Трехмерная цифровая модель ранней диагностики фиброза печени на основе магнитно-резонансной эластографии

Резюме

Целью данного исследования была разработка новой трехмерной цифровой модели для ранней диагностики фиброза печени, которая включает в себя жесткость каждого воксела в печени пациента и, таким образом, может быть использована для расчета коэффициента распределения печени пациента на разных стадиях фиброза.

Аннотация

Фиброз печени – это ранняя стадия цирроза печени, и лучших неинвазивных и удобных методов выявления и оценки заболевания не существует. Несмотря на хороший прогресс, достигнутый с картой жесткости печени (LSM) на основе магнитно-резонансной эластографии (MRE), все еще существуют некоторые ограничения, которые необходимо преодолеть, включая ручное определение фокуса, ручной выбор областей интереса (ROI) и прерывистые данные LSM без структурной информации, что делает невозможным оценку печени в целом. В данном исследовании мы предлагаем новую трехмерную (3D) цифровую модель для ранней диагностики фиброза печени на основе MRE.

MRE — это неинвазивный метод визуализации, который использует магнитно-резонансную томографию (МРТ) для измерения жесткости печени в месте сканирования путем взаимодействия человека с компьютером. Исследования показали значительную положительную корреляцию между LSM, полученной с помощью MRE, и степенью фиброза печени. Однако для клинических целей необходима всесторонняя и точная количественная оценка степени фиброза печени. Для решения этой проблемы в данном исследовании была предложена концепция распределения жесткости печени (LSD), которая относится к 3D-объему жесткости каждого воксела печени, полученному путем выравнивания 3D-изображений ткани печени и показателей MRE. Это обеспечивает более эффективный клинический инструмент для диагностики и лечения фиброза печени.

Введение

Фиброз печени относится к образованию избыточной рубцовой ткани в печени, обычно в результате повреждения печени или заболевания 1,2,3,4. Он часто возникает как следствие хронического повреждения печени и обычно связан с заболеваниями печени, такими как хронический вирусный гепатит, неалкогольная жировая болезнь печени и алкогольная болезнь печени. При отсутствии лечения фиброз печени может прогрессировать до цирроза, потенциально опасного для жизни состояния, связанного со значительной заболеваемостью и смертностью.

Активные исследования в этой области направлены на выяснение клеточных и молекулярных механизмов, лежащих в основе патогенеза фиброза печени, а также на разработку новых диагностических и терапевтических стратегий для улучшения результатов лечения пациентов. Еще одной задачей является неинвазивное выявление стадии фиброза печени, что является критически важным аспектом, напрямую связанным с диагностикой заболевания, выбором лечения и оценкой прогноза. Несмотря на важность точной диагностики и мониторинга фиброза печени, традиционные методы диагностики, такие как биопсия печени, являются инвазивными и связаны со значительными рисками. Напротив, магнитно-резонансная эластография^5,6 (MRE) является многообещающим неинвазивным методом визуализации^, который продемонстрировал потенциал в диагностике и мониторинге фиброза печени путем количественной оценки жесткости печени.

В последние годы проводится значительное количество исследований, направленных на оценку точности и надежности MRE в диагностике фиброза печени, а также его потенциальных преимуществ перед традиционными методами диагностики. Метрика жесткости печени MRE была одобрена Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) для клинической диагностики, и в клинической практике был проведен обширный сравнительный анализ с патологическими результатами. Результаты показали, что карты жесткости, построенные MRE, демонстрируют сильную положительную корреляцию с различными стадиями фиброза печени 7,8,9,10,11,12. Тем не менее, до сих пор работа по точной оценке и отслеживанию прогрессирования фиброза печени у пациентов с помощью количественного анализа распределения жесткости печени (ЛСД) путем сопоставления изображений структуры печени с MRE не достигла большого прогресса.

В данном исследовании введена методика группового анализа медицинской визуализации^13,14,15 для достижения точного совмещения изображений структуры печени с картой жесткости, сгенерированной MRE в 3D-пространстве^, что позволяет рассчитать значения жесткости печени для каждого воксела всей печени. На основе 3D-цифровой модели ЛСД можно рассчитать и оценить точное распределение стадий фиброза печени для конкретного пациента. Это закладывает прочную основу для точной количественной диагностики фиброза печени на ранней стадии.

протокол

В этом исследовании использовалось 3D-цифровое моделирование ЛСД для реконструкции печени типичного пациента с клинически подтвержденным фиброзом печени. Пациент был набран из известного учреждения по лечению заболеваний печени «You An Hospital» в Пекине, Китай, и прошел рутинную магнитно-резонансную томографию верхних отделов брюшной полости (МРТ) и MRE после получения согласия. Пациент был выбран в качестве клинического случая для данного метода исследования в связи с подтверждением стадии фиброза печени при патологоанатомическом исследовании и отсутствием явных клинических симптомов, что подчеркивает применимость и клиническую ценность данного исследования в диагностике пациентов с фиброзом печени на ранней стадии. В данной работе также приведено количественное сравнение между печенью этого пациента и здоровой печенью. Программные средства, использованные в данном исследовании, перечислены в таблице материалов.

1. Сбор и подготовка данных

ПРИМЕЧАНИЕ: Разница параметров не чувствительна к методу исследования.

1. Стратегии МРТ-сканирования
   ПРИМЕЧАНИЕ: В этом исследовании использовались фактические данные DICOM, полученные в результате клинической визуализации с помощью устройства магнитно-резонансной томографии (МРТ) производства GE. Содержание данных включает в себя IDEAL (итеративное разложение воды и жира с эхо-асимметрией и оценкой по методу наименьших квадратов), визуализацию разделения воды и жира и магнитно-резонансную эластографию (MRE).
   1. Убедитесь, что данные IDEAL имеют горизонтальное разрешение 256 x 256 пикселей, интервал между пикселями 1,5625 мм и толщину среза 10 мм.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Стратегия сканирования может быть дополнительно оптимизирована, но методология, используемая в этом исследовании, применима к более точной медицинской визуализации.
2. Переименуйте папку каждого эпизода.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку данные DICOM, экспортируемые с оборудования, не содержат явных имен последовательностей, на этапе предварительной обработки необходимо добавить явные имена для каждой последовательности, чтобы облегчить последующий анализ и обработку.
   1. Скопируйте все данные DICOM в настраиваемый рабочий каталог.
   2. Перейдите в каталог, содержащий данные в рабочем каталоге MATLAB.
   3. Выполните функцию Description_Name , чтобы добавить описательные имена в папки для каждой последовательности.
   4. На рисунке 1 приведено сравнение до и после переименования. Добавьте имя описания в каждую папку последовательности изображений, чтобы облегчить идентификацию необходимых последовательностей изображений для различных аналитических целей.
3. Быстрая проверка изображений IDEAL.
   1. Измените каталог папок различных фаз, включая фазы in-phase, out-phase, water и fat фазы, которые хранились в отдельных папках для визуализации с помощью IDEAL.
   2. Выполните функцию Slice_View , чтобы просмотреть последовательности ударов для каждой фазы.
   3. На рисунке 2 приведено изображение интерактивного графического пользовательского интерфейса (GUI) для последовательности MRI-IDEAL. Используйте полосу прокрутки в нижней части графического интерфейса для быстрого просмотра различных последовательностей.
   4. Используйте внефазную последовательность MRI-IDEAL в качестве типа последовательности МРТ для более четкого описания границ тканей печени.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В следующих операциях основное внимание будет уделяться использованию фазовой последовательности IDEAL для очерчивания 3D-области печени.

2. Извлечь 3D-область печени

Примечание: Отдельные вокселы в 3D-области печени служат пространственными носителями для ЛСД, при этом значение жесткости каждого воксела является производным от MRE. Извлечение 3D-участка ткани печени является необходимым этапом перед спондилодезом. Несмотря на то, что глубокое обучение может быть использовано для более эффективного выполнения этой задачи, оно не является предметом данного исследования. Поэтому для извлечения 3D-участка ткани печени здесь до сих пор используются зрелые программные средства (например, MIMICS).

1. Чтобы запустить программное обеспечение MIMICS, выберите New Project и в открывшемся диалоговом окне перейдите в папку, содержащую внефазные изображения IDEAL. Продолжите, нажав кнопку NEXT | Convert , тем самым перейдя в состояние редактирования последовательности.
2. Чтобы создать пустую маску, нажмите на кнопку Создать в диалоговом окне МАСКА , расположенном справа, и выберите максимальный порог.
3. Чтобы разграничить область печени на всех горизонтальных видах, используйте инструмент «Редактировать маски», расположенный под надписью «Сегмент ».
4. Чтобы сгенерировать 3D пространственную часть печени, выберите маску печени, которая была очерчена, и нажмите кнопку Вычислить часть из маски . Извлеченный 3D участок печени показан на рисунке 3.
5. Нажмите на файл | Экспорт | выберите команду Dicom. Во всплывающем диалоговом окне выберите маску печени, задайте путь к файлу и имена файлов и нажмите кнопку OK, чтобы завершить экспорт 3D-области печени в указанные файлы DICOM.

3. Последовательность карты жесткости печени

ПРИМЕЧАНИЕ: Диапазон жесткости MRE у пациентов с ранним фиброзом обычно составляет менее 8 кПа. Чтобы просмотреть это, необходимо выбрать изображение эпизода с меткой 'SE27_ST8K_(Pa)'.

1. Перейдите в папку 'SE27_ST8K_(Pa)', которая содержит последовательность карт жесткости печени.
2. Чтобы просмотреть каждую карту жесткости, выполните функцию MRE_show в рабочей области Matlab, где аргументом функции является имя файла, расположенного по указанному пути.
3. Карта жесткости печени, показанная на рисунке 4 , представляет собой RGB-изображение в истинных цветах со структурой данных 512 пикселей на 512 пикселей на 3 матрицы, где каждая пиксельная точка имеет три значения, представляющие три основных цвета, RBG. Обратите внимание на цветовую полосу слева, на которой отображаются соответствующие значения жесткости пикселей разного цвета. Вычислите точную жесткость каждого пикселя, используя соответствующие корреляции.
4. Дополнительная информация на рисунке 4 включает такие данные, как описание последовательности, положение сканирования, время, информация о пациенте и параметры изображения. Используйте эти данные, в частности, параметры изображения, для установления пространственных отношений между последовательностями MRE и IDEAL.

4.3D-Объем распределения жесткости печени

ПРИМЕЧАНИЕ: Каждый воксель в 3D объеме жесткости печени представляет собой значение жесткости соответствующего воксела в 3D области печени, которое получается из значения жесткости каждого пикселя на рисунке 4. Выровняв 3D-область печени на рисунке 3 с картой жесткости на рисунке 4, можно извлечь значение жесткости каждого воксела, что приведет к созданию 3D-объема жесткости печени.

1. Вызовите функцию LSD_Slice с 3D-областью печени, показанной на рисунке 3, и картой жесткости печени на рисунке 4 в качестве входных параметров, чтобы получить 3D-объем распределения жесткости печени, как показано на рисунке 5.
2. Просмотрите карту жесткости каждого слоя печени, перетащив полосу прокрутки под графическим интерфейсом, показанным на рисунке 5.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Однако, в отличие от рисунка 4, здесь точно сохраняется только ткань печени.
3. Обратите внимание на значки в правом верхнем углу графического интерфейса (рис. 5), такие как увеличение, уменьшение масштаба, возврат к глобальному представлению и пометка координат выбранного пикселя.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Цветовая полоса по умолчанию представляет собой цветовую карту "jet", что означает, что соответствующие значения (единица kpa) от синего до красного - от низкого до высокого.
4. Выполните функцию LSD_Volume с теми же входными данными , что и LSD_Slice, чтобы получить пространственное распределение 3D-ЛСД печени, как показано на рисунке 6. Просматривайте 3D-объем ЛСД с любого ракурса, удерживая левую кнопку мыши и перетаскивая экран (рис. 6).

5. Количественный анализ ЛСД

Примечание: Важным направлением количественного анализа в этом исследовании является определение доли различных стадий ЛСД-вокселей в печени пациента. На рисунке 6 показано, что распределение фиброза печени у пациентов неравномерно в разных пространственных локациях. Причина, по которой клинические симптомы еще не очевидны, заключается в том, что значительная часть ткани печени находится в нормальной стадии. Поэтому необходимо точно определить разницу между пациентами и здоровыми людьми. Это важное количественное понятие данного исследования.

1. Определите численные диапазоны значений жесткости для разных стадий фиброза печени, как показано на рисунке 7.
2. Рассчитайте распределение вокселей всей печени пациента на разных стадиях фиброза (рис. 8), вызвав функцию Hepatic_Fibrosis с входным параметром 3D-объема ЛСД, показанным на рисунке 6.
3. Используйте те же шаги, чтобы рассчитать и сравнить результаты полностью здоровой печени с типичным пациентом с фиброзом печени, описанным выше (рисунок 9).

Результаты

Используя информацию, содержащуюся в Description_Name поле файлов DICOM, исходную папку МРТ можно переименовать, чтобы облегчить быструю локализацию требуемой последовательности изображений в процессе анализа в группе визуализации. Внефазная последовательность MRI-IDEAL — это тип после?...

Обсуждение

В клинической практике сложно точно количественно оценить и отследить состояние пациентов с фиброзом печени на ранней стадии. Сравнение, представленное на рисунке 9 , полностью отражает степень фиброза печени у пациента по сравнению со здоровой печенью; Конечно, эта ци?...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
MATLAB	MathWorks	2022B	Computing and visualization
Mimics	Materialise	Mimics Research V20	Model format transformation
Tools for 3D_LSD	Intelligent Entropy	HepaticFibrosis V1.0	Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co Ltd. Modeling for CT/MRI fusion