Automatyczna segmentacja i ocena wolumetryczna narządów wewnętrznych i tkanki tłuszczowej: jakie są korzyści?
Mar 02, 2022
Najważniejszym celem tradycyjnego obrazowania medycznego w klinice jest pokazanie zmian patologicznych na obrazach projekcyjnych lub przekrojowych. Decydującym kryterium jakości obrazów, poza rozdzielczością przestrzenną, jest zwykle kontrast między tkanką normalną a zmienioną patologicznie. Wszystkie obecnie dostępne metody obrazowania, w tym technologia rentgenowska, ultradźwięki, rezonans magnetyczny i pozytonowa tomografia emisyjna, rozwinęły się bardzo szybko w ciągu ostatnich dziesięcioleci. Nie tylko poprawiła się jakość obrazów, a czas badania uległ skróceniu, ale także pojawiły się nowe aspekty oceny danych obrazowych, szczególnie w przypadku rezonansu magnetycznego, który w przeszłości często nie był w stanie w pełni wykorzystać swojego potencjału w zwykłych czasach badania wynoszących około 30–45 min ze względu na stosunkowo długie czasy pomiaru dla każdej sekwencji obrazowania, nowoczesne metody z „masywnym obrazowaniem równoległym”, [1] „compressed sensing” [2] i/lub „fingerprinting” [3] ] są korzystne: teraz możliwe jest wykonywanie kompleksowych wieloparametrycznych i ilościowych analiz tkanek w tolerowanych czasach badania. Zamiast jednego „ważenia kontrastu”, surowe dane dla kilku wymiernych właściwości tkanki (T1, T2, T2*, zawartość tłuszczu, dyfuzja wody itp.) mogą być teraz zbierane w tym samym czasie badania. Co więcej, nowoczesne systemy MRI umożliwiają pozyskiwanie wysokiej rozdzielczości izotropowych zestawów danych obrazowych całego ciała lub przynajmniej tułowia, które zawierają dużą ilość informacji morfologicznych.
Słowa kluczowe:choroba nerek; nerki; choroby wątroby; objętość wątroby; wątroba
CISTANCHE POPRAWI FUNKCJĘ NEREK/NEREK
Ocena informacji anatomiczno-morfologicznych w zestawach danych obrazu 3D początkowo ograniczała się do ręcznego określenia oczywistych informacji związanych z chorobą, np. do oceny wielkości guzów lub przerzutów w stadium zaawansowania lub monitorowania przebiegu choroby w trakcie terapii [4]. Podczas gdy (maksymalną) średnicę struktury anatomicznej można było określić dość szybko, wykonanie analiz wolumetrycznych było znacznie bardziej czasochłonne, ponieważ w tym celu trzeba było ręcznie ocenić kilka warstw. Nieco opóźnione w rozwoju metod akwizycji MR dla zbiorów danych 3D o wysokiej rozdzielczości, opracowano i zastosowano w wielu badaniach automatyczne lub przynajmniej półautomatyczne metody segmentacji [5]. Wraz z wprowadzeniem nowoczesnych metod sztucznej inteligencji (AI) możliwości wiarygodnej segmentacji narządów ze zbiorów danych MRI znacznie się poprawiły w ostatnich latach [6]. Tylko za pomocą tych metod możliwe stało się obecnie ocenianie poszczególnych struktur anatomicznych w tysiącach zestawów danych 3D z dużych badań kohortowych populacji (np. UK Biobank [7] lub German National Cohort [8]) z wykonalnym wysiłkiem. Z jednej strony dzięki tym danym można badać korelacje między cechami anatomicznymi, genetycznymi, okolicznościami życiowymi (np. odżywianie i aktywność fizyczna) a stanem fizycznym (sprawność fizyczna i choroby). Z drugiej strony, wyniki oceny wolumetrycznej narządów w badaniach kohortowych również bardzo dobrze nadają się do opracowania wartości standardowych i zakresów wartości normalnych dla różnych grup populacji w zależności od wieku i płci.
Ważnym pytaniem jest oczywiście, czy te dane wolumetryczne można również wykorzystać jako wskaźniki choroby u poszczególnych pacjentów. Warunki badania (pozycja spoczynkowa, stosunkowo jednolita czułość przestrzenna z nowoczesnymi wielomacierzowymi cewkami nagłowia) i warunki oceny (kilka klas tkanek o stosunkowo stałym rozkładzie przestrzennym) są dość korzystne dla badań MRI mózgu. Ponadto istnieje wiele instytucji zajmujących się neuronauką. Dlatego też zastosowania wolumetrycznej oceny struktur mózgowych [9] są z pewnością najbardziej zaawansowane i już dobrze zbadane pod kątem pytań klinicznych [10].Nasilenie i przebieg w czasie utraty istoty białej i szarej w różnych obszarach mózgu może dostarczyć zróżnicowanych wskazówek diagnostycznych w chorobach [11] i ilościowej oceny rozwoju atrofii [12]. Odchylenia od normalnej atrofii związanej z wiekiem można wykryć, a skutki interwencji terapeutycznych można dokładnie zmierzyć.
W pracach prezentowanych w wielu publikacjach zastosowano „domowe” algorytmy segmentacji, które nie są łatwe do zastosowania przez czytelnika. Często metody sztucznej inteligencji są szkolone za pomocą określonych obrazów MRI (pod względem ważenia kontrastu, parametrów obrazowania geometrycznego i układu cewek) i ogólne zastosowanie nie jest pewne, nawet jeśli algorytm jest opublikowany. Ostatnio jednak niektórzy dostawcy MR oferują kompletne pakiety sekwencji i narzędzi segmentacji, które działają niezawodnie (np. do automatycznej segmentacjiwątroba). W badaniach neuro MRI dostępne jest bezpłatne oprogramowanie do segmentacji (np. SPM, Wellcome Center for Human Neuroimaging, UCL Neurology, Londyn, Wielka Brytania), które jest używane przez wiele grup naukowych i które można również bezpiecznie łączyć z sekwencjami pozyskiwania danych klinicznych. Ponadto istnieje wsparcie komercyjne, zwłaszcza w przypadku przetwarzania końcowego danych z badań kohortowych firm takich jak AMRA Medical (Linköping, Szwecja). Aby lepiej ocenić znaczenie kliniczne automatycznej segmentacji i oceny wolumetrycznej układów narządów w tułowiu ciała, niektóre informacje na temat znaczenia objętości narządów w chorobach przedstawiono poniżej:
CISTANCHE POPRAWI CHOROBY NEREK/NEREK
Płuca
Indywidualna objętość płuc jest oczywiście zależna od pozycji oddechowej, a zatem zmienna. Dlatego konieczne są spójne protokoły badań zarówno w przypadku pomiarów referencyjnych, jak i porównawczych. Choroby wrodzone, takie jak przepukliny przeponowe lub malformacje oskrzelowo-płucne, często wiążą się ze zmniejszoną objętością płuc. Aby uzyskać prawidłowe wartości we wczesnym dzieciństwie, wykonano szereg badań objętości płuc u płodów w zależności od wieku ciążowego, ale wyniki nie były w pełni zgodne [13]. U dorosłych nabyte restrykcyjne choroby płuc, takie jak zwłóknienie płuc lub sarkoidoza, mogą prowadzić do zmniejszenia objętości płuc. Natomiast rozedma i POChP wykazują nadmierne rozdęcie płuc, a tym samym często wzrost objętości płuc [14].
Serce
U pacjentów kardiologicznych (np. z rozszerzeniem lub przerostem mięśnia sercowego) skany MRI wykonuje się z synchronizacją EKG. Obrazowanie w wielu fazach serca pozwala na ocenę grubości ścian mięśnia sercowego, objętości krwi skurczowej i rozkurczowej oraz uzyskanych parametrów czynnościowych [15, 16] (patrz górny rząd obrazów na ryc. 1). Zwykłe zestawy danych MRI tułowia są pozyskiwane bez wyzwalania EKG i dlatego zwykle nie można ich ocenić pod względem wielkości i funkcji serca. Jednak opisano już nowoczesne procedury MRI, które mogą rekonstruować obrazy MRI zależne od fazy oddechowej i serca nawet bez zewnętrznego wyzwalania [17], a także zautomatyzowane procedury określania konturów serca [18].
Wątroba
W zdrowymwątroba,objętość narządu można uznać za dobry parametr funkcji narządu.Wątrobarozmiar z normalnymi zakresami wartości został zbadany w badaniach CT, a wzory na „normalnywątrobaobjętość” jako funkcję wielkości ciała [19]. Zostały one doprecyzowane, a także dostosowane do różnych grup etnicznych [20, 21].choroby wątrobystłuszczenie, przeładowanie żelazem lub marskość wątroby znacznie się zwiększająobjętość wątrobyw porównaniu do wartości prawidłowych [21]. Należy jednak zauważyć, że frakcja funkcjonalnie aktywnawątrobazmniejsza się objętość w przypadkach z restrykcyjnymi procesami przebudowy (włóknienie i marskość wątroby) i musi być określana oddzielnie przez segmentację wewnętrznych struktur wątroby [22] Zmiany stylu życia u pacjentów ze stłuszczeniem prowadziły do istotnego zmniejszeniaobjętość wątrobyrównolegle z redukcjąwątrobazawartość tłuszczu [23, 24]. Szczególnie ważne znaczenie kliniczne ma funkcjonalneobjętość wątrobynadal dostępne po częściowej resekcji (w przypadku guzów lub przeszczepów), co należy wziąć pod uwagę przy planowaniu zabiegów chirurgicznych [25]
Powiększona śledziona (splenomegalia) jest często spowodowana przezchoroba wątrobyzwiązane z nadciśnieniem w układzie wrotnym. Związek między stopniemwątrobazwłóknienie lub nadciśnienie wrotne i objętość śledziony zostały ostatnio zbadane ilościowo u dużej liczby pacjentów [26]. Splenomegalia o często znacznie zwiększonej objętości w porównaniu z prawidłową obserwuje się również w niektórych chorobach zakaźnych (choroby wirusowe, takie jak EBV i CMV, ale także w malarii lub toksoplazmozie) oraz w chorobach hematologicznych (talasemia, anemia sierpowata) lub immunologicznych (młodzieńcze zapalenie stawów, toczeń rumieniowaty). ) zaburzenia [27].
Trzustka
Doniesiono, że objętość trzustki ma tendencję do zmniejszania się zarówno w cukrzycy typu I [28], jak i typu 2 [29] w porównaniu z osobami zdrowymi. W ostrym zapaleniu trzustki obserwuje się zwiększoną objętość narządu [30], ale po ustąpieniu kilku ostrych epizodów zapalenia trzustki,objętość trzustki jest często znacznie zmniejszona [31]. Ręczna lub automatyczna segmentacja trzustki na obrazach CT lub MR w przypadku (obwodowego) nacieku tłuszczowego jest mało wiarygodna [32]. Naciek tłuszczowy trzustki jest szczególnie powszechny w mukowiscydozie, a odróżnienie od otaczającej tkanki tłuszczowej jest wówczas często bardzo trudne [33].
Nerki
wnerka,Dwa główne komponenty, kora mózgowa i rdzeń, mogą być zwykle oddzielnie segmentowane w zestawach danych 3D ze skanów CT [34] i MRI [35]. Objętośćnerkowyw szczególności kora mózgowa zmniejsza się znacznie wraz z wiekiem, podczas gdy objętośćnerkowyrdzeń pozostaje stały lub nawet wzrasta [34]. Odchylenia od wartości prawidłowych widoczne są z jednej strony we wrodzonej aplazji lub hipoplazjinerki,ale także w nabytych awariach. Powiększony, spuchniętynerkiwystępują w ostrych procesach zapalnych (odmiedniczkowe zapalenie nerek) oraz w chorobach przewlekłych we wczesnym stadium, natomiast długotrwalechoroby nerek(np. cukrzycanerka) potencjalnie powodować zwłóknienie z utratą funkcji i zmniejszeniem objętości [36]. Wzorzec choroby, który jest szczególnie często badany wolumetrycznie za pomocą MRI, to dziedziczna, autosomalnie dominująca policystycznanerkachoroba (ADPKD) [37].
Tkanka tłuszczowa (podskórna, trzewna, nasierdziowa i osierdziowa)
W ciągu ostatnich 2 dekad przeprowadzono wiele badań dotyczących roli tkanki tłuszczowej w rozwoju chorób metabolicznych i sercowo-naczyniowych. Wykazano, że istotną rolę odgrywa nie tyle całkowita ilość tkanki tłuszczowej, ile rozmieszczenie tkanki tłuszczowej w różnych przedziałach [38]. O ile podskórna tkanka tłuszczowa w niewielkim stopniu przyczynia się do rozwoju chorób metabolicznych, o tyle ilość trzewnej tkanki tłuszczowej zlokalizowanej wokół narządów jamy brzusznej, z jej skłonnością do przewlekłych stanów zapalnych, istotnie koreluje ze zmniejszonym działaniem insuliny [39]. Zidentyfikowano większe ilości tłuszczu trzewnego, a także tłuszczu w jamie klatki piersiowej otaczającej mięsień sercowy (tłuszcz nasierdziowy i osierdziowy, które są trudne do odróżnienia na obrazach MR, ponieważ są oddzielone tylko cienką warstwą)jako czynniki ryzyka chorób układu krążenia [40]. Wykazano również, że mniejsze przedziały tłuszczowe, takie jak tłuszcz na szyi, podlegają niezależnej regulacji i że ilość tłuszczu wnerkowyokolice zatok są związane z białkomoczem [41]. Ponieważ proste nieinwazyjne metody, takie jak pomiar impedancji ciała, nie mogą z wystarczającą dokładnością określić niektórych przedziałów tłuszczowych, takich jak tłuszcz trzewny, MRI z możliwością rejestracji objętości.
CISTANCHE POPRAWI BÓL NEREK/NEREK
Mięśnie szkieletowe
Zmniejszenie ilości (aw niektórych przypadkach jakości) mięśni szkieletowych nazywa się sarkopenią. Zwłaszcza u starszych pacjentów sarkopenia często prowadzi do zmniejszonej aktywności i mobilności oraz może skutkować utratą samodzielności. Monitorowanie budowy mięśni odgrywa również rolę w treningu po unieruchomieniu z powodu choroby lub w medycynie sportowej. W zależności od obszaru zainteresowania, przekrojowe obszary mięśni lub całe objętości mogą być oceniane ilościowo za pomocą CT lub MRI [42].
Dyskusja
MRI jest bardzo dobrze przystosowany do ilościowego badania struktur anatomicznych w zestawach danych obrazów 3D o wysokiej rozdzielczości, zarówno pod względem ich rozmiaru i objętości (ryc. 1), jak i właściwości sygnału. Alternatywna metoda CT wiąże się niestety z narażeniem na promieniowanie, którego trudno uzasadnić podczas badania ochotników, a badania ultrasonograficzne 3D nie są obecnie łatwo możliwe dla wszystkich struktur anatomicznych w tułowiu ciała, ponieważ obszary zawierające powietrze i kości są nie do przebicia. dla USG i kontrasty tkankowe są często krytyczne dla automatycznej oceny. Ponieważ MRI na ogół nie wiąże się ze szkodliwym wpływem na tkankę, metoda ta nadaje się również szczególnie dobrze do badań dużych, głównie zdrowych kohort, chociaż jest to stosunkowo kosztowne. Oznaczenie objętości narządów i tkanki tłuszczowej w dużych kohortach ze zdrowymi osobami z różnych grup wiekowych i płci pozwala na określenie prawidłowych zakresów wartości, dzięki czemu wyniki późniejszych badań indywidualnych mogą być lepiej oceniane. Należy jednak wziąć pod uwagę systematyczne błędy wynikające z zastosowania różnych metod rejestracji lub analizy obrazu.W dużych kohortach z całej populacji uwzględnia się osoby z chorobami i/lub lekami, dzięki czemu można również rozpoznać i dalej wyjaśniać nieznane wcześniej korelacje (analogicznie do pracy nad mózgiem jak [43]). Pozwala to na wykrywanie nowych patomechanizmów i testowanie istniejących hipotez. Ponieważ losowe korelacje występują czasami przy dużej liczbie badanych parametrów, niezbędna jest dokładna analiza statystyczna (z poprawką Bonferroniego) i weryfikacja wyników w niezależnych zbiorach.
Studia indywidualne
Powstaje pytanie: czy każda specyfikacja wielkości narządu lub jego podbudów ma znaczenie? W przypadku większości pytań prawdopodobnie tak nie jest, przynajmniej tak długo, jak zmierzone wartości znajdują się w „normalnym zakresie”. Znaczące odchylenia od normy mogą jednak wskazywać na opisane powyżej procesy patologiczne lub potwierdzać już istniejące podejrzewane diagnozy. Należy również zauważyć, że doświadczeni radiolodzy często zauważają znaczne odchylenia wielkości narządu od normy podczas przeglądania obrazów, nawet bez automatycznej oceny.Zwłaszcza trzewna i nasierdziowa objętość tkanki tłuszczowej, a także inne schorzenia, są uważane za czynniki ryzyka rozwoju cukrzycy i chorób sercowo-naczyniowych. Dlatego przydatne jest określenie objętości, a także środki terapeutyczne w celu zmniejszenia tych przedziałów tłuszczowych. Indywidualny pomiar redukcji objętości tkanki tłuszczowej jest często bardzo pomocny w motywowaniu pacjentów do wdrażania odpowiednich terapii; jeśli na przykład masa mięśniowa wzrasta, a masa tłuszczowa spada podczas zmiany stylu życia z większą aktywnością fizyczną, nie jest to widoczne poprzez proste pomiary masy ciała lub impedancji całego ciała. W takich przypadkach odpowiednie wysiłki są przerywane, jeśli nie ma pozytywnej zachęty poprzez widoczny sukces. To samo dotyczy monitorowania wzmocnienia mięśni szkieletowych poprzez trening po unieruchomieniu z powodu choroby lub w sporcie. Wraz z szybkim rozwojem automatycznych metod segmentacji z wykorzystaniem algorytmów IA, całkiem możliwe, że MRI (i ewentualnie klinicznie wskazana CT) ) egzaminyTułów ciała umożliwi w przyszłości automatyczne określanie objętości narządów i innych pomiarów ilościowych. Podobnie jak w przypadku rutynowej laboratoryjnej analizy chemicznej krwi i innych płynów ustrojowych, odchylenia od normalnego zakresu zostaną wskazane i mogą zostać wykorzystane do postawienia diagnozy.
CISTANCHE POPRAWI INFEKCJE NEREK/NEREK