文摘
我们的研究的目的是研究区域由标准的计算机断层扫描(CT)和肺功能特点的地区差异之间的密度和特定的气体体积(SVg)不同的肺容积。
我们研究了10个健康和10个严重肺气肿的科目。相应的CT图像在高和低肺容积被光学流注册获得二维像素密度差异的地图(ΔHU)和SVg(ΔSVg)附近的水平切片主动脉弓,船底座和隔膜。
各级在健康受试者,ΔHU更高(p < 0.001)与高可变性表示为四分位范围(p < 0.001),很大程度上是由于其背侧和腹侧区域之间的差异。的病人,平均ΔSVg值3.2倍低于健康志愿者(p < 0.001),而异质性ΔSVg地图,表示为四分位变异系数,高5.4倍(p < 0.001)。在所有患者中,有ΔSVg负值的区域。
总之,ΔSVg是均匀健康的肺和最低限度受重力的影响。重大ΔSVg异质性观察肺泡肺气肿允许识别的地区的破坏和气体捕获和显示ΔSVg地图提供有用的信息进行评估和规划的新兴治疗目标被困气体去除。
近年来,许多不同的支气管镜的技术介绍了治疗严重的肺气肿,如呼吸道旁路(1,2),支气管内单向出口阀(3),热蒸汽消融(4)、生物密封剂(5,6和气管植入物7]。肺的功能区域分析是需要规划和指导这些治疗的工具。核成像,如单光子发射计算机断层扫描(CT)和正电子发射断层扫描,提供区域通风直接成像(8- - - - - -10),但患有低空间分辨率和信噪比低。Hyperpolarised惰性气体磁共振成像是一种安全技术,提供区域通风成像没有重复暴露于电离辐射,具有良好的时间分辨率(11- - - - - -13]。相反,它遭受从要求特种设备hyperpolarise部分定量和气体。Xenon-enhanced CT提供了一个区域的通风与高空间分辨率。氙气,然而,是昂贵的,需要特殊的设备,必须仔细监控由于镇静剂和麻醉剂属性(14,15]。
最近,标准CT不仅越来越被认为是研究实质和气道壁解剖改变肺气肿,也提供数据地区肺功能通过使用在不同的肺容积图像获得的。年代imon "(16]介绍了具体的概念对应区域之间的体积变化启发和过期的屏息CT图像。Dougherty和同事(17,18)提出了一个创新的方法来可视化气体捕获肺气肿基于注册肺容积之间的密度发生变化。
Coxson等。(19]介绍了特定的气体体积(SVg)的概念,即。气体的体积每克的肺部组织。最近,年代阿利托等。(20.SVg)演示了如何变化的分析可以清楚地提供一个有价值的工具,用于识别和量化的程度和严重性困气。相同的作者也表明使用厚片和平滑滤波器的图像重建减少低衰减的影响导致过高的像素SVg肺气肿的严重性和困气21]。
我们提出,SVg的差异从注册获得CT图像得到两个不同的肺容积,形象地表现为彩色地图和量化的频率分布,能够提供区域功能评估严重的肺气肿。更具体地说,现在的工作的目的是:1)引入一个新的注册和分析方法能够在SVg的区域性调查肺功能变化,根据标准在两个不同的肺容积CT图像获得;2)评估该方法在健康志愿者和主题有严重肺气肿;和3)探索可能的机制导致不同模式的SVg异质性,如重力和抵押品通风。
材料和方法
研究对象
CT成像10日健康志愿者没有吸烟史或肺部疾病和严重肺气肿患者10日(用力呼气量在1 s < 50%,预测剩余容积(RV) /肺活量(TLC)≥0.65)进行本研究。机构审查委员会的圣路易斯华盛顿大学,密苏里州,美国批准的协议健康受试者,从每一个通知获得书面同意。收集的数据对肺气肿的病人来自不同位置和预处理的一部分评估数据库的安全性和有效性的临床试验评估一个新的过程叫做呼吸道旁路(注册www.clinicaltrials.gov标识号NCT00391612)。得出当地伦理委员会审查和批准,并获得书面知情同意的患者。
健康的志愿者和患者仰卧位时扫描暂停end-inspiration TLC和期间暂停end-expiration房车。
CT扫描所有的健康受试者使用SOMATOM定义执行双源CT(德国西门子、Forchheim)。扫描仪设置如下:管电压,120千伏峰值;管电流,110马;旋转一次,500毫秒;矩阵,512×512;重建切片厚度5毫米。肺气肿患者,CT成像(旋转一次,500毫秒;矩阵,512×512;重建切片厚度,10毫米)都使用相同类型的西门子扫描仪在9个主题和使用通用电气扫描仪(光速VCT;美国通用电气医疗集团,密尔沃基,WI)在一个病人(旋转时间741毫秒)。 CT images were reconstructed with B30f and “standard” reconstruction filters, respectively, for Siemens and GE scanners. The resulting radiation dose was in the order of 2.4 and 2.5–2.7 mSv per scan, respectively, in both healthy controls and patients.
图像分析
图像分割的方法,注册和翘曲总结图1。扫描获得的TLC和房车,记者图像在同一apical-basal肺被选中。所建议的米ishima等。(22),三个slice-levels被认为:主动脉弓(AA),船底座(C)和隔膜(TD)。在每一个水平,在房车拍摄的图像变形在TLC图像自动配准算法基于光流法(胶卷暗盒)提出的Lucas和Kanade(23]。
先后,吸气和呼气CT图像变形转换为SVg Hounsfield单位(胡)和(20.),然后逐像素的基础上减去评价胡锦涛和SVg地图(分别ΔHU和ΔSVg)差异之间的两个肺容积。SVg是逐像素计算为:
具体体积(mL·g表示吗−1)是密度的倒数(g·毫升−1)。
肺的比容(组织和天然气)从CT测量:
在现有文献的基础上(24),组织的比容是假定等于1/1.065 = 0.939毫升·g−1。
一旦ΔHU地图和ΔSVg获得AA, C和TD水平,描述性的静力学计算。
图像配准
图像配准是由应用程序基于以下四个步骤。1)肺的分割,基于H。提出的方法uet al。(25]。2)预处理输入图像以减少任何强度偏差由原始图像提取以下特性:拉普拉斯算子(18),外部边界的肺、血管和裂缝。拉普拉斯算子是矮胖的图像滤波器得到的近似二维拉普拉斯算符的形状。船只被阈值提取图像在-400。提取裂缝半自动生成的基础上图像的水平和垂直梯度。提取的特征组合成一个单一的预处理图像满足标准的胶卷暗盒的要求,即。灰色的保护强度的移动结构。3)估计全球变换描述肺的全球运动,包括平移、旋转和扩张的整个图像。4)应用程序的胶卷暗盒预处理图像来估计局部变形的肺逐像素的基础上。灰色像素强度的胶卷暗盒依赖于假设下保护运动(26)和位移矢量相似像素周围的居民小区内(23]。克服大位移吸气和呼气肺图像之间发生,锥体的方法(27)组织在四层是应用。从粗到金字塔的最好水平,每个阶段的运动是迭代估计最大化与参考图像互相关。由此产生的向量场,表达两个图像之间的像素位移,用于变形呼气肺图像到吸气。线性插值应用维护实质的灰度级。
定量分析
一旦注册过程完成后,不同地图是通过减去Hounsfield单位和SVg注册图像像素值。
ΔHU被定义为:
ΔSVg值,用毫升·g−1被定义为:
对于每个不同地图,相应的频率分布直方图。为了分析重力ΔHU的分布的影响和ΔSVg肺、地图划分为三个重力区域,对应于三分之二的肺基于平等的垂直程度:腹侧部分,中部地区和背。每个部分的中值计算。
所有图像处理算法和定量分析图像配准后被开发的定制软件MATLAB实现(MathWorksInc纳蒂克,妈,美国)。
统计分析
执行统计分析使用SigmaStat版本11.0(美国加利福尼亚州圣何塞Systat软件)。
ΔHU和ΔSVg不正常的频率分布,进行了描述性统计值而言,四分位范围(差)和偏态。四分位数变异系数(QVC,等于比率差的总和75和25百分位数)的计算和作为一个索引的空间异质性ΔHU和ΔSVg分布在肺内,用更大的值表明更大的异质性。
比较值,差,偏态和QVCΔHUΔSVg直方图之间的两组健康和肺气肿的科目三肺水平(即。AA, C和TD),双向方差分析进行病理学和肺水平作为独立因素。
双向方差分析被用来比较ΔHU的重力梯度和ΔSVg肺部区域(三个等级:腹侧,中央和背),与重力区域和肺水平作为独立因素。
事后测试是基于Holm-Sidak方法。意义是由p值< 0.05。
代表ΔHU地图所示图3从一个健康(图3)和一个桶状(图3 b)主题。在三个不同的地图考虑肺水平。在健康的主题,在每个级别,ΔHU不均匀地分布在肺内,随着从腹侧背区域值。肺气肿患者,ΔHU变化的范围明显降低,肺不出现在任何方向梯度水平。
ΔSVg地图获得相同的主题所示图3中所示图4。而健康的学科特点是均匀分布在各个级别的ΔSVg肺内ΔSVg值平均约5毫升·g−1,肺气肿患者显示更高程度的ΔSVg异构性和较低的值平均约2毫升·g−1。
的个人直方图ΔHUΔSVg所有健康和气性主题为每个所示肺水平图5和描述性统计的结果所示表1,并提出有趣的观察。显然,上述ΔHUΔSVg异质性和平均值和中所示图3和4在两个代表受试者发现常见的整个人口健康或肺气肿的科目。肺气肿是特点是显著降低平均ΔHU值分布在窄范围的值(低差)与健康受试者相比(p < 0.001)。相反,ΔSVg气性的显著低于健康者(p < 0.001),和在气性差是高于健康者(p < 0.001)。四分位数变异系数(QCV)ΔHU和ΔSVg都显著提高(p < 0.001)在气性比在健康受试者,表明更高程度的异质性。健康受试者也以没有ΔSVg直方图(即。长尾低ΔSVg值和分布范围的质量集中在更高的范围ΔSVg值)与负的偏态有关,特别是在AA和C的水平。这意味着健康的肺,发生高ΔSVg值比低ΔSVg更频繁的值。相反,严重肺气肿的病人的特点是右偏态ΔSVg分布和正偏态,表明更频繁ΔSVg值低,独立于肺的水平。
垂直(腹侧背)变化ΔHUΔSVg,清晰可见的代表主题所示图3和4定量分析,显示了生成的结果图6。在健康对照组,ΔHU依赖重力,即。比腹区域,大背在AA级肺水平(p < 0.01和p < 0.001 C和TD水平)。这种效应更明显在TD层面,在中部地区比腹明显不同(p < 0.01)和背侧(p < 0.001),而与AA和C的水平。相反,在肺气肿的受试者,ΔHU,虽然不同的水平,没有重力的依赖。没有重力梯度ΔSVg在场在健康和肺气肿的科目。
由个人ΔSVg直方图(如图所示图5肺气肿的患者),在所有负面ΔSVg值。在图7,降低密度的一个代表性的例子从TLC房车导致消极ΔSVg值显示。
讨论
在本文中,我们提出一个新的方法分析区域肺功能的密度和ΔSVg不同肺容积和我们介绍创新方法登记肺CT图像在高和低肺容积。我们的结果表明,该方法可以成功地应用在健康受试者和严重肺气肿患者,进行定性和定量评估的组织和天然气与体积变化,直接向肺功能有关。
在健康受试者中,受试的可变性ΔHU值越高,表明差越高,密度与重力有关的依赖关系在肺内,背区域显示值ΔHU高于腹侧的(图6)。相反,严重肺气肿患者的特点是ΔHU值远低于健康对照组分布在窄范围的值和相关的无重力的依赖(图6)。当ΔSVg被认为的地图,没有重力梯度存在于健康受试者或肺气肿患者图6)。健康受试者的特点是均匀分布的ΔSVg三片水平(图4 a, c和e),表示QVC的低价值。相反,SVg差异显著降低患者严重的肺气肿和肺内不均匀分布(图4,对吧)。破坏我们的研究表明,肺泡和气体捕获发生在所有的水平在肺气肿,不过,当地的高度异质性,QVC可能提供索引使我们能够检测早期肺气肿的迹象。
我们的研究结果是依照古典研究M大型,E米利et al。(8)和B瑞安et al。(28在区域通风。这些作者表明肺容积范围在20 - 100%之间至关重要的能力,激发了天然气的比例交付给任何肺地区是常数,但gravity-dependent肺区获得相对更多的启发比nongravity-dependent区体积。
在当前的工作,ΔHU地图获得的健康受试者展示依赖(背)地区的天然气体积变化是高于nondependent(腹)地区。依赖地区在房车,肺泡被压缩密度较高,在TLC密度减少肺泡开放。相反,相应的地图ΔSVg表明健康的肺,ΔSVg高度均匀,因此,气体的量的变化相对于整个肺组织质量都是一样的。这些研究结果的含义是,考虑ΔSVg地图而不是报道的Dougherty和同事(17,18]或通风地图提出了Guerrero和同事(29日,30.),有很大的优势,通风重力分布的依赖最小化了。在这些地图上,因此,任何异质性现象的结果是重力。一个有趣的示例所示图4。ΔSVg映射在肺气肿的患者TD水平显示了一个高当地异质性肺腹侧的部分权利。正(红色)和负(蓝色)交替ΔSVg值,表明在这一领域,有小SVg的地区增加,正如所料,从房车到TLC毗邻小地区SVg减少。这一发现的一个可能的解释是当地异质性组织合规。另一个可能的机制是经络的存在,使抵押品流在这个领域。相反,在健康的肺,抵押品通风有一个微不足道的重要性分布的通风阻力随着经络约50倍比正常航空公司(31日]。Hogg等。(31日]显示抵押品气流阻力的减少事后剖析肺气肿,展示抵押品段之间的通风和整个大裂缝。抵押品通风后支气管阻塞可以通过支气管镜检查(研究32- - - - - -34比标准CT[]或其他成像技术35- - - - - -37]。我们所知,没有研究的报道标准CT是用来评估抵押品通风是可用的。
另一个代表性的例子ΔSVg地图可以用来评估抵押品通风所示图7。在这种情况下,显示病人不同于所示图4密度,应用程序的面具(-970胡阈值)对应的图像在TLC和房车表明较低的组织比背地区TLC房车。ΔSVg地图,这对应于负面(蓝色)ΔSVg值在同一地区,在大叶性裂缝。在这个例子中,间接通风似乎发生在叶之间,而不是在相同的叶。上面的两个代表病例的一般有效性可以欣赏图5,表明所有的病人显示显著区域的直方图是消极的范围。可能的方式量化的间接通风因此会计算的百分比ΔSVg直方图躺下面一分之零给定区域。
在目前的工作,我们还引入了一个注册的方法应用于CT肺肺容积不同拍摄的图像,它扩展了先前提出的技术。Torigian等。(38]介绍了注册算法分析密度不同的肺气肿肺容积之间的区别。相同的作者提出了一种图像预处理算法,基于图像的拉普拉斯算子,来克服灰色强度恒常性的胶卷暗盒的要求。在这项研究中,我们不仅考虑图像的拉普拉斯算子对图像预处理,但其他功能,如肺的外部边界,船只和裂缝,解剖结构,允许更精确的注册空间不均匀在同一切片功能差异。我们开发这些算法是必要的,以允许登记在健康受试者,拍摄的图像,密度高和低肺容积之间的变化是如此之高,拉普拉斯算子是不足以满足胶卷暗盒的要求。
这项工作的主要限制是两个维度的分析。这不是一个困难的问题在学习肺气肿,肺小变形可以准确地跟踪两个维度。健康的肺,相反,肺变形要大得多,这可能导致地区没有相应的血管图像在TLC和房车。这个错误已经被屏蔽部分克服血管阈值图像在-400年胡锦涛房车和薄层色谱。另一个限制,由于临床试验的数据从数据库和健康的主题,是考虑到图像重建与不同的切片厚度之间的志愿者(5毫米)和病人(10毫米)。然而,我们最近演示了21],低衰减的不成比例的影响像素SVg可以显著减少通过使用厚片(5 - 10毫米)结合平滑重建滤波器。另一个可能的问题在我们的详细的定量CT分析严重的肺气肿是SVg的准确性依赖于空气校准(19]。然而,在这项研究中提出的方法是基于SVg的值之间的差异,因此,这可能限制是克服。另一个轻微的限制是相对温和的患者数量;所有患者的特点是严重的肺气肿,使一个组别。获得的结果显示高同质性在组织和统计学意义。
目前的工作可能有重要的临床应用和生理影响的评估疾病的不同阶段,和评价的药物或手术治疗,如微创干预transbronchial支架和支气管肺减容。我们相信,我们的方法,一旦转化为临床实践的高度自动化专用软件,可以帮助识别区域(叶和/或段)气体捕获更明显和区分这些患者和没有抵押品通风,因此,或多或少可能受益于微创肺减容的干预措施。
脚注
支持声明
这项工作的部分支持由国家卫生研究院授予R01-HL090806和基金会韦罗内西。
临床试验
这项研究是在注册www.clinicaltrials.gov标识号NCT00391612。
感兴趣的语句
没有宣布。
- 收到了2012年3月23日。
- 接受2012年7月24日。
- ©2013人队