概要

マルチモーダル肺イメージング:CTおよび過分極 129Xe MRIからの補完情報を使用して肺の構造機能を評価する

Published: April 12, 2024
doi:

概要

CTおよび 129Xe MRIは、画像レジストレーションを使用した局所分析に利用できる補完的な肺構造機能情報を提供します。ここでは、オープンソースプラットフォームを使用した 129Xe MRからCT画像へのレジストレーションに関する既存の文献から構築されたプロトコルを提供します。

Abstract

過分極 129Xe ガス MRI は、肺ガス分布やガス交換などの局所肺機能を評価および測定するための新しい技術です。胸部コンピュータ断層撮影法(CT)は、高解像度の画像を数秒で取得する迅速なCTプロトコルとCTスキャナーの広範な利用可能性により、依然として肺のイメージングの臨床ゴールドスタンダードであり続けています。定量的アプローチにより、胸部CTから構造的な肺実質、気道、血管の測定値を抽出することが可能になりました。これは、多くの臨床研究で評価されています。CTと 129Xe MRIを組み合わせることで、局所的な肺の構造と機能を評価するために使用できる補完的な情報が得られ、肺の健康と疾患に関する新たな洞察が得られます。 129名Xe MR-CT画像レジストレーションは、肺疾患の病態生理学をよりよく理解するための局所的な肺構造機能を測定するために実行し、画像誘導肺インターベンションを実行するために実行できます。ここでは、研究や臨床現場での実施を支援するための 129Xe MRI-CT登録の方法について概説します。また、これまでに文献で採用されてきた登録方法とアプリケーションについてもまとめ、 129Xe MR-CT画像レジストレーションに関連する技術的課題をさらに克服し、局所肺構造機能評価の広範な実施を促進する可能性のある将来の方向性について提案します。

Introduction

過分極性ガス磁気共鳴画像法(MRI)は、約30年前に肺換気分布を評価するための新しい機能的肺画像診断法として最初に登場しました1。それ以来、過分極ガスMRIを使用した調査研究により、喘息、慢性閉塞性肺疾患(COPD)、嚢胞性線維症などの慢性肺疾患患者の肺機能の性質に関する多くの洞察が明らかになりました2,3,4,5,6。過分極した3Heガスと129Xeガスの両方が歴史的に使用されてきました。ただし、129Xeは、3Heガスの利用可能性が限られているため、現在主要な吸入剤です。129名また、Xeは肺胞膜を横切って自由に拡散し、肺毛細血管の赤血球に吸収されます。このいわゆる「溶解相」では、129Xeは独自の周波数で共振し、1回の息止めスキャン4,7,8で局所的なガス交換を測定できます。定量化のために、ボリュームが一致した解剖学的1H MR画像は通常、胸腔の境界を描写するために129Xeとの同時レジストレーションのために同時に取得されます。しかし、従来の 1H MRI では、それ以上の肺の構造情報は提供されません。過分極 129Xe MRI の臨床翻訳の推進力は、2015 年に英国 NHS が承認し、2022 年後半に米国 FDA が承認したことで近年高まりました 5,9 しかし、高度な構造特性評価は、肺 MRI の武器庫にはまだほとんど欠けています。

胸部コンピュータ断層撮影法(CT)は、肺の臨床画像評価の主力であり、従来のイメージングプロトコルを使用して肺構造の3次元高解像度画像を提供します。定量的アプローチにより、肺気腫や間質性肺の異常、大きな気道形態や肺血管系などの実質の完全性の迅速かつ再現性のある測定が可能になり、肺葉の同定とセグメンテーションによる局所解剖学的特性評価が可能になりました10,11。研究分野では、重症喘息研究プログラム(SARP)12、COPDGene(COPDGene)13、COPD研究における亜集団と中間転帰(SPIROMICS)14、予測代理エンドポイントを特定するためのCOPDの縦断的評価(ECLIPSE)15などの大規模な観察研究において、喘息およびCOPDの構造変化と患者転帰との関係をよりよく理解するために定量的CTが広く使用されています、およびカナダの閉塞性肺疾患コホート(CanCOLD)16。呼気イメージング17,18または計算モデル19のような代替のCT法は、機能情報を導出することができるが、これらの方法は間接的であり、従来のCTは、それ以外の点では、肺の機能的特徴付けにあまり提供しない。

CTと129Xe MRIを組み合わせることで、画像レジストレーションを使用した局所分析に利用できる補完的な肺構造機能情報が得られます。CTで特定された肺葉は、喘息20,21,22、COPD 23,24、気管支拡張症25、および肺がん26,27のMRI換気パターンの葉の特徴付けを可能にしました。喘息におけるMRI換気異常は、異常に改造された大気道28,29,30,31およびCTで測定された小さな気道機能障害を示す空気捕捉20,32、および全肺気管支熱形成術33後の局所治療反応を調査するためにも直接空間的に一致しています.COPDでは、MRI換気異常は、軽度の疾患では小さな気道機能障害、より重篤な疾患では肺気腫に関連しています34,35,36。閉塞性肺疾患における換気イメージングを超えて、特発性肺線維症では、CT間質性肺異常と129Xe MRIガス交換パターンとの間の不均一な空間的関係も実証されています37。このような研究は、将来の画像誘導介入に情報を提供するために使用できる、さまざまな肺疾患における局所的な肺の構造機能についてのより深い理解を提供しました。

しかし、解剖学的 CT と機能的過分極性ガス MRI の直接登録は、2 つの方法間で根本的に異なるイメージングコントラスト、換気異常の領域に過分極ガス信号がないこと、および肺容積が異なる可能性があるため、困難です。図 1 は、健康なボランティア (図 1A) と慢性閉塞性肺疾患 (COPD;1B-D)、COPD症例における不均一な129Xe換気パターンとさまざまな欠落した肺境界を強調しています。これらの課題を克服するための鍵は、過分極ガスMRIと同時期に取得した解剖学的1HMRIを中間ステップとして使用して、過分極ガスMRIを間接的にCTに登録することであった34,38。初期の研究では、MRIスペース20に、肺葉などのCT構造の並べての視覚的比較と手動セグメンテーションを採用しました。計算資源とオープンソースの画像処理ツールの進歩により、例えば、モダリティ独立近傍記述子(MIND)23,30,34,39,40,41やAdvanced Normalization Toolkit(ANT)登録21,22,27などを用いて、CTや過分極ガスMRIの3次元レジストレーションが可能になりました313237384243、どちらも肺画像登録チャレンジ44でトップパフォーマーでした。1つの新しい方法は、2つのレジストレーションを別々に治療するのではなく、組み合わせた45、これは、表現型肺疾患のために設計された完全な肺画像解析パイプラインで実装されています46。全体として、過分極ガスMRIからCTへのレジストレーション精度は、中間の1Hステップ38を使用し、アフィンのみのアプローチ38,45よりも変形可能なアプローチを使用して改善されました。

ここでの目標は、既存の文献から構築し、オープンソースプラットフォーム474849を使用した129Xe MRからCT画像へのレジストレーションのためのプロトコルを提供することである。このプロトコルはANTsPyを使用して実装され、以前の研究38に沿って、1HMRIからの単一標識肺マスクをCTからの単一標識肺マスクに登録します。その結果得られた変換は、その後、129Xe 画像に適用され、CT 画像空間にマッピングされます。概説されているプロトコルは、該当する場合は研究または臨床環境に適していることを意図しており、過分極 129Xe MRI が利用可能です。

これに関連して、本明細書で提供される例の画像取得および解析を以下のように行った。胸部CTは、確立された低線量研究プロトコル50 に従って、パラメータ64 x 0.625コリメーション、120ピークキロ電圧、チューブ電流100mA、0.5秒回転時間、スパイラルピッチ1.0、1.25mmスライス厚さ、0.80mmスライス間隔、標準再構成カーネル、肺の最も横方向の範囲に限定された表示視野(空間分解能を最大化するため)に従って、完全な吸気(総肺活量、TLC)で取得されました。CTのセグメンテーションと解析は、市販のソフトウェアを使用して行いました( 「材料表」を参照)。

129名Xeおよび容積一致した1HMRIは、公開されたガイドライン9に従って実施された。完全なMRI取得の詳細とプロトコルについては、読者はこのコレクション51の別の記事に誘導されます。MRIセグメンテーションおよびレジストレーションは、129Xeセグメンテーションのためのk-meansクラスタリング、1Hセグメンテーションのためのシード領域成長、および1H画像を129Xe画像52にマッピングするためのランドマークベースのアフィンレジストレーションを用いた半自動カスタムパイプラインを用いて行った。通常、1つの H-129Xe MR 登録には、アフィン登録で十分です。これは、取得間のほとんどの肺の膨張または患者の位置の違いを考慮するためです。通常、変形可能な登録は必要ありません。1 H-129Xeの登録ステップは、同じ息止め53,54129Xeと1H MRIを同時に取得することで省略できます。

Protocol

ここに示されている画像診断例は、ブリティッシュコロンビア大学プロビデンス医療研究倫理委員会(REB# H21-01237、H21-02149、H22-01264)によって承認されています。参加者は、イメージングを完了する前に書面によるインフォームドコンセントを提供しました。画像取得からレジストレーションまでの全体的なパイプラインを 図2に示し、ここでのプ…

Representative Results

この研究では、さまざまな肺疾患および状態にわたる局所的な肺の構造機能特性評価および画像誘導気管支鏡検査の研究環境で、CT と 129Xe MRI のペアを前向きに取得しました。図 3 は、さまざまな MRI 換気パターンを持つ 4 人の代表的な参加者 (図 1 の同じ参加者) について、冠状面と矢状面で登録された 129</sup…

Discussion

CTと 129Xe MRIは、画像レジストレーションを使用して最も促進される局所的な肺の構造と機能を評価するための補完的な情報を提供します。マルチモーダル画像レジストレーションは実装が容易ではないため、ここで提供するプロトコルは、読者が 129Xe MRIをCTに登録するためのツールを提供することを目的としています。提供されるプロトコルは、従?…

開示

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究は、ブリティッシュコロンビア大学のAdvanced Research Computingと、ブリティッシュコロンビア大学放射線科のAI助成金が提供する計算リソースとサービスによって部分的に支援されました。RLEは、Michael Smith Health Research BC Trainee Awardの支援を受けました。

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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記事を引用
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