Strukturalny rezonans magnetyczny płuc przy użyciu obrazowania ultrakrótkiego echa przy swobodnym oddychaniu, samobramkowaniu
6 września 2024
Opisano protokół do generowania obrazów strukturalnych płuc o wysokiej rozdzielczości za pomocą rezonansu magnetycznego (MRI) o ultrakrótkim czasie echa (UTE). Protokół ten pozwala na uzyskanie obrazów za pomocą prostej sekwencji impulsów MRI podczas swobodnego oddychania.
Moje badania koncentrują się na rozwoju i zastosowaniu metod MRI do obrazowania struktury i funkcji płuc. Chcemy zrozumieć, w jaki sposób możemy najlepiej zobrazować płuca, a następnie wykorzystać te techniki do zrozumienia zdrowia i chorób płuc. Rezonans magnetyczny płuc to szybko rozwijająca się dziedzina.
Naukowcy pracują nad nowymi sposobami pobierania MRI różnych środków gazowych oraz nad nowymi metodami wykorzystania konwencjonalnego MRI do obrazowania struktury i funkcji płuc. Strukturalny rezonans magnetyczny przeszedł długą drogę dzięki różnym nowym sposobom łagodzenia ruchu i poprawy SNR obrazów. Wiele dostępnych metod rekonstrukcji umożliwiających generowanie wysokiej jakości obrazów MRI struktury płuc jest albo skomplikowanych, albo kosztownych obliczeniowo, albo jedno i drugie.
Protokół ten wykorzystuje stosunkowo wydajne obliczeniowo metody rekonstrukcji i implementuje prosty potok bramkowania oddechowego po akwizycji. Aby rozpocząć, uzyskaj obrazy MRI płuc w ultrakrótkim czasie echa podczas swobodnego oddychania. Zaimportuj dane i trajektorie oparte na k-space do MATLAB.
Odrzuć pierwsze 1000 projekcji, aby upewnić się, że dane osiągną namagnesowanie w stanie ustalonym. Następnie wykonaj rekonstrukcję obrazu za pomocą niejednorodnej szybkiej transformaty Fouriera do rozmiaru matrycy 96 na 96 na 96. Użyj około 200 projekcji odpowiadających danym o długości od 0,6 do 0,8 sekundy.
Następnie zrekonstruuj i zapisz obrazy ze wszystkich elementów cewki, a także końcowy obraz połączony z cewką. Na obrazie połączonym ze zwojami wybierz wycinek koronalny, który wyraźnie pokazuje membranę. Po wybraniu wycinka koronalnego wyświetl obrazy poszczególnych cewek dla tego przekroju i wybierz jeden lub dwa elementy cewki, które najlepiej pokazują membranę.
Teraz zrekonstruuj tylko dane z elementów cewki za pomocą przesuwanego okna, aby wygenerować obrazy z rozdzielczością czasową około 0,5 sekundy. Użyj pierwszych 200 rzutów, aby zrekonstruować obraz przy użyciu niejednorodnej szybkiej transformaty Fouriera i zapisać tylko wycinek membrany. Przesuń o 100 projekcji i zrekonstruuj dodatkowy obraz, przechowując wycinek przysłony.
Teraz wybierz linię nad przysłoną na pierwszym z obrazów okna przesuwnego. Wizualizuj ruch oddechowy, wyświetlając ten nawigator oddechowy dla wszystkich projekcji. Określ położenie membrany dla wszystkich urządzeń nawigacyjnych i użyj tej lokalizacji, aby oznaczyć występy jako należące do danego pojemnika oddechowego.
Następnie zidentyfikuj kosz z największą liczbą występów odpowiadających końcowemu wygaśnięciu i wybierz go do rekonstrukcji. Użyj filtra wykładniczego, aby zapewnić wagę jeden dla występów w pojemniku głównym i ostro zmniejszającą wagę dla występów w różnych pojemnikach oddechowych. Następnie użyj Berkeley Advanced Reconstruction Toolbox, aby zrekonstruować obraz o wysokiej rozdzielczości w żądanym pojemniku oddechowym.
Obliczanie wag kompensacji zagęszczenia przy użyciu iteracyjnej kombinacji gęstości. Skaluj ciężary kompensacji gęstości za pomocą miękkich ciężarków bramkujących. Następnie wyskaluj dane na podstawie kompensacji gęstości i wag z miękkim bramkowaniem.
Teraz wykonaj podstawową, niejednorodną, szybką transformację Fouriera, aby ułatwić kombinację cewek. Przekształć niejednorodny obraz szybkiej transformacji Fouriera na siatkową przestrzeń k dla kombinacji cewek. Następnie wygeneruj macierz kombinacji cewek i użyj jej do połączenia cewek zarówno dla danych surowych, jak i przestrzeni k z siatką, a także do oszacowania czułości cewki.
Następnie, korzystając z ważonej kompensacji gęstości, danych połączonych cewki i map czułości cewki, wykonaj równoległą obrazowanie skompresowanej rekonstrukcji czujnika. Obrazy wygenerowane pod koniec wygaśnięcia przy użyciu bramkowania opartego zarówno na obrazie, jak i na k-przestrzeni wykazały wyraźną wizualizację membrany, przy czym bramkowanie oparte na obrazie wykazało lepszą kompensację ruchu. Miękkie bramkowanie poprawiło ostrość obrazów inspiracji, redukując artefakty niedopróbkowania w porównaniu z twardym bramkowaniem.
Zarówno bramkowanie oparte na obrazie, jak i na przestrzeni k z powodzeniem wykrywało przebiegi oddechowe podczas regularnego oddychania, przy czym bramkowanie oparte na obrazie dawało wyraźniejsze wyniki w nieregularnych warunkach oddychania.
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia protokół generowania wysokorozdzielczych obrazów strukturalnych płuc z wykorzystaniem obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI) z ultra-krótkim czasem echa (UTE). Metoda ta umożliwia akwizycję obrazów podczas swobodnego oddychania, co pozwala na lepsze zrozumienie stanu zdrowia oraz schorzeń płuc.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neurobiologia
- Obrazowanie medyczne
- Zdrowie układu oddechowego
Wstęp
- Opracowanie metod MRI w obrazowaniu płuc.
- Wyzwania w obrazowaniu struktury i funkcji płuc.
- Postępy w ograniczaniu artefaktów ruchowych i poprawie jakości obrazu.
- Potrzeba zastosowania wydajnych obliczeniowo metod rekonstrukcji.
Cel badania
- Udoskonalić techniki MRI w obrazowaniu płuc.
- Zapewnić prosty schemat postępowania w zakresie synchronizacji z oddechem (respiratory gating).
- Poprawić jakość obrazu i zredukować artefakty.
Zastosowane Metody
- Pozyskiwanie obrazów UTE MRI podczas swobodnego oddychania.
- Rekonstrukcja obrazów z wykorzystaniem niejednorodnej szybkiej transformaty Fouriera.
- Wdrożenie bramkowania oddechowego w celu selekcji obrazów.
- Zastosowanie technik obrazowania równoległego w celu zwiększenia rozdzielczości.
Główne wyniki
- Wyraźna wizualizacja przepony na obrazach zrekonstruowanych.
- Gating oparty na obrazach wykazał lepszą kompensację ruchu.
- Soft gating zredukował artefakty niedopróbkowania w porównaniu do hard gatingu.
- Obie metody gatingu skutecznie wykryły przebiegi fal oddechowych.
Wnioski
- Protokół ten umożliwia obrazowanie płuc o wysokiej rozdzielczości.
- Wydajne metody rekonstrukcji poprawiają jakość obrazu.
- Gating oparty na obrazie jest preferowany w przypadku nieregularnego oddechu.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Wysokorozdzielcze, kompensowane pod względem ruchu obrazowanie płuc metodą MRI, z wykorzystaniem obrazowania UTE z bramkowaniem automatycznym podczas swobodnego oddychania, wypełnia krytyczną lukę w niejonizującej ocenie strukturalnej płuc w badaniach naukowych i translacyjnych. Protokół ten umożliwia stabilne obrazowanie w populacjach i warunkach, w których tomografia komputerowa (CT) jest nieodpowiednia, wspierając podłużne i mechanistyczne badania struktury płuc. Podejście to zwiększa pewność prognostyczną we wczesnych etapach badawczych w obszarze układu oddechowego oraz ułatwia rozszerzenie portfolio badań o grupy szczególnie wrażliwe lub kohorty pediatryczne.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia nieinwazyjną ocenę struktury tkanki płucnej w badaniach nad układem oddechowym opartych na hipotezach.
- Wspiera ograniczanie ryzyka biologicznego poprzez dostarczanie obrazów z minimalną liczbą artefaktów na potrzeby badań walidacji celów terapeutycznych.
- Ułatwia uzyskanie pewności predykcyjnej w ocenie zależności między strukturą a funkcją płuc.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Przygotowuje zwalidowane wyniki obrazowania do dalszej analizy ilościowej w modelach oddechowych.
- Standaryzuje proces akwizycji i rekonstrukcji, poprawiając powtarzalność między badaniami i ośrodkami.
- Dostarcza obrazy o wysokiej rozdzielczości z kompensacją ruchu, odpowiednie do przesiewowego badania wpływu związków na strukturę płuc.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Jest zgodne z istotnymi dla przebiegu choroby punktami końcowymi obrazowania w celu opracowania biomarkerów translacyjnych w badaniach nad płucami.
- Zapewnia ciągłość procesu od obrazowania odkrywczego po walidację przedkliniczną bez narażania na promieniowanie jonizujące.
- Wspiera decyzje o dalszym rozwoju w potokach terapeutycznych chorób układu oddechowego w oparciu o analizę ryzyka.
Integracja potoku i przepływu pracy
Niniejszy protokół wpisuje się w kontinuum od etapu odkryć do badań przedklinicznych w obszarze chorób układu oddechowego, zapewniając skalowalne rozwiązanie obrazowania zarówno dla badań mechanistycznych, jak i translacyjnych.
- Biologia odkrywcza: Ułatwia testowanie hipotez i wyjaśnianie szlaków poprzez umożliwienie obrazowania płuc z minimalizacją artefaktów.
- Przesiewanie: Zapewnia powtarzalne, ilościowe wyniki obrazowania do oceny efektów interwencji.
- Analityka: Wspiera ilościowy pomiar struktury i ruchu płuc w analizie porównawczej.
- Badania translacyjne: Łączy wczesne odkrycia z walidacją przedkliniczną dzięki niejonizującemu obrazowaniu o wysokiej rozdzielczości.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Oferuje wielokrotnego użytku schemat obrazowania, który można dostosować do różnych modeli oddechowych i kohort badawczych.
Wpływ operacyjny i organizacyjny
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w badaniach nad płucami.
- Wartość operacyjna: Optymalizuje procesy obrazowania dzięki obliczeniowo wydajnym, zestandaryzowanym protokołom.
- Wartość strategiczna: Umożliwia lepsze podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) oraz zwiększa efektywność kapitałową poprzez redukcję ryzyka związanego z obrazowaniem.
- Wpływ na portfolio: Rozszerza możliwości badawcze na populacje szczególnie narażone i wspiera priorytetyzację skorygowaną o ryzyko.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w akwizycji obrazów MRI oraz ich rekonstrukcji, w tym w technikach UTE i samowyzwalania (self-gating).
- Wymagany jest dostęp do systemów MRI 3T oraz infrastruktury obliczeniowej do rekonstrukcji i analizy.
- Konieczna jest standaryzacja parametrów akwizycji i procesów rekonstrukcji pomiędzy zespołami.
- Metoda jest możliwa do dostosowania do różnych natężeń pola i modeli oddechowych poprzez modyfikacje protokołu.
- Potencjalne ograniczenia obejmują konieczność zastosowania specjalistycznego oprogramowania oraz szkolenia w zakresie analizy bramkowania oddechowego.
