Sisäelinten ja rasvakudoksen automaattinen segmentointi ja tilavuusarviointi: mitä hyötyä niistä on?

edmund.chen@wecistanche.com

Perinteisen lääketieteellisen kuvantamisen tärkein tavoite klinikalla on patologisten muutosten näyttäminen projektio- tai viipalekuvissa. Kuvien laadun ratkaiseva kriteeri, tilaresoluutiota lukuun ottamatta, on yleensä normaalin ja patologisesti muuttuneen kudoksen välinen kontrasti. Kaikki tällä hetkellä saatavilla olevat kuvantamismenetelmät, mukaan lukien röntgentekniikka, ultraääni, magneettiresonanssi ja positroniemissiotomografia, ovat kehittyneet erittäin nopeasti viime vuosikymmeninä. Kuvien laatu ei ole vain parantunut tutkimusaikojen lyhentyessä, vaan myös uudet näkökohdat kuvatietojen arvioinnissa ovat tulleet huomion kohteeksi Etenkin magneettikuvauksessa, joka ei aikaisemmin usein pystynyt hyödyntämään koko potentiaaliaan. tavanomaisissa noin 30–45 minuutin tutkimusajoissa kunkin kuvaussekvenssin suhteellisen pitkien mittausaikkojen vuoksi nykyaikaiset menetelmät "massiivisella rinnakkaiskuvauksella", [1] "kompressoidulla tunnistuksella" [2] ja/tai "sormenjäljellä" [3 ] ovat hyödyllisiä: nyt on mahdollista tehdä kattavia moniparametrisia ja kvantitatiivisia kudosanalyysejä siedetyissä tutkimusajoissa. Yhden "kontrastipainotuksen" sijaan voidaan nyt kerätä raakadataa useista mitattavissa olevista kudosominaisuuksista (T1, T2, T2*, rasvapitoisuus, veden diffuusio jne.) samassa tutkimusajassa. Lisäksi nykyaikaiset MRI-järjestelmät mahdollistavat korkearesoluutioisten isotrooppisten kuvaaineistojen hankinnan koko kehosta tai ainakin vartalon rungosta, jotka sisältävät suuren määrän morfologista tietoa.

Avainsanat:munuaissairaus; munuaiset; maksasairaudet; maksan tilavuus; maksa

CISTANCHE PARANTAA MUUNAISTEN/MUUNAISTEN TOIMINTAA

Anatomis-morfologisen tiedon arviointi 3D-kuvaaineistoissa rajoittui alun perin ilmeisen sairauden kannalta olennaisen tiedon manuaaliseen määrittämiseen, esimerkiksi kasvainten tai etäpesäkkeiden koon arvioimiseksi staging-vaiheessa tai taudin kulun seurantaan hoidon aikana [4]. Vaikka anatomisen rakenteen (maksimi)halkaisija saatiin selville melko nopeasti, tilavuusanalyysien tekeminen oli paljon aikaavievämpää, sillä useita viipaleita piti arvioida manuaalisesti tätä tarkoitusta varten. Hieman myöhässä korkean resoluution 3D-aineistojen MR-hankintamenetelmien kehittämisestä, automaattisia tai ainakin puoliautomaattisia segmentointimenetelmiä kehitettiin ja käytettiin monissa tutkimuksissa [5]. Nykyaikaisten tekoälymenetelmien käyttöönoton myötä mahdollisuudet luotettavaan elinten segmentointiin MRI-aineistoista ovat parantuneet merkittävästi viime vuosina [6]. Vain näiden menetelmien avulla on nyt mahdollista arvioida yksittäisiä anatomisia rakenteita tuhansissa 3D-aineistoissa suurista populaatiopohjaisista kohorttitutkimuksista (esim. UK Biobank [7] tai German National Cohort [8]) hallittavalla vaivalla. Näillä tiedoilla voidaan toisaalta tutkia korrelaatioita anatomisten ominaisuuksien, geneettisten ominaisuuksien, elämänolosuhteiden (esim. ravitsemus ja fyysinen aktiivisuus) ja fyysisen kunnon (fyysinen kunto ja sairaudet) välillä. Toisaalta kohorttitutkimusten elinten tilavuusarvioinnin tulokset soveltuvat erittäin hyvin myös standardiarvojen ja normaaliarvojen laskemiseen eri väestöryhmille iästä ja sukupuolesta riippuen.

Tärkeä kysymys on tietysti, voidaanko näitä tilavuustietoja käyttää myös yksittäisten potilaiden sairauden indikaattoreina. Tutkimusolosuhteet (lepoasento, suhteellisen tasainen avaruudellinen herkkyys nykyaikaisilla multi-array-pääkäämeillä) ja arviointiolosuhteet (harvat kudosluokat suhteellisen yhtenäisellä tilajakaumalla) ovat varsin suotuisat aivojen MRI-tutkimuksille. Lisäksi neurotieteeseen osallistuu monia instituutioita. Siksi aivorakenteiden volyymiarvioinnin [9] sovellukset ovat varmasti edistyneimmät ja jo hyvin tutkitut kliinisissä kysymyksissä [10].Valkoisen ja harmaan aineen katoamisen vakavuus ja kulku eri aivoalueilla voi tarjota erilaisia ​​diagnostisia vihjeitä sairauksista [11] ja kvantifioida atrofian kehittymistä [12]. Poikkeamat normaalista ikääntymiseen liittyvästä atrofiasta voidaan havaita ja terapeuttisten interventioiden vaikutukset voidaan mitata tarkasti.

Monissa julkaisuissa esitettyyn työhön on sovellettu "kotitekoisia" segmentointialgoritmeja, joita lukijan ei ole helppo soveltaa. Tekoälymenetelmiä opetetaan usein erityisillä MRI-kuvilla (kontrastipainotuksen, geometristen kuvantamisparametrien ja kelajärjestelyjen suhteen), eikä yleinen soveltuvuus ole varmaa, vaikka algoritmi julkaistaan. Viime aikoina jotkut MR-toimittajat tarjoavat kuitenkin täydellisiä sarjoja ja segmentointityökaluja, jotka toimivat luotettavasti (esim.maksa). Neuro-MRI-tutkimuksissa on saatavilla ilmaisia ​​segmentointiohjelmistoja (esim. SPM, Wellcome Center for Human Neuroimaging, UCL Neurology, Lontoo, Iso-Britannia), jota käyttävät monet tieteelliset ryhmät ja jotka voidaan myös turvallisesti yhdistää kliinisiin hankintasekvensseihin. Lisäksi on kaupallista tukea, erityisesti AMRA Medicalin (Linköping, Ruotsi) kaltaisten yritysten kohorttitutkimusten tietojen jälkikäsittelyyn. Jotta voitaisiin paremmin arvioida kehon rungon elinjärjestelmien automatisoidun segmentoinnin ja tilavuusarvioinnin kliinistä merkitystä, seuraavassa on joitain tietoja elinten tilavuuden merkityksestä sairauksissa:

CISTANCHE PARANTAA MUNUAIS-/munuaissairauksia

Keuhkot 

Yksilöllinen keuhkojen tilavuus on tietysti riippuvainen hengitysasennosta ja siten vaihteleva. Siten johdonmukaiset tutkimusprotokollat ​​ovat tarpeen sekä vertailu- että vertailumittauksissa. Synnynnäiset sairaudet, kuten palleatyrät tai bronkopulmonaaliset epämuodostumat, liittyvät usein keuhkojen tilavuuden vähenemiseen. Normaaliarvojen saamiseksi varhaislapsuuden kehityksessä sikiöille on tehty useita keuhkojen tilavuustutkimuksia gestaatioiästä riippuen, mutta tulokset eivät ole olleet täysin yhdenmukaisia ​​[13]. Aikuisilla hankitut rajoittavat keuhkosairaudet, kuten keuhkofibroosi tai sarkoidoosi, voivat johtaa keuhkojen tilavuuden vähenemiseen. Sitä vastoin emfyseema ja keuhkoahtaumatauti osoittavat keuhkojen ylitäyttymistä ja siten usein keuhkojen tilavuuden kasvua [14].

Sydän

Sydänpotilailla (esim. sydänlihaksen laajentuminen tai hypertrofia) MRI-skannaukset tehdään EKG-synkronoinnin kanssa. Kuvantaminen useissa sydämen vaiheissa mahdollistaa sydänlihaksen seinämien paksuuden, systolisen ja diastolisen veren tilavuuden ja johdettujen toiminnallisten parametrien arvioinnin [15, 16] (katso ylempi kuvarivi kuvassa 1). Tavalliset rungon MRI-tietojoukot hankitaan ilman EKG-laukaisua, ja siksi niitä ei yleensä voida arvioida sydämen koon ja toiminnan suhteen. Kuitenkin on jo kuvattu nykyaikaisia ​​MRI-menetelmiä, joilla voidaan rekonstruoida hengitys- ja sydämen vaiheista riippuvaisia ​​MRI-kuvia jopa ilman ulkoista laukaisua [17], sekä automaattisia menettelyjä sydämen ääriviivojen määrittämiseen [18].

Maksa

Terveessämaksa,elimen tilavuutta voidaan pitää hyvänä parametrina elimen toiminnalle.Maksakokoa normaaliarvojen vaihteluvälillä on tutkittu CT-tutkimuksissa ja kaavoja "normaalillemaksatilavuus" kehon koon funktiona on annettu [19]. Niitä on jalostettu edelleen ja myös mukautettu eri etnisiin ryhmiin [20, 21]. Parenkymaalinenmaksasairaudetsteatoosin, raudan liikakuormituksen tai kirroosin on raportoitu lisääntyvän merkittävästimaksan tilavuusverrattuna normaaleihin arvoihin [21]. On kuitenkin huomattava, että toiminnallisesti aktiivinen osamaksatilavuus pienenee tapauksissa, joissa on rajoittavia uudelleenmuotoiluprosesseja (maksafibroosi ja kirroosi), ja se on määritettävä erikseen maksan sisäisten rakenteiden segmentoinnilla [22] Rasvatoosipotilaiden elämäntapamuutokset johtivat maksan merkittävään vähenemiseen.maksan tilavuussamanaikaisesti vähennyksen kanssamaksarasvapitoisuus [23, 24]. Erityisen tärkeä kliininen merkitys annetaan toiminnallisellemaksan tilavuusvielä saatavilla osittaisen resektion jälkeen (kasvainten tai siirteiden tapauksessa), mikä on otettava huomioon kirurgisia toimenpiteitä suunniteltaessa [25]

Pernan suurentunut perna (splenomegalia) johtuu useinmaksasairausliittyy verenpaineeseen portaalijärjestelmässä. Suhde asteenmaksafibroosia tai portaalihypertensiota ja pernan tilavuutta on viime aikoina tutkittu kvantitatiivisesti suurella määrällä potilaita [26]. Splenomegaliaa, jonka tilavuus on usein huomattavasti lisääntynyt normaaliin verrattuna, havaitaan myös joissakin tartuntataudeissa (virustaudit, kuten EBV ja CMV; mutta myös malaria tai toksoplasmoosi) ja hematologisissa (talassemia, sirppisoluanemia) tai immunologisissa (nuorten niveltulehdus, lupus erythematosus) ) häiriöt [27].

Haima

On raportoitu, että haiman tilavuus on taipumus pienentyä sekä tyypin I [28] että tyypin 2 diabeteksessa [29] verrattuna terveisiin yksilöihin. Akuutissa haimatulehduksessa havaitaan elimen tilavuuden lisääntymistä [30], mutta useiden akuuttien haimatulehdusjaksojen jälkeenhaiman tilavuus vähenee usein merkittävästi [31]. Haiman manuaalinen tai automaattinen segmentointi CT- tai MR-kuvissa (perifeerisen) rasvainfiltraation tapauksessa on tuskin luotettavaa [32]. Haiman rasvan tunkeutuminen on erityisen yleistä kystisessä fibroosissa, ja sen erottaminen ympäröivästä rasvakudoksesta on tällöin usein erittäin vaikeaa [33].

Munuaiset

Vuonnamunuainen,kaksi pääkomponenttia, aivokuori ja ydin, voidaan yleensä segmentoida luotettavasti erikseen 3D-tietosarjoissa TT-skannauksista [34] ja MRI-skannauksista [35]. Tilavuusmunuaistenerityisesti aivokuoren määrä pienenee merkittävästi iän myötä, kun taas sen tilavuusmunuaistenmedulla pysyy vakiona tai jopa kasvaa [34]. Poikkeamia normaaliarvoista näkyy toisaalta synnynnäisessä aplasiassa tai hypoplasiassamunuaiset,mutta myös hankituissa toimintahäiriöissä. Laajentunut, turvonnutmunuaisetesiintyy akuuteissa tulehdusprosesseissa (pyelonefriitti) ja kroonisissa sairauksissa alkuvaiheessa, kun taas pitkäkestoisiamunuaisten sairaudet(esim. diabeetikkomunuainen) voivat aiheuttaa fibroosia, johon liittyy toiminnan menetys ja tilavuuden väheneminen [36]. Sairauskuvio, jota erityisen usein tutkitaan volumetrisesti magneettikuvauksella, on perinnöllinen autosomaalinen dominantti monirakkulatautimunuainensairaus (ADPKD) [37].

Rasvakudos (ihonalainen, viskeraalinen, epi- ja perikardiaalinen)

Kahden viime vuosikymmenen aikana on tehty monia tutkimuksia kehon rasvan roolista aineenvaihdunnan ja sydän- ja verisuonisairauksien kehittymisessä. On osoitettu, että tärkeä rooli ei ole niinkään rasvakudoksen kokonaismäärä kuin rasvakudoksen jakautuminen eri osastoihin [38]. Vaikka ihonalainen rasvakudos vaikuttaa vain vähän aineenvaihduntaan liittyvien sairauksien kehittymiseen, vatsaelinten ympärillä olevan viskeraalisen rasvan määrä ja sen taipumus krooniseen tulehdukseen korreloi merkittävästi vähentyneen insuliinin vaikutuksen kanssa [39]. Suurempia määriä viskeraalista rasvaa ja myös sydänlihasta ympäröivän rintaontelon rasvaa (epikardiaalinen ja perikardiaalinen rasva, joita on vaikea erottaa MR-kuvissa, koska niitä erottaa vain ohut kerros) on tunnistettu.sydän- ja verisuonitautien riskitekijöinä [40]. Osoitettiin myös, että pienemmät rasvaosastot, kuten niskan rasva, ovat riippumattoman säätelyn alaisia ​​ja että rasvan määrämunuaistensinus-alue liittyy proteinuriaan [41]. Koska yksinkertaisilla ei-invasiivisilla menetelmillä, kuten kehon impedanssin mittauksella, ei voida määrittää riittävällä tarkkuudella tiettyjä rasvaosuuksia, kuten sisäelinten rasvaa, magneettikuvaus ja sen kyky tallentaa tilavuutta.

CISTANCHE PARANTAA MUNUAINEN/MUUNAISKIPUA

Luuston lihakset

Luustolihasten määrän (ja joissakin tapauksissa laadun) vähenemistä kutsutaan sarkopeniaksi. Erityisesti vanhemmilla potilailla sarkopenia johtaa usein aktiivisuuden ja liikkuvuuden vähenemiseen ja voi johtaa itsenäisyyden menettämiseen. Lihasten kertymisen seurannalla on merkitystä myös harjoittelussa sairauden aiheuttaman immobilisoinnin jälkeen tai urheilulääketieteessä. Kiinnostuksen kohteena olevasta alueesta riippuen lihasten poikkileikkausalueita tai kokonaisia ​​tilavuuksia voidaan arvioida kvantitatiivisesti TT:llä tai MRI:llä [42].

Keskustelu

MRI soveltuu erittäin hyvin korkearesoluutioisten 3D-kuvaaineistojen anatomisten rakenteiden kvantitatiiviseen tutkimiseen sekä niiden koon ja tilavuuden (kuva 1) että signaaliominaisuuksien osalta. Vaihtoehtoinen menetelmä TT liittyy valitettavasti säteilyaltistukseen, jota tuskin voidaan perustella vapaaehtoisia tutkittaessa, ja 3D-ultraäänitutkimukset eivät tällä hetkellä ole helposti mahdollisia kaikille kehon rungon anatomisille rakenteille, koska ilma- ja luupitoiset alueet eivät ole läpäiseviä. ultraäänelle ja kudoskontrastit ovat usein kriittisiä automaattiselle arvioinnille. Koska magneettikuvaukseen ei yleensä liity haitallisia vaikutuksia kudoksiin, tämä menetelmä soveltuu erityisen hyvin myös suurten, pääosin terveiden kohorttien tutkimuksiin, vaikka tämä onkin suhteellisen kallis. Elintilavuuksien ja rasvatilavuuksien määrittäminen suurissa kohorteissa, joissa on terveitä yksilöitä eri ikäryhmistä ja sukupuolista, mahdollistaa normaaliarvojen määrittämisen, jotta myöhempien yksittäisten tutkimusten tuloksia voidaan arvioida paremmin. Erilaisten tallennus- tai kuva-analyysimenetelmien käytöstä johtuvat systemaattiset virheet on kuitenkin otettava huomioon.Suuriin kohortteihin koko populaatiosta sisällytetään yksilöitä, joilla on sairauksia ja/tai lääkkeitä, jotta myös aiemmin tuntemattomat korrelaatiot voidaan tunnistaa ja selvittää tarkemmin (analogisesti aivojen työskentelyn kanssa [43]). Näin voidaan havaita uusia patomekanismeja ja testata olemassa olevia hypoteeseja. Koska satunnaisia ​​korrelaatioita esiintyy joskus useiden tutkittavien parametrien kanssa, huolellinen tilastollinen analyysi (Bonferroni-korjauksella) ja tulosten todentaminen riippumattomissa kollektiiveissa ovat välttämättömiä.

Yksittäiset opinnot

Herää kysymys: onko jokainen elimen tai sen alirakenteiden kokomääritys relevantti? Useimmissa kysymyksissä näin ei todennäköisesti ole, ainakaan niin kauan kuin mitatut arvot ovat "normaalialueella". Merkittävät poikkeamat normaalista vaihteluvälistä voivat kuitenkin osoittaa patologisia prosesseja, kuten edellä on raportoitu, tai vahvistaa jo olemassa olevia epäiltyjä diagnooseja. On myös huomioitava, että kokeneet radiologit huomaavat usein merkittäviä poikkeamia elimen koosta normaalialueelta tarkastellessaan kuvia, jopa ilman automaattista arviointia.Etenkin sisäelinten ja epi-/perikardiaalisen rasvamäärän sekä muiden sairauksien katsotaan olevan riskitekijöitä diabeteksen ja sydän- ja verisuonitautien kehittymiselle. Tilavuuden määrittäminen sekä terapeuttiset toimenpiteet näiden rasvaosien vähentämiseksi ovat siksi hyödyllisiä. Yksilöllinen rasvamäärän vähentämisen mittaaminen on usein erittäin hyödyllistä potilaiden motivoinnissa asianmukaisten hoitojen toteuttamisessa; jos esimerkiksi lihasmassa kasvaa ja rasvamassa pienenee elämäntapainterventiossa, jossa on enemmän fyysistä aktiivisuutta, se ei näy yksinkertaisilla paino- tai koko kehon impedanssimittauksilla. Näissä tapauksissa vastaavat ponnistelut keskeytetään, jos positiivista rohkaisua ei anneta todistettavan menestyksen kautta. Sama pätee luurankolihasten vahvistumisen seurantaan harjoittelun kautta sairauden aiheuttaman immobilisoinnin jälkeen tai urheilun alalla. Automaattisten segmentointimenetelmien nopean kehityksen myötä IA-algoritmeilla on täysin mahdollista, että MRI (ja mahdollisesti kliinisesti indikoitu TT) ) tutkimuksiarunko mahdollistaa jatkossa elinten tilavuuden ja muiden kvantitatiivisten mittausten automaattisen määrittämisen. Veren ja muiden ruumiinnesteiden rutiininomaisen laboratoriokemiallisen analyysin tapaan poikkeamat normaalialueelta ilmaistaan, ja niitä voidaan käyttää diagnoosin tekemiseen.

CISTANCHE PARANTAA MUNUAIS-/MUUNAISTUNNUSTA