Hepatik fibrozisin erken tanısı için manyetik rezonans elastografiye dayalı üç boyutlu dijital model

Özet

Bu çalışmanın amacı, hepatik fibrozisin erken teşhisi için, hastanın karaciğerindeki her bir vokselin sertliğini içeren ve böylece hastanın karaciğerinin farklı fibroz evrelerindeki dağılım oranını hesaplamak için kullanılabilecek yeni bir üç boyutlu dijital model geliştirmekti.

Özet

Hepatik fibroz, karaciğer sirozunun erken bir aşamasıdır ve hastalığın tespiti ve değerlendirilmesi için daha iyi non-invaziv ve uygun yöntemler yoktur. Manyetik rezonans elastografisine (MRE) dayalı karaciğer sertliği haritası (LSM) ile kaydedilen iyi ilerlemeye rağmen, manuel odak belirleme, ilgilenilen bölgelerin (ROI'ler) manuel seçimi ve karaciğeri bir bütün olarak değerlendirmeyi imkansız kılan yapısal bilgi olmadan süreksiz LSM verileri dahil olmak üzere hala üstesinden gelinmesi gereken bazı sınırlamalar vardır. Bu çalışmada, hepatik fibrozisin erken tanısı için MRE'ye dayalı yeni bir üç boyutlu (3D) dijital model öneriyoruz.

MRE, insan-bilgisayar etkileşimi yoluyla tarama bölgesindeki karaciğer sertliğini ölçmek için manyetik rezonans görüntüleme (MRI) kullanan non-invaziv bir görüntüleme tekniğidir. Çalışmalar, MRE yoluyla elde edilen LSM ile hepatik fibrozis derecesi arasında anlamlı bir pozitif korelasyon olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte, klinik amaçlar için, hepatik fibroz derecesinin kapsamlı ve kesin bir şekilde ölçülmesi gereklidir. Bunu ele almak için, bu çalışmada, 3D karaciğer dokusu görüntülerinin ve MRE göstergelerinin hizalanmasıyla elde edilen her bir karaciğer vokselinin 3D sertlik hacmini ifade eden Karaciğer Sertliği Dağılımı (LSD) kavramı önerilmiştir. Bu, hepatik fibrozun tanı ve tedavisi için daha etkili bir klinik araç sağlar.

Giriş

Hepatik fibroz, genellikle karaciğer hasarı veya hastalığının bir sonucu olarak karaciğerde aşırı skar dokusu oluşumunu ifade eder 1,2,3,4. Sıklıkla kronik karaciğer hasarının bir sonucu olarak ortaya çıkar ve genellikle kronik viral hepatit, alkolsüz yağlı karaciğer hastalığı ve alkolik karaciğer hastalığı gibi karaciğer hastalıkları ile ilişkilidir. Tedavi edilmezse, hepatik fibroz, önemli morbidite ve mortalite ile ilişkili potansiyel olarak yaşamı tehdit eden bir durum olan siroza ilerleyebilir.

Bu alandaki aktif araştırmalar, hepatik fibrozisin patogenezinin altında yatan hücresel ve moleküler mekanizmaları aydınlatmanın yanı sıra hasta sonuçlarını iyileştirmek için yeni tanı ve tedavi stratejileri geliştirmeyi amaçlamaktadır. Diğer bir amaç, hastalık teşhisi, tedavi seçimi ve prognoz değerlendirmesi ile doğrudan ilişkili olan kritik bir husus olan hepatik fibroz evresinin noninvaziv tespitidir. Hepatik fibrozisin doğru tanı ve izlenmesinin önemine rağmen, karaciğer biyopsisi gibi geleneksel tanı yöntemleri invazivdir ve önemli risklerle ilişkilidir. Buna karşılık, manyetik rezonans elastografi^5,6 (MRE), karaciğer sertliğini ölçerek hepatik fibrozun tanı ve izlenmesinde potansiyel gösteren^, umut verici bir non-invaziv görüntüleme tekniğidir.

Son yıllarda, hepatik fibrozis tanısında MRE'nin doğruluğu ve güvenilirliğinin yanı sıra geleneksel tanı yöntemlerine göre potansiyel avantajlarını değerlendirmeye odaklanan önemli araştırmalar yapılmıştır. MRE'nin karaciğer sertliği metriği, Amerika Birleşik Devletleri Gıda ve İlaç Dairesi (FDA) tarafından klinik tanı için onay almıştır ve klinik uygulamada patolojik sonuçlarla kapsamlı karşılaştırmalı analizler yapılmıştır. Sonuçlar, MRE tarafından oluşturulan sertlik haritalarının, karaciğer fibrozunun^çeşitli aşamaları ile güçlü bir pozitif korelasyon sergilediğini göstermiştir 7,8,9,10,11,12. Ancak şimdiye kadar, karaciğer yapısı görüntülerini MRE ile eşleştirerek karaciğer sertliği dağılımının (LSD) kantitatif analizi yoluyla hastalarda karaciğer fibrozunun ilerlemesini doğru bir şekilde değerlendirme ve izleme çalışmaları çok fazla ilerleme kaydetmemiştir.

Bu çalışmada, tüm karaciğerin her bir vokseli için karaciğer sertliği değerlerinin hesaplanmasını sağlayan, MRE tarafından oluşturulan sertlik haritası ile karaciğer yapısı görüntülerinin 3 boyutlu uzayda doğru hizalanmasını sağlamak için tıbbi görüntüleme grubu analiz tekniği^13,14,15 tanıtılmıştır. LSD'nin 3D-dijital modeline dayanarak, hastaya özgü karaciğer fibroz evrelemesinin tam dağılımı hesaplanabilir ve değerlendirilebilir. Bu, erken evre karaciğer fibrozunun kesin kantitatif teşhisi için sağlam bir temel oluşturur.

Protokol

Bu çalışmada, klinik olarak doğrulanmış hepatik fibrozisli tipik bir hastanın karaciğerini yeniden yapılandırmak için 3D-dijital LSD modellemesi kullanılmıştır. Hasta, Çin'in Pekin kentindeki tanınmış bir karaciğer hastalığı tedavi kurumu olan "You An Hospital"dan işe alındı ve onay verildikten sonra rutin üst karın manyetik rezonans görüntüleme (MRI) ve MRE görüntülemesi yapıldı. Hasta, patolojik inceleme ile hepatik fibrozis evrelemesinin doğrulanması ve bu araştırmanın erken evre hepatik fibrozis hastalarının teşhisinde uygulanabilirliğini ve klinik değerini vurgulayan belirgin klinik semptomların olmaması nedeniyle bu araştırma yöntemi için vaka çalışması olarak seçilmiştir. Bu makale aynı zamanda bu hastanın karaciğeri ile sağlıklı bir karaciğer arasında kantitatif bir karşılaştırma sağlar. Bu çalışmada kullanılan yazılım araçları Malzeme Tablosunda listelenmiştir.

1. Veri toplama ve hazırlama

NOT: Parametre farkı araştırma yöntemine duyarlı değildir.

1. MRI tarama stratejileri
   NOT: Bu çalışmada, GE tarafından üretilen bir manyetik rezonans görüntüleme (MRI) cihazı kullanılarak klinik görüntülemeden elde edilen gerçek DICOM verileri kullanılmıştır. Verilerin içeriğinde IDEAL (Eko Asimetrisi ve En Küçük Kareler tahmini ile Su ve Yağın Yinelemeli Ayrışması), su-yağ ayırma görüntüleme ve manyetik rezonans elastografi (MRE) görüntüleme yer almaktadır.
   1. İDEAL verilerin 256 piksel x 256 piksel yatay çözünürlüğe, 1,5625 mm piksel aralığına ve 10 mm dilim kalınlığına sahip olduğundan emin olun.
      NOT: Tarama stratejisi daha da optimize edilebilir, ancak bu çalışmada kullanılan metodoloji daha yüksek hassasiyetli tıbbi görüntüleme için geçerlidir.
2. Her dizinin klasörünü yeniden adlandırın.
   NOT: Ekipmandan dışa aktarılan DICOM verileri açıkça dizi adları sağlamadığından, ön işleme aşamasında, sonraki analiz ve işlemeyi kolaylaştırmak için her dizi için açık adlar eklemek gerekir.
   1. Tüm DICOM verilerini özelleştirilmiş bir çalışma dizinine kopyalayın.
   2. MATLAB'ın çalışma dizinindeki verileri içeren dizine gidin.
   3. Her dizi için klasörlere açıklayıcı adlar eklemek için Description_Name işlevini yürütün.
   4. Yeniden adlandırmadan önce ve sonra karşılaştırma için Şekil 1'e bakın. Çeşitli analitik amaçlar için gerekli görüntü dizilerinin tanımlanmasını kolaylaştırmak için her görüntü dizisi klasörüne bir Açıklama Adı ekleyin.
3. IDEAL görüntülerini hızlıca kontrol edin.
   1. IDEAL kullanarak görüntüleme için ayrı klasörlerde saklanan faz içi, faz dışı, su ve yağ fazları dahil olmak üzere farklı faz klasörlerinin dizinini değiştirin.
   2. Her aşama için etki dizilerini görüntülemek için Slice_View işlevini yürütün.
   3. MRI-IDEAL dizisi için etkileşimli grafik kullanıcı arayüzünün (GUI) bir görüntüsü için Şekil 2'ye bakın. Farklı dizilere hızlıca göz atmak için GUI'nin altındaki kaydırma çubuğunu kullanın.
   4. Karaciğer dokusu sınırlarının daha net tanımlarını sağlamak için MRI dizisi türü olarak MRI-IDEAL faz dışı dizisini kullanın.
      NOT: Aşağıdaki işlemlerde, karaciğerin 3D bölgesini tanımlamak için IDEAL'in faz dışı dizisini kullanmaya odaklanılacaktır.

2. Karaciğerin 3D bölgesini çıkarın

NOT: Karaciğerin 3D bölgesindeki bireysel vokseller, LSD için uzamsal taşıyıcılar olarak hizmet eder ve her vokselin sertlik değeri MRE'den türetilir. Karaciğer dokusunun 3 boyutlu bölgesinin çıkarılması, füzyondan önce gerekli bir adımdır. Derin öğrenme, bu görevi daha verimli bir şekilde gerçekleştirmek için kullanılabilirken, bu çalışmanın odak noktası değildir. Bu nedenle, karaciğer dokusunun 3D bölgesini çıkarmak için burada hala olgun yazılım araçları (örneğin, MIMICS) kullanılmaktadır.

1. MIMICS yazılımını başlatmak için Yeni Proje'yi seçin ve takip eden iletişim kutusunda İDEAL faz dışı görüntüleri içeren klasöre gidin. İLERİ | Dönüştür düğmesine tıklayarak devam edin, böylece dizi düzenleme durumuna giriş yapın.
2. Boş bir Maske oluşturmak için, sağ tarafta bulunan MASKE iletişim kutusundaki Yeni düğmesine tıklayın ve maksimum eşiği seçin.
3. Karaciğer alanını tüm yatay görünümlerde sınırlamak için, Segment etiketinin altında bulunan Maskeleri Düzenle aracını kullanın.
4. Karaciğerin 3B uzamsal kısmını oluşturmak için, tanımlanmış karaciğer maskesini seçin ve Maskeden Parçayı Hesapla düğmesine tıklayın. Karaciğerin çıkarılan 3 boyutlu bölgesi Şekil 3'te gösterilmiştir.
5. Dosya | İhracat | Dicom komutunu seçin. Açılır iletişim kutusunda, karaciğer maskesini seçin, dosya yolunu ve dosyaların adlarını ayarlayın ve OK Karaciğerin 3B bölgesinin belirtilen DICOM dosyalarına dışa aktarılmasını tamamlamak için düğmesine basın.

3. Karaciğer sertliği harita dizisi

NOT: Erken fibrozisli hastalarda MRE sertlik aralığı tipik olarak 8 kpa'nın altındadır. Bunu görüntülemek için 'SE27_ST8K_(Pa)' etiketli sekans görüntüsü seçilmelidir.

1. Dizini, karaciğer sertliği harita dizisini içeren 'SE27_ST8K_(Pa)' klasörüne değiştirin.
2. Her sertlik haritasına göz atmak için, Matlab'ın çalışma alanında MRE_show işlevini, işlevin bağımsız değişkeni belirtilen yolda bulunan dosya adı olacak şekilde yürütün.
3. Şekil 4'te gösterilen karaciğer sertliği haritası, 512 piksel x 512 piksel x 3 matris veri yapısına sahip, her piksel noktasının üç ana rengi temsil eden üç değere sahip olduğu bir RGB gerçek renkli görüntüdür. Farklı renkli piksellerin karşılık gelen sertlik değerlerini gösteren soldaki renk çubuğuna bakın. İlgili korelasyonlarını kullanarak her pikselin tam sertliğini hesaplayın.
4. Şekil 4'teki ek bilgiler, dizi açıklaması, tarama pozisyonu, zaman, hasta bilgileri ve görüntü parametreleri gibi verileri içerir. MRE ve IDEAL dizileri arasındaki uzamsal ilişkiyi kurmak için bu verileri, özellikle görüntü parametrelerini kullanın.

4.3D-Karaciğer sertliği dağılımının hacmi

NOT: 3D karaciğer sertliği hacmindeki her voksel, Şekil 3'teki her pikselin sertlik değerinden türetilen, 4D karaciğer bölgesindeki karşılık gelen bir vokselin sertlik değerini temsil eder. Şekil 3'teki 3D karaciğer bölgesini Şekil 4'teki sertlik haritası ile hizalayarak, her bir vokselin sertlik değeri çıkarılabilir ve bu da 3D karaciğer sertliği hacminin üretilmesine neden olur.

1. Şekil 5'te gösterildiği gibi, karaciğer sertliği dağılımının 3D Hacmini elde etmek için girdi parametreleri olarak Şekil 3'te gösterilen 3D karaciğer bölgesi ve Şekil 4'teki Karaciğer sertliği haritası ile LSD_Slice fonksiyonunu çağırın.
2. Şekil 5'te gösterilen GUI'nin altındaki kaydırma çubuğunu sürükleyerek karaciğerin her katmanının sertlik haritasını görüntüleyin.
   NOT: Bununla birlikte, Şekil 4'ten farklı olarak, burada sadece karaciğer dokusu doğru bir şekilde tutulur.
3. GUI'nin sağ üst köşesindeki (Şekil 5) yakınlaştırma, uzaklaştırma, genel görünüme dönme ve seçilen pikselin koordinatlarını işaretleme gibi simgelere dikkat edin.
   NOT: Varsayılan renk çubuğu "jet" renk haritasıdır, bu da maviden kırmızıya karşılık gelen değerlerin (Birim kpa) düşükten yükseğe olduğu anlamına gelir.
4. Şekil 6'da gösterildiği gibi, 3D karaciğer LSD'nin uzamsal dağılımını elde etmek için LSD_Volume işlevini LSD_Slice ile aynı girdiyle yürütün. Farenin sol düğmesini basılı tutup ekranı sürükleyerek LSD'nin 3B hacmini herhangi bir perspektiften görüntüleyin (Şekil 6).

5. LSD kantitatif analizi

NOT: Bu çalışmanın önemli bir kantitatif analiz odağı, hastanın karaciğerindeki LSD voksellerinin farklı aşamalarının oranını sağlamaktır. Şekil 6 , hastalarda karaciğer fibrozunun dağılımının farklı mekansal konumlarda eşit olmadığını göstermektedir. Klinik semptomların henüz belirgin olmamasının nedeni, esas olarak karaciğer dokusunun önemli bir kısmının normal bir aşamada olmasından kaynaklanmaktadır. Bu nedenle, hastalar ve sağlıklı bireyler arasındaki farkı tam olarak ölçmek gerekir. Bu, bu çalışmanın önemli bir nicel kavramıdır.

1. Şekil 7'de gösterildiği gibi, hepatik fibrozun farklı aşamaları için sertlik değerlerinin sayısal aralıklarını belirleyin.
2. Şekil 6'da gösterilen LSD'nin 3D hacminin giriş parametresi ile Hepatic_Fibrosis fonksiyonunu çağırarak hastanın tüm karaciğer voksellerinin farklı fibroz aşamalarındaki dağılımını hesaplayın (Şekil 8).
3. Tamamen sağlıklı bir karaciğerin sonuçlarını hesaplamak ve yukarıda açıklanan tipik karaciğer fibrozu hastası ile karşılaştırmak için aynı adımları kullanın (Şekil 9).

Sonuçlar

DICOM dosyalarının Description_Name alanındaki bilgiler kullanılarak, görüntüleme grubundaki analiz işlemi sırasında gerekli görüntüleme dizisinin hızlı bir şekilde lokalizasyonunu kolaylaştırmak için orijinal MRI klasörü yeniden adlandırılabilir. MRI-IDEAL faz dışı sekans, karaciğer dokusu sınırlarının daha net tanımlarını sağlamak için kullanılan MRI sekansı türüdür. Bunun nedeni, MRI-IDEAL faz dışı sekansının, belirli görüntü işleme teknikleri aracıl...

Tartışmalar

Klinik uygulamada, erken evre hepatik fibroz hastalarının durumunu doğru bir şekilde ölçmek ve izlemek zordur. Şekil 9'da gösterilen karşılaştırma, sağlıklı bir karaciğere kıyasla hastadaki hepatik fibroz derecesini tam olarak yansıtmaktadır; Tabii ki, bu rakam aynı zamanda tedavi etkinliğinin değerlendirilmesi için kullanılan hasta için iki farklı dönem arasında bir karşılaştırma olabilir. Bu hassas niceleme yöntemi, bu çalışmanın temel kritik adımıdı...

Malzemeler

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