Мултипараметричен функционален ЯМР на бъбреците: текущо състояние и бъдещи тенденции с подходи за дълбоко обучение

Ключови думи абдомен, MR-дифузия/перфузия,MR-функционално изображение, физиологични изследвания,бъбрек, бъбречно изображение

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.

НАТИСНЕТЕ ТУК, ЗА ДА ВЗЕМЕТЕ CISTANCHE ЗА БЪБРЕЧНА ФУНКЦИЯ

Methode Für diesen Artikel wurde eine selective 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 strukturller 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.

РЕЗЮМЕ

Предистория До днес оценката на бъбречната функция остава предизвикателство за съвременната медицина. В много случаи бъбречните заболявания, придружени от намалена бъбречна функция, остават неоткрити и нерешени, тъй като нито лабораторните изследвания, нито образната диагностика дават адекватна информация за състоянието на бъбреците. През последните години развитието в областта на функционалното магнитно-резонансно изобразяване с приложение към коремни органи откри нови възможности за комбиниране на анатомични изображения с мултипараметрична функционална информация. Мултипараметричният подход дава възможност за измерване на перфузия, дифузия, оксигенация и тъканна характеристика в едно изследване, като по този начин осигурява по-изчерпателна представа за патофизиологичните процеси на заболяванията, както и ефектите от терапевтичните интервенции. Въпреки това, приложението на мултипараметричен fMRI в бъбреците все още е ограничено главно до изследователски области и прехвърлянето към клиничната рутина все още не е приключило. Едно от основните предизвикателства е липсата на стандартизиран протокол за събиране и последваща обработка, включително ефективни стратегии за анализ на данни. Тази статия предоставя преглед на най-често срещаните fMRI техники с приложение към бъбреците и нови подходи по отношение на анализа на данни с дълбоко обучение.

Методи

Тази статия предполага селективен преглед на литературата с помощта на литературната база данни PubMed през май 2021 г., допълнена от нашия собствен опит в тази област. Резултати и заключение Функционалната мултипараметрична ЯМР е обещаваща техника за оценка на бъбречната функция в по-всеобхватен подход чрез комбиниране на множество параметри като перфузия, дифузия и BOLD изображения. Новите подходи с прилагането на техники за задълбочено обучение биха могли значително да допринесат за преодоляване на предизвикателството при обработката на количеството данни и разработването на по-ефективни протоколи за последваща обработка и анализ на данни. По този начин може да се надяваме, че многопараметричните fMRI протоколи могат да бъдат достатъчно оптимизирани, за да се използват за рутинно бъбречно изследване и да подпомагат клиницистите при диагностиката, мониторинга и лечението на бъбречни заболявания в бъдеще.

Ключови точки:

▪ Мултипараметричен fMRI е техника, която се извършва без използване на радиация, контрастни вещества и инвазивни методи.

▪ Мултипараметричният fMRI осигурява по-изчерпателна представа за патофизиологичните процеси на бъбречните заболявания чрез комбиниране на функционални и структурни параметри.

▪ За по-широко приемане на fMRI биомаркерите има нужда от стандартизиране на протоколите за придобиване, последваща обработка и анализ, както и повече проспективни проучвания.

▪ Техниките за задълбочено обучение могат значително да допринесат за оптимизирането на събирането на данни и последващата обработка и интерпретация на по-големи количества данни.

Формат на цитиране ▪ Zhang C, Schwartz M, Küstner T et al. Мултипараметричен функционален ЯМР на бъбреците: текущо състояние и бъдещи тенденции с подходи за дълбоко обучение. Fortschr Röntgenstr 2022; DOI 10.1055/a-1775-8633

Въведение

По целия свят хората страдат отхронични бъбречни заболяванияс голям брой неотчетени инциденти [1]. Оценката на бъбречната функция остава огромно предизвикателство за съвременната медицина и нефролозите многократно се сблъскват със сложни бъбречни патологии и патофизиология, които диагностичните методи, използвани в клиничната рутина, като лабораторни тестове, ултразвук и бъбречна сцинтиграфия, понякога не са достатъчни чувствителност или специфичност за решаване [2–4]. Как можем да подобрим диагностичните методи, като използваме последните разработки в техниките за образна диагностика и анализа на данни, за да помогнем на клиницистите при ранното откриване, наблюдение и лечение на бъбречни заболявания?

През последните десетилетия коремното изображение с ЯМР се превърна в утвърден метод за откриване на различни патологии. Независимо от това, наборът от техники за ЯМР изображения, използвани в клиничната рутина, представлява само част от диагностичния потенциал на ЯМР. Функционалната MR образна диагностика (fMRI) е нововъзникваща област с голям потенциал да издигне образната диагностика на следващото ниво. Без прилагане на контрастни вещества, мултипараметричният fMRI осигурява неинвазивни методи за измерване на органната перфузия, дифузия, оксигениране и за характеризиране на промените в тъканния състав. Оценката на бъбречната функция може да се превърне в основна област на приложение, тъй като сложното взаимодействие на кръвния поток, перфузията и оксигенацията в бъбречната физиология и патофизиологията на различни бъбречни заболявания все още е обект на множество изследвания. Освен това, скорошният напредък в областта на дълбокото обучение в медицинските изображения може значително да допринесе за справяне с последващата обработка на данни и за подпомагане на интегрирането на функционална информация в клиничната рутина за по-ефективна и осъществима диагностика.

Тази статия очертава най-широко използваните fMRI техники и прави преглед на текущото състояние на клиничните приложения, последните проучвания и новите разработки в постобработката на данни по отношение на нововъзникващите техники за дълбоко обучение.

II. Функционални MRI параметри

Вече можем да погледнем назад към десетилетия изследвания върху функционалното изобразяване с ЯМР. След внедряването на MRI скенери за медицинска диагностика, MRI надхвърли визуалното изображение [5]. Различни fMRI техники са разработени и до известна степен приложени в клиничната рутина. Много обещаващи техники обаче остават ограничени до изследвания, което се отнася и за функционалното изобразяване на бъбреците [6].

Една от основните пречки пред по-широкото приложение и клинична употреба на бъбречна fMRI е объркващото разнообразие от fMRI техники и вариации в подходите за придобиване, последваща обработка и анализ [7]. За да се обединят разработките и резултатите от отделни проучвания по света и да се стандартизират клиничните изследвания, беше сформирана мултинационална група, финансирана от COST (Европейско сътрудничество в науката и технологиите) на Европейския съюз, наречена „PARENCHIMA“ [8, 9]. Вдъхновена от препоръките на тази мрежа, тази статия се фокусира върху основните техники на fMRI, включително перфузия, дифузия и BOLD (зависимо от нивото на кислород в кръвта) изображения, добавени от допълнителни MRI техники, като картографиране на T1 / T2 и динамично усилен контраст (DCE ) MRI, което също може да допринесе за по-цялостно разбиране на патологичните промени в бъбречната структура и функция.

Измерване на перфузия с ASL

Очаква се бъбречната перфузия да бъде един от основните елементи на бъбречната функция и промените в бъбречната перфузия могат значително да повлияят на прогресията на острото бъбречно увреждане и хроничните бъбречни заболявания. Освен различните методи за измерване на бъбречния кръвоток, оценката на бъбречната перфузия е много по-сложна и трудна за неинвазивно извършване. Маркирането на артериално въртене (ASL) е техника за неинвазивно изобразяване и количествено определяне на перфузията без прилагане на контрастна среда, като се използват водните молекули на кръвта като ендогенни маркери. Следователно кръвта трябва да бъде подготвена и "маркирана" магнитно преди да влезе в равнината на изображения, което се извършва чрез прилагане на радиочестотни импулси за промяна на надлъжната магнетизация на водните протони. След генериране на две изображения, "контролно" изображение без маркирана кръв и "етикет" или "маркирано" изображение с маркирана кръв, относителната перфузия може да бъде изчислена чрез изваждане. Резултатът изобразява перфузионно претеглено изображение, където интензитетът на сигнала е пропорционален на перфузията. Използвайки кинетични модели, могат да бъдат изчислени количествени карти на перфузията и перфузията може да бъде измерена в mL/100 g/min [10].

Съществуват различни схеми за маркиране на кръвта, като най-широко използваните са чувствителни към потока алтернативно възстановяване с инверсия (FAIR) импулсен ASL и псевдо-непрекъснат ASL ​​[11]. През последните години стратегиите за по-бързо отчитане като 3-D градиент и последователности от спиново ехо (GRASE) допринесоха за по-бързо получаване на изображение и подобряване на присъщото ниско съотношение сигнал/шум (SNR) на ASL. Инструментите за корекция на движението и потискането на фоновите тъканни отделения могат допълнително да помогнат за оптимизиране на качеството на изображението [12].

Недостатък на бъбречната ASL е проблемът с валидирането поради липсата на златен стандарт за измерване на перфузията. ASL е валидиран срещу клирънс на пара-аминохипурат, ултразвукова флоуметрия, микросфери и сцинтиграфия [13]. Имаше и множество проучвания, тестващи възпроизводимостта на бъбречната ASL, макар и с различни технически реализации [13]. Клиничните приложения на ASL обхващат диагностика за реципиенти на бъбречна трансплантация, живи донори на бъбрек, остро бъбречно увреждане и хронични бъбречни заболявания, показващи връзка между намаляване на GFR с намален перфузионен сигнал [14]. ASL също е тестван под въздействието на различни лекарства, повлияващи бъбречната перфузия [15].

Оценяване на бъбречната микроструктура с DWI

В клиничната рутина единственият начин за оценка на промените в бъбречния интерстициум досега е бъбречната биопсия. Съществува обаче обещаваща неинвазивна алтернатива, която да направи микроструктурните промени видими и измерими с дифузионно претеглено изображение (DWI).

DWI е чувствителен към брауновото движение на водните молекули, което позволява да се направят заключения относно бъбречната микроструктура и степента на бъбречна фиброза. Прилагат се силни допълнителни биполярни градиенти с различна сила и продължителност на градиента, съставляващи различно тегло на дифузия, което е обобщено в b-стойности. Като количествен параметър за дифузия, привидният коефициент на дифузия (ADC) се изчислява от DW изображения, за да покаже степента на изместване на водата [16]. Освен дифузията на водните молекули, при по-ниски b-стойности може да се наблюдава ефект, наречен псевдодифузия, който е резултат от движението на водата в предварително формирани структури, т.е. перфузия. С подхода на интра-вокселното некохерентно движение (IVIM), псевдо дифузията и „реалната“ дифузия могат да бъдат разграничени чрез използване на биекспоненциален модел [17]. За да се изследва пространствената зависимост на дифузията и да се определи количествено степента на добре известната пространствена анизотропия на бъбречната медула, могат да бъдат получени по-голям брой неколинеарни посоки на дифузия от трите посоки, обикновено използвани за изчисляване на ADC. Тази техника, наречена дифузионно тензорно изображение (DTI), обаче е придружена от голям разход на време [17]. По-голямата част от проучванията, прилагащи бъбречен DWI, просто използват ADC, въпреки предимството на допълнителната информация от IVIM и DTI [18].

Подобно на бъбречния ASL, проучванията за валидиране с бъбречен DWI също нямат стандартизиран протокол за придобиване и анализ. За биологично валидиране отново не е наличен златен стандарт. Бъбречният DWI е технически валидиран в множество проучвания за възпроизводимост и е приложен в различни клинични проучвания, включително остра дисфункция на присадката, остър пиелонефрит, поликистоза и хронично бъбречно заболяване [19].

СМЕЛ

MRI за отразяване на оксигенацията на бъбречната тъкан ЯМР, зависим от нивото на оксигенация на кръвта (BOLD) е първият метод за неинвазивна оценка на състоянието на оксигенация на кръвта и за оценка на оксигенацията на тъканите. Това става възможно благодарение на промяната на магнитните свойства на хемоглобина (HB) с насищане с кислород, което води до намаляване или увеличаване на времевата константа на затихване на сигнала на свободната индукция T2*, което води до измерим контраст в изображенията BOLD [20]. Предполага се, че намаляването на оксигенацията на тъканите играе основна роля в развитието на хронично бъбречно заболяване и остро бъбречно увреждане. Информацията за съотношението на окси- и дезокси-HB в зависимост от перфузията може да помогне за придобиване на по-изчерпателна представа за патофизиологичните процеси и за определяне на причините и последствията от бъбречната хипоксия [21].

Тъй като не е наличен златен стандарт за неинвазивно измерване на тъканната оксигенация, BOLD MRI е валидиран само срещу техники за микропунктура при животни [22]. Различни проучвания демонстрират възпроизводимостта на тази техника при хора, както и нейния потенциал за откриване на промени в оксигенацията на човешката бъбречна тъкан при пациенти с хронични бъбречни заболявания, стеноза на бъбречната артерия и трансплантирани бъбреци. Освен това е доказано, че BOLD-MRI е полезен инструмент за оценка на лекарствените ефекти върху бъбречната функция и за оценка на неговата потенциална нефротоксичност. [20]

Подобно на ASL и DWI, на BOLD MRI липсва стандартизация при получаване и анализ на изображения. Най-често се извършва с множество градиентни ехо (GRE) последователности при 3 T като предпочитана сила на полето. Препоръчва се да се стандартизира физиологичният статус на пациента по отношение на хидратацията и приема на сол, тъй като е доказано, че тези екзогенни фактори значително влияят върху оксигенацията на тъканите [9]. В изследователски условия регионите на интерес (ROI) са широко използвана техника за анализ на изображения, докато за клинични условия трябва да се извърши анализ на целия бъбрек, обхващащ кората и медулата. Получаването на информация може да се увеличи с помощта на BOLD в комбинация с други fMRI техники като ASL и DWI [23].

Тъканна характеристика с Т1 и Т2 картографиране

Промените в тъканите, причинени от възпаление, оток, фиброза или некроза, водят до промени във времената на релаксация, които могат да бъдат изобразени и количествено определени чрез Т1 или Т2 картиране [24]. За T1 картографиране установеният метод е техниката за възстановяване на инверсия (IR). IR подготовката се повтаря няколко пъти, като същевременно се увеличава времето за инверсия, за да се получат множество точки от данни с помощта на модул за еднократно изобразяване (напр. ехо планарно изображение (EPI), стационарна свободна прецесия (SSFP)) с дълго време за повторение (TR). Наскоро публикувани техники като променливия ъгъл на завъртане (VFA) или модифицирано изображение Look-Locker (MOLLI) са възможни алтернативи. [25]. Поради разликите в съдържанието на свободна вода между медулата и кората, Т1 картирането позволява изразена кортикомедуларна диференциация (CMD) [26]. При бъбречни трансплантации, обаче, времената на кортикална и медуларна Т1 релаксация изглеждат по-високи, отколкото при здрави индивиди [24]. Различни проучвания също описват корелация между времената на релаксация Т1 и степента на бъбречно увреждане и GFR при пациенти с бъбречна недостатъчност [26, 27].

Картографирането на Т2 обикновено се извършва с мулти-ехо (бързи) спинови ехо последователности и позволява пълно покритие на бъбреците за кратък период от време. Качеството на изображението може да бъде повлияно от артефакти на чувствителност, дължащи се на кръвния поток, тъканна дифузия, нехомогенности на магнитното поле и несъвършени импулсни профили за избор на срез [25]. За смекчаване на тези проблеми могат да се използват специални импулси за подготовка на Т2 (напр. CPMG) в комбинация с бързо еднократно отчитане (подобно на прилагането на импулс на инверсия при картографиране на Т1) [28]. В сърдечната визуализация Т2 картографирането е утвърдена техника за откриване на оток след миокарден инфаркт или възпаление [29]. Освен няколко проучвания върху животни, изследващи чувствителността на Т2 към исхемично-реперфузионно увреждане [24], Т2 картографирането може да има потенциала да открие ранни стадии на автозомно доминантно поликистозно бъбречно заболяване (ADPKD) в бъдеще [30]. Все още липсват по-големи проучвания, оценяващи стойността на Т2 картографирането на бъбреците при хора.

ЯМР с динамичен контраст

ЯМР с динамично контрастно усилване (DCE) предполага прилагане на контрастни вещества, съдържащи гадолиний. Те навлизат в капилярната система на бъбреците и претърпяват гломерулна филтрация и тубулна екскреция, преди да бъдат елиминирани в урината. Чрез анализиране на усилването на контраста в интересуващата ни тъкан, DCE предлага възможността да се опише скоростта на гломерулна филтрация (GFR) чрез измерване на тубулния поток и времето на тубулния транзит, както и съдови параметри като пропускливост, бъбречен кръвен поток и кръвен обем [31]. ]. DCE MRI е валидиран в няколко проучвания срещу различни методи и при пациенти с остро бъбречно увреждане, бъбречни тумори и бъбречни трансплантации [32–34], където е установено, че е ценен за оценка на бъбречната перфузия и филтрация. Основният недостатък на DCE е прилагането на контрастна среда, съдържаща гадолиний, което води до повишен риск от развитие на NSF [35] и задържане на гадолиний в мозъка [36], особено при пациенти с увредена бъбречна функция.

Многопараметрични fMRI протоколи и приложения Освен ASL, DWI, BOLD MRI, T1 и T2 картографиране и DCE MRI, има допълнителни техники, предоставящи ценна информация за патологичните процеси в бъбреците. Според документ за позиция от COST Action PARENCHIMA, други широко достъпни ЯМР биомаркери са бъбречна волуметрия, ЯМР с фазов контраст и пренос на намагнитване (МТ) [37]. Най-новите проучвания, прилагащи мултипараметрични fMRI техники, включват комбинация от ASL, DWI, BOLD и T1 и T2 картографиране. Понякога се добавят обемен анализ и ЯМР с фазов контраст [38]. Някои включват DCE или количествено определяне на мазнини с Dixon MRI [39]. Очевидно изборът на ЯМР биомаркери зависи от клиничния въпрос. Мултипараметричният fMRI предлага възможност за избор от редица биомаркери за ЯМР, които се отнасят до хипотезата на изследването и бъбречната патология. Особено изследването на трансплантирани бъбреци с многопараметрични fMRI протоколи е от голям интерес, тъй като липсват чувствителни техники за мониторинг за оценка на бъбречната функция и ранно откриване на бъбречна недостатъчност. Комбинацията от функционални параметри, оценяващи промените в перфузията, дифузията, оксигенацията, обема на бъбреците и тъканната структура е обещаващ подход за по-задълбочено вникване в биологичния процес на остро отхвърляне на бъбречни трансплантанти и прогнозиране на дългосрочни усложнения [40]. Многопараметричен fMRI наскоро се прилага за изследване на пациенти с хронични бъбречни заболявания [41, 42], остро бъбречно увреждане [38], IgA нефропатия [43], поликистоза на бъбреците [44] и интерстициална бъбречна фиброза [45]. ▶ Фигура 1 показва примери за многопараметричен fMRI протокол за изследване на бъбреците, включващ Т1 картографиране, BOLD, DWI и ASL.

Поддържаща услуга на Wecistanche-най-големият износител на cistanche в Китай:

Имейл:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/телефон:+86 15292862950

Пазарувайте за повече подробности за спецификациите:

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

ВЗЕМЕТЕ НАТУРАЛЕН ОРГАНИЧЕН ЕКСТРАКТ ОТ ЦИСТАНША С 25% ЕХИНАКОЗИД И 9% АКТЕОЗИД ПРИ БЪБРЕЧНИ ИНФЕКЦИИ