,625, quilovoltagem de pico de 120, corrente do tubo de 100 mA, tempo de rotação de 0,5 s, passo espiral de 1,0, espessura de corte de 1,25 mm, espaçamento de corte de 0,80 mm, kernel de reconstrução padrão, campo de visão de exibição limitado às extensões mais laterais dos pulmões (para maximizar a resolução espacial). A segmentação e análise da TC foram realizadas usando software comercial (ver Tabela de Materiais).

129A ressonância magnética de 1H com Xe e volume pareado foi realizada de acordo com as diretrizes publicadas9. Para obter detalhes completos sobre a aquisição de ressonância magnética e protocolo, os leitores são direcionados para outro artigo desta coleção51. A segmentação e o registro de ressonância magnética foram realizados usando um pipeline personalizado semiautomatizado usando agrupamento k-means para segmentação de 129Xe, crescimento de região semeada para segmentação de 1H e registro afim baseado em ponto de referência para mapear a imagem de 1H para a imagem de 129Xe52. O registro afim é normalmente suficiente para o registro de RM de 1 H-129Xe para contabilizar a maioria das diferenças de insuflação pulmonar ou posição do paciente entre as aquisições; O registro deformável normalmente não é necessário. A etapa de registro de 1 H-129Xe pode ser eliminada com ressonância magnética de 129Xe e 1H adquirida simultaneamente na mesma apneia53,54.

Protocolo

Os casos de imagem mostrados aqui foram aprovados pelo Conselho de Ética em Pesquisa em Saúde da Universidade da Colúmbia Britânica Providence (REB # H21-01237, H21-02149, H22-01264). Os participantes forneceram consentimento informado por escrito antes de concluir a imagem. O pipeline geral da aquisição da imagem para o registro é descrito na Figura 2, e os detalhes do protocolo aqui se concentram apenas no registro da imagem MR-CT. A aquisição e a segmentação de imagens dependem do hardware de imagem disponível ou preferido, dos protocolos de imagem e das ferramentas de software de análise de imagem e, portanto, são deixadas à preferência dos leitores. O protocolo foi projetado para ser agnóstico em relação às etapas anteriores, usando máscaras de rótulo único dos pulmões após a segmentação da imagem.

1. Configuração do software

  1. Baixe e instale o ANTsPy (consulte Tabela de Materiais), o wrapper Python para a biblioteca de processamento de imagens Advanced Normalization Tools 47,48,49. Os tutoriais estão disponíveis no link na guia 'tutoriais'. O ANTsPy também está disponível para instalação do Docker, se desejado.
    NOTA: O ANTsPy requer um sistema operacional ou ambiente baseado em Linux. Para os exemplos aqui, o ANTsPy foi instalado e usado em um ambiente virtual de computação de alto desempenho em uma estação de trabalho local. O protocolo tende a funcionar melhor usando um ambiente de computação virtual na experiência dos autores.
  2. Baixe e instale o software de segmentação e/ou visualização de sua escolha.
    NOTA: Para o presente estudo, o ITK-SNAP foi usado para visualização (ver Tabela de Materiais).
  3. Baixe e salve o script reg.py (Arquivo Suplementar 1).

2. Pré-processamento de imagem

  1. Clique para abrir imagens e máscaras no software de visualização de imagem desejado para verificar as correspondências de orientação de imagem e máscara para todos os arquivos CT, 1H e 129Xe. Dependendo do método de segmentação e/ou software usado, a orientação de algumas imagens ou máscaras pode precisar ser ajustada. Conforme necessário, recomendamos ajustar as imagens de 1H e 129Xe e a orientação da máscara para corresponder à imagem nativa da TC.
  2. Salve os DICOMs de imagem e as máscaras de rótulo único (ajustados como na etapa 2.1, conforme necessário) como arquivos da Neuroimaging Informatics Technology Initiative (NIfTI, *.nii; seis arquivos no total) usando a ferramenta de software preferida, na mesma pasta que reg.py que está acessível ao local onde o ANTsPy está instalado e será executado. Siga as convenções de nomenclatura mencionadas abaixo.
    1. 1H Ressonância magnética: Proton.nii; 1H Máscara de ressonância magnética: Proton_mask.nii.
      NOTA: Use a imagem e a máscara 1H após o registro para 129Xe.
    2. 129Xe MRI: Ventilation.nii; 129Máscara de ressonância magnética Xe: Ventilation_mask.nii
    3. TC: CT.nii; Máscara de tomografia computadorizada: CT_mask.nii.
      NOTA: Os nomes dos arquivos são codificados no script de registro e, portanto, devem seguir o formato mencionado ou ser revisados no script para corresponder à convenção de nomenclatura desejada. Essas etapas podem ser concluídas juntas usando qualquer uma das ferramentas de software recomendadas listadas na etapa 1.2. Com relação a essas ferramentas de software, algumas gravarão as informações de cabeçalho necessárias automaticamente ao salvar arquivos .nii, enquanto outras exigem etapas adicionais para copiar e gravar as informações de cabeçalho.

3. Registro de CT-XeMRI

  1. Abra o arquivo reg.py na configuração do ambiente de computação Python desejada na etapa 1.1.
    NOTA: O Script reg.py é baseado nas ferramentas de registro de ANTs integradas; documentação adicional está disponível55.
  2. Se estiver usando um ambiente virtual, defina o número de unidades centrais de processamento (CPU), número de threads e RAM conforme desejado ou disponível no ambiente de computação. Um ambiente de computação virtual com 16 CPUs, 1 thread por CPU e 186 GB de RAM disponível foi usado para os exemplos aqui.
  3. Defina a transformação e a interpolação desejadas. A transformação SyNAggro com interpolação linear para imagens e interpolação de rótulo genérico para máscaras de rótulo único, que são padrão no script de reg.py fornecido, foram usadas aqui.
    NOTA: SyNAggro é uma transformação de normalização simétrica, que inclui transformação afim + deformável, além de registro mais agressivo usando correspondência em escala fina e mais deformação (em comparação com SyN simples). Algoritmos alternativos de transformação e interpolação estão listados no link da documentação de registro de ANTs na etapa 3.155.
  4. Defina a imagem fixa e a imagem em movimento. Aqui, a TC (máscara de rótulo único) foi definida como a imagem fixa, e a ressonância magnética de 1H (máscara de rótulo único) foi definida como a imagem em movimento.
  5. Execute reg.py no ambiente de computação Python. O registro completo pode levar de 5 a 10 minutos (usando nossos parâmetros) ou mais, dependendo dos recursos de computação usados ou disponíveis. Quando concluídos, os arquivos distorcidos serão salvos automaticamente no mesmo diretório que os arquivos de imagem originais com os seguintes nomes: Proton_warped.nii.gz; Ventilation_warped.nii.gz; Ventilation_label_warped.nii.gz.
    NOTA: Os arquivos NIfTI *.nii.gz são apenas versões compactadas de arquivos *.nii e podem ser descompactados ou abertos conforme desejado. Os reg.py de script podem ser modificados conforme desejado, por exemplo, usando diferentes métodos de transformação ou interpolação ou mapeando ou criando diretórios de arquivos.

4. Avaliação dos resultados do registo

  1. Abra a imagem CT.nii como a imagem base no software de visualização desejado.
  2. Abra Ventilation_warped.nii.gz ou Ventilation_label_warped.nii.gz como outra imagem e sobreponha na imagem de TC com o mapa de cores desejado.
  3. Revise a sobreposição da imagem ou máscara do 129Xe com a imagem da TC em todos os planos da imagem (coronal, axial, sagital), avaliando o alinhamento visual de pontos de referência como a carina e os limites pulmonares (quando disponível na imagem do 129Xe).
  4. Confira os resultados. Se estiver satisfeito com os resultados, o registro está concluído.
    NOTA: A imagem/máscara 129Xe registrada pode ser multiplicada pela máscara de TC para remover a traqueia e as principais vias aéreas (se não for removida antes da segmentação da ressonância magnética) e remover qualquer sinal que esteja fora dos limites pulmonares da TC após o registro. Quantificação adicional para medições de função de estrutura regional pode ser realizada conforme desejado.
  5. Se não estiver satisfeito com os resultados, avalie e otimize tipos alternativos de transformação e parâmetros associados conforme necessário.

Resultados

Este estudo adquiriu prospectivamente TC pareada e ressonância magnética de 129Xe em um ambiente de pesquisa para caracterização regional da função da estrutura pulmonar e broncoscopia guiada por imagem em uma variedade de doenças e condições pulmonares. A Figura 3 mostra a ventilação por ressonância magnética e TC de 129Xe registradas nos planos coronal e sagital para quatro participantes representativos com uma variedade ...

Discussão

A TC e a ressonância magnética com Xe 129fornecem informações complementares para avaliar a estrutura e a função pulmonar regional que são melhor facilitadas usando o registro de imagem. O registro de imagens multimodais pode não ser trivial de implementar e, portanto, o protocolo fornecido aqui destina-se a fornecer as ferramentas para os leitores registrarem 129Xe MRI na TC. O protocolo fornecido usa ANTsPy para facilitar a implementação para usuários c...

Divulgações

A RLE recebe honorários de consultoria pessoal da VIDA Diagnostics Inc. fora do trabalho enviado. A JAL recebeu uma bolsa institucional da GE Healthcare e honorários para palestras da Philips e da GE Healthcare fora do trabalho enviado.

Agradecimentos

Esta pesquisa foi apoiada em parte por meio de recursos e serviços computacionais fornecidos pela Advanced Research Computing da University of British Columbia e por uma bolsa de IA do Departamento de Radiologia da University of British Columbia. O RLE foi apoiado por um prêmio Michael Smith Health Research BC Trainee.

Materiais

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

Referências

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