Multiparametrisk funktionel MR af nyren: Nuværende tilstand og fremtidige tendenser med dybe læringstilgange

Nøgleord abdomen, MR-diffusion/perfusion,MR-funktionel billeddannelse, fysiologiske undersøgelser,nyre, nyrebilleddannelse

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. Disse multiparametriske ansættelser erlaubt die Messung verschiedener Parameter som perfusion, diffusion, iltnering og karakterisierung af Gewebeparametern i en nem Untersuchungsvorgang, hvor der er en oversigt over de patofysiologiske processer, der er forskellige fra Nierenerkrankungen og die Wirkats werden zeisch therapeut. 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. Denne anmeldelse 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.

KLIK HER FOR AT FÅ CISTANCHE TIL NYREFUNKTION

Methode Für diesen Artikel bliver en selektiv Litteratur cherche unter Verwendung der Literaturdatenbank PubMed im Mai 2021 durchgeführt and durch eigene experienceen auf diesem Gebiet ergänzt. Ergebnisse Die multiparametriske funktionelle MRT er en vielversprechende Technik zur Erfassung der Nierenfunktion in enem umfassenderen Ansatz durch kombinierte Untersu chung verschiedener Funktionsparameter wie der Perfusion, Diffusion and Oxygenierung in einem Untersuchungsablauf. Neue Entwicklungen auf dem Gebiet des Deep Learning könnte ten wesentlich bei der Bewältigung der Datenmengen und der Entwicklung effizienterer Methoden zur Datenverarbei tung und Analyze beitragen. Disse Fortschritte lassen hoffen, at multiparametrische fMRT-Protokolle skaldet ausreichend optimeret sind, um über die Forschung hinaus auch im klini schen Alltag in der Diagnostik, dem Monitoring and der Be handlung von Nierenerkrankungen eingesetzt zu werden.

Kernaussagen:

▪ Den multiparametriske fMRT er strahlenfreie, ikke invasiv og kontrastmittelfreie Techniken. ▪ Durch die kombinierte Aufnahme verschiedener funk tioneller and struktureller Gewebeparameter können tiefere Einblicke in pathophysiological Processe von Nieren erkrankungen gewonnen were.

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

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

ABSTRAKT

Baggrund Indtil i dag har vurdering af nyrefunktionen været en udfordring for moderne medicin. I mange tilfælde forbliver nyresygdomme ledsaget af nedsat nyrefunktion uopdagede og uløste, da hverken laboratorieundersøgelser eller billeddiagnostik giver tilstrækkelig information om nyrestatus. I de senere år har udviklingen inden for funktionel magnetisk resonansbilleddannelse med anvendelse på abdominale organer åbnet nye muligheder for at kombinere anatomisk billeddannelse med multiparametrisk funktionel information. Den multiparametriske tilgang muliggør måling af perfusion, diffusion, iltning og vævskarakterisering i én undersøgelse og giver dermed mere omfattende indsigt i de patofysiologiske processer af sygdomme samt virkningerne af terapeutiske indgreb. Anvendelsen af ​​multiparametrisk fMRI i nyrerne er dog stadig primært begrænset til forskningsområder, og overførsel til den kliniske rutine er stadig udestående. En af de store udfordringer er manglen på en standardiseret protokol til erhvervelse og efterbehandling, herunder effektive strategier til dataanalyse. Denne artikel giver et overblik over de mest almindelige fMRI-teknikker med anvendelse på nyrerne og nye tilgange til dataanalyse med deep learning.

Metoder

Denne artikel indebærer en selektiv litteraturgennemgang ved brug af litteraturdatabasen PubMed i maj 2021 suppleret med vores egne erfaringer på området. Resultater og konklusion Funktionel multiparametrisk MR er en lovende teknik til vurdering af nyrefunktionen i en mere omfattende tilgang ved at kombinere flere parametre såsom perfusion, diffusion og BOLD-billeddannelse. Nye tilgange med anvendelse af deep learning-teknikker kunne bidrage væsentligt til at overvinde udfordringen med at håndtere mængden af ​​data og udvikle mere effektive dataefterbehandlings- og analyseprotokoller. Det kan således håbes, at multiparametriske fMRI-protokoller kan optimeres tilstrækkeligt til at blive brugt til rutinemæssig nyreundersøgelse og til at hjælpe klinikere med diagnostik, monitorering og behandling af nyresygdomme i fremtiden.

Centrale punkter:

▪ Multiparametrisk fMRI er en teknik, der udføres uden brug af stråling, kontrastmidler og invasive metoder.

▪ Multiparametrisk fMRI giver mere omfattende indsigt i de patofysiologiske processer ved nyresygdomme ved at kombinere funktionelle og strukturelle parametre.

▪ For en bredere accept af fMRI-biomarkører er der behov for standardisering af optagelses-, efterbehandlings- og analyseprotokoller samt mere prospektive undersøgelser.

▪ Dybdelæringsteknikker kunne bidrage væsentligt til optimering af dataindsamling og efterbehandling og fortolkning af større mængder data.

Citationsformat ▪ Zhang C, Schwartz M, Küstner T et al. Multiparametrisk funktionel MRI af nyren: Nuværende tilstand og fremtidige tendenser med dybe læringstilgange. Fortschr Röntgenstr 2022; DOI 10.1055/a-1775-8633

I. Introduktion

Overalt i verden lider mennesker afkroniske nyresygdommemed et højt antal urapporterede hændelser [1]. Evalueringen af ​​nyrefunktionen er forblevet en stor udfordring for moderne medicin, og nefrologer står gentagne gange over for komplekse nyrepatologier og patofysiologier, som de diagnostiske metoder, der anvendes i den kliniske rutine, såsom laboratorieundersøgelser, ultralyd og nyrescintigrafi, nogle gange ikke har tilstrækkelig sensitivitet eller specificitet til at løse [2-4]. Hvordan kan vi forbedre diagnostiske metoder ved hjælp af den seneste udvikling inden for billeddannelsesteknikker og dataanalyse for at hjælpe klinikere med tidlig påvisning, overvågning og behandling af nyresygdomme?

I de seneste årtier er abdominal billeddannelse med MR blevet en veletableret metode til at opdage forskellige patologier. Ikke desto mindre repræsenterer rækken af ​​MR-billeddannelsesteknikker, der anvendes i den kliniske rutine, kun en del af det diagnostiske potentiale ved MR. Funktionel MR-billeddannelse (fMRI) er et spirende felt med stort potentiale til at tage billeddiagnostik til næste niveau. Uden påføring af kontrastmidler giver multiparametrisk fMRI ikke-invasive metoder til at måle organperfusion, diffusion, iltdannelse og til at karakterisere ændringer i vævssammensætning. Vurderingen af ​​nyrefunktionen kan blive et stort anvendelsesområde, eftersom den komplekse vekselvirkning mellem blodgennemstrømning, perfusion og iltning i nyrefysiologien og patofysiologien af ​​forskellige nyresygdomme stadig er genstand for adskillige undersøgelser. Derudover kan de seneste fremskridt inden for deep learning inden for medicinsk billeddannelse i væsentlig grad bidrage til at håndtere dataefterbehandling og til at hjælpe med at integrere funktionel information i den kliniske rutine for mere effektiv og gennemførlig diagnostik.

Denne artikel skitserer de mest udbredte fMRI-teknikker og giver et overblik over den aktuelle tilstand af kliniske applikationer, nyere undersøgelser og nye udviklinger inden for dataefterbehandling med hensyn til nye deep learning-teknikker.

II. Funktionelle MR-parametre

Vi kan allerede nu se tilbage på årtiers forskning i funktionel billeddannelse med MR. Siden implementeringen af ​​MR-scannere til medicinsk diagnostik er MR gået langt ud over visuel billeddannelse [5]. En række fMRI-teknikker er blevet udviklet og til en vis grad anvendt i den kliniske rutine. Mange lovende teknikker er dog forblevet begrænset til forskning, hvilket også gælder for funktionel billeddannelse af nyrerne [6].

En af de største barrierer for den bredere anvendelse og kliniske anvendelse af renal fMRI er den forvirrende mangfoldighed af fMRI-teknikker og variationer i erhvervelse, efterbehandling og analysemetoder [7]. For at fusionere udviklingen og resultaterne af individuelle undersøgelser rundt om i verden og standardisere klinisk forskning blev en multinational gruppe finansieret af EU's COST (European Cooperation in Science and Technology) Action kaldet 'PARENCHIMA' dannet [8, 9]. Inspireret af anbefalingerne fra dette netværk fokuserer denne artikel på de vigtigste teknikker til fMRI, herunder perfusion, diffusion og BOLD (blodiltniveauafhængig) billeddannelse tilføjet af yderligere MRI-teknikker såsom T1/T2-kortlægning og dynamisk kontrastforstærket (DCE) ) MR, som også kan bidrage til en mere omfattende forståelse af patologiske ændringer i nyrernes struktur og funktion.

Måling af perfusion med ASL

Renal perfusion forventes at være et af hovedelementerne i nyrefunktionen, og ændringer i nyreperfusion kan have en betydelig indvirkning på udviklingen af ​​akut nyreskade og kroniske nyresygdomme. Udover forskellige metoder til måling af renal blodgennemstrømning er vurderingen af ​​renal perfusion langt mere kompliceret og vanskelig at udføre non-invasivt. Arteriel spin-mærkning (ASL) er en teknik til ikke-invasiv billeddannelse og kvantificering af perfusion uden administration af kontrastmidler ved brug af blodets vandmolekyler som endogene sporstoffer. Derfor skal blodet forberedes og "mærkes" magnetisk, før det kommer ind i billeddannelsesplanet, hvilket udføres ved at implementere radiofrekvensimpulser for at ændre den langsgående magnetisering af vandprotonerne. Efter generering af to billeder, et "kontrol"-billede uden mærket blod og et "mærke" eller "tag"-billede med mærket blod, kan den relative perfusion beregnes ved subtraktion. Resultatet viser et perfusionsvægtet billede, hvor signalintensiteten er proportional med perfusionen. Ved hjælp af kinetiske modeller kan kvantitative perfusionskort beregnes, og perfusionen kan måles i ml/100 g/min [10].

Der er forskellige skemaer til mærkning af blodet med flow-sensitive alternating inversion recovery (FAIR) pulseret ASL og pseudo-kontinuerlig ASL er den mest udbredte [11]. I de seneste år har hurtigere udlæsningsstrategier såsom 3-D-gradient- og spinekko-sekvenser (GRASE) bidraget til hurtigere billedoptagelse og forbedring af det iboende lave signal-til-støj-forhold (SNR) af ASL. Værktøjer til bevægelseskorrektion og undertrykkelse af baggrundsvævsrum kan desuden hjælpe med at optimere billedkvaliteten [12].

En mangel ved renal ASL er problemet med validering på grund af manglen på en guldstandardteknik til perfusionsmåling. ASL er blevet valideret mod para-aminohippurat-clearance, ultralydsflowmetri, mikrosfærer og scintigrafi [13]. Der var også adskillige undersøgelser, der testede reproducerbarheden af ​​renal ASL, dog med forskellige tekniske implementeringer [13]. De kliniske anvendelser af ASL omfatter diagnostik for nyretransplanterede modtagere, levende nyredonorer, akut nyreskade og kroniske nyresygdomme, der viser en sammenhæng mellem faldende GFR med et reduceret perfusionssignal [14]. ASL blev også testet under påvirkning af forskellige lægemidler, der påvirker nyreperfusion [15].

Vurdering af renal mikrostruktur med DWI

I den kliniske rutine er den eneste måde at vurdere ændringer i det renale interstitium til dato på nyrebiopsi. Der er dog et lovende ikke-invasivt alternativ til at gøre mikrostrukturelle ændringer synlige og målbare med diffusionsvægtet billeddannelse (DWI).

DWI er sensibiliseret over for den brunske bevægelse af vandmolekyler, hvilket gør det muligt at drage konklusioner vedrørende den renale mikrostruktur og graden af ​​renal fibrose. Stærke yderligere bipolære gradienter anvendes med varierende gradientstyrker og varigheder, der udgør forskellig diffusionsvægtning, som er opsummeret i b-værdier. Som en kvantitativ parameter for diffusion beregnes den tilsyneladende diffusionskoefficient (ADC) ud fra DW-billeder for at angive graden af ​​vandforskydning [16]. Udover diffusionen af ​​vandmolekyler kan en effekt kaldet pseudo-diffusion observeres ved lavere b-værdier, som er resultatet af vandbevægelse i præformede strukturer, dvs. perfusion. Med intra-voxel incoherent motion (IVIM) tilgangen kan pseudo diffusion og "rigtig" diffusion skelnes ved at bruge en bi-eksponentiel model [17]. For at undersøge den rumlige afhængighed af diffusion og kvantificere graden af ​​den velkendte rumlige anisotropi af nyremarven, kan der erhverves et større antal ikke-kollineære diffusionsretninger end de tre retninger, der normalt anvendes til beregning af ADC. Denne teknik kaldet diffusion tensor imaging (DTI) er imidlertid ledsaget af et højt tidsforbrug [17]. De fleste undersøgelser, der anvender renal DWI, bruger simpelthen ADC, på trods af fordelen ved yderligere information fra IVIM og DTI [18].

I lighed med renal ASL mangler valideringsundersøgelser med renal DWI også en standardiseret optagelses- og analyseprotokol. Til biologisk validering er der igen ingen guldstandard tilgængelig. Renal DWI er blevet teknisk valideret i adskillige reproducerbarhedsundersøgelser og anvendt i forskellige kliniske undersøgelser, herunder akut graftdysfunktion, akut pyelonefritis, polycystisk sygdom og kronisk nyresygdom [19].

FREMHÆVET

MR for at afspejle iltning af nyrevæv Blodiltningsniveauafhængig (BOLD) MR er den første metode til non-invasivt at estimere blodets iltningsstatus og til at evaluere iltning af væv. Dette er gjort muligt af ændringen af ​​de magnetiske egenskaber af hæmoglobin (HB) med iltmætning, hvilket fører til et fald eller en stigning i fri induktionssignal henfaldstidskonstant T2*, hvilket resulterer i en målbar kontrast i BOLD billeddannelse [20]. Et fald i iltning af væv antages at spille en stor rolle i udviklingen af ​​kronisk nyresygdom og akut nyreskade. Oplysningerne om forholdet mellem oxy- og desoxy-HB i korrelation til perfusion kunne bidrage til at få mere omfattende indsigt i patofysiologiske processer og til at bestemme mellem årsager og konsekvenser af renal hypoxi [21].

Da ingen guldstandard for ikke-invasiv måling af vævsiltning er tilgængelig, er BOLD MRI kun blevet valideret mod mikropunkturteknikker hos dyr [22]. Forskellige undersøgelser har vist reproducerbarheden af ​​denne teknik hos mennesker såvel som dens potentiale til at påvise ændringer i humant nyrevævsiltning hos patienter med kroniske nyresygdomme, nyrearteriestenose og transplanterede nyrer. Desuden har BOLD-MRI vist sig at være et nyttigt værktøj til at evaluere lægemiddeleffekter på nyrefunktionen og til at estimere dets potentielle nefrotoksicitet. [20]

I lighed med ASL og DWI mangler BOLD MRI standardisering i billedoptagelse og analyse. Det udføres oftest med multiple gradient echo (GRE) sekvenser ved 3 T som den foretrukne feltstyrke. Det anbefales at standardisere patientens fysiologiske status med hensyn til hydrering og saltindtag, da disse eksogene faktorer har vist sig at have signifikant indflydelse på vævsiltningen [9]. I forskningsmiljøer har regioner af interesse (ROI'er) været en meget anvendt teknik til billedanalyse, hvorimod der for kliniske indstillinger bør udføres en hel nyreanalyse omfattende cortex og medulla. Gevinsten af ​​information kunne øges ved at bruge BOLD i kombination med andre fMRI-teknikker såsom ASL og DWI [23].

Vævskarakterisering med T1 og T2 Mapping

Vævsændringer forårsaget af inflammation, ødem, fibrose eller nekrose fører til ændringer i afslapningstider, som kan afbildes og kvantificeres ved T1- eller T2-kortlægning [24]. Til T1-kortlægning er den etablerede metode inversion recovery (IR) teknikken. IR-forberedelsen gentages flere gange, mens inversionstiden øges for at erhverve flere datapunkter ved hjælp af et enkelt-skuds billeddannelsesmodul (f.eks. ekkoplanar billeddannelse (EPI), steady-state fri præcession (SSFP)) med lang gentagelsestid (TR). Nyligt offentliggjorte teknikker såsom variabel flip-angle (VFA) eller modificeret Look-Locker imaging (MOLLI) er mulige alternativer. [25]. På grund af forskelle i indholdet af frit vand mellem medulla og cortex, tillader T1-kortlægning udtalt kortikomedullær differentiering (CMD) [26]. Ved nyretransplantationer synes kortikale og medullære T1-relaksationstider imidlertid at være højere end hos raske forsøgspersoner [24]. Forskellige undersøgelser viste også en sammenhæng mellem T1 afslapningstider og graden af ​​nyreinsufficiens og GFR hos patienter med nyreinsufficiens [26, 27].

T2-kortlægning udføres normalt med multi-ekko (hurtige) spin-ekkosekvenser og muliggør fuld nyredækning inden for en kort periode. Billedkvaliteten kan påvirkes af følsomhedsartefakter på grund af blodgennemstrømning, vævsdiffusion, magnetfeltinhomogeniteter og ufuldkomne skiveudvælgelsespulsprofiler [25]. For at afbøde disse problemer kan specielle T2-præparationsimpulser (f.eks. CPMG) bruges i kombination med en hurtig enkeltskudsudlæsning (svarende til anvendelsen af ​​en inversionsimpuls i T1-mapping) [28]. Ved hjertebilleddannelse er T2-kortlægning en etableret teknik til at opdage ødem efter myokardieinfarkt eller inflammation [29]. Udover adskillige dyreforsøg, der undersøger T2-følsomhed over for iskæmi-reperfusionsskade [24], kan T2-kortlægning have potentialet til at opdage tidlige stadier af autosomal dominant polycystisk nyresygdom (ADPKD) i fremtiden [30]. Større undersøgelser, der vurderer værdien af ​​T2-kortlægning af nyrerne hos mennesker, mangler stadig.

Dynamisk kontrastforstærket MR

Dynamisk kontrastforstærket (DCE) MR indebærer administration af gadoliniumholdige kontrastmidler. De kommer ind i nyrens kapillærsystem og gennemgår glomerulær filtration og tubulær udskillelse, før de elimineres i urinen. Ved at analysere kontrastforstærkningen i vævet af interesse giver DCE mulighed for at beskrive den glomerulære filtrationshastighed (GFR) ved at måle tubulær flow og tubulær transittid samt vaskulære parametre såsom permeabilitet, renal blodgennemstrømning og blodvolumen [31 ]. DCE MR er blevet valideret i adskillige undersøgelser mod forskellige metoder og hos patienter med akut nyreskade, nyretumorer og nyretransplantationer [32-34], hvor det er fundet værdifuldt til vurdering af nyreperfusion og filtration. Den største ulempe ved DCE er anvendelsen af ​​et gadoliniumholdigt kontrastmiddel, som medfører en øget risiko for udvikling af NSF [35] og gadoliniumretention i hjernen [36], især hos patienter med nedsat nyrefunktion.

Multiparametriske fMRI protokoller og applikationer Udover ASL, DWI, BOLD MRI, T1 og T2 mapping og DCE MRI er der yderligere teknikker, der giver værdifuld information om patologiske processer i nyrerne. Ifølge et positionspapir fra COST Action PARENCHIMA er yderligere almindeligt tilgængelige MRI-biomarkører nyrevolumetri, fasekontrast-MRI og magnetiseringsoverførsel (MT) [37]. De seneste undersøgelser, der implementerer multiparametriske fMRI-teknikker, omfatter en kombination af ASL, DWI, BOLD og T1 og T2 kortlægning. Nogle gange tilføjes volumetrisk analyse og fasekontrast MR [38]. Nogle få inkluderer DCE eller fedtkvantificering med Dixon MRI [39]. Naturligvis afhænger valget af MR-biomarkører af det kliniske spørgsmål. Multiparametrisk fMRI giver mulighed for at vælge fra en række MRI-biomarkører, der adresserer undersøgelsens hypotese og nyrepatologi. Især undersøgelsen af ​​transplanterede nyrer med multiparametriske fMRI-protokoller er af stor interesse, da der mangler følsomme monitoreringsteknikker til evaluering af nyrefunktion og tidlig påvisning af nyresvigt. Kombinationen af ​​funktionelle parametre, der vurderer ændringer i perfusion, diffusion, iltning, nyrevolumen og vævsstruktur er en lovende tilgang til at få dybere indsigt i den biologiske proces med akut afstødning af nyretransplantationer og forudsigelse af langsigtede komplikationer [40]. Multiparametrisk fMRI er for nylig blevet anvendt til at undersøge patienter med kroniske nyresygdomme [41, 42], akut nyreskade [38], IgA nefropati [43], polycystisk nyresygdom [44] og interstitiel nyrefibrose [45]. ▶ Fig. 1 viser eksempler på en multiparametrisk fMRI-protokol til nyreundersøgelse omfattende T1-kortlægning, BOLD, DWI og ASL.

Supportive Service Of Wecistanche - Den største cistanche-eksportør i Kina:

E-mail:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tlf:+86 15292862950

Shop for flere specifikationer detaljer:

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

FÅ NATURLIG ORGANISK CISTANCHE EKSTRAKT MED 25% ECHINACOSID OG 9% ACTEOSIDE TIL NYREINFEKTION