High-Resolution Maps of Left Atrial Displacements and Strains Estimated with 3D Cine MRI using Online Learning Neural Networks

要約

左心房 (LA) の機能分析は、心臓の健康状態を評価し、心房細動などの疾患を理解するために重要です。
シネ MRI は、LA の動きと変形の詳細な 3D 特性評価に理想的ですが、適切な取得および分析ツールが不足しています。
ここでは、オンライン学習ニューラル ネットワーク (Aladdin) を使用した左心房変位と変形の分析ツールを提案し、Aladdin が世界的および地域的に 3D LA 機能をどのように特徴付けることができるかについての技術的実現可能性研究を提示します。
Aladdin には、オンライン セグメンテーションおよび画像登録ネットワーク、LA に合わせたひずみ計算パイプラインが含まれています。
私たちは、10 人の健康なボランティアと 8 人の心血管疾患 (CVD) 患者 (うち 2 人には大きな左室駆出率 (LVEF) 障害があった) の画像から、LA 変位ベクトル場 (DVF) の大きさと LA 主ひずみ値のマップを作成しました。
さらに、健康なボランティアからのデータを使用して、これらのバイオマーカーのアトラスを作成します。
結果は、アラジンが心臓周期全体にわたって LA 壁を正確に追跡し、その動きと変形を特徴付けることができることを示しました。
Aladdin で評価されたグローバル LA 機能マーカーは、2D シネ MRI からの推定値とよく一致します。
健康なコホートではより顕著な活動的な収縮期が観察されたが、CVD LVEF グループは全体的に LA 機能の低下を示した。
Aladdin は、局所的な病状を示す可能性のある異常な変形メトリクスを持つ LA 領域を独自に識別できます。
アラジンは非侵襲的に心房病態生理学を特徴づけることができるため、重要な臨床応用が期待されています。
すべてのソース コードとデータは、https://github.com/cgalaz01/aladdin_cmr_la で入手できます。

要約(オリジナル)

The functional analysis of the left atrium (LA) is important for evaluating cardiac health and understanding diseases like atrial fibrillation. Cine MRI is ideally placed for the detailed 3D characterization of LA motion and deformation but is lacking appropriate acquisition and analysis tools. Here, we propose tools for the Analysis for Left Atrial Displacements and DeformatIons using online learning neural Networks (Aladdin) and present a technical feasibility study on how Aladdin can characterize 3D LA function globally and regionally. Aladdin includes an online segmentation and image registration network, and a strain calculation pipeline tailored to the LA. We create maps of LA Displacement Vector Field (DVF) magnitude and LA principal strain values from images of 10 healthy volunteers and 8 patients with cardiovascular disease (CVD), of which 2 had large left ventricular ejection fraction (LVEF) impairment. We additionally create an atlas of these biomarkers using the data from the healthy volunteers. Results showed that Aladdin can accurately track the LA wall across the cardiac cycle and characterize its motion and deformation. Global LA function markers assessed with Aladdin agree well with estimates from 2D Cine MRI. A more marked active contraction phase was observed in the healthy cohort, while the CVD LVEF group showed overall reduced LA function. Aladdin is uniquely able to identify LA regions with abnormal deformation metrics that may indicate focal pathology. We expect Aladdin to have important clinical applications as it can non-invasively characterize atrial pathophysiology. All source code and data are available at: https://github.com/cgalaz01/aladdin_cmr_la.

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