Manyetik Rezonans Görüntüleme-Arteriyel Spin Etiketleme Kullanılarak Serebral Fonksiyonel Bölge Tabanlı Serebral Kan Akış Atlasının Yapımı ve Uygulaması

Özet

Bu çalışma, serebral fonksiyonel bölgeler için serebral kan akışı (CBF) atlasını türetmek için manyetik rezonans görüntüleme-arteriyel spin etiketleme görüntülerini entegre etti. Tipik sağlıklı ve kronik serebral iskemi CBF atlaslarının karşılaştırılması, bölgesel CBF dağılımlarında önemli farklılıklar ortaya çıkardı ve fonksiyonel CBF'nin hızlı, noninvaziv değerlendirmelerinin tanı ve terapötiklerin değerlendirilmesine yardımcı olmasını sağladı.

Özet

Serebral durumlar genellikle hassas tanı ve izleme gerektirir ve ileri görüntüleme teknikleri gerektirir. Mevcut modaliteler, geri dönüşümlü doku hasarının erken belirtilerini yeterince tespit edemeyebilir, bu da serebral kan akışındaki (CBF) değişiklikleri yüksek özgüllük ve duyarlılıkla ölçebilen yenilikçi tanı araçlarına olan ihtiyacın altını çizmektedir. Bu çalışma, beynin tüm ana fonksiyonel bölgelerini kapsayan kapsamlı CBF atlasları geliştirmek için üç boyutlu arteriyel spin etiketlemeyi (3D-ASL) yapısal MRG ile bütünleştirir. Bu yenilikçi manyetik rezonans görüntüleme-arteriyel spin etiketleme (MRI-ASL) metodolojisi, bölgeye özgü CBF'yi ölçmek için hızlı ve invaziv olmayan bir yol sağlar ve farklı fonksiyonel bölgelerdeki CBF seviyelerinin ayrıntılı bir görünümünü sunar. Kronik serebral iskemi (CCI) hastaları ile sağlıklı denekler arasındaki karşılaştırma, birincisi için oluşturulan CBF atlaslarındaki serebral fonksiyonel bölgeler boyunca önemli ölçüde azalmış CBF'yi ortaya çıkardı. Bu yaklaşım, sağlıklı dağılımlara göre kritik alanlarda CBF'deki eşzamanlı düşüşleri analiz ederek CCI'nin verimli bir şekilde tanımlanmasına izin vermekle kalmaz, aynı zamanda uzunlamasına CBF atlasları aracılığıyla tedavi yanıtlarının ve rehabilitasyon ilerlemesinin izlenmesini de sağlar. MRI-ASL tekniği kullanılarak geliştirilen CBF atlası, serebral teşhis ve hasta bakımı alanında yeni bir ilerlemeyi temsil etmektedir. Bu yöntem, bölgesel CBF seviyelerini normatif standartlarla karşılaştırarak, klinisyenlerin serebral rahatsızlıkları olan hastalara kişiselleştirilmiş bakım sağlamasını sağlayarak tanı yeteneklerini geliştirir.

Giriş

Nörogörüntüleme alanında, serebral fonksiyonu ve patolojiyi değerlendirmek için kesin, invaziv olmayan araçlar arayışı çok önemlidir. Bunlar arasında, serebral kan akışı (CBF), beyin dokusunun metabolik taleplerini ve sağlık durumunu yansıtan hayati bir gösterge olarak durmaktadır¹. Geleneksel yaklaşımlar genellikle ampirik değerlendirmeler gerektirir ve görüntüleri yorumlamak ve patolojik değişiklikleri ayırt etmek için klinisyenlerin uzmanlığına büyük ölçüde güvenir². Bununla birlikte, manyetik rezonans görüntüleme (MRI) tekniklerindeki gelişmeler, özellikle arteriyel spin etiketleme (ASL)³, CBF'yi daha fazla doğruluk ve nesnellik ile ölçmek için umut verici bir yol sunmaktadır ^4,5.

Bu çalışma, serebral fonksiyonel bölgeler arasında kapsamlı bir CBF atlası oluşturmak için üç boyutlu ASL'yi (3D-ASL) yapısal MRG ile entegre eden öncü bir metodoloji sunmaktadır⁶. Bu yeni yaklaşımdan yararlanarak, klinisyenler sadece CBF'nin küresel bir perspektifini elde etmekle kalmaz, aynı zamanda serebral perfüzyon paternlerinin incelikli bir şekilde anlaşılmasına olanak tanıyan belirli fonksiyonel alanları da inceleyebilirler ^7,8. Çözünürlükteki bu iyileşme, enterpolasyonlu voksellerin kullanımından ziyade görüntüleme ekipmanındaki teknolojik ilerlemenin doğrudan bir sonucudur. Bugün piyasada bulunan ana akım MRI cihazlarının çoğunun tipik olarak 1,5 mm'den daha iyi görüntüleme hassasiyeti sunduğunu belirtmekte fayda var⁹. Görüntüleme teknolojisindeki bu gelişmeler, daha ayrıntılı ve doğru CBF değerlendirmelerinin yolunu açmıştır. Bu, genellikle erken evre patolojilerle ilişkili CBF'deki ince değişiklikleri tespit etme çözünürlüğünden yoksun olan geleneksel görüntülemeden bir paradigma kaymasını temsil eder¹⁰.

Bu metodolojinin doğuşu, kronik serebral iskemi (CCI) ve diğer nörolojik bozukluklar dahil olmak üzere serebral durumların ortaya çıkardığı tanısal zorlukları ele alma zorunluluğunda yatmaktadır^11,12. Bu koşullar, terapötik müdahaleleri etkili bir şekilde yönlendirmek için kesin ve zamanında değerlendirmeler gerektirir^13,14. Bu çalışma, sağlıklı bireyler ve CCI'li hastalar arasındaki CBF atlaslarını karşılaştırarak, bölgesel CBF dağılımlarındaki önemli eşitsizlikleri ortaya çıkararak hastalık patolojisi ve potansiyel tedavi yolları hakkında bilgi vermektedir.

Bu MRG-ASL yaklaşımının faydası, teşhisin ötesine uzanır, terapötik değerlendirmeyi ve hastalık ilerlemesinin izlenmesini kapsar¹⁵. Boylamsal CBF atlasları, tedavi yanıtlarını ve rehabilitasyon sonuçlarını izlemede umut vaat eder ve klinisyenlere kişiselleştirilmiş hasta yönetimi için paha biçilmez araçlar sağlar. Ayrıca, ince CBF değişikliklerini ayırt etme yeteneği, yaklaşmakta olan doku anormallikleri için erken bir biyobelirteç görevi görebilir ve nörolojik hasarı geri dönüşümsüz hale gelmeden önce hafifletmek için proaktif müdahaleleri mümkün kılar¹⁶.

Bu metodoloji gelişmiş bir aracı temsil etse de, iyileştirme ve genişletme için çeşitli yollar dikkate alınmayı hak eder. Tarama protokollerinin standartlaştırılması, CBF normalizasyon teknikleri ve çok denekli sağlıklı CBF atlaslarının oluşturulması, tanısal doğruluğu ve klinik faydayı artırmaya yönelik çok önemli adımlardır. Çeşitli serebral patolojiler arasında işbirlikçi çabalar, yaygın klinik benimseme için bu yaklaşımı doğrulamak ve iyileştirmek için gereklidir.

Bu çalışma, MRG'den türetilen CBF atlaslarının klinisyenlere serebral fonksiyon ve patoloji hakkında derin bilgiler sunduğu yeni bir yaklaşım sunmaktadır. Bu metodoloji, görüntüleme grubu ile klinik yorumlama arasındaki boşluğu doldurarak, sayısız nörolojik durumun tanı ve yönetiminde devrim yaratma potansiyeline sahiptir ve her hastanın benzersiz ihtiyaçlarına göre uyarlanmış hassas tıbbın geleceğini müjdeler.

Protokol

Bu çalışma, Pekin, Çin'deki Pekin Dongzhimen Hastanesi Kurumsal İnceleme Kurulu tarafından onaylanmıştır. Aşağıdaki parametrelerle 3D arteriyel spin etiketleme (3D-ASL) için turbo gradyan spin ekosuna (TGSE) dayalı darbeli ASL (PASL) dizisi ile bir MRG tarayıcısı kullanıldı: TR 4000 ms, TE 25 ms, bolus süresi 700 ms, inversiyon süresi 1990 ms. Bu araştırmada kullanılan yazılım araçları Malzeme Tablosu'nda listelenmiştir.

1. Veri toplama ve hazırlama

NOT: Parametrelerdeki varyans, araştırma yaklaşımından etkilenmez. Dijital tıbbi görüntüleme verilerini depolamak için hem DICOM hem de NIFTI formatları kullanılır ve DICOM, klinik görüntüleme cihazlarından elde edilen olağan çıktıdır. Bununla birlikte, araştırma faaliyetlerinde hesaplama kolaylığı için NIFTI formatı sıklıkla tercih edilir. DICOM'dan NIFTI'ye dönüştürmek basit ve yaygın bir uygulamadır¹⁷. Bu çalışmada, gerçek DICOM verileri elde edilmiş ve NIFTI formatına dönüştürülmüştür. Veriler 1.5 Tesla MRI tarayıcısı kullanılarak elde edildi. Bu çalışmanın çapraz görüntü kayıt sürecinde, sıvı zayıflatılmış inversiyon geri kazanımı (FLAIR) dizisi esas olarak kullanılmış ve CBF görüntüleri ile kaynaştırılmıştır. Bu çalışmada kullanılan CBF Atlas aracı (Table of Materials) ticari bir yazılımdır.

1. Verileri belirlenen çalışma dizinine kopyalayın.
   1. Tüm NIFTI verilerini özelleştirilmiş bir çalışma dizinine kopyalayın.
      NOT: Çalışma dizini, işletim sisteminde ve MATLAB'da aynıdır. Araştırma, Sağ Anterior Superior (RAS) oryantasyon standardını takip eder.
   2. MATLAB'ın mevcut çalışma dizinindeki verileri barındıran dizine gidin ve FLAIR verilerini çalışma alanına yüklemek için niftiread işlevini kullanın. FLAIR dizisinin boyutlarını kontrol etmek için boyut işlevini kullanın. FLAIR dizisini görüntülemek için Flair_Slice komutunu çağırın ( Şekil 1'de gösterildiği gibi). Belirli komutları aşağıdaki gibi kullanın:
      FLAIR_XLF = niftiread('FLAIR_XFL.nii');
      Boyut(FLAIR_XLF)
      Flair_Slice(FLAIR_XLF);
   3. FLAIR dizisi için etkileşimli grafik kullanıcı arayüzünün (GUI) bir görüntüsü için Şekil 1'e bakın. Farklı dizilere hızlı bir şekilde göz atmak için alt kaydırma çubuğunu kullanın.
2. CBF görüntülerini hızlı bir şekilde kontrol edin.
   1. CBF verilerini çalışma alanına yüklemek için niftiread işlevini kullanın. CBF dizisinin boyutlarını kontrol etmek için boyut işlevini kullanın. CBF dizisini görüntülemek için CBF_Slice komutunu çağırın ( Şekil 2'de gösterildiği gibi). Belirli komutları aşağıdaki gibi kullanın:
      CBF_XLF = niftiread('CBF_XFL.nii');
      Boyut(CBF_XLF)
      CBF_Slice(CBF_XLF);
   2. CBF dizisinin etkileşimli bir GUI ekran görüntüsü için Şekil 2'ye bakın. Farklı dizilere hızlı bir şekilde göz atmak için alt kaydırma çubuğunu kullanın.
      NOT: Şekil 2'de, CBF değer aralığı genellikle 0-120 mL / 100 g / dk'dır. Şekil 2 , farklı CBF seviyelerini farklı renklerde temsil etmek için bir renk haritası kullanır.

2. FLAIR dizisinden serebral fonksiyonel bölgelerin segmentasyonu

NOT: FLAIR sekansı hem yapısal görüntüleme görevi görür hem de mükemmel patolojik tanı yetenekleri sağlar. Bu nedenle, FLAIR'in CBF ile birleştirilmesi kliniklerde önemli bir tanısal değere sahiptir. Bu çalışma, FLAIR dizisinden majör serebral fonksiyonel bölgeleri segmentlere ayırmaktadır.

1. Çalışma alanında, FLAIR_Segment işlevini çağırın ve Şekil 3'te gösterildiği gibi, serebral fonksiyonel bölgeler segmentasyonunun üç düzlemli görünümlerini otomatik olarak oluşturmak için önceden eğitilmiş 3B U-Net tabanlı görüntü segmentasyon programını çalıştırın. Şekil 3'teki her renk farklı bir fonksiyonel bölgeyi temsil eder.
2. Farklı serebral fonksiyonel bölgelerin gerçek zamanlı incelemesi için artı işareti etkileşimini kullanın (Şekil 3). Yeniden yapılandırılmış beyin anatomisinin rastgele bir 3D incelemesi için artı işaretinin ortasına tıklayın ve sürükleyin.
   NOT: Şekil 3'teki GUI, üç düzlemli görünümlerin gri tonlamalı yoğunluk aralığının, kontrastının ve parlaklığının ayarlanmasını da sağlar.
3. Parlaklık ve kontrast seviyelerinin gerçek zamanlı olarak değiştirilmesi için farenin sol düğmesini görüntülerin herhangi bir bölgesi üzerinde basılı tutun ve sürükleyin. Ayarlamaları onaylamak ve sonlandırmak için fare düğmesini bırakın.

3. Serebral fonksiyonel bölgeler boyunca CBF dağılımının üç düzlemli görünümleri

NOT: Farklı serebral fonksiyonel bölgeler boyunca CBF dağılımının incelenmesi, hasta durumlarının kesin klinik yargılarını kolaylaştırır. Şekil 3'teki fonksiyonel bölge çerçevesi altında, CBF dizisinden tam CBF değerlerinin dahil edilmesi ve bunların üç düzlemli görünümlerde sunulması, kapsamlı doktor incelemesine izin verir.

1. Şekil 4'te gösterilen ve işlevsel bölgeler arasında CBF uzamsal dağılımını gösteren üç düzlemli GUI görünümünü oluşturmak için CBF_triplanar işlevini çağırın. İlgilenilen bölgelerdeki CBF dağılımının incelenmesine izin vermek için artı işaretini hareket ettirin.
2. CBF değerlerini herhangi bir konumda görüntülemek için GUI'nin sağ üst köşesindeki Veri İpuçları düğmesine tıklayın.
3. Parlaklık ve kontrast seviyelerinin gerçek zamanlı olarak değiştirilmesi için farenin sol düğmesini görüntülerin herhangi bir bölgesi üzerinde basılı tutun ve sürükleyin. Ayarlamaları onaylamak ve sonlandırmak için fare düğmesini bırakın.

4. Başlıca serebral fonksiyonel bölgelerde CBF atlası

NOT: Farklı fonksiyonel bölgeler arasındaki CBF olasılık dağılımlarının normalleştirilmesi, deneğin serebral fonksiyonel bölgelerindeki CBF seviyelerini ifade eden Serebral Fonksiyonel Bölgeler CBF Atlası'nı oluşturur.

1. Şekil 4'te gösterilen CBF uzamsal dağılımını bir CBF Atlası'na dönüştürmek için CBF_Atlas fonksiyonunu çağırın (Şekil 5'te gösterildiği gibi).
   NOT: Şekil 5'te, x ekseni farklı serebral fonksiyonel bölgeleri temsil eder ve y ekseni farklı CBF seviyelerini temsil eder; Farklı renkler, farklı olasılık seviyelerini gösterir (renk ne kadar kırmızıysa, o kadar fazla voksel bulunur).
2. Kısmi görüntüleri ölçeklendirmek için Şekil 5'te gösterilen GUI'nin sağ üst köşesindeki Yakınlaştır/Uzaklaştır düğmesine tıklayın.
   NOT: Şekil 5'teki eğri, bölgeler arasında ortalama CBF'yi birbirine bağlar.

5. Sağlıklı denekler ve CCI hastaları arasındaki CBF_Atlas açısından önemli farklılıklar

NOT: Bölüm 1-4'te açıklanan aynı işlem kullanılarak, CCI hastaları için farklı serebral fonksiyonel bölgelerdeki ortalama CBF değerleri elde edilebilir.

1. Sağlıklı bir denekten bir CCI hastasına karşı CBF eğrisinin karşılaştırmalı bir grafiğini oluşturmak için CBF_Compare fonksiyonunu kullanın (Şekil 6).
2. Hastanın CBF eğrisi (siyah renkli) ve sağlıklı eğrisi (kırmızı renkli) arasındaki önemli farkları gözlemleyin (Şekil 6). Hastada daha belirgin CBF damlaları olan fonksiyonel bölgeleri belirleyin. Adım 3.3'ü entegre ederek, hastanın diğer bölgelere göre daha kötü performans gösterdiği bölgeleri yeniden inceleyin.
   NOT: Adım 3.3, hastanın CBF seviyelerinin üç boyutlu uzayda görüntülenmesine izin verir, yani doktorlar, CBF'yi hastanın herhangi bir pozisyonunda incelemek için Şekil 4'te gösterilen üç düzlemli GUI görünümünü kullanabilir. Burada, CBF düşüşünün derecesi, CCI hastaları için farklı yerlerde değişir. Doktorlar, önemli CBF düşüşü olan beyin bölgelerine odaklanmak için Şekil 4'ü tekrar ziyaret edebilirler.
3. Uzaklaştırma, yakınlaştırma, genel görünüme dönme ve seçilen pikselin koordinatlarını işaretleme gibi işlevlere erişmek için GUI'nin sağ üst köşesindeki simgeleri (Şekil 5) kullanın.
   NOT: Aynı prensibi kullanarak, aynı hastadan alınan tedavi öncesi ve tedavi sonrası sonuçlar, zaman içindeki klinik etkinliği değerlendirmek için Şekil 6'daki yaklaşım kullanılarak da karşılaştırılabilir.

Sonuçlar

Bu araştırma, serebral kan akışı (CBF) kantifikasyonunu ve atlas yapım metodolojisini doğrulamak için 1,5 T MRI tarayıcısı kullanılarak elde edilen gerçek hasta verilerini kullanır. Ön işleme adımları, FLAIR yapısal görüntülerini (Şekil 1), CBF görüntülerini (Şekil 2) ve üç düzlemli kaynaşmış görüntüleri (Şekil 3 ve Şekil 4) içeriyordu.

...

Tartışmalar

Anahtar adımlar (bölüm 3 ve 4), CBF'nin serebral fonksiyonel bölgeler arasındaki dağılımını ölçen CBF Atlası'nın oluşturulmasının temelini oluşturur. Adım 4.2, yeni bir tekniğe öncülük ederek her beyin bölgesi için CBF seviyelerini açıkça tanımlar. Bu, doktorlara yalnızca hasta CBF'sinin küresel bir görünümünü sağlamakla kalmaz, aynı zamanda bireysel fonksiyonel bölgelerin kantitatif ölçümlerini de sağlar. Adım 5.1, CBF Atlas'ın CCI'yi sağlıklı kontrollerden ayıran önemli...

Malzemeler

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