Швидке автоматизоване вимірювання розподілу жиру в організмі з МРТ всього тіла, Американський журнал

Пов’язані статті

Серпень 2005, том 185, номер 2

Зображення MR

Клінічні спостереження

Швидке автоматизоване вимірювання розподілу жиру в організмі за допомогою МРТ всього тіла

Анотація
Повний текст
Цифри
Список літератури
PDF
PDF Plus
Додати в обране
Дозволи
Завантажити Цитата

МЕТА. Мета цієї статті - визначити доцільність використання методів автоматизованої діагностики (CAD) для автоматичного виявлення, локалізації та вимірювання жирової тканини за допомогою швидкого МРТ-обстеження всього тіла.

ВИСНОВОК. МРТ всього тіла разом із САПР дозволяє швидко, автоматично і точно підходити до вимірювання та локалізації жиру в організмі та може бути корисною альтернативою індексу маси тіла. Аналіз жиру у всьому тілі може бути здійснений менш ніж за 5 хв.

Точне визначення загальної кількості жиру в організмі людини є важливим питанням медичного аналізу, оскільки ожиріння є важливим фактором, що сприяє різноманітним серйозним проблемам зі здоров'ям. У медичній літературі визначено широкий спектр захворювань, які тісно пов’язані з ожирінням. Сучасні методи оцінки жиру в основному є неточними, і більшість сучасних методів визначення жиру не можуть показати регіональний розподіл жиру, що є важливим для визначення ризику захворювання. Ми представляємо метод, який поєднує в собі автоматизовані методи з методами МРТ для всього тіла і забезпечує точну кількісну оцінку та візуалізацію загального навантаження на жир у організмі та регіонального розподілу жиру. Ця методика може бути важливою для виявлення та лікування груп ризику.

У цьому дослідженні брали участь 42 пацієнти (21 чоловік та 21 жінка), яких завербували за допомогою місцевої госпітальної реклами та спортивної клініки, пов’язаної з лікарнями. Ці добровольці включали когорту міжнародних веслярів, групу елітних спортсменів, у яких оцінка жиру в організмі має особливе значення, оскільки люди обмежені у вазі. Отримано схвалення місцевої інституційної ради. Інформована згода отримувалась від кожного випробуваного, а також реєструвались його вага та зріст. Вони використовувались для розрахунку індексу маси тіла (ІМТ) у кожного пацієнта.

Зображення МР було отримано на пристрій обробки зображень 1,5 Т (Intera, Philips Medical Systems), який був оснащений подовжувачем стільниці і дозволяв автоматизовані переміщення столу. За допомогою подовжувача стільниці досягається каудокраніальне покриття 200 см, що дозволяє проводити обстеження всіх, крім найвищих предметів. Зображення отримуються у шести-семи повністю інтегрованих стеках з невеликим перекриттям. Ми отримали корональні T1-зважені градієнт-ехо-зображення (TR/TE, 112/1,62; кут перекидання, 70 °, кількість усереднених сигналів, 1; матриця, 256 × 256; 80% прямокутне поле зору, 189 × 189). Автоматизована інтерполяція вокселів була використана для отримання вокселів 2,02 × 2,02 × 8,00 мм 3 .

Для сканування пацієнтів кладуть лежачи на спині, схрестивши руки на животі. Це дозволяє зобразити верхні кінцівки обстежуваних. Спочатку ми поклали руки випробовуваних з боків, але виявили, що це спричинило псевдонім. Після зображення вихідні дані передаються у форматі DICOM на робочу станцію для аналізу. На робочій станції послідовно застосовуються складні набори алгоритмів до кожного набору даних для виділення жиру.

При МРТ всього тіла суб'єкт зображується у наборі перекриваючих корональних зрізів. Отримані серії MR-зображень повинні бути реконструйовані в об'ємний набір даних для полегшення аналізу. Є два питання, які потребують особливої уваги в цьому процесі: просторова реєстрація та співпадіння за шкалою сірого. Для досягнення правильної просторової реєстрації ми використовуємо вектори розташування та орієнтації, що зберігаються у заголовках DICOM. Це дозволяє нам точно розміщувати кожне зображення в глобальній системі координат. Таким чином, ми можемо врахувати будь-яке перекриття між сусідніми корональними зрізами і правильно сформувати кінцевий обсяг.

Узгодження шкали сірого необхідно, оскільки між послідовними корональними ділянками можуть бути значні зрушення інтенсивності через характер процесу отримання МРТ, особливо тісний просторовий зв'язок задньої частини з котушками приймача. Необхідно мінімізувати ці ефекти для оптимізації роботи автоматизованої процедури аналізу. Ми досягаємо цього за допомогою відповідності гістограм. Гістограма інтенсивності будується для кожного коронального зрізу, характерний пік, що представляє м’яку тканину, алгоритмічно ідентифікується в кожному випадку, а набір піків вирівнюється відповідно до розподілу шкали сірого по всіх ділянках.

Візуальний огляд зображень, що містяться в наборах даних, виявляє, що жирові тканини мають тенденцію мати вищу шкалу сірого, ніж інші тканини. Але ці зображення також вказують на те, що в межах зображень, що представляють жирові тканини, спостерігаються великі варіації шкали сірого. Крім того, навіть після збігу гістограми, значення шкали сірого для жиру в деяких ситуаціях перекривають ті, що пов’язані з іншими тканинами номінальної інтенсивності, такими як печінка або мозок. Отже, точної сегментації неможливо досягти, застосовуючи прості методи, засновані на пороговому рівні.

Щоб впоратися з цими проблемами, ми розробили чотириетапний алгоритм сегментації. Початковий пороговий рівень обчислюється на основі аналізу гістограми даних. Розташований пік, що представляє м’яку тканину, і вокселі зі значеннями, що перевищують кінець цього піку, ініціалізуються як потенційні жирові вокселі. Потім ми використовуємо крок посилення меж, щоб компенсувати випадання сигналу в деяких периферійних областях даних. Далі ми застосовуємо процедуру 3D-зростання регіону. Нарешті, ми застосовуємо процес уточнення регіонів, за допомогою якого вокселі-кандидати групуються у зв’язані області [1]. Завдяки цьому процесу ми отримуємо потужну сегментацію сигналу завдяки жировій тканині в межах обсягу даних.

Розрахунок загального жиру в організмі (TBF) проводиться за такою формулою: TBF = (NFatVoxels) (Voxel_Dim) (Щільність жиру), де NFatVoxels - загальна кількість жирних вокселів, що містяться в наборі даних, Voxel_Dim - розмір вокселя (в см 3), і Щільність жиру - щільність жирової тканини (в г/см 3). Розміри вокселів можна отримати з заголовка DICOM, і набори даних, використані в нашому дослідженні, в основному мали розміри 2,02 × 2,02 × 8,00 мм 3. У медичній літературі вказується, що щільність жирової тканини можна розглядати як постійну [2], і зазвичай їй призначають значення 0,9196 г/см 3. Вміст жиру визначають підрахунком вокселів жирової тканини, що містяться в сегментованих даних (позначені жовтим на рис. 1). Ми нормалізували ці значення, щоб отримати загальний жир у кілограмах.

Результати аналізу представлені різними способами. Простий ортогональний огляд дозволяє досліджувати осьовий, корональний та сагітальний зрізи, виділяючи регіони, класифіковані як жирові відкладення. Кольорова розмітка зображень забезпечує ефективний візуальний зворотний зв'язок, покращуючи читабельність даних (рис. 1). Ця форма огляду також дозволяє детально вивчити розподіл жиру по всьому тілу та полегшує легке визначення областей певної концентрації жиру.

Тривимірні об'ємні подані зображення (рис. 2) забезпечують чудовий огляд даних, і при використанні з відсіком простору даних можуть ефективно візуалізувати розподіл жиру в тілі в межах об'єму, що представляє інтерес, забезпечуючи більш повний огляд і всебічну розбивку розподіл жирової тканини в організмі.

На додаток до цих візуальних інструментів, користувачеві представлені числові результати. На малюнку 3 наведено приклад типових результатів, отриманих системою. Проводиться оцінка зросту та ваги обстежуваних, а вимірювання проводяться для обчислення значень фактичного та відсотка виявленого жиру в організмі, що вимірюється за обсягом та вагою. Всі ці обчислення виконуються автоматично без будь-якої ініціалізації або подальшого втручання з боку користувача. Весь процес аналізу, від необроблених даних DICOM до кінцевих результатів, займає менше 2 хв.

Найбільший інтерес представляє показник відсотка жиру в організмі, точне визначення якого було основною метою дослідження. Результати показали, що між цим вимірюванням та ІМТ існувала обґрунтована кореляція з очікуваними різницями між статями, як показано на малюнку 5. Однак складність взаємозв'язку, проілюстрована на малюнку 5, підтверджує визнані недоліки ІМТ як вимірювання рівня жиру в організмі. Результати для когорти міжнародних веслярів підкреслюють їх незвично високу м’язову масу, демонструючи один із недоліків ІМТ - його нездатність розрізнити масу тіла, що походить з різних джерел. Результати представлені в таблиці 1 та на малюнках 4 та 5. У всіх випадках результати були отримані протягом декількох хвилин після отримання даних DICOM.

ІМТ, який визначає вміст жиру в організмі лише на зріст і вагу, зручний для масового скринінгу, але знову ж таки, його обґрунтованість ставиться під сумнів у різних етнічних груп та вікових груп населення [11–13]. Відомо також, що він є неточним у спортсменів [14, 15] та людей похилого віку [14, 16] через екстремальний вміст м’язів. Крім того, це не дає ніякого уявлення про регіональний розподіл жиру.

Комплексні лабораторні методи вимірювання загального жиру в організмі включають такі методи, як гідрогенність, радіоактивне розведення та витіснення повітря (Bod Pod, Life Measurement). Хоча витіснення води визнано золотим стандартом, це трудомістке, надзвичайно незручне та недоступне для широкого використання. Справедливість деяких із цих методів також була поставлена під сумнів [17–19].

Зовсім недавно були розроблені нові методи, і серед найважливіших є двоенергетична рентгенівська абсорбціометрія (DEXA), ближня інфрачервона взаємодія (NIR) та загальна електропровідність тіла (TOBEC). DEXA є, мабуть, найбільш доступним і здається досить точним, хоча він вимагає впливу іонізуючого випромінювання. TOBEC, сегментарний та загальний імпеданс тіла вказують на розподіл жиру в організмі від опору до електричного струму та мають їх недоброзичливці [18, 20, 21]. У більшості випадків ці методи є точними, але обладнання є спеціальним та дорогим, і це є стримуючим фактором для їх застосування в сучасних медичних дослідженнях. Крім того, DEXA вимагає впливу іонізуючого випромінювання.

У нашому дослідженні ми порівняли наш досліджуваний метод аналізу жиру лише з ІМТ. Хоча було отримано широку кореляцію, ми вважаємо, що більша частина розбіжностей між цими двома методами базується на недосконалому еталонному стандарті. Порівняння з кращим методом аналізу жиру, таким як витіснення води, збільшило б достовірність наших результатів, але ми не мали доступу до таких методів. Більше того, обмеження інституційної комісії з контролю не дозволяли нам використовувати будь-які методи, що включають іонізуюче випромінювання. Нарешті, навіть якби у нас був абсолютний еталонний метод, доступний для порівняння, сьогодні не існує жодного стандартного тесту для кількісного визначення регіонального розподілу жиру, який, на наш погляд, є одним із найважливіших результатів наших методів дослідження.

Попередні автори використовували методи поперечного перерізу для оцінки вмісту жиру в організмі [22–24]. КТ є широко доступним, швидким та завдяки унікальній відтворюваності ослаблення жиру придатним для автоматизованого аналізу зображень. Однак заборонена доза опромінення виключає його використання серед загальної популяції. Крім того, зображення всього тіла за допомогою гвинтової або нового покоління MDCT потребуватиме великої інтерполяції зображень, що потенційно може спричинити зміщення.

МРТ, хоча і не настільки широко доступний, як КТ, стає все більш широко застосовуваним і не спричиняє іонізуючого випромінювання. Попередні автори визначили точність та відтворюваність МРТ для аналізу жиру у порівнянні з трупною дисекцією [25] та на тваринних моделях [26]. На Т1-зважених зображеннях жир повертає високий сигнал через високу концентрацію відносно нерухомих протонів. Тільки парамагнітні речовини, такі як залізо або меланін, сильно в’язкі рідини та рухомі спіни (наприклад, кров, що тече), також повертають високий сигнал, використовуючи цю послідовність. Залізо та меланін відсутні в організмі у значущих кількостях. Крім того, оскільки ми отримали корональні зображення, орієнтовані паралельно осям більшості основних кровоносних судин, посилення потоку не було основною проблемою.

Хоча МРТ для аналізу жиру вже використовувались попередніми авторами, огляд літератури показує, що був використаний широкий спектр методик, які часто складаються з окремих або вибраних зрізів, з подальшою екстраполяцією на решту тіла [27–30 ]. В інших ранніх дослідженнях МРТ всього тіла для аналізу жиру використовувались проміжки в 1–3 см між осьовими зрізами, які потребують інтерполяції і, отже, неминуче створюють упередження. Справді, попередні автори показали, що субдискретизація та обмежене сканування вводять упередженість та підвищену невизначеність у записаних вимірах жиру [29]. У нашому дослідженні ми досягли охоплення всього тіла без проміжків, тим самим усуваючи будь-який потенціал упередженості та забезпечуючи точні та відтворювані результати. Крім того, розвиток апаратних засобів, однорідність поля та використання послідовностей градієнт-ехо зменшили час зображення до приблизно 140 с.

Наша методика ефективно ділить тіло на вокселі розміром 2,02 × 2,02 × 8,00 мм 3. Поділяючи тіло на такі маленькі тривимірні вокселі та згодом використовуючи методи автоматизованої діагностики (CAD), як зазначено вище, отримують чітке уявлення про розподіл жиру, а потенційні неточності через часткові об'ємні ефекти зводяться до мінімуму. У літературі існує певна суперечка щодо точної біохімічної консистенції тканини, виявленої як МРТ як жир. Однак більшість авторів визнають, що жирова тканина складається з 84,67% тригліцеридів, 12,67% води та 2,66% білка, даючи щільність 0,9196 кг/л [31]. Крім того, ця біохімічна консистенція виявляється однорідною в усьому людському тілі, тому видаляються незрозумілі змінні, що лежать в основі труднощів з іншими методами будови тіла, такими як вік, стать та етнічне походження. Таким чином, використання рівнянь, крім автоматизованого обчислення загального жиру в тілі, згаданого раніше, виключається. У нашій когорті пацієнтів ми обстежили групу з широким спектром рівня та розподілу жиру в організмі без очевидної шкоди чи труднощів, включаючи спортсменів, які погано обслуговуються іншими доступними методами.

У цьому дослідженні ми ілюструємо, як використання методів САПР, заснованих на методологіях вдосконаленої обробки та аналізу зображень, може бути використано для кількісного визначення розподілу жиру в організмі в послідовностях зображень МР всього тіла. Результатом цих дослідницьких зусиль є система, яка оцінює МРТ всього тіла МРТ, забезпечуючи числовий та візуальний зворотний зв'язок, щоб проілюструвати свої результати. Ця система генерує результати за лічені хвилини, дозволяючи провести первинну оцінку відразу після завершення МРТ-сканування. Виділяючи ділянки, де зосереджений жир в організмі, система дозволяє рентгенологам швидко виявити та вивчити регіони, що цікавлять сканування.

Цифрові результати системи також забезпечують точне вимірювання жирових відкладень у відсотках до маси всього тіла. Це важлива метрика, яку важко та трудомістко отримати альтернативними методами. Як вже зазначалося раніше, розподіл фактичної жирової тканини в організмі є важливим показником стану здоров'я та загальної фізичної форми, і його недостатньо кількісно визначає ІМТ. У зв'язку з цим оцінка жирових відкладень у спортсменів, які беруть участь у програмах інтенсивних тренувань, мала особливе значення в нашому дослідженні. Можливість локалізувати розподіл жиру та показати спортсмену, де саме він знаходиться на тілі, представляє великий інтерес, оскільки така інформація може бути використана для формування графіка тренувань спортсмена. Це особливо важливо для багатьох спортсменів з обмеженою вагою, таких як веслярі, боксери та жокеї. Все тіло покрито без пропусків за час зображення приблизно 2 хв 20 секунд, і 32 коронкові зрізи товщиною 8 мм отримуються для кожного з шести-семи штабелів.

Хоча в нашому дослідженні була когорта спортсменів, ця методика може застосовуватися до пацієнтів із ожирінням з рівними можливостями. Щоб врахувати більшу масу тіла, товщину зрізу можна збільшити, що трохи зменшує специфіку техніки, або збільшити кількість зрізів, що трохи збільшує час отримання. Усі столи МРТ мають обмеження ваги стільниці (зазвичай 300–350 фунтів) та обмежений розмір отвору (60 × 60 см на Intera). Ці обмеження виключають аналіз надзвичайно великих пацієнтів системи, яку ми використовували. Однак розроблену нами програму офлайн-аналізу можна застосувати до даних з будь-якого апарату для МРТ, і оскільки вона переналаштовує інформацію відповідно до інформації, отриманої в заголовку DICOM, аналіз всього тіла може застосовуватися навіть без рухомої стільниці, доки скрупульозно позиціонування пацієнта не спостерігалося. Отже, одиниці візуалізації, які в даний час використовуються для зображення найбільших пацієнтів у клінічній практиці сьогодні, можуть бути адаптовані для вимірювання вмісту жиру в організмі за допомогою цього програмного забезпечення.