Multiparametrična funkcionalna MRI ledvic: trenutno stanje in prihodnji trendi s pristopi globokega učenja

Ključne besede abdomen, MR-difuzija/perfuzija,MR-funkcionalno slikanje, fiziološke študije,ledvica, slikanje ledvic

ZUSAMMENFASSUNG

Hintergrund Bis heute stellt die Erfassung der Nierenfunktion eine Herausforderung für die moderne Medizin dar. Oftmals bleiben funktionelle Einschränkungen der Niere unentdeckt und die Ursachen ungeklärt, da weder die Labor diagnostik noch zur Verfügung stehende Bildgebungsmethoden ausreichend Information über den Funktionsstatus der Nieren liefern. In den letzten Jahren haben Entwicklungen auf dem Gebiet der multiparametrischen funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT) mit Anwendung an abdominellen Organen neue Möglichkeiten zur kombinierten Erfassung anatomischer Strukturen und funktioneller Informationen eröff net. Dieser multiparametrische Ansatz erlaubt die Messung verschiedener Parameter wie der Perfusion, Diffusion, Oxyge nierung und Charakterisierung von Gewebeparametern in ei nem Untersuchungsvorgang, wodurch umfassendere Ein blicke in die pathophysiologischen Prozesse verschiedener Nierenerkrankungen und die Wi rkung therapeutischer Ansätze ermöglicht werden. Allerdings ist die Anwendung an der Niere noch auf die Forschung beschränkt und der Schritt in die klinische Routinediagnostik ausstehend. Eine der größten Herausforderungen stellt das Fehlen standardisierter Protokolle für die Akquisition und die Datenverarbeitung sowie effizienter Methoden zur Datenanalyse dar. Dieses Review bietet eine Übersicht über die weitverbreitetsten fMRT-Techniken mit Anwendung an der Niere und zeigt neue Ansätze zur Datenverarbeitung und Analyze mittels Deep Learning auf.

KLIKNITE TUKAJ ZA DOBITEV CISTANCHE ZA DELOVANJE LEDVIC

Methode Für diesen Artikel wurde eine selektivne Literaturre cherche unter Verwendung der Literaturdatenbank PubMed im Mai 2021 durchgeführt und durch eigene Erfahrungen auf diesem Gebiet ergänzt. Ergebnisse Die multiparametrische funktionelle MRT ist eine vielversprechende Technik zur Erfassung der Nierenfunktion in einem umfassenderen Ansatz durch kombinierte Untersu chung verschiedener Funktionsparameter wie der Perfusion, Diffusion und Oxygenierung in einem Untersuchungsablauf. Neue Entwicklungen auf dem Gebiet des Deep Learning könn ten wesentlich bei der Bewältigung der Datenmengen und der Entwicklung effizienterer Methoden zur Datenverarbei tung und Analyse beitragen. Diese Fortschritte lassen hoffen, dass multiparametrische fMRT-Protokolle bald ausreichend optimiert sind, um über die Forschung hinaus auch im klini schen Alltag in der Diagnostik, dem Monitoring und der Be handlung von Nierenerkrankungen eingesetzt zu werden.

Kernaussagen:

▪ Die multiparametrische fMRT umfasst strahlenfreie, nicht invasive und kontrastmittelfreie Techniken. ▪ Durch die kombinierte Aufnahme verschiedener funk tioneller und struktureller Gewebeparameter können tiefere Einblicke in pathophysiologische Prozesse von Nieren erkrankungen gewonnen werden.

▪ Für eine breitere Akzeptanz von MR-Biomarkern in der Zukunft sind die Etablierung von Standards in der Daten akquisition, -verarbeitung und Analyse sowie prospektive Studien notwendig.

▪ Deep-Learning-Ansätze könnten einen entscheidenden Beitrag sowohl in der Datenakquisition als auch in der Verarbeitung und Interpretation großer Datenmengen leisten.

POVZETEK

Ozadje Ocena delovanja ledvic je do danes ostala izziv za sodobno medicino. Velikokrat ostanejo ledvične bolezni, ki jih spremlja zmanjšanje ledvične funkcije, neodkrite in nerešene, saj niti laboratorijske preiskave niti slikovna diagnostika ne dajejo ustreznih informacij o stanju ledvic. V zadnjih letih je razvoj na področju funkcionalnega slikanja z magnetno resonanco z uporabo trebušnih organov odprl nove možnosti združevanja anatomskega slikanja z večparametričnimi funkcionalnimi informacijami. Večparametrični pristop omogoča merjenje perfuzije, difuzije, oksigenacije in karakterizacijo tkiva v eni preiskavi, s čimer omogoča celovitejši vpogled v patofiziološke procese bolezni ter učinke terapevtskih posegov. Vendar pa je uporaba multiparametričnega fMRI v ledvicah še vedno omejena predvsem na raziskovalna področja, prenos v klinično rutino pa še vedno čaka. Eden glavnih izzivov je pomanjkanje standardiziranega protokola za zajemanje in naknadno obdelavo, vključno z učinkovitimi strategijami za analizo podatkov. Ta članek nudi pregled najpogostejših tehnik fMRI z uporabo na ledvicah in nove pristope v zvezi z analizo podatkov z globokim učenjem.

Metode

Ta članek vključuje selektivni pregled literature z uporabo podatkovne zbirke literature PubMed maja 2021, dopolnjen z lastnimi izkušnjami na tem področju. Rezultati in zaključek Funkcionalna multiparametrična MRI je obetavna tehnika za ocenjevanje ledvične funkcije v bolj celovitem pristopu s kombiniranjem več parametrov, kot so perfuzija, difuzija in BOLD slikanje. Novi pristopi z uporabo tehnik globokega učenja bi lahko bistveno prispevali k premagovanju izziva ravnanja s količino podatkov in razvoju učinkovitejših protokolov za naknadno obdelavo in analizo podatkov. Tako lahko upamo, da bo večparametrične protokole fMRI mogoče dovolj optimizirati za uporabo pri rutinskem pregledu ledvic in za pomoč kliničnim zdravnikom pri diagnostiki, spremljanju in zdravljenju bolezni ledvic v prihodnosti.

Ključne točke:

▪ Multiparametrični fMRI je tehnika, ki se izvaja brez uporabe sevanja, kontrastnih sredstev in invazivnih metod.

▪ Multiparametrična fMRI omogoča celovitejši vpogled v patofiziološke procese ledvičnih bolezni s kombinacijo funkcijskih in strukturnih parametrov.

▪ Za širšo sprejemljivost biomarkerjev fMRI je potrebna standardizacija protokolov za pridobivanje, naknadno obdelavo in analizo ter več perspektivnih študij.

▪ Tehnike globokega učenja bi lahko bistveno prispevale k optimizaciji pridobivanja podatkov ter naknadne obdelave in interpretacije večjih količin podatkov.

Oblika citiranja ▪ Zhang C, Schwartz M, Küstner T et al. Multiparametrična funkcionalna MRI ledvic: trenutno stanje in prihodnji trendi s pristopi globokega učenja. Fortschr Röntgenstr 2022; DOI 10.1055/a-1775-8633

I. Uvod

Po vsem svetu ljudje trpijo zaradikronične ledvične bolezniz velikim številom neprijavljenih incidentov [1]. Vrednotenje delovanja ledvic ostaja velik izziv za sodobno medicino in nefrologi se vedno znova srečujejo s kompleksnimi ledvičnimi patologijami in patofiziologijami, ki jih diagnostične metode, ki se uporabljajo v klinični rutini, kot so laboratorijski testi, ultrazvok in scintigrafija ledvic, včasih ne zadostujejo. občutljivost ali specifičnost za reševanje [2–4]. Kako lahko izboljšamo diagnostične metode z uporabo nedavnega razvoja tehnik slikanja in analize podatkov, da bi zdravnikom pomagali pri zgodnjem odkrivanju, spremljanju in zdravljenju bolezni ledvic?

V zadnjih desetletjih je slikanje trebuha z MRI postalo uveljavljena metoda za odkrivanje različnih patologij. Kljub temu nabor tehnik MR slikanja, ki se uporabljajo v klinični rutini, predstavlja le del diagnostičnega potenciala MRI. Funkcionalno MR slikanje (fMRI) je nastajajoče področje z velikim potencialom za dvig diagnostičnega slikanja na naslednjo raven. Brez uporabe kontrastnih sredstev multiparametrična fMRI zagotavlja neinvazivne metode za merjenje perfuzije organov, difuzije, oksigenacije in za karakterizacijo sprememb v tkivni sestavi. Ocena ledvične funkcije bi lahko postala glavno področje uporabe, saj je kompleksna interakcija pretoka krvi, perfuzije in oksigenacije v ledvični fiziologiji in patofiziologiji različnih ledvičnih bolezni še vedno predmet številnih študij. Poleg tega bi nedavni napredek na področju globokega učenja v medicinskem slikanju lahko bistveno prispeval k obvladovanju naknadne obdelave podatkov in k pomoči pri vključevanju funkcionalnih informacij v klinično rutino za učinkovitejšo in izvedljivo diagnostiko.

Ta članek opisuje najpogosteje uporabljene tehnike fMRI in daje pregled trenutnega stanja kliničnih aplikacij, nedavnih študij in novega razvoja v naknadni obdelavi podatkov v zvezi z nastajajočimi tehnikami globokega učenja.

II. Funkcionalni parametri MRI

Lahko se že ozremo na desetletja raziskav funkcionalnega slikanja z MRI. Od uvedbe MRI skenerjev za medicinsko diagnostiko je MRI presegel vizualno slikanje [5]. Razvite so bile različne tehnike fMRI, ki so bile do neke mere uporabljene v klinični rutini. Številne obetavne tehnike pa so ostale omejene na raziskave, kar velja tudi za funkcionalno slikanje ledvic [6].

Ena glavnih ovir za širšo uporabo in klinično uporabo fMRI ledvic je nejasna raznolikost tehnik fMRI in variacij v pristopih pridobivanja, naknadne obdelave in analize [7]. Da bi združili razvoj in rezultate posameznih študij po vsem svetu in standardizirali klinične raziskave, je bila ustanovljena večnacionalna skupina, ki jo financira Evropska unija COST (European Cooperation in Science and Technology) Action, imenovana PARENCHIMA [8, 9]. Po navdihu priporočil te mreže se ta članek osredotoča na glavne tehnike fMRI, vključno s perfuzijo, difuzijo in BOLD (odvisno od ravni kisika v krvi) slikanjem, dodanim z nadaljnjimi tehnikami MRI, kot sta kartiranje T1 / T2 in dinamično kontrastno izboljšanje (DCE). ) MRI, ki lahko prispeva tudi k celovitejšemu razumevanju patoloških sprememb v strukturi in delovanju ledvic.

Merjenje perfuzije z ASL

Pričakuje se, da bo ledvična perfuzija eden glavnih elementov ledvične funkcije in spremembe v ledvični perfuziji lahko pomembno vplivajo na napredovanje akutne ledvične poškodbe in kroničnih ledvičnih bolezni. Poleg različnih metod merjenja ledvične prekrvavitve je ocena ledvične perfuzije veliko bolj zapletena in težko izvedljiva neinvazivno. Označevanje arterijskega spina (ASL) je tehnika za neinvazivno slikanje in kvantifikacijo perfuzije brez dajanja kontrastnega sredstva z uporabo vodnih molekul krvi kot endogenih sledilcev. Zato je treba kri pred vstopom v slikovno ravnino magnetno pripraviti in "označiti", kar se izvede z izvajanjem radiofrekvenčnih impulzov za spremembo vzdolžne magnetizacije vodnih protonov. Po generiranju dveh slik, "kontrolne" slike brez označene krvi in ​​"label" ali "tag" slike z označeno krvjo, je mogoče z odštevanjem izračunati relativno perfuzijo. Rezultat prikazuje perfuzijsko uteženo sliko, kjer je intenzivnost signala sorazmerna s perfuzijo. Z uporabo kinetičnih modelov je mogoče izračunati kvantitativne karte perfuzije in izmeriti perfuzijo v ml/100 g/min [10].

Obstajajo različne sheme za označevanje krvi, pri čemer se najpogosteje uporabljata pulzirajoča ASL, občutljiva na pretok (FAIR) in psevdokontinuirana ASL [11]. V zadnjih letih so hitrejše strategije odčitavanja, kot so sekvence 3-D gradient in spin echo (GRASE), prispevale k hitrejšemu pridobivanju slik in izboljšanju intrinzičnega nizkega razmerja med signalom in šumom (SNR) ASL. Orodja za korekcijo gibanja in zatiranje delov tkiva v ozadju lahko dodatno pomagajo optimizirati kakovost slike [12].

Pomanjkljivost ledvične ASL je težava validacije zaradi pomanjkanja tehnike zlatega standarda za merjenje perfuzije. ASL je bil potrjen glede na para-aminohipuratni očistek, ultrazvočno pretočno merjenje, mikrosfere in scintigrafijo [13]. Obstajajo tudi številne študije, ki preizkušajo ponovljivost ledvičnega ASL, čeprav z različnimi tehničnimi izvedbami [13]. Klinične aplikacije ASL zajemajo diagnostiko prejemnikov ledvičnega presadka, živih darovalcev ledvic, akutne ledvične poškodbe in kroničnih ledvičnih bolezni, kar kaže na korelacijo zmanjšanja GFR z zmanjšanim perfuzijskim signalom [14]. ASL je bil testiran tudi pod vplivom različnih zdravil, ki vplivajo na ledvično perfuzijo [15].

Ocenjevanje mikrostrukture ledvic z DWI

V klinični rutini je doslej edini način za oceno sprememb ledvičnega intersticija biopsija ledvic. Vendar pa obstaja obetavna neinvazivna alternativa, ki omogoča vidne in merljive mikrostrukturne spremembe z difuzijsko uteženim slikanjem (DWI).

DWI je občutljiv na Brownovo gibanje vodnih molekul, kar omogoča sklepanje o ledvični mikrostrukturi in stopnji ledvične fibroze. Močni dodatni bipolarni gradienti se uporabljajo z različnimi jakostmi in trajanji gradientov, ki predstavljajo različno difuzijsko uteževanje, ki je povzeto v b-vrednostih. Kot kvantitativni parameter za difuzijo je navidezni difuzijski koeficient (ADC) izračunan iz slik DW, da pokaže stopnjo izpodrivanja vode [16]. Poleg difuzije vodnih molekul lahko pri nižjih b-vrednostih opazimo učinek, imenovan psevdodifuzija, ki je posledica gibanja vode v predhodno oblikovanih strukturah, to je perfuzija. S pristopom intra-voxel incoherent motion (IVIM) je mogoče psevdo difuzijo in "resnično" difuzijo razlikovati z uporabo bi-eksponentnega modela [17]. Da bi raziskali prostorsko odvisnost difuzije in kvantificirali stopnjo dobro znane prostorske anizotropije ledvične medule, je mogoče pridobiti večje število nekolinearnih difuzijskih smeri kot tri smeri, ki se običajno uporabljajo za izračun ADC. To tehniko, imenovano difuzijsko tenzorsko slikanje (DTI), pa spremlja velika poraba časa [17]. Večina študij, ki uporabljajo ledvični DWI, preprosto uporablja ADC, kljub prednosti dodatnih informacij iz IVIM in DTI [18].

Podobno kot ledvični ASL tudi pri validacijskih študijah z ledvičnim DWI manjka standardiziran protokol za pridobivanje in analizo. Za biološko validacijo spet ni na voljo zlatega standarda. Ledvični DWI je bil tehnično potrjen v številnih študijah ponovljivosti in uporabljen v različnih kliničnih študijah, vključno z akutno disfunkcijo presadka, akutnim pielonefritisom, policistično boleznijo in kronično boleznijo ledvic [19].

DRZNO

MRI za prikaz oksigenacije ledvičnega tkiva MRI, odvisen od ravni oksigenacije krvi (BOLD), je prva metoda za neinvazivno oceno stanja oksigenacije krvi in ​​ovrednotenje oksigenacije tkiva. To je omogočeno zaradi spremembe magnetnih lastnosti hemoglobina (HB) z nasičenostjo s kisikom, kar vodi do zmanjšanja ali povečanja časovne konstante upada signala proste indukcije T2*, kar ima za posledico merljiv kontrast pri BOLD slikanju [20]. Domneva se, da ima zmanjšanje oksigenacije tkiv pomembno vlogo pri napredovanju kronične ledvične bolezni in akutne ledvične poškodbe. Podatki o razmerju oksi- in dezoksi-HB v korelaciji s perfuzijo bi lahko pomagali pridobiti celovitejši vpogled v patofiziološke procese in določiti med vzroki in posledicami ledvične hipoksije [21].

Ker ni na voljo zlatega standarda za neinvazivno merjenje oksigenacije tkiv, je bil BOLD MRI potrjen le proti tehnikam mikropunkcij pri živalih [22]. Različne študije so pokazale ponovljivost te tehnike pri ljudeh in njen potencial za odkrivanje sprememb v oksigenaciji človeškega ledvičnega tkiva pri bolnikih s kroničnimi boleznimi ledvic, stenozo ledvične arterije in presajenimi ledvicami. Poleg tega se je izkazalo, da je BOLD-MRI uporabno orodje za ocenjevanje učinkov zdravil na delovanje ledvic in za ocenjevanje njihove potencialne nefrotoksičnosti. [20]

Podobno kot ASL in DWI, BOLD MRI nima standardizacije pri pridobivanju in analizi slik. Najpogosteje se izvaja z zaporedji večkratnega gradientnega odmeva (GRE) pri 3 T kot prednostni jakosti polja. Priporočljivo je standardizirati fiziološki status bolnika glede hidracije in vnosa soli, saj se je pokazalo, da ti eksogeni dejavniki pomembno vplivajo na oksigenacijo tkiv [9]. V raziskovalnih okoljih so bile interesne regije (ROI) široko uporabljena tehnika za analizo slik, medtem ko je v kliničnih okoljih treba opraviti celotno analizo ledvic, ki zajema skorjo in medulo. Pridobitev informacij bi lahko povečali z uporabo KREPEK v kombinaciji z drugimi tehnikami fMRI, kot sta ASL in DWI [23].

Karakterizacija tkiva s preslikavo T1 in T2

Spremembe tkiva, ki jih povzroči vnetje, edem, fibroza ali nekroza, povzročijo spremembe v relaksacijskih časih, ki jih je mogoče prikazati in kvantificirati s preslikavo T1 ali T2 [24]. Za preslikavo T1 je uveljavljena metoda tehnika obnovitve inverzije (IR). Priprava IR se večkrat ponovi, medtem ko se poveča čas inverzije za pridobitev več podatkovnih točk z uporabo modula za slikanje z enim posnetkom (npr. slikanje z ravninskim odmevom (EPI), prosta precesija v stanju dinamičnega ravnovesja (SSFP)) z dolgim ​​časom ponavljanja (TR). Nedavno objavljene tehnike, kot je spremenljivi kot obračanja (VFA) ali modificirano slikanje Look-Locker (MOLLI), so možne alternative. [25]. Zaradi razlik v vsebnosti proste vode med medulo in skorjo T1 preslikava omogoča izrazito kortikomedularno diferenciacijo (CMD) [26]. Vendar pa se zdi, da so pri presaditvi ledvic kortikalni in medularni relaksacijski časi T1 daljši kot pri zdravih osebah [24]. Različne študije so prikazale tudi korelacijo med sprostitvenimi časi T1 in stopnjo ledvične okvare ter GFR pri bolnikih z ledvično insuficienco [26, 27].

Kartiranje T2 se običajno izvaja z multi-echo(fast) spin echo zaporedji in omogoča popolno pokritost ledvic v kratkem času. Na kakovost slike lahko vplivajo artefakti občutljivosti zaradi pretoka krvi, difuzivnosti tkiva, nehomogenosti magnetnega polja in nepopolnih impulznih profilov izbire rezine [25]. Za ublažitev teh težav je mogoče uporabiti posebne pripravljalne impulze T2 (npr. CPMG) v kombinaciji s hitrim enosmernim odčitavanjem (podobno kot uporaba inverzijskega impulza pri kartiranju T1) [28]. Pri slikanju srca je kartiranje T2 uveljavljena tehnika za odkrivanje edema po miokardnem infarktu ali vnetju [29]. Poleg več študij na živalih, ki preučujejo občutljivost T2 na ishemično-reperfuzijsko poškodbo [24], bi lahko kartiranje T2 v prihodnosti lahko odkrilo zgodnje stopnje avtosomno dominantne policistične bolezni ledvic (ADPKD) [30]. Večje študije, ki bi ocenile vrednost kartiranja T2 ledvic pri ljudeh, še vedno manjkajo.

MRI z dinamičnim kontrastom

MRI z dinamičnim kontrastom (DCE) pomeni dajanje kontrastnih sredstev, ki vsebujejo gadolinij. Vstopijo v kapilarni sistem ledvic in so podvrženi glomerularni filtraciji in tubulni ekskreciji, preden se izločijo z urinom. Z analizo povečanja kontrasta v tkivu, ki nas zanima, DCE ponuja možnost opisa hitrosti glomerulne filtracije (GFR) z merjenjem tubularnega pretoka in tubularnega prehodnega časa ter žilnih parametrov, kot so prepustnost, ledvični pretok krvi in ​​volumen krvi [31]. ]. DCE MRI je bil potrjen v več študijah glede na različne metode in pri bolnikih z akutno ledvično poškodbo, ledvičnimi tumorji in presaditvijo ledvic [32–34], kjer se je izkazal za dragocenega za ocenjevanje ledvične perfuzije in filtracije. Glavna pomanjkljivost DCE je uporaba kontrastnega sredstva, ki vsebuje gadolinij, kar pomeni povečano tveganje za razvoj NSF [35] in zadrževanje gadolinija v možganih [36], zlasti pri bolnikih z okvarjenim delovanjem ledvic.

Multiparametrični fMRI protokoli in aplikacije Poleg ASL, DWI, BOLD MRI, kartiranja T1 in T2 ter DCE MRI obstajajo še druge tehnike, ki zagotavljajo dragocene informacije o patoloških procesih v ledvicah. Glede na dokument o stališču organizacije COST Action PARENCHIMA so nadaljnji običajno dostopni biomarkerji MRI ledvična volumetrija, fazno kontrastna MRI in prenos magnetizacije (MT) [37]. Najnovejše študije, ki izvajajo večparametrične tehnike fMRI, vključujejo kombinacijo ASL, DWI, BOLD ter kartiranja T1 in T2. Včasih se doda volumetrična analiza in MRI s faznim kontrastom [38]. Nekaj ​​jih vključuje DCE ali kvantifikacijo maščob z Dixon MRI [39]. Očitno je izbira biomarkerjev MRI odvisna od kliničnega vprašanja. Multiparametrična fMRI ponuja možnost izbire iz vrste biomarkerjev MRI, ki obravnavajo hipotezo študije in patologijo ledvic. Posebej zanimiva je preiskava presajenih ledvic z multiparametričnimi fMRI protokoli, saj primanjkuje občutljivih tehnik spremljanja za oceno delovanja ledvic in zgodnje odkrivanje odpovedi ledvic. Kombinacija funkcionalnih parametrov, ki ocenjujejo spremembe v perfuziji, difuziji, oksigenaciji, volumnu ledvic in strukturi tkiva, je obetaven pristop za pridobitev globljega vpogleda v biološki proces akutne zavrnitve ledvičnih presadkov in napovedovanje dolgoročnih zapletov [40]. Večparametrična fMRI je bila nedavno uporabljena za pregled bolnikov s kroničnimi boleznimi ledvic [41, 42], akutno ledvično poškodbo [38], nefropatijo IgA [43], policistično boleznijo ledvic [44] in intersticijsko ledvično fibrozo [45]. ▶ Slika 1 prikazuje primere večparametričnega fMRI protokola za pregled ledvic, ki vključuje preslikavo T1, BOLD, DWI in ASL.

Podporna storitev Wecistanche-največjega izvoznika cistanche na Kitajskem:

E-pošta:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/telefon:+86 15292862950

Trgovina za več podrobnosti o specifikacijah:

https://www.xjcistanche.com/cistanche-shop

PRIDOBITE NARAVNI ORGANSKI IZVLEČEK CISTANCHE S 25 % EHINAKOZIDA IN 9 % AKTEOZIDA ZA OKUŽBO LEDVIC