Multiparametrische funktionelle MRT der Niere: Aktueller Stand und zukünftige Trends mit Deep-Learning-Ansätzen Ⅱ
Nov 28, 2023
III. Datennachbearbeitung und -analyse: neue Strategien mit Deep Learning
Mit der multiparametrischen fMRT können riesige Datenmengen generiert werden. Wie soll mit dieser Datenmenge umgegangen werden? Wie können diese Informationen direkt extrahiert werden?
Die Datennachbearbeitung und -analyse ist ein Thema, das in den meisten klinischen Studien zur funktionellen Nierenbildgebung selten ausführlich beschrieben wird.
▶ Abb. 1 MultiparametrischNierenfunktionsbildgebungeines Freiwilligen, der mehrere Schichten verschiedener Funktionsparameter zeigt. Gewebecharakterisierung mit T1-Kartierung. B BOLD-MRT mit T2*-Kartierung. C Beurteilung der Mikrostruktur mit ADC-Mapping. D Perfusionsbildgebung mit ASL (Kartierung des renalen Blutflusses (RBF).).
KLICKEN SIE HIER, UM CISTANCHE FÜR DIE NIERENFUNKTION ZU ERHALTEN
Dennoch ist es einer der wichtigsten limitierenden Faktoren für den Einsatz in der klinischen Praxis, da es einen erheblichen Einfluss auf die Dateninterpretation haben kann. Für den erfolgreichen Einsatz multiparametrischer fMRT-Protokolle im klinischen Alltag und in Studien großer Patientenkohorten sind künftig standardisierte Datennachbearbeitungs- und Datenanalyse-Workflows erforderlich.
für maschinelle Lernanwendungen aufNieren-MRTund für die „Überbrückung der Lücke zwischen Daten und Technologie“ [48].
▶ Abb. 2 Bildverarbeitungspipeline, die verschiedene Anwendungsschritte für Deep-Learning-Ansätze in der multiparametrischen Nieren-MRT darstellt
Der Begriff „Deep Learning“ bezieht sich auf ein tiefes Netzwerk mehrschichtiger neuronaler Netze zur Analyse von Daten. Der Hauptunterschied des DL-Ansatzes im Vergleich zu anderen Techniken des maschinellen Lernens besteht darin
von der Datenerfassung bis zur computergestützten Diagnose.
▶ Abb. 2 gibt einen Überblick über die verschiedenen Anwendungsschritte von Deep-Learning-Ansätzen.
Ausgehend von der MR-Bilderfassung kann DL im Prozess der Bildrekonstruktion implementiert werden, um die Robustheit, Genauigkeit und Bildqualität bei Unterabtastung deutlich zu verbessernk-Raum-Daten sowie zur Optimierung der Geschwindigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Rekonstruktionsansätzen [51–56]. Beeindruckende Ergebnisse wurden beispielsweise bei der dynamischen MR-Bildrekonstruktion der Herz-MRT erzielt, wo Echtzeit-Bildrekonstruktion [57] und 4-D-DL-Rekonstruktionsnetzwerke entwickelt wurden [58]. Auch CNN-basierte Methoden können bei der Erkennung von Artefakten helfen [59],prospektive Bewegungskorrektur [60] und Bildrauschen [61–63]. Bei der Bild-Superauflösung werden Deep-Learning-Techniken zur Rekonstruktion von Bildern mit höherer Auflösung eingesetztBildsequenzen aus Bildern mit niedriger Auflösung [64–66]. Weitere Anwendungsgebiete umfassen die Bildsynthese zur Ableitung neuer parametrischer Bilder des Gewebekontrasts aus einer Sammlung von MR-Aufnahmentionen [67, 68], quantitative Suszeptibilitätskartierung (QSM) auf NichtSchätzen Sie invasiv die magnetische Suszeptibilität von biologischem Gewebe ab[69, 70] und MR-Fingerprinting (MRF) [71].
Die multiparametrische renale fMRT stellt die Datenanalyse hinsichtlich der Registrierung und Segmentierung vor mehrere Herausforderungen, wobei DL besonders vielversprechend erscheint, um die weitere Entwicklung und den Weg in die klinische Routine voranzutreiben. Erstens ist es schwierig, das Nierenparenchym nur anhand der Signalintensität von den umgebenden Organen und Strukturen zu unterscheiden. Zweitens umfasst die multiparametrische fMRT heterogene Signalkontraste und Bildqualitäten. Darüber hinaus können Nieren in ihrer anatomischen Position, Größe und Merkmalen, wie z. B. Zysten, erheblich variieren. Nicht zuletzt führt die Bewegung durch die Atmung zu einer erheblichen Variation der Nierenposition nicht nur zwischen, sondern auch innerhalb der Messungen. Bildregistrierung und -segmentierung sind daher eine Voraussetzung für eine effiziente Analyse multiparametrischer fMRT-Daten.
Die Bildregistrierung beinhaltet die räumliche Ausrichtung von Nierenbildern innerhalb und zwischen Subjekten, um weitere Verarbeitungsschritte zu ermöglichen. Es gibt eine Reihe von Strategien zur Bildregistrierung mit unterschiedlichen Ansätzen, die sich in Bildaufnahmetechniken und Nachbearbeitungsmethoden einteilen lassen [72]. Der aufkommende Einsatz von DL weist das größte Potenzial auf, zu einer effizienteren Bildregistrierung beizutragen und damit die standardmäßigen verformbaren Registrierungsalgorithmen in Bezug auf Genauigkeit und Geschwindigkeit zu übertreffen. Die Anwendung für die Nieren-MRT steht noch aus, was möglicherweise auch auf das Fehlen öffentlicher Datensätze und Validierungsprotokolle zurückzuführen ist. Die Anwendung neu entwickelter Methoden auf andere Bildgebungsmodalitäten und Organe erscheint jedoch vielversprechend für die Übertragung auf die Nieren-MRT [50].
Zur quantitativen Analyse multiparametrischerfMRT in den Nieren, Organsegmentierung zur Beurteilung vonGesamtnierenvolumen(TKV) sondern auchNierenkompartimenteDie Einbeziehung von Kortikalis und Mark ist ein wesentlicher Schritt. Aufgrund der oben beschriebenen Herausforderungen der renalen multiparametrischen fMRT war die manuelle Segmentierung die vorherrschende Segmentierungstechnik in Nieren-MRT-Studien. Für den klinischen Einsatz der renalen fMRT muss diese zeitaufwändige und arbeitsintensive Methode jedoch durch effizientere Segmentierungstechniken ersetzt werden. Neben anderen halbautomatischen und automatischen Segmentierungstechniken wie Bildverarbeitung und modellbasierter Bildsegmentierung haben sich maschinelles Lernen und insbesondere Deep-Learning-Ansätze erneut als die vielversprechendsten für den Umgang mit komplexeren multiparametrischen Datensätzen erwiesen [73]. DL wurde bereits in einigen Studien zur Segmentierung der Nieren zur Schätzung des TKV eingesetzt [74–78].
DL geht noch weiter über die Aufgaben der Bildvor- und -nachbearbeitung hinaus und kann für die computergestützte Diagnose eingesetzt werden. Durch die Kombination der Fähigkeit, Bilddaten zu analysieren und klinische Informationen abzurufen, können automatisierte Klassifizierungssysteme zur Unterstützung der klinischen Diagnostik entwickelt werden, wie dies beispielsweise bei der Diagnose von Prostatakrebs erfolgreich gezeigt wurde [79, 80]. In der Nierendiagnostik haben DL-Methoden gezeigt, dass sie bei der Diagnose einer Transplantatabstoßung mit fMRT und der Integration klinischer Daten helfen und so ein computergestütztes Diagnosesystem (CAD) für die Nierendiagnostik bildenBeurteilung der NierenfunktioneinschließlichDWI, DEUTLICH, UndKreatinin-Clearance[81–83]. Eine weitere Anwendung von DL ist die Differenzierung von Nierenzellkarzinomen [84, 85].
IV. Diskussion
Die Nieren-MRT ist eine aufstrebende Technik, die in der klinischen Routine noch nicht etabliert ist. Mehrere andere, etabliertere Bildgebungstechniken mit unterschiedlichen Stärken und Schwächen werden von Ärzten in der Regel bevorzugt
Die am häufigsten angewandte Methode zur Nierenbildgebung ist die Ultraschalluntersuchung. Es handelt sich außerdem um eine nicht-invasive, nicht ionisierende Technik, die die Möglichkeit bietet, morphologische Anomalien dynamisch mit hoher Auflösung abzubilden, den Blutfluss mit der Doppler-Methode zu messen und ein sicheres Kontrastmittel zur Visualisierung der Perfusion anzuwenden, ohne dies zu tundie Niere schädigen[86–89]. Im Gegensatz zur MRT ist sie weit verbreitet und kosteneffizient [90]. Die Bildqualität hängt jedoch vom Bediener ab und kann durch Gas zwischen dem Schallkopf und dem interessierenden Organ oder durch Fettleibigkeit der Probanden erheblich beeinträchtigt werden. Messungen und Bilder sind schwieriger zu reproduzieren und eine Quantifizierung ist nur eingeschränkt möglich [2, 91, 92].
Die CT ist wie die MRT ein tomographisches Bildgebungsverfahren, bei dem Strahlung zur Bildgewinnung genutzt wird. Obwohl MRT-Techniken in den letzten Jahrzehnten deutlich zeiteffizienter geworden sind, ist die CT immer noch viel schneller als die MRT und kostengünstiger [93, 94]. Neben der morphologischen und angiographischen Bildgebung bietet die CT die Möglichkeit, den renalen Blutfluss und die Nierenperfusion sowie die GFR und die tubuläre Funktion zu messen [2]. Der größte Nachteil der CT besteht darin, dass neben der Erkennung einer Nierenobstruktion für die meisten Aufgaben ein nephrotoxisches Kontrastmittel erforderlich ist, was ihre Verwendung einschränktNierenerkrankungen [95].
Zur funktionellen Nierenbildgebung im klinischen Alltag gehört auch die Nierenszintigraphie. Es ist der Goldstandard zur Messung der glomerulären Filtration und der tubulären Funktion [92] und ermöglicht eine genaue Beurteilung der Split-Funktion und der Nierenobstruktion. Dennoch sind Bildauflösung und -qualität im Vergleich zu anderen Bildgebungsmodalitäten sehr schlecht und der diagnostische Wert ist begrenzt.
Den meisten Ärzten ist das Potenzial der MRT nicht bewusstfunktionelle Bildgebung der Nierenauch ohne Kontrastmittelgabe. Der Einsatz der MRT weist jedoch auch mehrere Nachteile auf, die einer breiteren Anwendung im Wege stehen könnten. Der Hauptnachteil der MRT ist die begrenzte Verfügbarkeit, insbesondere in kleineren Krankenhäusern, und der mit Anschaffung und Wartung verbundene Kostenaufwand [90]. Die Nieren-MRT kann mit 1,5 und 3 Tesla durchgeführt werden, obwohl Studien die Vorteile von 3 Tesla für SNR, Untersuchungszeit und räumliche Auflösung gezeigt haben [9]. Darüber hinaus erfordert der Einsatz der MRT erfahrene Bediener. Beim Einsatz multiparametrischer fMRT-Protokolle zur Untersuchung von Nieren besteht weiterhin Bedarf an standardisierten Verfahren, Protokollen und Nachbearbeitungen sowie weiteren Angeboten von Medizintechnikunternehmen [6]. Entgegen der landläufigen Meinung hat sich die Untersuchungszeit der MRT in den letzten Jahrzehnten deutlich verkürzt und einzelne Parameter können in wenigen Minuten gemessen werden. Darüber hinaus können Atemstrategien wie Atemanhalten, atemgetriggerte oder freie Atmungsbildgebung für die meisten Sequenzen an den Zustand des Patienten angepasst werden [9]. Nicht zuletzt müssen relative Kontraindikationen wie Herzschrittmacher und Cochlea-Implantate berücksichtigt werden.
Dennoch hat die MRT einiges zu bieten und könnte dazu beitragen, die Kosten für mehrere, teilweise sogar invasive diagnostische Untersuchungen zu senken. Neben der hochauflösenden anatomischen Bildgebung ist die Bandbreite an funktionellen Parametern, die die MRT bietet, außergewöhnlich und kann größtenteils ohne den Einsatz eines Kontrastmittels erreicht werden. Untersuchungsprotokolle können an die angepasst werdenklinisches Problem,Nierenerkrankungund Patientenzustand und eignen sich sowohl für die Kurzzeit- als auch für die Langzeitüberwachung. Letztendlich besteht das Ziel der Entwicklung einer multiparametrischen fMRT für die Nieren nicht darin, etablierte Techniken wie Ultraschall und Nierenszintigraphie zu ersetzen, sondern darin, die Nierenbildgebung zu erweitern und zu verbessern und Klinikern und Patienten bei der Behandlung zu helfenNierenerkrankungen.
V. Zusammenfassung
Die multiparametrische funktionelle MRT der Nieren ist ein vielversprechender Ansatz zur Beurteilung der Nierenfunktion und Pathophysiologie. Abhängig von der klinischen Fragestellung und der Nierenpathologie können Kombinationen aus Perfusion, Diffusion und BOLD-Bildgebung zusammen mit Techniken zur Gewebecharakterisierung wie T1- und T2-Mapping und weiteren MR-Biomarkern ausgewählt werden, um umfassendere Einblicke in die Ursache und Folgen von Krankheiten zu erhalten und die Wirkung therapeutischer Interventionen. Allerdings müssen noch einige Hürden überwunden werden, bevor die Methode in den klinischen Alltag implementiert werden kann. Einerseits besteht Bedarf an einer Standardisierung der fMRT-Protokolle, um die Vergleichbarkeit von Studien zu ermöglichen und die klinische Anwendung zu erleichtern. Andererseits sind neue Strategien für den Umgang mit der Entstehung riesiger Datenmengen erforderlich. Jüngste Fortschritte bei DL-Techniken eröffnen neue Möglichkeiten für die Datennachbearbeitung und -analyse und könnten dem klinischen Einsatz der renalen fMRT einen entscheidenden Schub verleihen. Weitere Studien untersuchen unterschiedlicheNierenerkrankungenmit größeren Kohorten und Längsschnittdesign mit der Implementierung eines standardisierten Arbeitsablaufs für Datenerfassung, Nachbearbeitung und Analyse sind erforderlich, um die Fähigkeit der multiparametrischen fMRT zur Verbesserung der Diagnostik weiter zu verbessern und gleichzeitig zu demonstrierenBildgebung der Nieren.
Interessenkonflikt
Die Autoren erklären, dass kein Interessenkonflikt besteht.
Verweise
[1] Xie Y, Bowe B, Mokdad AH et al. Die Analyse der Global Burden of Disease-Studie beleuchtet die globalen, regionalen und nationalen Trends der Epidemiologie chronischer Nierenerkrankungen von 1990 bis 2016.Kidney International2018; 94: 567–581
[2] Beierwaltes WH, Harrison-Bernard LM, Sullivan JC et al. Beurteilung der Nierenfunktion; Clearance, renale Mikrozirkulation, renaler Blutfluss und metabolisches Gleichgewicht. Umfassende Physiologie: American Cancer Society 2013: 165–200. doi:10.1002/copy.c120008
[3] Trevisani F, Di Marco F, Capitanio U et al. Lücke bei der Beurteilung der Nierenfunktion in der klinischen Praxis: Eine unangenehme Wahrheit. Nieren- und Blutdruckforschung 2020; 45: 166–179
[4] Keramida G, James JM, Prescott MC et al. Fallstricke und Einschränkungen der Radionuklid-Nierenbildgebung bei Erwachsenen. Seminare in Nuklearmedizin 2015; 45: 428–439
[5] Edelman RR. Die Geschichte der MR-Bildgebung wird auf den Seiten der Radiologie beleuchtet. Radiologie 2014; 273: S181–S200
[6] Caroli A, Pruijm M, Burnier M et al. Funktionelle Magnetresonanztomographie der Nieren: Wo stehen wir? Die Perspektive der europäischen COST-Aktion PARENCHIMA. Nephrol-Zifferblatt-Transplantation 2018; 33: ii1–ii3
[7] Chandarana H, Lee VS. Nierenfunktions-MRT: Sind wir bereit für die klinische Anwendung? Bin J Röntgenol. American Journal of Roentgenology 2009; 192: 1550–1557
[8] Startseite|Parenchima. 2021 https://renalmri.org/ [9] Mendichovszky I, Pullens P, Dekkers I et al. Technische Empfehlungen für die klinische Übersetzung der Nieren-MRT: ein Konsensprojekt der Kooperation in Wissenschaft und Technologie Aktion PARENCHIMA. Magn Reson Mater Phy 2020; 33: 131–140
[10] Martirosian P, Boss A, Schraml C et al. Magnetresonanz-Perfusionsbildgebung ohne Kontrastmittel. Europäische Zeitschrift für Nuklearmedizin und molekulare Bildgebung 2010; 37: 52–64
[11] Martirosian P, Klose U, Mader I et al. FAIR True-FISP-Perfusionsbildgebung der Nieren. Magnetresonanz in der Medizin 2004; 51: 353–361
[12] Nery F., Buchanan CE, Harteveld AA et al. Konsensbasierte technische Empfehlungen für die klinische Übersetzung der renalen ASL-MRT. Magnetresonanzmaterialien in Physik, Biologie und Medizin 2020; 33: 141–161
Unterstützender Service von Wecistanche – dem größten Cistanche-Exporteur in China:
E-Mail:wallence.suen@wecistanche.com
WhatsApp/Tel:+86 15292862950
Weitere Spezifikationen finden Sie im Shop:
https://www.xjcistanche.com/cistanche-shop
