Summary

Imágenes pulmonares multimodales: uso de información complementaria de la TC y la resonancia magnética hiperpolarizada de 129Xe para evaluar la estructura y función pulmonar

Published: April 12, 2024
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Summary

La TC y la RM 129Xe proporcionan información complementaria sobre la estructura y la función pulmonar que puede aprovecharse para el análisis regional mediante el registro de imágenes. Aquí, proporcionamos un protocolo que se basa en la literatura existente para el registro de imágenes de RM a TC de 129Xe utilizando plataformas de código abierto.

Abstract

La resonancia magnética con gas 129Xe hiperpolarizado es una técnica emergente para evaluar y medir la función pulmonar regional, incluida la distribución de gases pulmonares y el intercambio de gases. Sin embargo, la tomografía computarizada (TC) de tórax sigue siendo el estándar de oro clínico para las imágenes de los pulmones, en parte debido a los protocolos de TC rápida que adquieren imágenes de alta resolución en segundos y a la amplia disponibilidad de escáneres de TC. Los enfoques cuantitativos han permitido la extracción de mediciones estructurales, del parénquimato, pulmonar, de las vías respiratorias y vasculares a partir de la TC de tórax, que se han evaluado en muchos estudios de investigación clínica. Juntas, la TC y la RM 129Xe proporcionan información complementaria que se puede utilizar para evaluar la estructura y la función pulmonar regional, lo que da lugar a nuevos conocimientos sobre la salud y la enfermedad pulmonar. Artículo 129El registro de imágenes de Xe MR-CT se puede realizar para medir la estructura y función pulmonar regional para comprender mejor la fisiopatología de la enfermedad pulmonar y para realizar intervenciones pulmonares guiadas por imágenes. Aquí, se describe un método para el registro de 129Xe MRI-CT para respaldar la implementación en entornos clínicos o de investigación. También se resumen los métodos de registro y las aplicaciones que se han empleado hasta la fecha en la literatura, y se proporcionan sugerencias para direcciones futuras que pueden superar aún más los desafíos técnicos relacionados con el registro de imágenes de RM-TC de 129Xe y facilitar una implementación más amplia de la evaluación regional de la estructura y función pulmonar.

Introduction

La resonancia magnética (RM) con gas hiperpolarizado surgió por primera vez como una nueva modalidad de imagen pulmonar funcional para evaluar la distribución de la ventilación pulmonar hace casi tres décadas1. Desde entonces, los estudios de investigación que utilizan la resonancia magnética con gases hiperpolarizados han revelado numerosos conocimientos sobre la naturaleza de la función pulmonar en pacientes con enfermedades pulmonares crónicas como el asma, la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) y la fibrosis quística 2,3,4,5,6. Históricamente se han utilizado tanto el gas hiperpolarizado 3He como el 129Xe; sin embargo, el 129Xe es ahora el principal agente inhalado debido a la disponibilidad limitada de gas 3He. Artículo 129La Xe también se difunde libremente a través de la membrana alveolar y es absorbida por los glóbulos rojos en los capilares pulmonares; en esta llamada ‘fase disuelta’, 129Xe resuena a frecuencias únicas que permiten medir el intercambio regional de gases en una sola apnea 4,7,8. Para la cuantificación, las imágenes anatómicas de RM de 1H con volumen emparejado se adquieren típicamente al mismo tiempo que se registran conjuntamente con 129Xe para delinear los límites de la cavidad torácica. Sin embargo, la resonancia magnética convencional de 1H no proporciona más información estructural pulmonar. El impulso para la traslación clínica de la resonancia magnética hiperpolarizada de 129Xe creció en los últimos años con la aprobación del NHS del Reino Unido en 2015 y la aprobación de la FDA de EE. UU. a finales de 2022 5,9, sin embargo, la caracterización estructural avanzada sigue faltando en su mayoría en el arsenal de resonancia magnética pulmonar.

La tomografía computarizada (TC) de tórax sigue siendo el pilar de la evaluación clínica por imágenes de los pulmones, ya que proporciona imágenes tridimensionales de alta resolución de la estructura pulmonar mediante protocolos de imagen convencionales. Los abordajes cuantitativos han permitido la medición rápida y repetible de la integridad del parénquima, como el enfisema y las anomalías pulmonares intersticiales, la morfología de las vías respiratorias y la vasculatura pulmonar, y la caracterización anatómica regional mediante la identificación y segmentación de los lóbulos pulmonares10,11. En el ámbito de la investigación, la TC cuantitativa se ha utilizado ampliamente para comprender mejor las alteraciones estructurales y sus relaciones con los resultados de los pacientes en asma y EPOC en grandes estudios observacionales como el Programa de Investigación del Asma Grave (SARP)12, la Epidemiología Genética de la EPOC (COPDGene)13, el Estudio de Subpoblaciones y Resultados Intermedios en la EPOC (SPIROMICS)14, la Evaluación de la EPOC Longitudinalmente para Identificar Criterios de Valoración Sustitutos Predictivos (ECLIPSE)15y la Cohorte Canadiense de Enfermedad Pulmonar Obstructiva (CanCOLD)16. Los métodos alternativos de TC, como las imágenes espiratorias17,18 o los modelos computacionales19, pueden derivar información funcional, pero estos métodos son indirectos y, por lo demás, la TC convencional no proporciona mucho para la caracterización funcional de los pulmones.

En conjunto, la TC y la RM 129Xe proporcionan información complementaria sobre la estructura y la función pulmonar que puede aprovecharse para el análisis regional mediante el registro de imágenes. Los lóbulos pulmonares identificados en la TC han permitido la caracterización lobar de los patrones de ventilación de la RM en el asma 20,21,22, la EPOC 23,24, las bronquiectasias25 y el cáncer de pulmón26,27. Las anomalías de la ventilación en la resonancia magnética en el asma también se han emparejado espacialmente directamente con las vías respiratorias grandes anormalmente remodeladas 28,29,30,31 y el atrapamiento de aire indicativo de disfunción de las vías respiratorias pequeñas20,32 medido en la TC, y para sondear las respuestas regionales al tratamiento después de la termoplastia bronquial pulmonar completa33. En la EPOC, las anomalías de la ventilación en la RM se han relacionado con la disfunción de la vía aérea pequeña en las enfermedades más leves y el enfisema en las enfermedades más graves 34,35,36. Más allá de las imágenes de ventilación en la enfermedad pulmonar obstructiva, también se han demostrado relaciones espaciales heterogéneas entre las anomalías pulmonares intersticiales de la TC y los patrones de intercambio de gases de la RM 129Xe en la fibrosis pulmonar idiopática37. Estos estudios han proporcionado una comprensión más profunda de la estructura y función pulmonar regional en una serie de enfermedades pulmonares que pueden utilizarse para informar sobre futuras intervenciones guiadas por imágenes.

Sin embargo, el registro directo de la TC anatómica y la RM funcional con gas hiperpolarizado es un desafío debido al contraste de imagen fundamentalmente diferente entre los dos métodos, la ausencia de señal de gas hiperpolarizado en regiones de anomalías respiratorias y volúmenes pulmonares potencialmente diferentes. La Figura 1 muestra cuatro ejemplos de 129Xe y resonancia magnética y TC anatómicas 1H pareadas en un voluntario sano (Figura 1A) y tres participantes con enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC; Figura 1B-D), destacando los heterogéneos patrones de ventilación de 129Xe y la variación de los límites pulmonares faltantes en los casos de EPOC. La clave para superar estos desafíos ha sido el uso de la resonancia magnética anatómica de 1H adquirida contemporáneamente con la resonancia magnética de gases hiperpolarizados como paso intermedio para registrar indirectamente la resonancia magnética de gases hiperpolarizados en la TC34,38. Los primeros trabajos emplearon la comparación visual lado a lado y la segmentación manual de las estructuras de la TC, como los lóbulos pulmonares, en el espacio20 de la resonancia magnética. Los avances en los recursos computacionales y las herramientas de procesamiento de imágenes de código abierto han permitido el registro tridimensional de la TC y la resonancia magnética de gases hiperpolarizados, por ejemplo, utilizando el descriptor de vecindario independiente de la modalidad (MIND)23,30,34,39,40,41 o el registro del Advanced Normalization Toolkit (ANTs) 21,22,27 ,31,32,37,38,42,43, los cuales fueron los mejores en un desafío de registro de imágenes pulmonares44. Un método novedoso acopló los dos registros en lugar de tratarlos de forma independiente45, que se ha implementado en una línea completa de análisis de imágenes pulmonares diseñada para el fenotipado de la enfermedad pulmonar46. En general, la precisión del registro de la RM con gases hiperpolarizados a la TC mejoró utilizando el paso intermedio 1H38 y utilizando enfoques deformables sobre los enfoques solo afines38,45.

El objetivo aquí es construir a partir de la literatura existente y proporcionar un protocolo para el registro de imágenes de RM a TC de 129Xe utilizando plataformas de código abierto 47,48,49. El protocolo se implementa utilizando ANTsPy y, en línea con el trabajo previo38, registra una mascarilla pulmonar de etiqueta única de 1H de RM a la mascarilla pulmonar de etiqueta única de TC; la transformación resultante se aplica posteriormente a la imagen 129Xe para asignarla al espacio de imagen CT. El protocolo descrito está destinado a ser apropiado para entornos clínicos o de investigación, cuando corresponda, y está disponible la resonancia magnética hiperpolarizada con 129Xe.

Para contextualizar, la adquisición y el análisis de imágenes para los ejemplos proporcionados en este documento se realizaron de la siguiente manera. La TC de tórax se adquirió con inspiración completa (capacidad pulmonar total, TLC) de acuerdo con un protocolo de investigación de dosis bajas establecido50 con parámetros: colimación de 64 x 0,625, kilovoltaje pico de 120, corriente del tubo de 100 mA, tiempo de revolución de 0,5 s, paso en espiral 1,0, grosor de corte de 1,25 mm, espaciado de corte de 0,80 mm, núcleo de reconstrucción estándar, campo de visión de visualización limitado a las extensiones más laterales de los pulmones (para maximizar la resolución espacial). La segmentación y el análisis de las TC se realizaron mediante software comercial (ver Tabla de Materiales).

Artículo 129Se realizaron Xe y resonancia magnética de 1H con volumen emparejado de acuerdo con las guías publicadas9. Para obtener detalles completos sobre la adquisición de resonancias magnéticas y el protocolo, se dirige a los lectores a otro artículo de esta colección51. La segmentación y el registro de la resonancia magnética se realizaron mediante una canalización personalizada semiautomatizada que utilizó la agrupación en clústeres de k-medias para la segmentación de 129Xe, el crecimiento de la región sembrada para la segmentación de 1H y el registro afín basado en puntos de referencia para mapear la imagen de 1H a la imagen de 129Xe52. El registro afín suele ser suficiente para que el registro de RM 1 H-129Xe tenga en cuenta la mayor parte de la inflación pulmonar o las diferencias de posición del paciente entre las adquisiciones; Por lo general, no es necesario un registro deformable. El paso de registro 1 H-129Xe se puede eliminar con 129Xe adquirido simultáneamente y 1H MRI en la misma apnea53,54.

Protocol

Los casos de imágenes que se muestran aquí fueron aprobados por la Junta de Ética de Investigación de Atención Médica de la Universidad de Columbia Británica Providence (REB# H21-01237, H21-02149, H22-01264). Los participantes dieron su consentimiento informado por escrito antes de completar las imágenes. En la Figura 2 se describe el proceso general desde la adquisición de imágenes hasta el registro, y los detalles del protocolo aquí se centran ?…

Representative Results

Este estudio adquirió prospectivamente la TC pareada y la RM de 129Xe en un entorno de investigación para la caracterización regional de la estructura y la función pulmonar y la broncoscopia guiada por imágenes en una variedad de enfermedades y afecciones pulmonares. En la Figura 3 se muestran 129radiaciones de resonancia magnética y TC registradas en planos coronales y sagitales para cuatro participantes representativos con una v…

Discussion

La TC y la RM con 129Xe proporcionan información complementaria para evaluar la estructura y la función pulmonar regional que se facilita mejor mediante el registro de imágenes. El registro de imágenes multimodal puede no ser trivial de implementar, por lo que el protocolo proporcionado aquí está destinado a proporcionar las herramientas para que los lectores registren la RM 129Xe a la TC. El protocolo proporcionado utiliza ANTsPy para facilitar la implementac…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Esta investigación fue apoyada en parte por recursos y servicios computacionales proporcionados por Advanced Research Computing de la Universidad de Columbia Británica y por una beca de IA del Departamento de Radiología de la Universidad de Columbia Británica. RLE contó con el apoyo de un premio Michael Smith Health Research BC Trainee Award.

Materials

3D Slicer Brigham and Women's Hospital (BWH) https://www.slicer.org/ Image analysis/visualization software; open source
ANTsPy NA https://github.com/ANTsX/ANTsPy Coding infrastructure; open source
ITK-SNAP NA http://www.itksnap.org/pmwiki/pmwiki.php Image analysis/visualization software; open source
MAGNETOM Vida 3.0T MRI Siemens Healthineers NA Can be any 1.5 T or 3.0 T scanner with broadband imaging capability
MATLAB Mathworks https://www.mathworks.com/products/matlab.html General software, good for image analysis; available by subscription
reg.py NA NA Registration script (Supplementary File 1)
Revolution HD CT scanner GE Healthcare NA Can be any CT scanner with ≥64 detectors
VIDA Insights VIDA Diagnostics Inc. NA CT analysis software; can be any to generate masks

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Eddy, R. L., Xu, G. H., Leipsic, J. A., Leung, J. M., Sin, D. D., Hall, C. S., Tam, R. C. Multi-modal Pulmonary Imaging: Using Complementary Information from CT and Hyperpolarized 129Xe MRI to Evaluate Lung Structure-Function. J. Vis. Exp. (206), e66257, doi:10.3791/66257 (2024).

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