RMN funcțional multiparametric al rinichiului: starea actuală și tendințele viitoare cu abordări de învățare profundă

Cuvinte cheie abdomen, MR-difuzie/perfuzie,Imagistica RM-funcțională, studii fiziologice,rinichi, imagistica renala

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 net Informationen eröff. Dieser multiparametrische Ansatz erlaubt die Messung verschiedener Parameter wie der Perfusion, Diffusion, Oxyge nierung und Charakterisierung von Gewebeparametern in ei nem Untersuchungsvorgang, wodurch umfassender Ein blicke in die patophysiologierkutrungsunkungsunkungsund. scher 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 Acquisition 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 Analyse mittels Deep Learning auf.

CLICK AICI PENTRU A OBȚI CISTANCHE PENTRU FUNCȚIA RINCHILOR

Methode Für diesen Artikel wurde eine selective Literature 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 eblaufing. 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.

Kernausagen:

▪ 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.

ABSTRACT

Context Până astăzi, evaluarea funcției renale a rămas o provocare pentru medicina modernă. În multe cazuri, bolile renale însoțite de scăderea funcției renale rămân nedetectate și nerezolvate, deoarece nici testele de laborator, nici diagnosticele imagistice nu oferă informații adecvate despre starea rinichilor. În ultimii ani, evoluțiile în domeniul imagisticii prin rezonanță magnetică funcțională cu aplicare la organele abdominale au deschis noi posibilități combinând imagistica anatomică cu informații funcționale multiparametrice. Abordarea multiparametrică permite măsurarea perfuziei, difuziei, oxigenării și caracterizării țesuturilor într-o singură examinare, oferind astfel o perspectivă mai cuprinzătoare asupra proceselor fiziopatologice ale bolilor, precum și asupra efectelor intervențiilor terapeutice. Cu toate acestea, aplicarea fMRI multiparametrică în rinichi este încă limitată în principal la domeniile de cercetare, iar transferul la rutina clinică este încă remarcabil. Una dintre provocările majore este lipsa unui protocol standardizat pentru achiziție și postprocesare, inclusiv strategii eficiente pentru analiza datelor. Acest articol oferă o privire de ansamblu asupra celor mai comune tehnici fMRI cu aplicare la rinichi și noi abordări privind analiza datelor cu învățare profundă.

Metode

Acest articol implică o revizuire selectivă a literaturii folosind baza de date de literatură PubMed în mai 2021, completată de propriile noastre experiențe în acest domeniu. Rezultate și concluzie RMN-ul multiparametric funcțional este o tehnică promițătoare pentru evaluarea funcției renale într-o abordare mai cuprinzătoare, prin combinarea mai multor parametri, cum ar fi perfuzia, difuzia și imagistica BOLD. Noile abordări cu aplicarea tehnicilor de învățare profundă ar putea contribui în mod substanțial la depășirea provocării de a gestiona cantitatea de date și de a dezvolta protocoale mai eficiente de postprocesare și analiză a datelor. Astfel, se poate spera că protocoalele multiparametrice fMRI pot fi suficient de optimizate pentru a fi utilizate pentru examinarea renală de rutină și pentru a ajuta clinicienii în diagnosticarea, monitorizarea și tratamentul bolilor renale în viitor.

Puncte cheie:

▪ fMRI multiparametric este o tehnică efectuată fără utilizarea radiațiilor, a mijloacelor de contrast și a metodelor invazive.

▪ fMRI multiparametric oferă o perspectivă mai cuprinzătoare asupra proceselor fiziopatologice ale bolilor renale prin combinarea parametrilor funcționali și structurali.

▪ Pentru o acceptare mai largă a biomarkerilor fMRI, este nevoie de standardizarea protocoalelor de achiziție, postprocesare și analiză, precum și mai multe studii prospective.

▪ Tehnicile de învățare profundă ar putea contribui semnificativ la optimizarea achiziției de date și la postprocesarea și interpretarea unor cantități mai mari de date.

Format de citare ▪ Zhang C, Schwartz M, Küstner T et al. RMN funcțional multiparametric al rinichiului: starea actuală și tendințele viitoare cu abordări de învățare profundă. Fortschr Röntgenstr 2022; DOI 10.1055/a-1775-8633

I. Introducere

Peste tot în lume oamenii suferăboli renale cronicecu un număr mare de incidente neraportate [1]. Evaluarea funcției renale a rămas o provocare uriașă pentru medicina modernă, iar nefrologii se confruntă în mod repetat cu patologii și patofiziologii renale complexe pe care metodele de diagnostic utilizate în rutina clinică, cum ar fi testele de laborator, ultrasunetele și scintigrafia renală, uneori nu au suficiente. sensibilitate sau specificitate de rezolvat [2–4]. Cum putem îmbunătăți metodele de diagnostic folosind evoluțiile recente în tehnicile imagistice și analiza datelor pentru a ajuta clinicienii în detectarea, monitorizarea și tratamentul precoce al bolilor de rinichi?

În ultimele decenii, imagistica abdominală cu RMN a devenit o metodă bine stabilită pentru detectarea diferitelor patologii. Cu toate acestea, gama de tehnici imagistice RM utilizate în rutina clinică reprezintă doar o parte din potențialul de diagnostic al RMN. Imagistica RM funcțională (fMRI) este un domeniu în curs de dezvoltare cu un mare potențial de a duce imagistica de diagnostic la următorul nivel. Fără aplicarea agenților de contrast, fMRI multiparametric oferă metode non-invazive pentru măsurarea perfuziei organelor, difuziei, oxigenării și pentru a caracteriza modificările compoziției țesuturilor. Evaluarea funcției renale ar putea deveni un domeniu major de aplicare, deoarece interacțiunea complexă a fluxului sanguin, perfuziei și oxigenării în fiziologia renală și fiziopatologia diferitelor boli renale este încă subiectul a numeroase studii. În plus, progresele recente în domeniul învățării profunde în imagistica medicală ar putea contribui în mod substanțial la gestionarea postprocesării datelor și la integrarea informațiilor funcționale în rutina clinică pentru un diagnostic mai eficient și mai fezabil.

Acest articol prezintă cele mai utilizate tehnici fMRI și oferă o privire de ansamblu asupra stării actuale a aplicațiilor clinice, a studiilor recente și a noilor dezvoltări în postprocesarea datelor cu privire la tehnicile emergente de învățare profundă.

II. Parametrii RMN funcționali

Putem deja să privim înapoi la zeci de ani de cercetare privind imagistica funcțională cu RMN. De la implementarea scanerelor RMN pentru diagnosticare medicală, RMN a mers cu mult dincolo de imagistica vizuală [5]. O varietate de tehnici fMRI au fost dezvoltate și într-o oarecare măsură aplicate în rutina clinică. Multe tehnici promițătoare, totuși, au rămas limitate la cercetare, care se aplică și imagistică funcțională a rinichilor [6].

Una dintre barierele majore în calea aplicării mai largi și a utilizării clinice a fMRI renale este diversitatea confuză a tehnicilor fMRI și variațiile în abordările de achiziție, post-procesare și analiză [7]. Pentru a fuziona evoluțiile și rezultatele studiilor individuale din întreaga lume și pentru a standardiza cercetarea clinică, a fost format un grup multinațional finanțat de Acțiunea COST (Cooperare Europeană în Știință și Tehnologie) al Uniunii Europene numit „PARENCHIMA” [8, 9]. Inspirat de recomandările acestei rețele, acest articol se concentrează pe principalele tehnici de fMRI, inclusiv imagistica de perfuzie, difuzie și BOLD (dependentă de nivelul de oxigen din sânge) adăugate de alte tehnici RMN, cum ar fi maparea T1 / T2 și contrastul dinamic (DCE). ) RMN, care ar putea contribui, de asemenea, la o înțelegere mai cuprinzătoare a modificărilor patologice ale structurii și funcției renale.

Măsurarea perfuziei cu ASL

Perfuzia renală este de așteptat să fie unul dintre elementele principale ale funcției renale, iar modificările perfuziei renale ar putea avea un impact semnificativ asupra progresiei leziunii renale acute și bolilor cronice ale rinichilor. Pe lângă diferitele metode de măsurare a fluxului sanguin renal, evaluarea perfuziei renale este mult mai complicată și dificil de efectuat neinvaziv. Etichetarea cu spin arterial (ASL) este o tehnică pentru imagistica neinvazivă și cuantificarea perfuziei fără administrarea de substanțe de contrast folosind moleculele de apă din sânge ca trasori endogeni. Prin urmare, sângele trebuie pregătit și „etichetat” magnetic înainte de a intra în planul de imagistică, care se realizează prin implementarea impulsurilor de radiofrecvență pentru a modifica magnetizarea longitudinală a protonilor de apă. După generarea a două imagini, o imagine „de control” fără sânge etichetat și o imagine „etichetă” sau „etichetă” cu sânge etichetat, perfuzia relativă poate fi calculată prin scădere. Rezultatul descrie o imagine ponderată în perfuzie, în care intensitatea semnalului este proporțională cu perfuzia. Folosind modele cinetice, pot fi calculate hărți cantitative de perfuzie și perfuzia poate fi măsurată în ml/100 g/min [10].

Există diferite scheme de etichetare a sângelui cu ASL pulsat și ASL pseudo-continuu cu recuperare inversă alternativă sensibilă la flux (FAIR) fiind cele mai utilizate [11]. În ultimii ani, strategiile de citire mai rapide, cum ar fi secvențele 3-D gradient și spin ecou (GRASE) au contribuit la o achiziție mai rapidă a imaginii și la îmbunătățirea raportului semnal-zgomot (SNR) intrinsec scăzut al ASL. Instrumentele de corectare a mișcării și suprimarea compartimentelor de țesut de fundal pot ajuta în plus la optimizarea calității imaginii [12].

Un neajuns al ASL renal este problema validării din cauza lipsei unei tehnici standard de aur pentru măsurarea perfuziei. ASL a fost validat împotriva clearance-ului para-aminohipuratului, fluxmetriei cu ultrasunete, microsferelor și scintigrafiei [13]. Au existat, de asemenea, numeroase studii care au testat reproductibilitatea ASL renală, deși cu implementări tehnice diferite [13]. Aplicațiile clinice ale ASL cuprind diagnosticul pentru primitorii de transplant renal, donatorii de rinichi vii, leziuni renale acute și boli renale cronice, care arată o corelație între scăderea RFG cu un semnal de perfuzie redus [14]. ASL a fost, de asemenea, testat sub influența diferitelor medicamente care afectează perfuzia renală [15].

Evaluarea microstructurii renale cu DWI

În rutina clinică, singura modalitate de a evalua modificările interstițiului renal până în prezent este biopsia renală. Cu toate acestea, există o alternativă neinvazivă promițătoare pentru a face modificările microstructurale vizibile și măsurabile cu imagistica ponderată prin difuzie (DWI).

DWI este sensibilizat la mișcarea browniană a moleculelor de apă, făcând posibilă tragerea de concluzii privind microstructura renală și gradul de fibroză renală. Se aplică gradienți bipolari suplimentari puternici, cu intensități și durate diferite ale gradientului, constituind o ponderare de difuzie diferită, care este rezumată în valori b. Ca parametru cantitativ pentru difuzie, coeficientul de difuzie aparent (ADC) este calculat din imaginile DW pentru a indica gradul de deplasare a apei [16]. Pe lângă difuzia moleculelor de apă, un efect numit pseudodifuzie poate fi observat la valori b mai mici, care rezultă din mișcarea apei în structurile preformate, adică perfuzia. Cu abordarea mișcării incoerente intra-voxel (IVIM), pseudodifuzia și difuzia „reala” pot fi distinse prin utilizarea unui model bi-exponențial [17]. Pentru a investiga dependența spațială a difuziei și a cuantifica gradul de anizotropie spațială binecunoscută a medulului renal, se poate obține un număr mai mare de direcții de difuzie necoliniare decât cele trei direcții utilizate de obicei pentru calcularea ADC. Această tehnică numită imagistica tensorului de difuzie (DTI) este totuși însoțită de o cheltuială mare de timp [17]. Majoritatea studiilor care aplică DWI renal folosesc pur și simplu ADC, în ciuda avantajului informațiilor suplimentare din IVIM și DTI [18].

Similar cu ASL renală, studiile de validare cu DWI renală nu au, de asemenea, un protocol standardizat de achiziție și analiză. Pentru validarea biologică, din nou nu este disponibil nici un standard de aur. DWI renal a fost validat tehnic în numeroase studii de reproductibilitate și aplicat în diferite studii clinice, inclusiv disfuncția acută a grefei, pielonefrita acută, boala polichistică și boala cronică de rinichi [19].

ÎNDRĂZNEŢ

RMN pentru a reflecta oxigenarea țesutului renal. RMN-ul dependent de nivelul de oxigenare din sânge (BOLD) este prima metodă de a estima neinvaziv starea de oxigenare a sângelui și de a evalua oxigenarea țesuturilor. Acest lucru este posibil prin modificarea proprietăților magnetice ale hemoglobinei (HB) cu saturația de oxigen, ceea ce duce la o scădere sau creștere a constantei de timp de dezintegrare a semnalului de inducție liberă T2*, rezultând un contrast măsurabil în imagistica BOLD [20]. Se presupune că o scădere a oxigenării țesuturilor joacă un rol major în progresul bolii renale cronice și a leziunii renale acute. Informațiile despre raportul dintre oxi- și desoxi-HB în corelație cu perfuzia ar putea ajuta la obținerea unei cunoștințe mai cuprinzătoare asupra proceselor patofiziologice și la determinarea între cauzele și consecințele hipoxiei renale [21].

Deoarece nu este disponibil un standard de aur pentru măsurarea neinvazivă a oxigenării țesuturilor, RMN-ul BOLD a fost validat doar împotriva tehnicilor de micropunctură la animale [22]. Diverse studii au demonstrat reproductibilitatea acestei tehnici la om, precum și potențialul ei de a detecta modificări în oxigenarea țesutului renal uman la pacienții cu boli renale cronice, stenoză de arteră renală și rinichi transplantați. Mai mult, BOLD-IRM s-a dovedit a fi un instrument util pentru evaluarea efectelor medicamentului asupra funcției renale și pentru estimarea potențialului său nefrotoxicitate. [20]

Similar cu ASL și DWI, BOLD RMN nu are standardizare în achiziția și analiza imaginilor. Se efectuează cel mai frecvent cu secvențe de eco gradient multiplu (GRE) la 3 T ca intensitate de câmp preferată. Se recomandă standardizarea stării fiziologice a pacientului în ceea ce privește hidratarea și aportul de sare deoarece s-a demonstrat că acești factori exogeni influențează semnificativ oxigenarea țesuturilor [9]. În mediile de cercetare, regiunile de interes (ROI) au fost o tehnică utilizată pe scară largă pentru analiza imaginilor, în timp ce pentru setările clinice ar trebui efectuată o analiză completă a rinichilor care să cuprindă cortexul și medularul. Câștigul de informații ar putea fi crescut folosind BOLD în combinație cu alte tehnici fMRI, cum ar fi ASL și DWI [23].

Caracterizarea țesuturilor cu T1 și T2 Mapping

Modificările tisulare cauzate de inflamație, edem, fibroză sau necroză duc la modificări ale timpilor de relaxare care pot fi reprezentate și cuantificate prin cartografierea T1 sau T2 [24]. Pentru maparea T1, metoda stabilită este tehnica de recuperare prin inversare (IR). Pregătirea IR se repetă de mai multe ori în timp ce crește timpul de inversare pentru a dobândi mai multe puncte de date folosind un modul de imagistică cu o singură fotografie (de exemplu, imagistica planară cu ecou (EPI), precesie liberă în stare de echilibru (SSFP)) cu timp de repetiție lung (TR). Tehnicile publicate recent, cum ar fi unghiul de întoarcere variabil (VFA) sau imagistica Look-Locker modificată (MOLLI) sunt alternative posibile. [25]. Datorită diferențelor în conținutul de apă liberă dintre medular și cortex, maparea T1 permite diferențierea corticomedullary (CMD) pronunțată [26]. În cazul transplanturilor renale, totuși, timpii de relaxare cortical și medular T1 par să fie mai mari decât la subiecții sănătoși [24]. Diverse studii au prezentat, de asemenea, o corelație între timpii de relaxare T1 și gradul de insuficiență renală și RFG la pacienții cu insuficiență renală [26, 27].

Maparea T2 este de obicei efectuată cu secvențe multi-ecou (rapid) de spin și permite acoperirea completă a rinichilor într-o perioadă scurtă de timp. Calitatea imaginii poate fi influențată de artefactele de susceptibilitate datorate fluxului sanguin, difuzivității tisulare, neomogenităților câmpului magnetic și profilurilor imperfecte ale pulsului de selecție a secțiunilor [25]. Pentru a atenua aceste probleme, pulsurile speciale de pregătire T2 (de exemplu, CPMG) pot fi utilizate în combinație cu o citire rapidă cu un singur impuls (similar cu aplicarea unui impuls de inversare în maparea T1) [28]. În imagistica cardiacă, cartografierea T2 este o tehnică stabilită pentru detectarea edemului după infarct miocardic sau inflamație [29]. Pe lângă mai multe studii pe animale care examinează sensibilitatea T2 la leziuni de ischemie-reperfuzie [24], cartografierea T2 ar putea avea potențialul de a detecta stadiile incipiente ale bolii polichistice renale autosomal dominante (ADPKD) în viitor [30]. Studiile mai ample care evaluează valoarea cartografierii T2 a rinichilor la oameni încă lipsesc.

RMN dinamic cu contrast

RMN-ul dinamic cu contrast (DCE) implică administrarea de substanțe de contrast care conțin gadoliniu. Aceștia intră în sistemul capilar al rinichilor și suferă filtrare glomerulară și excreție tubulară înainte de a fi eliminate prin urină. Prin analizarea creșterii contrastului în țesutul de interes, DCE oferă posibilitatea de a descrie rata de filtrare glomerulară (GFR) prin măsurarea fluxului tubular și a timpului de tranzit tubular, precum și a parametrilor vasculari precum permeabilitatea, fluxul sanguin renal și volumul sanguin [31]. ]. RMN-ul DCE a fost validat în mai multe studii împotriva diferitelor metode și la pacienții cu leziuni renale acute, tumori renale și transplanturi de rinichi [32–34], unde s-a găsit valoros pentru evaluarea perfuziei și filtrării renale. Principalul dezavantaj al DCE este aplicarea unui mediu de contrast care conține gadoliniu, care implică un risc crescut de dezvoltare a FSN [35] și retenție de gadoliniu în creier [36], în special la pacienții cu insuficiență renală.

Protocoale și aplicații fMRI multiparametrice În afară de ASL, DWI, BOLD MRI, cartografierea T1 și T2 și DCE RMN, există tehnici suplimentare care oferă informații valoroase despre procesele patologice din rinichi. Conform unui document de poziție al COST Action PARENCHIMA, alți biomarkeri RMN disponibili în mod obișnuit sunt volumetria renală, RMN cu contrast de fază și transferul de magnetizare (MT) [37]. Cele mai recente studii care implementează tehnici fMRI multiparametrice cuprind o combinație de cartografiere ASL, DWI, BOLD și T1 și T2. Uneori se adaugă analize volumetrice și RMN cu contrast de fază [38]. Câteva includ DCE sau cuantificarea grăsimilor cu RMN Dixon [39]. Evident, alegerea biomarkerilor RMN depinde de întrebarea clinică. fMRI multiparametric oferă posibilitatea de a selecta dintr-o gamă de biomarkeri RMN care abordează ipoteza studiului și patologia renală. În special examinarea rinichilor transplantați cu protocoale fMRI multiparametrice este de mare interes deoarece există o lipsă de tehnici de monitorizare sensibile pentru evaluarea funcției renale și depistarea precoce a insuficienței renale. Combinația de parametri funcționali care evaluează modificările în perfuzie, difuzie, oxigenare, volumul rinichilor și structura țesutului este o abordare promițătoare pentru a obține o perspectivă mai profundă asupra procesului biologic de respingere acute a transplanturilor de rinichi și de predicție a complicațiilor pe termen lung [40]. IRMf multiparametric a fost aplicat recent pentru a examina pacienții cu boli renale cronice [41, 42], leziuni renale acute [38], nefropatie IgA [43], boală polichistică de rinichi [44] și fibroză renală interstițială [45]. ▶ Fig. 1 prezintă exemple de protocol fMRI multiparametric pentru examinarea rinichilor care cuprinde cartografierea T1, BOLD, DWI și ASL.

Serviciul de asistență al Wecistanche-Cel mai mare exportator de cistanche din China:

E-mail:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tel:+86 15292862950

Cumpărați pentru mai multe detalii despre specificații:

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

OBȚINEȚI EXTRACT DE CISTANCHE ORGANIC NATURAL CU 25% ECHINACOSIDE ȘI 9% ACTEOSIDE PENTRU INFECȚIA RINCHILOR