Dixon Manyetik Rezonans Görüntüleme Kullanılarak Karaciğer Yağ Fraksiyonu Dağılım Analizi için 3 Boyutlu Bir Kantifikasyon Tekniği

Özet

Bu çalışma, Dixon Manyetik Rezonans Görüntüleme (Dixon MRI) kullanılarak karaciğer yağ fraksiyonu (LFF) dağılımı için benzersiz bir 3D kantitasyon yöntemi sunmaktadır. Faz içi ve su fazı görüntülerinden türetilen LFF haritaları, normal ve steatotik karaciğerler arasındaki LFF modellerini ayırt etmek için 3D karaciğer konturları ile entegre edilmiştir ve karaciğer yağ içeriğinin hassas bir şekilde değerlendirilmesini sağlar.

Özet

Bu çalışma, Dixon MRI görüntü analizinin kullanımı yoluyla karaciğer yağ fraksiyonunun (LFF) dağılımı için bir 3D kantitasyon metodolojisi sunmaktadır. Temel amaç, karaciğer yağ içeriğini değerlendirmek için son derece doğru ve invaziv olmayan bir araç sunmaktır. İşlem, bir Dixon dizisinden Faz İçi ve Su fazı görüntülerinin elde edilmesini içerir. LFF haritaları daha sonra Lipid Faz görüntülerini Faz İçi görüntülere bölerek voksel ile voksel titizlikle hesaplanır. Eşzamanlı olarak, faz içi görüntülerden 3D karaciğer konturları çıkarılır. Bu önemli bileşenler, kapsamlı bir 3D-LFF dağıtım modeli oluşturmak için sorunsuz bir şekilde entegre edilmiştir. Bu teknik sağlıklı karaciğerlerle sınırlı değildir, aynı zamanda hepatik steatozdan muzdarip olanları da kapsar. Elde edilen sonuçlar, bu yaklaşımın karaciğer yağ içeriğini hem görselleştirmede hem de ölçmede dikkate değer etkinliğini göstermektedir. Normal ve steatotik karaciğerler arasında ayrım yapan kalıpları belirgin bir şekilde ayırt eder. Karaciğerin 3 boyutlu yapısını çıkarmak için Dixon MRG'den yararlanan bu yöntem, organın tamamını kapsayan kesin LFF değerlendirmeleri sunar ve böylece hepatik steatoz tanısı için dikkate değer bir etkinlikle büyük umut vaat eder.

Giriş

Alkolsüz Yağlı Karaciğer Hastalığı (NAFLD), karaciğer hücrelerinde anormal trigliserit birikiminden (hepatik steatoz) alkolsüz Steatohepatit (NASH) olarak bilinen karaciğer hücrelerinde iltihaplanma ve hasara kadar değişen bir patolojik durum yelpazesini kapsar. Bazı durumlarda NAFLD, fibroz, siroz, son dönem karaciğer hastalığı ve hatta Hepatoselüler karsinom (HCC) dahil olmak üzere daha ciddi aşamalara ^{ilerleyebilir1}. Dünya Sağlık Örgütü ve Küresel Hastalık Yükü'nden yayınlanan veriler, dünya çapında tüm yaş gruplarında yaklaşık 1.235,7 milyon kişinin NAFLD'den etkilendiğini göstermektedir². NAFLD şu anda küresel olarak karaciğerle ilişkili hastalıkların en belirgin nedenlerinden biri olarak yer almaktadır ve önümüzdeki yıllarda son dönem karaciğer hastalığının önde gelen nedeni olması beklenmektedir³.

Hepatik steatozun yaygınlığının doğru değerlendirilmesi, kesin tanı, uygun tedavi seçimi ve hastalığın etkili progresyonunun izlenmesi için büyük önem taşımaktadır. Karaciğer yağ içeriğini değerlendirmek için altın standart karaciğer biyopsisi olmaya devam etmektedir. Bununla birlikte, invaziv doğası, ağrı, kanama ve diğer postoperatif komplikasyon potansiyeli nedeniyle, sık takip muayeneleri için pratik bir seçenek değildir ^4,5,6. Sonuç olarak, hepatik yağ birikimini güvenilir bir şekilde ölçebilen noninvaziv görüntüleme tekniklerine acil bir ihtiyaç vardır. Manyetik rezonans görüntüleme (MRG), iyonlaştırıcı radyasyon içermemesi ve kimyasal kayma etkileri yoluyla yağ içeriğini hassas bir şekilde tespit etme yeteneği nedeniyle bu alanda umut vaat etmektedir ^7,8.

Son çalışmalar, Dixon görüntüleme ^9,10 gibi kimyasal kayma gradyan eko yöntemlerine dayalı olarak hepatik yağın ölçülmesi için MRI tekniklerini özetlemiştir. Bununla birlikte, bu tekniklerin çoğu, iki boyutlu ilgi alanlarının analizine dayanır. Karaciğer yağ fraksiyonunun (LFF) üç boyutlu dağılımının kapsamlı değerlendirmesi sınırlı kalmıştır. Bu çalışmada, Dixon MRG ile karaciğer yapısal görüntülemesini birleştiren benzersiz bir 3D LFF kantitizasyon yaklaşımı tanıtıldı. Ortaya çıkan 3D LFF modeli, karaciğerin tüm hacmi boyunca yağ içeriğinin dağılımının hassas bir şekilde görselleştirilmesini ve ölçülmesini sağlar. Bu teknik, hepatik steatozun doğru teşhisi için önemli klinik yararlılık göstermektedir.

Protokol

Çalışma onaylandı ve hasta, Çin'in Pekin kentindeki Pekin Çin Tıbbı Üniversitesi, Dongzhimen Hastanesi Bulaşıcı Hastalıklar Bölümü'nden alındı. Hastaya bilgilendirilmiş onam verildikten sonra rutin abdominal Dixon MRG taraması yapıldı. Bu araştırmada, tıbbi olarak teşhis edilmiş hepatik steatozlu standart bir hastada karaciğer yağ fraksiyonunu (LFF) yeniden yapılandırmak için bir 3D dağılım modelleme yaklaşımı kullanılmıştır. Ayrıca, çalışma, hastanın karaciğerini sağlıklı bir karaciğerle karşılaştıran nicel bir değerlendirme sağlar. Bu araştırmada kullanılan yazılım araçları Malzeme Tablosu'nda listelenmiştir.

1. Hazırlık ve veri toplama

NOT: Parametrelerdeki varyans, araştırma yaklaşımından etkilenmez. Bu araştırmada klinik görüntülemeden gerçek DICOM verileri elde edilmiştir. Veriler, 1.5 Tesla alan gücüne sahip bir MRI cihazı kullanılarak elde edildi. Veri seti, Dixon dizisinden türetilen dört farklı aşamadan, özellikle Faz İçi, Faz Dışı, Su ve Yağ'dan oluşur.

1. Üst karın için Dixon dizisini kontrol edin.
   1. Tüm DICOM verilerini özelleştirilmiş bir çalışma dizinine kopyalayın.
      NOT: Çalışma dizini hem işletim sisteminde hem de MATLAB'de aynıdır.
   2. MATLAB'ın geçerli çalışma dizinindeki verileri barındıran dizine gidin ( Şekil 1'de gösterildiği gibi).
   3. DIXON verilerinin 520 piksele 704 piksel yatay çözünürlük, 0,5682 mm piksel aralığı ve 5 mm dilim kalınlığı gösterdiğini onaylayın.
2. Dixon'ın resimlerini hızlıca kontrol edin.
   1. Her biri Dixon görüntüleme için ayrı klasörlerde saklanan Faz İçi, Faz Dışı, Su ve Yağ aşamalarını içeren farklı aşamalar için klasörlere erişmek için dizini değiştirin.
   2. Her aşama için görüntüleri görselleştirmek için Slice_View işlevini kullanın.
   3. MRI-Dixon dizisinin etkileşimli grafik kullanıcı arayüzünün (GUI) bir görüntüsünü görüntülemek için Şekil 2'ye bakın. Çeşitli diziler arasında verimli bir şekilde gezinmek için GUI'nin altında bulunan kaydırma çubuğunu kullanın.
   4. Karaciğer dokusu sınırlarının tanımlarını geliştirmek için MRI-Dixon Faz içi dizisini kullanın.
      NOT: Şekil 2'de, GUI'nin sağ üst köşesinde bulunan simgeler bulunabilir. Bu simgeler, uzaklaştırma, yakınlaştırma, genel görünüme dönme ve seçilen pikselin koordinatlarını işaretleme gibi işlevler sunar. Lokal lezyon özelliklerini yakından incelemek için yakınlaştırma özelliğini kullanın.
   5. Nodül boyutlarının ölçümüne yardımcı olarak iki nokta arasındaki mesafeyi hesaplamak için Piksel koordinatlarını işaretle özelliğini kullanın.
   6. İlk renk çubuğu, sırasıyla düşükten yükseğe doğru bir renk kaymasını gösteren mavi renk haritasını kullanır. Standart gri renk haritasına geçmek ve tüm GUI'yi sıfırlamak için Renk Çubuğuna sağ tıklayın ve açılır menüden seçeneği seçin.
   7. Varsayılan filtre penceresi uygun değilse, pencere seviyesini değiştirmek için farenin sol düğmesini kullanarak şeklin ortasında yukarı ve aşağı sürükleyerek ayarlayın. Sola ve sağa sürüklemek pencere genişliğini ayarlar ve hassas filtreleme aralığı renk çubuğunda gösterilir.
      NOT: Sonraki işlemler, karaciğerin 3D bölgesini temsil etmek için DIXON Faz İçi dizisini kullanmaya odaklanacaktır.

2. Karaciğerin 3D bölgesinin çıkarılması

NOT: Karaciğer Yağ Fraksiyonunu (LFF) hesaplamak için, 3D karaciğer bölgesindeki her voksel, MRI-Dixon verilerinden elde edilen yağ fraksiyonu değeri ile uzamsal bir taşıyıcı görevi görür. LFF'yi hesaplamadan önce, 3D karaciğer bölgesini çıkarmak çok önemlidir. Derin öğrenme yöntemleri bunu daha verimli bir şekilde başarabilse de, buradaki odak noktası, karaciğer bölgesi ekstraksiyonu için MIMICS gibi olgun yazılım araçlarını kullanmaktır.

1. MIMICS yazılımını açın ve Yeni Proje'yi seçin. Sonraki iletişim kutusunda, DIXON Faz Dışı görüntülerini barındıran klasörü bulun. İLERİ'ye tıklayarak devam edin ve ardından dizi düzenleme moduna girmek için Dönüştür'e basın.
2. Sağ tarafta bulunan MASKE iletişim kutusunda Yeni'ye tıklayarak boş bir Maske oluşturun ve maksimum eşiği seçin.
3. Karaciğer alanını tüm yatay görünümlerde tanımlamak için "Segment" etiketinin altında bulunan Maskeleri Düzenle aracını kullanın.
4. Daha önce gösterilen karaciğer maskesini seçerek ve Maskeden Parçayı Hesapla'ya tıklayarak karaciğerin 3B uzamsal bir temsilini oluşturun. Elde edilen 3D karaciğer bölgesi sunulacaktır (bkz. Şekil 3).
5. Dosya'ya gidin, ardından Dışarı Aktar'ı seçin ve DICOM seçeneğini belirleyin. Açılır iletişim kutusunda, karaciğer maskesini seçin, dosya yolunu ve adlarını belirtin ve ardından 3B karaciğer bölgesini belirlenen DICOM dosyalarına aktarmak için Tamam'a tıklayın.

3. Yağ Fraksiyonu Haritasının Oluşturulması (FF-Map)

NOT: Yağ fraksiyonu haritası (FF-Map) 0-1 değer aralığına sahiptir. Bu çalışmada, her bir vokselin FF'si, Dixon MRI kullanılarak faz içi eksi Sadece Su voksel değerinin faz içi değerine bölünmesiyle hesaplanmıştır.

1. Dizini Faz içi görüntüler klasörüne değiştirin ve faz içi Birimi oluşturmak için Volume_In işlevini seçin.
2. Dizini Yalnızca su görüntüleri klasörüne değiştirin ve yalnızca su Hacmini oluşturmak için Volume_Water işlevini seçin.
3. Şekil 4'te gösterildiği gibi görselleştirilen abdominal MRG'nin FF-Hacmini elde etmek için adım 3.1 ve adım 3.2'de oluşturulan iki Hacmi girdi olarak kullanarak FF_Volume işlevini seçin.
4. Şekil 4'te gösterilen Yağ Fraksiyonu (FF) haritası, 520 x 704 x 44 matris veri yapısına sahip bir RGB gerçek renkli görüntü olarak sunulmaktadır. Bu gösterimde her piksel, kırmızı, yeşil ve mavi kanalları temsil eden üç değerden oluşur. Farklı renkli piksellerle ilişkili yağ fraksiyonu değerleri için görsel bir referans sağlayan sol taraftaki renk çubuğuna dikkat edin.
   NOT: Şekil 4'te gösterilen GUI, sağ üst köşedeki yakınlaştırma aracı aracılığıyla hastanın karaciğerinin daha yakından gözlemlenmesine ve sondalama aracı kullanılarak tam FF değerlerinin elde edilmesine olanak tanır. Kullanıcılar, alttaki kaydırma çubuğunu sürükleyerek yatay düzlemdeki tüm tarama konumlarının FF haritalarını gözlemleyebilir.

4. 3D hacimli karaciğer yağ fraksiyonu dağılımı

NOT: Şekil 4 , üst karın bölgesinin Dixon MRI görüntülerine dayanarak hesaplanan LFF haritasını göstermektedir. Şekil 3'teki 3D karaciğer bölgesi ile birlikte, tüm karaciğerin 3D-LFF hacmi ayrı ayrı hesaplanabilir.

1. Giriş parametreleri olarak 3D karaciğer bölgesini (Şekil 3'te gösterildiği gibi) ve Karaciğer sertliği haritasını (Şekil 4'te gösterilmiştir) sağlayan LFF_Volume işlevini kullanın. Bu, Şekil 5'te gösterildiği gibi, karaciğer yağ fraksiyonunun 3D-Volume temsilinin oluşturulmasıyla sonuçlanacaktır.
2. Her karaciğer tabakası için sertlik haritasını incelemek için, Şekil 5'te gösterilen GUI'nin altında bulunan kaydırma çubuğunu kullanmanız yeterlidir.
   NOT: Bu görünümde, yalnızca karaciğer dokusu doğru bir şekilde tasvir edilmiştir.
3. GUI'nin sağ üst köşesinde bulunan simgelere dikkat edin ( Şekil 5'te gösterildiği gibi). Bu simgeler, uzaklaştırma, yakınlaştırma, genel görünüme dönme ve seçilen pikselin koordinatlarını işaretleme işlevleri sağlar.
   NOT: Varsayılan renk çubuğu, düşükten yükseğe değişen değerleri (kPa birimleriyle ölçülür) temsil etmek için renklerin maviden kırmızıya geçtiği "jet" renk haritasını kullanır.
4. Şekil 6'da gösterildiği gibi 3D Karaciğer Yağ Fraksiyonunun (3D-LFF) uzamsal dağılımını üretmek için "LFF_Volume" ile aynı giriş parametrelerini kullanarak LFF_Distribution işlevini çalıştırın.

5. 3D-LFF kantitatif analizi

NOT: Normal karaciğer vokselleri: LFF <% 5; Hafif yağlı karaciğer vokselleri: %5-10; Orta derecede yağlı karaciğer vokselleri:% 10 -% 20; Şiddetli yağlı karaciğer vokselleri: LFF ≥ %2011,12,13,14,15. Bu çalışmanın önemli bir nicel odak noktası, hastanın karaciğerindeki farklı LFF aşamalarındaki voksellerin oranını belirlemektir. Şekil 6, hastada karaciğer yağ fraksiyonunun eşit olmayan uzamsal dağılımını göstermektedir. Farklı klinik semptomların olmaması, öncelikle normal karaciğer dokusunun önemli bir kısmına atfedilir. Bu nedenle, hastalar ve sağlıklı bireyler arasındaki farklılıkların kesin olarak ölçülmesi zorunludur. Bu, burada hayati bir nicel kavramı temsil eder.

1. 1-4 arasındaki adımları tekrarlayarak sağlıklı bir karaciğer için 3D-LFF dağılımını hesaplayın.
   NOT: Yerleşik MATLAB çubuğu işlevi, sağlıklı ve yağlı karaciğerler için 3D-LFF dağılımlarının karşılaştırılmasını sağlar (Şekil 7).

Sonuçlar

Bu araştırma, 3D karaciğer yağ fraksiyonu miktar tayin metodolojisini doğrulamak için ticari olarak temin edilebilen bir MRI tarayıcısı kullanılarak elde edilen gerçek hasta veri kümelerini kullanır (Şekil 1). MRI protokolü, Dixon'ın dört fazlı görüntülemesini^{içeriyordu 9,10}: Faz içi, Faz dışı, Yalnızca Su ve Yalnızca yağ (Şekil 2). Her vokselin yağ fraksiyonu (FF), Dixon M...

Tartışmalar

Bu araştırma, Dixon MRI^9,10 kullanarak karaciğer yağ fraksiyonunun (LFF) dağılımını analiz etmek için yenilikçi bir 3D kantitasyon tekniği sunmaktadır. Bu yöntem, faz içi ve su fazı görüntülerinden oluşturulan LFF haritalarını 3D karaciğer konturları ile entegre ederek, normal ve steatotik karaciğerlerdeki LFF modellerini ayırt eder⁶. Sonuç olarak, karaciğer yağ içeriğinin hassas bir şekilde değerlendirilme...

Malzemeler

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