Multiparametrisk funksjonell MR av nyren: nåværende tilstand og fremtidige trender med dype læringsmetoder

Nøkkelord abdomen, MR-diffusjon/perfusjon,MR-funksjonell avbildning, fysiologiske studier,nyre, nyreavbildning

ZUSAMMENFASSUNG

Hintergrund Bis heute stellt die Erfassung der Nierenfunktion eine Herausforderung für die moderne Medizin dar. Ofte bleiben funksjonelle Einschränkungen der Niere unentdeckt und die Ursachen ungeklärt, da weder die Labor diagnostik noch zur Verfügung stehende Bildgebungsmethoden ausreichend Informasjon über den Funktionsstatus der Nieren liefern. In den letzten Jahren haben Entwicklungen auf dem Gebiet der multiparametrischen functionellen Magnetresonanztomography (fMRT) mit Anwendung an abdominellen Organen neue Möglichkeiten zur kombinierten Erfassung anatomischer Strukturen und functioneller 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 pathophysiological processe versschiedener Nierenerkrankungen and die Wirkungs werdenzeischtherapeutic. 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 anmeldelsen bietet eine Übersicht über die weitverbreitetsten fMRT-Techniken mit Anwendung an der Niere und seigt neue Ansätze zur Datenverarbeitung und Analyze mittels Deep Learning auf.

KLIKK HER FOR Å FÅ CISTANCHE FOR NYREFUNKSJON

Methode Für diesen Artikkel ble en selektiv Litteratur cherche unter Verwendung der Literaturdatenbank PubMed im Mai 2021 durchgeführt and durch eigene experienceen auf diesem Gebiet ergänzt. Ergebnisse Die multiparametrische funksjonelle MRT er en vielversprechende Technik zur Erfassung der Nierenfunksjon in enem umfassenderen Ansatz durch kombinierte Untersu chung verschiedener funksjonsparameter wie der Perfusion, Diffusion and 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 Analyze beitragen. Disse Fortschritte lassen hoffen, at multiparametrische fMRT-Protokolle bald ausreichend optimiert sind, um über die Forschung hinaus auch im klini schen Alltag in der Diagnostik, dem Monitoring and der Be handlung von Nierenerkrankungen eingesetzt zu were.

Kernaussagen:

▪ Den multiparametriske fMRT er rask, ikke invasiv og kontrastteknikk. ▪ Gjennom den kombinerte Aufnahme verschiedener funk tioneller og struktureller Gewebeparameter können tiefere Einblicke in pathophysiological Prozesse von Nieren erkrankungen gewonnen were.

▪ Für eine breitere Akzeptanz von MR-Biomarkern in der Zukunft sind die Etablierung von Standards in der Daten akquisition, -verarbeitung und Analyze 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

Bakgrunn Fram til i dag har vurdering av nyrefunksjon vært en utfordring for moderne medisin. I mange tilfeller forblir nyresykdommer ledsaget av nedsatt nyrefunksjon uoppdaget og uløst, siden verken laboratorietester eller bildediagnostikk gir tilstrekkelig informasjon om nyrestatus. De siste årene har utviklingen innen funksjonell magnetisk resonansavbildning med påføring på abdominale organer åpnet nye muligheter for å kombinere anatomisk avbildning med multiparametrisk funksjonell informasjon. Den multiparametriske tilnærmingen muliggjør måling av perfusjon, diffusjon, oksygenering og vevskarakterisering i én undersøkelse, og gir dermed mer omfattende innsikt i de patofysiologiske prosessene til sykdommer så vel som effekten av terapeutiske intervensjoner. Imidlertid er bruken av multiparametrisk fMRI i nyrene fortsatt hovedsakelig begrenset til forskningsområder, og overføring til den kliniske rutinen er fortsatt utestående. En av de store utfordringene er mangelen på en standardisert protokoll for innhenting og etterbehandling inkludert effektive strategier for dataanalyse. Denne artikkelen gir en oversikt over de vanligste fMRI-teknikkene med anvendelse på nyrene og nye tilnærminger angående dataanalyse med dyp læring.

Metoder

Denne artikkelen innebærer en selektiv litteraturgjennomgang ved bruk av litteraturdatabasen PubMed i mai 2021 supplert med egne erfaringer på dette feltet. Resultater og konklusjon Funksjonell multiparametrisk MR er en lovende teknikk for å vurdere nyrefunksjonen i en mer omfattende tilnærming ved å kombinere flere parametere som perfusjon, diffusjon og BOLD-avbildning. Nye tilnærminger med anvendelse av dyplæringsteknikker kan i vesentlig grad bidra til å overvinne utfordringen med å håndtere datamengden og utvikle mer effektive etterbehandlings- og analyseprotokoller for data. Dermed kan man håpe at multiparametriske fMRI-protokoller kan optimaliseres tilstrekkelig til å brukes til rutinemessig nyreundersøkelse og for å hjelpe klinikere med diagnostikk, overvåking og behandling av nyresykdommer i fremtiden.

Viktige punkter:

▪ Multiparametrisk fMRI er en teknikk utført uten bruk av stråling, kontrastmidler og invasive metoder.

▪ Multiparametrisk fMRI gir mer omfattende innsikt i de patofysiologiske prosessene ved nyresykdommer ved å kombinere funksjonelle og strukturelle parametere.

▪ For bredere aksept av fMRI-biomarkører er det behov for standardisering av innsamlings-, etterbehandlings- og analyseprotokoller samt mer prospektive studier.

▪ Dyplæringsteknikker kan i betydelig grad bidra til optimalisering av datainnsamling og etterbehandling og tolkning av større datamengder.

Sitasjonsformat ▪ Zhang C, Schwartz M, Küstner T et al. Multiparametrisk funksjonell MR av nyrene: nåværende tilstand og fremtidige trender med dype læringsmetoder. Fortschr Röntgenstr 2022; DOI 10.1055/a-1775-8633

introduksjon

Over hele verden lider folk avkroniske nyresykdommermed et høyt antall urapporterte hendelser [1]. Evaluering av nyrefunksjon har vært en stor utfordring for moderne medisin, og nefrologer blir gjentatte ganger møtt med komplekse nyrepatologier og patofysiologier som de diagnostiske metodene som brukes i den kliniske rutinen, som laboratorietester, ultralyd og nyrescintigrafi, noen ganger ikke har tilstrekkelig sensitivitet eller spesifisitet for å løse [2–4]. Hvordan kan vi forbedre diagnostiske metoder ved å bruke nyere utvikling innen bildeteknikker og dataanalyse for å hjelpe klinikere med tidlig oppdagelse, overvåking og behandling av nyresykdommer?

I løpet av de siste tiårene har abdominal avbildning med MR blitt en veletablert metode for å oppdage ulike patologier. Ikke desto mindre representerer utvalget av MR-avbildningsteknikker som brukes i den kliniske rutinen bare en del av det diagnostiske potensialet til MR. Funksjonell MR-avbildning (fMRI) er et voksende felt med stort potensial for å ta bildediagnostikk til neste nivå. Uten påføring av kontrastmidler gir multiparametrisk fMRI ikke-invasive metoder for å måle organperfusjon, diffusjon, oksygenering og for å karakterisere endringer i vevssammensetning. Vurderingen av nyrefunksjonen kan bli et viktig bruksområde siden den komplekse interaksjonen mellom blodstrøm, perfusjon og oksygenering i nyrefysiologien og patofysiologien til forskjellige nyresykdommer fortsatt er gjenstand for en rekke studier. I tillegg kan nyere fremskritt innen dyp læring innen medisinsk bildebehandling i vesentlig grad bidra til å takle data etterbehandling og bidra til å integrere funksjonell informasjon i den kliniske rutinen for mer effektiv og gjennomførbar diagnostikk.

Denne artikkelen skisserer de mest brukte fMRI-teknikkene og gir en oversikt over den nåværende tilstanden til kliniske applikasjoner, nyere studier og nye utviklinger innen etterbehandling av data med hensyn til nye dyplæringsteknikker.

II. Funksjonelle MR-parametre

Vi kan allerede se tilbake på flere tiår med forskning på funksjonell avbildning med MR. Siden implementeringen av MR-skannere for medisinsk diagnostikk har MR gått langt utover visuell avbildning [5]. En rekke fMRI-teknikker er utviklet og til en viss grad brukt i den kliniske rutinen. Mange lovende teknikker har imidlertid vært begrenset til forskning, som også gjelder funksjonell avbildning av nyrene [6].

En av de største barrierene for bredere anvendelse og klinisk bruk av nyre-fMRI er det forvirrende mangfoldet av fMRI-teknikker og variasjoner i innhenting, etterbehandling og analysetilnærminger [7]. For å slå sammen utviklingen og resultatene av individuelle studier rundt om i verden og standardisere klinisk forskning, ble en multinasjonal gruppe finansiert av European Union COST (European Cooperation in Science and Technology) Action kalt 'PARENCHIMA' dannet [8, 9]. Inspirert av anbefalingene fra dette nettverket fokuserer denne artikkelen på hovedteknikkene for fMRI inkludert perfusjon, diffusjon og BOLD (blodoksygennivåavhengig) avbildning lagt til av ytterligere MR-teknikker som T1 / T2-kartlegging og dynamisk kontrastforsterket (DCE) ) MR, som også kan bidra til en mer omfattende forståelse av patologiske endringer i nyrestruktur og funksjon.

Måling av perfusjon med ASL

Nyreperfusjon forventes å være et av hovedelementene i nyrefunksjonen, og endringer i nyreperfusjon kan ha betydelig innvirkning på progresjonen av akutt nyreskade og kroniske nyresykdommer. Foruten ulike metoder for å måle renal blodstrøm, er vurderingen av renal perfusjon langt mer komplisert og vanskelig å utføre non-invasivt. Arteriell spinnmerking (ASL) er en teknikk for ikke-invasiv avbildning og kvantifisering av perfusjon uten administrering av kontrastmidler ved bruk av vannmolekylene i blodet som endogene sporstoffer. Derfor må blodet forberedes og "merkes" magnetisk før det går inn i avbildningsplanet, som utføres ved å implementere radiofrekvenspulser for å endre den langsgående magnetiseringen av vannprotonene. Etter å ha generert to bilder, et "kontroll" bilde uten merket blod og et "label" eller "tag" bilde med merket blod, kan den relative perfusjonen beregnes ved subtraksjon. Resultatet viser et perfusjonsvektet bilde, hvor signalintensiteten er proporsjonal med perfusjonen. Ved hjelp av kinetiske modeller kan kvantitative perfusjonskart beregnes og perfusjonen kan måles i ml/100 g/min [10].

Det finnes forskjellige ordninger for å merke blodet med strømningssensitiv alternerende inversjonsgjenoppretting (FAIR) pulsert ASL og pseudo-kontinuerlig ASL som er den mest brukte [11]. De siste årene har raskere avlesningsstrategier som 3-D-gradient- og spinnekko-sekvenser (GRASE) bidratt til raskere bildeoppsamling og forbedring av det iboende lave signal-til-støyforholdet (SNR) til ASL. Verktøy for bevegelseskorreksjon og undertrykkelse av bakgrunnsvevsrom kan i tillegg bidra til å optimalisere bildekvaliteten [12].

En mangel ved renal ASL er problemet med validering på grunn av mangelen på en gullstandardteknikk for perfusjonsmåling. ASL har blitt validert mot para-aminohippuratclearance, ultralyd flowmetri, mikrosfærer og scintigrafi [13]. Det var også mange studier som testet reproduserbarheten av nyre-ASL, men med forskjellige tekniske implementeringer [13]. De kliniske anvendelsene av ASL omfatter diagnostikk for nyretransplanterte, levende nyredonorer, akutt nyreskade og kroniske nyresykdommer, som viser en korrelasjon av synkende GFR med redusert perfusjonssignal [14]. ASL ble også testet under påvirkning av ulike medikamenter som påvirker nyreperfusjon [15].

Vurdere nyremikrostruktur med DWI

I den kliniske rutinen er nyrebiopsi den eneste måten å vurdere endringer i det renale interstitium til dags dato. Imidlertid er det et lovende ikke-invasivt alternativ for å gjøre mikrostrukturelle endringer synlige og målbare med diffusjonsvektet bildebehandling (DWI).

DWI er sensibilisert for den brunske bevegelsen til vannmolekyler, noe som gjør det mulig å trekke konklusjoner om nyremikrostrukturen og graden av nyrefibrose. Sterke ytterligere bipolare gradienter påføres med varierende gradientstyrker og varigheter som utgjør forskjellig diffusjonsvekting, som er oppsummert i b-verdier. Som en kvantitativ parameter for diffusjon beregnes den tilsynelatende diffusjonskoeffisienten (ADC) fra DW-bilder for å indikere graden av vannforskyvning [16]. Foruten diffusjon av vannmolekyler, kan en effekt som kalles pseudo-diffusjon observeres ved lavere b-verdier, som er et resultat av vannbevegelse i forhåndsformede strukturer, dvs. perfusjon. Med intra-voxel incoherent motion (IVIM) tilnærmingen kan pseudo-diffusjon og "ekte" diffusjon skilles ved å bruke en bi-eksponentiell modell [17]. For å undersøke den romlige avhengigheten av diffusjon og kvantifisere graden av den velkjente romlige anisotropien til nyremargen, kan et større antall ikke-kollineære diffusjonsretninger enn de tre retningene som vanligvis brukes for beregning av ADC, erverves. Denne teknikken kalt diffusjonstensoravbildning (DTI), er imidlertid ledsaget av en høy tidsbruk [17]. De fleste studier som bruker nyre-DWI bruker ganske enkelt ADC, til tross for fordelen med tilleggsinformasjon fra IVIM og DTI [18].

I likhet med renal ASL, mangler valideringsstudier med renal DWI også en standardisert innsamlings- og analyseprotokoll. For biologisk validering er igjen ingen gullstandard tilgjengelig. Renal DWI har blitt teknisk validert i en rekke reproduserbarhetsstudier og brukt i ulike kliniske studier, inkludert akutt graftdysfunksjon, akutt pyelonefritt, polycystisk sykdom og kronisk nyresykdom [19].

DRISTIG

MR for å reflektere oksygenering av nyrevev Blodoksygeneringsnivåavhengig (BOLD) MR er den første metoden for ikke-invasivt å estimere oksygeneringsstatusen til blod og for å evaluere oksygenering av vev. Dette er muliggjort av endringen av de magnetiske egenskapene til hemoglobin (HB) med oksygenmetning, noe som fører til en reduksjon eller økning i fri induksjonssignalforfallstidskonstant T2*, noe som resulterer i en målbar kontrast i BOLD-bildebehandling [20]. En reduksjon i oksygenering av vev antas å spille en stor rolle i utviklingen av kronisk nyresykdom og akutt nyreskade. Informasjonen om forholdet mellom oksy- og desoksy-HB i korrelasjon til perfusjon kan bidra til å få mer omfattende innsikt i patofysiologiske prosesser og å bestemme mellom årsaker og konsekvenser av nyrehypoksi [21].

Siden ingen gullstandard for ikke-invasiv måling av oksygenering av vev er tilgjengelig, har BOLD MRI kun blitt validert mot mikropunkturteknikker hos dyr [22]. Ulike studier har vist reproduserbarheten til denne teknikken hos mennesker, så vel som dens potensiale til å oppdage endringer i oksygenering av menneskelig nyrevev hos pasienter med kroniske nyresykdommer, nyrearteriestenose og transplanterte nyrer. Dessuten har BOLD-MRI vist seg å være et nyttig verktøy for å evaluere legemiddeleffekter på nyrefunksjonen og for å estimere dens potensielle nefrotoksisitet. [20]

I likhet med ASL og DWI mangler BOLD MRI standardisering i bildeinnsamling og analyse. Det utføres oftest med multiple gradient ekko (GRE) sekvenser ved 3 T som foretrukket feltstyrke. Det anbefales å standardisere den fysiologiske statusen til pasienten med hensyn til hydrering og saltinntak siden disse eksogene faktorene har vist seg å påvirke oksygenering av vev i betydelig grad [9]. I forskningsmiljøer har regioner av interesse (ROI) vært en mye brukt teknikk for bildeanalyse, mens det for kliniske omgivelser bør utføres en hel nyreanalyse som omfatter cortex og medulla. Gevinsten av informasjon kan økes ved å bruke BOLD i kombinasjon med andre fMRI-teknikker som ASL og DWI [23].

Vevskarakterisering med T1 og T2 Mapping

Vevsendringer forårsaket av betennelse, ødem, fibrose eller nekrose fører til endringer i avslapningstider som kan avbildes og kvantifiseres ved T1- eller T2-kartlegging [24]. For T1-kartlegging er den etablerte metoden inversjonsgjenopprettingsteknikken (IR). IR-forberedelsen gjentas flere ganger mens inversjonstiden økes for å innhente flere datapunkter ved hjelp av en enkeltbildemodul (f.eks. ekkoplanavbildning (EPI), steady-state free presesjon (SSFP)) med lang repetisjonstid (TR). Nylig publiserte teknikker som variabel flip-angle (VFA) eller modifisert Look-Locker imaging (MOLLI) er mulige alternativer. [25]. På grunn av forskjeller i innholdet av fritt vann mellom medulla og cortex, tillater T1-kartlegging uttalt kortikomedullær differensiering (CMD) [26]. Ved nyretransplantasjoner ser imidlertid kortikale og medullære T1-relaksasjonstider ut til å være høyere enn hos friske personer [24]. Ulike studier viste også en sammenheng mellom T1-relaksasjonstider og graden av nedsatt nyrefunksjon og GFR hos pasienter med nyresvikt [26, 27].

T2-kartlegging utføres vanligvis med multi-ekko (raske) spinn-ekkosekvenser og muliggjør full nyredekning i løpet av kort tid. Bildekvaliteten kan påvirkes av følsomhetsartefakter på grunn av blodstrøm, vevdiffusivitet, magnetfeltinhomogeniteter og ufullkomne skivevalgpulsprofiler [25]. For å dempe disse problemene kan spesielle T2-preparasjonspulser (f.eks. CPMG) brukes i kombinasjon med en rask enkeltskuddsavlesning (ligner på bruken av en inversjonspuls i T1-kartlegging) [28]. Ved hjerteavbildning er T2-kartlegging en etablert teknikk for å oppdage ødem etter hjerteinfarkt eller betennelse [29]. Foruten flere dyrestudier som undersøker T2-følsomhet for iskemi-reperfusjonsskade [24], kan T2-kartlegging ha potensial til å oppdage tidlige stadier av autosomal dominant polycystisk nyresykdom (ADPKD) i fremtiden [30]. Større studier som evaluerer verdien av T2-kartlegging av nyrene hos mennesker mangler fortsatt.

Dynamisk kontrastforsterket MR

Dynamisk kontrastforsterket (DCE) MR innebærer administrering av gadoliniumholdige kontrastmidler. De går inn i nyrens kapillærsystem og gjennomgår glomerulær filtrasjon og tubulær utskillelse før de elimineres i urinen. Ved å analysere kontrastforsterkningen i vevet av interesse, gir DCE muligheten til å beskrive den glomerulære filtrasjonshastigheten (GFR) ved å måle tubulær strømning og tubulær transittid samt vaskulære parametere som permeabilitet, renal blodstrøm og blodvolum [31 ]. DCE MR er validert i flere studier mot ulike metoder og hos pasienter med akutt nyreskade, nyretumorer og nyretransplantasjoner [32–34], hvor det er funnet verdifullt for vurdering av nyreperfusjon og filtrasjon. Hovedulempen med DCE er bruken av et gadoliniumholdig kontrastmiddel, som medfører økt risiko for utvikling av NSF [35] og gadoliniumretensjon i hjernen [36], spesielt hos pasienter med nedsatt nyrefunksjon.

Multiparametriske fMRI-protokoller og applikasjoner Bortsett fra ASL, DWI, BOLD MR, T1 og T2 kartlegging, og DCE MR, er det ytterligere teknikker som gir verdifull informasjon om patologiske prosesser i nyrene. I følge et posisjonspapir fra COST Action PARENCHIMA, er ytterligere vanlig tilgjengelige MR-biomarkører nyrevolumetri, fasekontrast-MR og magnetiseringsoverføring (MT) [37]. De siste studier som implementerer multiparametriske fMRI-teknikker omfatter en kombinasjon av ASL, DWI, BOLD og T1 og T2 kartlegging. Noen ganger legges volumetrisk analyse og fasekontrast MR til [38]. Noen få inkluderer DCE eller fettkvantifisering med Dixon MRI [39]. Selvfølgelig avhenger valget av MR-biomarkører av det kliniske spørsmålet. Multiparametrisk fMRI gir muligheten til å velge fra en rekke MR-biomarkører som adresserer studiehypotesen og nyrepatologien. Spesielt undersøkelse av transplanterte nyrer med multiparametriske fMRI-protokoller er av stor interesse siden det er mangel på sensitive overvåkingsteknikker for evaluering av nyrefunksjon og tidlig påvisning av nyresvikt. Kombinasjonen av funksjonelle parametere som vurderer endringer i perfusjon, diffusjon, oksygenering, nyrevolum og vevsstruktur er en lovende tilnærming for å få dypere innsikt i den biologiske prosessen med akutt avstøtning av nyretransplantasjoner og prediksjon av langtidskomplikasjoner [40]. Multiparametrisk fMRI har nylig blitt brukt for å undersøke pasienter med kroniske nyresykdommer [41, 42], akutt nyreskade [38], IgA nefropati [43], polycystisk nyresykdom [44] og interstitiell nyrefibrose [45]. ▶ Fig. 1 viser eksempler på en multiparametrisk fMRI-protokoll for nyreundersøkelse som omfatter T1-kartlegging, BOLD, DWI og ASL.

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

E-post:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tlf:+86 15292862950

Handle for flere spesifikasjoner:

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

FÅ NATURLIG ORGANISK CISTANCHE EKSTRAKT MED 25 % ECHINACOSIDE OG 9 % ACTEOSIDE FOR NYRESINFEKSJON