开源心脏MRI参数图计算软件TOMATO v0.4

软件X 11（2020）100369原始软件出版物Total Mapping THEORY（TOMATO）：心脏磁共振参数标测的开源库张强，张文，张文.月球a，放大图片作者：Ahmet Barutcua. 作者：Stefan K.皮奇尼克河牛津临床磁共振研究中心，John Radcliffe医院，英国bSiemens Healthcare Ltd，Frimley，UKc波兰华沙心脏病研究所d美国德克萨斯州达拉斯市德克萨斯大学西南医学中心放射科ar t i cl e i nf o文章历史记录：接收18七月2019收到修订版2019年11月14日接受2019年11月26日关键词：优化模型拟合纵向弛豫时间T1磁共振成像a b st ra ctTOMATO（Total Mapping）是一个C++库，用于计算心脏磁共振成像（MRI）中的参数图。作为一个开源项目，TOMATO允许在临床应用中进行透明和标准化的心脏纵向弛豫时间（T1）标测。通过C++实现，TOMATO可以轻松地在研究软件环境和扫描仪以及后处理软件上的商业供应商的闭源C++环境之间进行接口和转换。为了补充核心库的实现，提供了一个随时可用的命令行工具。©2019作者由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本v0.4此代码版本使用的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2019_219法律代码许可证MIT使用git的代码版本控制系统使用TOMATO库的软件代码语言、工具和服务TOMATO可执行文件：C++，ITK，libyaml编译要求，操作环境依赖性TOMATO库：无TOMATO可执行文件：C++，ITK，libyaml如果可用，链接到开发人员文档/手册https://mrkonrad.github.io/TOMATO/htmlhttps://mrkonrad.github.io/tomato_docs咨询支持电子邮件konrad. cardiov.ox.ac.uk软件元数据当前软件版本v0.4此版本可执行文件的永久链接https://github.com/MRKonrad/TOMATO/releases法律软件许可证MIT计算平台/操作系统TOMATO library：Windows/MacOS/Linux TOMATO executable：Windows/MacOS/Linux安装 TOMATO库：CMakeTOMATO可执行文件：CMake，ITK，libyaml如果可用，链接到用户https://github.com/MRKonrad/TOMATOhttps://mrkonrad.github.io/tomato_docs咨询支持电子邮件konrad. cardiov.ox.ac.uk*通讯作者。电子邮件地址：konrad. cardiov.ox.ac.uk（K. Werys）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2019.1003692352-7110/©2019作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx2K. 韦利斯岛德拉戈努岛Zhang等人粤公网安备44010802000011号=∼1. 动机和意义磁共振成像（MRI）是一种广泛使用的医疗诊断技术，用于解剖、功能和组织表征的无创高分辨率纵向（T1）和横向（T2）弛豫时间是能够区分各种组织和病理状态的基本磁共振特性[1]。在过去的10年中，在心血管磁共振（CMR）成像领域，T1和T2标测技术已经成熟为先进的定量组织表征技术，为广泛的心脏疾病提供了新的、非侵入性的见解[2，3]。最近，CMR标测被欧洲心脏病学会心力衰竭协会（European Society of Cardiology HeartFailure Association）认为是心力衰竭患者无创评估的六项最具创新性的技术之一[4]。定量T1和T2标测最近也被纳入使用CMR非侵入性检测心肌炎症的国际指南[5]。特别是，心脏T1标测已经迅速积累了大量用于各种临床应用的证据[6]，并且目前用于许多大规模多中心研究，例如英国生物库成像组件（n 100，000）[7]、肥厚性心肌病登记册HCMR（n> 2770）[8]、加拿大健康心脏和心灵队列研究联盟（Canadian Alliance for healthy hearts andminds cohort study）（n 9700）[9]和汉堡市健康队列研究[10]。然而，测量的T1取决于多种因素，包括硬件和软件采集参数以及图像后处理方法[2，3]。这可能导致不同中心报告的正常范围值之间的它们使用不同的方法来测量T1 [11]。T1图后处理面临T1计算算法选择和实现缺乏透明度的问题。尽管在文献中描述了算法，但是在研究环境（如MATLAB）中的不同实现以及在不同扫描仪和后处理软件上的封闭商业实现可能有助于结果的离散性。开发用于映射计算的开源库可以增加重建算法选择的透明度，并为实现该领域内更好的一致性和标准化据我们所知，以下开源T1计算工具已经发布：MRMap（在IDL中开发）[12] qMR- Lab（Matlab）[13]和QUIT（C++）[14]。MRMap和qMRLab使用需要付费订阅的高级交互式语言环境。因此，它们是学术界使用的优秀教育工具，但受到IDL或Matlab访问的限制，这在MRI扫描仪的环境中尤其成问题QUIT专注于T1计算方法的实现，用于对大脑进行成像，而TOMATO专注于心脏成像的方法根据我们过去10年在ShMOLLI T1标测技术[15]开发和验证方面的经验，我们提出了Total Mapping Tensor（TOMATO），这是一个用于心脏T1标测重建的开源C++库。TOMATO是用C++实现的，这是心脏MRI领域大多数扫描仪供应商和后处理公司使用的行业标准。这种选择允许直接和容易的translation之间的原型算法和供应商的环境。此外，使用C++允许快速计算与广泛的数值库兼容，如VNL[vxl.github.io]和GSL [gnu.org/software/gsl]。我们将TOMATO设计为灵活且易于扩展，以促进其在临床应用和试验中的使用。TOMATO通过打开T1计算算法的“黑匣子”来促进一致性此外，TOMATO通过透明和完全可追溯的开源参考，实现了从研究原型到生产的转换。2. 软件描述2.1. 软件需求规范和依赖性TOMATO库（TomatoLib）的设计基于以下要求：1. 根据现有数据计算ShMOLLI2. 能够选择不同的计算和拟合算法，并在它们3. 能够轻松添加新算法并扩展现有算法4. 快速计算5. 与主要操作系统（Windows，Linux，MacOS）兼容。开发过程的重点是满足要求1-3。在其基础形式中，TomatoLib可以作为独立代码编译，而无需任何非标准库依赖。为了向后兼容不同的扫描仪系统，该库是用C++98开发的（ISO/IEC 14882：1998 [isocpp. org]）。在拟合程序之间切换的可能性允许用户找到最适合其需求的算法。例如，一个是最快的或一个可以很容易地修改。TomatoLib中可以使用不同的拟合程序，包括来自数值库 VNL [vxl.github.io] （ 包 括 在 ITK [itk.org] 中 ） 和 LMFIT[https：//jugit. fz-juelich.de/mlz/lmfit]。在TomatoLib构建步骤中，用户可以选择一个或多个这些库，它们将自动下载并包含在项目中（要求2）。通用构建系统CMake [cmake.org]用于管理构建过程（要求5）。TomatoLib库允许以易于嵌入外部计算工具的形式进行单像素和多像素地图重建。为了证明这一点，我们设计了一个具有以下要求的TOMATO可执行文件（TomatoExe）：1. 直接处理DICOM文件作为输入和输出2. 能够轻松配置输入文件和处理算法3. 与主要操作系统（Windows，Linux，MacOS）兼容。TomatoExe依赖TomatoLib进行计算，ITK库[itk.org]进行输入和 输出 DICOM 操 作（要 求1）。和 libyaml[github.com/yaml/libyaml]库，用于以YAML编写的人类可读配置文件（要求2.）。YAML配置文件包含有关输入文件和输出目录的位置的信息，并允许配置计算算法。它们易于配置，可用作其他环境的接口2.2. 软件构架为了获得T1图，采集具有不同采集参数的一系列图像。然后，通过拟合T1弛豫模型，将图像组合成参数图对于每个像素，由磁共振物理学定义的模型预先确定，并在图2中的方程中给出。1.一、在 TomatoLib （ 图 。 2 ） ， 用 户 可 以 选 择 拟 合 过 程（Fitter类）、模型（FunctionsT1类）以及在拟合之前和之后如何处理数据（Calculator类）。此外，我们还提供了一种计算拟合起始点的方法（StartPointCalculator类）和一种从幅 度 和 相 位 数 据 恢 复 数 据 符 号 的 方 法 （SignCalculator类）。K. 韦利斯岛德拉戈努岛Zhang等人粤公网安备44010802000011号3Fig. 1. 生成T1映射的概念。需要具有不同采集参数（MR加权）的一系列图像，以将参数拟合到已知模型函数。模型的参数以地图的形式呈现，可用于临床诊断。为了提供一个选择和配置计算以及拟合算法的平台，五个核心类（ Fitter ， FunctionsT1 ， Calculator ，StartPointCalculator和SignCalculator）已经被实现为抽象类。具体的实现代码包含在子类中。这种模块化可以通过向五个核心类添加新的子类来2.2.1. 计算器类Calculator类从单个像素的角度管理计算过程Calculator类的目的是根据输入信号计算（calculate（）方法）映射中使用的参数它可以通过提供指向其他TomatoLib对象（如Fitter或FunctionsT1）的指针进行配置。该类的可靠实现的示例包括：CalculatorT 1 Shmolli- ShMOLLI实现条件拟合算法[15]。它具有固定数量的输入样本。它可以被配置为给出与[15]完全相同的结果，或者用户可以尝试不同配置的拟合器，符号和起点计算器CalculatorT 1 Molli-使用MOLLI算法计算[16]。用户可以选择应使用哪种拟合算法，例如2.2.2. 钳工班Fitter类的目的是将给定模型（FunctionsT1类）参数拟合（performFitting（）方法）到给定输入样本，以输出拟合 的 模 型 参 数 。 Fitter 代 码 可 以 从 头 开 始 实 现 ， 如AmoebaNr类，其中Nelder-Mead 算法代码基于NumericalRecipes书[ 19 ]。或者，fitter代码可以是外部库优化器上的包装 器 ， 如 AmoebaVnl 类 ， 其 中 使用来自VNL库的 Nelder-Mead算法。2.2.3. 函数T1类FunctionsT1类的目的是提供模型（calcModelValue（T*parameters，T time）方法）、拟合问题的相应成本函数（calcCostValue（T *parameters）方法）和相应的最小二乘函数计算（calcLS）电阻率（T* 参数，T* 残差）方法）。此外，可以实现基于梯度的拟合器的导数计算一些适配器需要这些函数的特殊公式，因此遵循适配器设计模式 [20] 的 概 念 ， 我 们 提 供 适 配 器 类 ， 例 如 ：FunctionsT1AdapterVnlCost和FunctionsT1AdapterVnlLeastSquares。2.2.4. SignCalculator类通常，输入数据是信号的幅度（图中的蓝色点）。①的人。在没有更多信息的情况下，可以通过尝试[16]中提出的信号符号的不同组合来计算信号的符号（红点）如果提供额外的信息，如信号的相位，可以计算信号的符号，并可以减少计算时间[15，18]。SignCalculator类的目的是根据幅度和相位数据计算（calculateSign（）图二. TOMATO库的简化类图。抽象类（虚线边框）提供了抽象方法（斜体），这些方法必须在实体类（实线边框）中实现，因为它们将在算法执行期间被调用。CalculatorT1类具有FunctionsT1、Fitter、SignCalculator和StartPointCalculator类的对象。用户在配置算法时可以选择实体类的任意组合，或者他们可以提供自己的这些模块由三个水平点表示··4K. 韦利斯岛德拉戈努岛Zhang等人粤公网安备44010802000011号2.2.5. StartPointCalculator类这个类的目的是计算一个初始估计输出模型参数的最小值，该最小值被拟合器用作起点，以便加速和提高后续非线性优化的鲁棒性。2.2.6. ImageCalculator类这个类的目的是从输入数组中提供的多像素数据计算T1图。这是为支持多线程支持库的系统启用par-tunnel CPU计算的地方。它的使用是可选的，它可以被专门的线程处理系统所取代，如TomatoExe中的ITK Filters2.3. 示例代码段下面我们将介绍一个使用ShMOLLI算法进行单像素计算的示例函数。代码中提供了其他示例3. 说明性实例图 3.给出了不同Fitting算法的TomatoExe输出实例。这种方法可用于优化计算参数，以缩短计算时间，正如我们在以前的工作中所示[21]。4. 影响TOMATO最初是肥厚性心肌病登记研究（HCMR）[8]中T1图分析管道的一部分，其中包括使用ShMOLLI T1图的2770多个患者数据集TOMATO为T1图图像后处理提供了一致且透明的系统，确保在多中心研究（如HCMR [8]或UK Biobank [7]）中的所有病例中使用相同的T1未来，TOMATO可用于各种硬件和软件制造商之间映射方法的标准化后处理，这可能会消除研究中心之间方法差异的因素之一[22]。图三. TomatoExe计算。(a)在扫描仪上生成的原始DICOM T1图作为参考图像。(b)使用 TomatoExe 和 默 认 ShMOLLI 计 算 参 数 计 算 的 T1 图 。 (c) 使 用 TomatoExe 和Levenberg-Marquardt拟合算法计算的T1图。(d)用于T1图计算的原始幅度图像。A之间的区别和b.（f）之间的差异a.和c.请注意，A。和b.完全匹配，如图e所示，而是a.和c.在靠近边缘的像素中给出不同的结果，如f所示此外，在TOMATO中，我们将离线T1图计算的时间从几分钟（在我们的MATLAB实现中）减少到几秒钟，与供应商的专有实现性能相似这种加速程度使我们的中心能够有效地处理大规模的-fline数据集，例如HMR中的33，000个T1-map [8]和UK Biobank中 的 初 始 5000 个 T1-map [7] （ 目 标 100 ， 000 个 T1-map ） 。TOMATO促进了T1标测算法的进一步改进，并已用于我们中心的质量保证方案的开发，推进CMR标测技术的标准化和广泛的临床适用性。目前，我们计划将TOMATO集成到最大的MR扫描仪供应商之一的T1标测重建管道中，集成到后处理商业公司之一的软件中，并集成到qMRL [13]中。TOMATO的开源特性允许不同扫描仪供应商之间通过可追溯的版本和方法选择实现更好的标准化。通过额外实施T2、T2*、T1 ρ参数方程，TOMATO库可用于这些多参数组织表征技术，以实现定量CMR成像生物标志物的标准化。5. 结论TOMATO是一个开源的，灵活的，快速的参数映射计算库，用C++语言开发，实际实现为命令行计算工具。不仅提供了一种快速、一致和客观的方式来比较不同的重建方案，而且具有可追溯性。TOMATO库满足了MRI数据处理中更好的标准化和透明度的需求，满足了高质量研究、临床决策、试验和行业标准中的重要质量控制标准之一。随着未来T1、T2、T2*、T1rho模型的实施，TOMATO库的目标是最终扩大这些定量CMR成像生物标志物的应用和标准化，以满足现实世界的临床需求。竞合利益Stefan Piechnik拥有美国专利US20120078084A1：Stefan K.作者声明：John D. 用于缩短外观锁定器的系统和方法·K. 韦利斯岛德拉戈努岛Zhang等人粤公网安备44010802000011号5反转恢复（Sh-MOLLI）心脏门控标测图-PING OF T1，自2010年以来的总收入低于10000美元。牛津大学专利所有权利转让给Siemens Healthcare LTDIulius Dragonu是英国Konrad Werys 自 2019 年 8 月 1 日 起 担 任 加 拿 大 CircleCardiovascular ImagingInc其他作者没有已知的利益冲突。确认这项研究得到了英国心脏基金会的支持（资助号PG/15/71/31731）。SN、VMF和SKP感谢牛津NIHR生物医学研究中心和牛津英国心脏基金会卓越研究中心的支持。VMF由英国心脏基金会支持。部分代码受美国专利US20120078084A1保护。有两个可用的番茄版本：TomatoOpenSource编译与公开可用的代码和TomatoFull包含额外的私人代码用于AmoebaPrivateNr 2拟合算法使用由于Numerical Recipes许可证的限制，此代码不能公开。引用[1]Margaret Cheng H-L，Stikov N，Ghugre NR，Wright GA.实用医学-定量磁 共 振 弛 豫 测 量 的 校 准 应 用 。 J Magn Reson Imaging 2012;36 ： 805-24.http://dx.doi.org/10.1002/jmri.23718网站。[2]Moon JC ， Messroghli DR ， Kellman P ， Piechnik SK ， Robson MD ，Ugander M ， et al. 心 肌 t1 标 测 和 细 胞 外 容 积 定 量 ： 心 血 管 磁 共 振 学 会（SCMR）和欧洲心脏病学会CMR工作组共识声明。J.C. 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