Automatska segmentacija i volumetrijska procjena unutrašnjih organa i masnog tkiva: koje su prednosti?
Mar 02, 2022
Najvažniji cilj tradicionalnog medicinskog snimanja u klinici je pokazati patološke promjene na projekciji ili na snimku. Ključni kriterij za kvalitetu slika, osim prostorne rezolucije, obično je kontrast između normalnog i patološki promijenjenog tkiva. Svi trenutno dostupni modaliteti snimanja, uključujući tehnologiju rendgenskih zraka, ultrazvuk, magnetnu rezonancu i pozitronsku emisionu tomografiju, razvili su se vrlo brzo tokom posljednjih decenija. Ne samo da je poboljšan kvalitet slika dok su vrijeme pregleda postalo kraće, već su u fokus došli i novi aspekti evaluacije slikovnih podataka, posebno u slučaju MRI, koji u prošlosti često nije mogao iskoristiti svoj puni potencijal u uobičajenim vremenima pregleda od oko 30-45 minuta zbog relativno dugog vremena mjerenja za svaku sekvencu slike, moderne metode s "masivnom paralelnom slikom", [1] "komprimiranim sensingom" [2] i/ili "otiskom prsta" [3 ] su od koristi: sada je moguće izvesti sveobuhvatne multiparametarske i kvantitativne analize tkiva u podnošljivim vremenima pregleda. Umjesto jednog "ponderiranja kontrasta", sirovi podaci za nekoliko mjerljivih svojstava tkiva (T1, T2, T2*, sadržaj masti, difuzija vode, itd.) sada se mogu prikupiti u istom vremenu ispitivanja. Nadalje, moderni MRI sistemi omogućavaju akviziciju skupova podataka izotropne slike visoke rezolucije cijelog tijela ili barem trupa, koji sadrže veliku količinu morfoloških informacija.
Ključne riječi:bolest bubrega; bubrezi; bolesti jetre; volumen jetre; jetra
CISTANCHE ĆE POBOLJŠATI FUNKCIJU BUBREGA/BUBREGA
Procjena anatomsko-morfoloških informacija u skupovima podataka 3D slike u početku je bila ograničena na ručno određivanje očiglednih informacija relevantnih za bolest, npr. za procjenu veličine tumora ili metastaza u fazi ili za praćenje toka bolesti pod terapijom [4]. Iako je (maksimalni) promjer anatomske strukture mogao biti određen prilično brzo, bilo je mnogo više vremena za izvođenje volumetrijskih analiza, jer je nekoliko rezova moralo biti procijenjeno ručno u tu svrhu. Donekle kasni s razvojem metoda MR akvizicije za 3D skupove podataka visoke rezolucije, automatske ili barem poluautomatske metode segmentacije su razvijene i korištene u mnogim studijama [5]. Uvođenjem modernih metoda umjetne inteligencije (AI), mogućnosti za pouzdanu segmentaciju organa iz MRI skupova podataka značajno su se poboljšale posljednjih godina [6]. Samo uz pomoć ovih metoda sada je postalo izvodljivo procijeniti pojedinačne anatomske strukture u hiljadama 3D skupova podataka iz velikih kohortnih studija baziranih na populaciji (npr. UK Biobank [7] ili German National Cohort [8]) uz napor koji se može upravljati. Ovim podacima, s jedne strane, mogu se istražiti korelacije između anatomskih karakteristika, genetskih karakteristika, životnih okolnosti (npr. ishrana i fizička aktivnost) i fizičkog stanja (fizičke sposobnosti i bolesti). S druge strane, rezultati volumetrijske procene organa u kohortnim studijama su takođe veoma pogodni za određivanje standardnih vrednosti i opsega normalnih vrednosti za različite grupe stanovništva u zavisnosti od starosti i pola.
Važno je pitanje, naravno, da li se ovi volumetrijski podaci mogu koristiti i kao indikatori bolesti kod pojedinih pacijenata. Uslovi ispitivanja (položaj mirovanja, relativno ujednačena prostorna osetljivost sa modernim zavojnicama za glavu sa više nizova) i uslovi evaluacije (nekoliko klasa tkiva sa relativno doslednom prostornom distribucijom) su prilično povoljni za MRI preglede mozga. Osim toga, postoje mnoge institucije koje se bave neuronaukom. Stoga su primjene volumetrijske procjene moždanih struktura [9] svakako najnaprednije i već dobro proučene za klinička pitanja [10].Ozbiljnost i vremenski tok gubitka bijele i sive tvari u različitim područjima mozga može pružiti diferencijalne dijagnostičke naznake bolesti [11] i kvantificirati razvoj atrofije [12]. Mogu se otkriti odstupanja od normalne starosne atrofije i precizno izmjeriti efekte terapijskih intervencija.
Za rad predstavljen u mnogim publikacijama primijenjeni su "domaći" algoritmi segmentacije, koji čitatelju nije lako primijeniti. Često se AI metode treniraju sa specifičnim MRI slikama (u smislu ponderiranja kontrasta, geometrijskih parametara slike i rasporeda zavojnica) i opšta primjenjivost nije sigurna čak i ako je algoritam objavljen. Nedavno, međutim, neki dobavljači MR nude kompletne pakete sekvenci i alata za segmentaciju koji rade pouzdano (npr. za automatsku segmentacijujetra). U neuro MRI studijama dostupan je besplatni softver za segmentaciju (npr. SPM, Wellcome Center for Human Neuroimaging, UCL Neurology, London, UK), koji koriste mnoge naučne grupe i koji se takođe može bezbedno kombinovati sa sekvencama kliničkog snimanja. Nadalje, postoji komercijalna podrška, posebno za naknadnu obradu podataka iz kohortnih studija kompanija kao što je AMRA Medical (Linköping, Švedska). Da bi se bolje procijenila klinička važnost automatske segmentacije i volumetrijske procjene sistema organa u trupu tijela, neke informacije o značaju volumena organa u bolestima date su u sljedećem:
CISTANCHE ĆE POBOLJŠATI BOLESTI BUBREGA/BUBREGA
Pluća
Individualni volumen pluća naravno zavisi od položaja disanja i stoga varira. Stoga su konzistentni protokoli ispitivanja neophodni i za referentna i za uporedna mjerenja. Kongenitalne bolesti kao što su dijafragmatska kila ili bronhopulmonalne malformacije često su povezane sa smanjenim volumenom pluća. Da bi se dobile normalne vrijednosti u ranom djetinjstvu, rađeno je više pregleda plućnog volumena kod fetusa u zavisnosti od gestacijske dobi, ali rezultati nisu u potpunosti konzistentni [13]. Kod odraslih, stečene restriktivne bolesti pluća kao što su plućna fibroza ili sarkoidoza mogu dovesti do smanjenog volumena pluća. Nasuprot tome, emfizem i HOBP pokazuju prenapuhanost pluća i stoga često povećanje volumena pluća [14].
Srce
Kod srčanih pacijenata (npr. sa dilatacijom ili hipertrofijom miokarda), MR skeniranje se izvodi uz EKG sinhronizaciju. Snimanje u više srčanih faza omogućava procjenu debljine zidova miokarda, sistolnog i dijastolnog volumena krvi i izvedenih funkcionalnih parametara [15, 16] (vidi gornji red slika na slici 1). Uobičajeni MRI skupovi podataka trupa dobijaju se bez aktiviranja EKG-a i stoga se obično ne mogu procijeniti s obzirom na veličinu i funkciju srca. Međutim, već su opisane moderne MRI procedure koje mogu rekonstruisati respiratorne i srčane fazno zavisne MRI slike čak i bez eksternog pokretanja [17], kao i automatizovane procedure za određivanje srčanih kontura [18].
Jetra
U zdravomjetra,zapremina organa može se smatrati dobrim parametrom za funkciju organa.Jetraveličina s rasponima normalnih vrijednosti je istraživana u CT studijama, a formule za "normalnojetravolumen" u funkciji veličine tijela [19]. Oni su dodatno rafinirani i prilagođeni različitim etničkim grupama [20, 21]. Parenhimskibolesti jetrekao što su steatoza, preopterećenje gvožđem ili ciroza se značajno povećavavolumen jetreu poređenju sa normalnim vrijednostima [21]. Međutim, treba napomenuti da je funkcionalno aktivna frakcijajetravolumen postaje manji u slučajevima sa restriktivnim procesima remodeliranja (hepatična fibroza i ciroza) i mora se odrediti odvojeno segmentacijom unutrašnjih jetrenih struktura [22] Promjene u načinu života kod pacijenata sa steatozom dovele su do značajnog smanjenjavolumen jetreparalelno sa smanjenjem ujetrasadržaj masti [23, 24]. Posebno važan klinički značaj pridaje se funkcionalnomvolumen jetrei dalje dostupno nakon djelomične resekcije (u slučaju tumora ili transplantata), što se mora uzeti u obzir pri planiranju kirurških zahvata [25]
Slezena Povećana slezena (splenomegalija) često je uzrokovanabolest jetrepovezana sa hipertenzijom u portalnom sistemu. Odnos između stepenajetrafibroza ili portalna hipertenzija i volumen slezene su nedavno kvantitativno proučavani kod velikog broja pacijenata [26]. Splenomegalija sa često izrazito povećanim volumenom u odnosu na normalu uočava se i kod nekih infektivnih bolesti (virusne bolesti kao što su EBV i CMV; ali i kod malarije ili toksoplazmoze) i kod hematoloških (talasemija, anemija srpastih stanica) ili imunoloških (juvenilni artritis, eritematozni lupus). ) poremećaji [27].
Pankreas
Prijavljeno je da volumen pankreasa ima tendenciju smanjenja kod oba tipa I [28] i dijabetesa tipa 2 [29] u poređenju sa zdravim osobama. Kod akutnog pankreatitisa uočava se povećan volumen organa [30], ali nakon što se nekoliko akutnih epizoda pankreatitisa smiri,Volumen pankreasa je često značajno smanjen [31]. Ručna ili automatska segmentacija pankreasa na CT ili MR snimcima u slučaju (periferne) masne infiltracije teško je pouzdana [32]. Masna infiltracija pankreasa je posebno česta kod cistične fibroze i tada je diferencijacija od okolnog masnog tkiva često vrlo teška [33].
Bubrezi
Ububreg,dvije glavne komponente, korteks i medula, obično se mogu pouzdano segmentirati odvojeno u 3D skupovima podataka iz CT skeniranja [34] i MRI skeniranja [35]. Volumenbubrežnikorteks se, posebno, značajno smanjuje sa godinama, dok se volumenbubrežnimedula ostaje konstantna ili se čak povećava [34]. Odstupanja od normalnih vrijednosti se s jedne strane vide kod kongenitalne aplazije ili hipoplazijebubrezi,ali i kod stečenih kvarova. Povećana, otečenabubrezinastaju kod akutnih upalnih procesa (pijelonefritis) i kod kroničnih bolesti u ranim fazama, dok dugotrajnobolesti bubrega(npr. dijabetičarbubreg) potencijalno mogu uzrokovati fibrozu s gubitkom funkcije i smanjenjem volumena [36]. Obrazac bolesti koji se posebno često ispituje volumetrijski pomoću MR je nasljedni autosomno dominantni policističnibubregbolest (ADPKD) [37].
Masno tkivo (potkožno, visceralno, epi‑i perikardijalno)
U protekle 2 decenije provedena su mnoga istraživanja o ulozi tjelesne masti u razvoju metaboličkih i kardiovaskularnih bolesti. Dokazano je da važnu ulogu igra ne toliko ukupna količina masnog tkiva koliko distribucija masnog tkiva u različitim odjeljcima [38]. Dok potkožno masno tkivo malo doprinosi razvoju bolesti povezanih s metabolizmom, količina visceralne masti koja se nalazi oko abdominalnih organa, sa svojom sklonošću kroničnoj upali, značajno korelira sa smanjenim djelovanjem inzulina [39]. Identificirane su veće količine visceralne masti, kao i masti u torakalnoj šupljini koja okružuje miokard (epikardijalna i perikardijalna mast, koje je teško razlikovati na MR snimcima jer su odvojene samo tankim slojem).kao faktori rizika za kardiovaskularne bolesti [40]. Također je pokazano da su manji dijelovi masti kao što je salo na vratu podložni neovisnoj regulaciji i da količina masti ububrežnipodručje sinusa povezano je s proteinurijom [41]. Budući da jednostavne neinvazivne metode kao što je mjerenje tjelesne impedance ne mogu sa dovoljnom preciznošću odrediti neke masne dijelove kao što je visceralna masnoća, MRI sa svojom sposobnošću snimanja volumena.
CISTANCHE ĆE POBOLJŠATI BOL BUBREGA/BUBREGA
Skeletna muskulatura
Smanjenje količine (a u nekim slučajevima i kvaliteta) skeletnih mišića naziva se sarkopenija. Naročito kod starijih pacijenata, sarkopenija često dovodi do smanjene aktivnosti i pokretljivosti i može rezultirati gubitkom neovisnosti. Praćenje izgradnje mišića također igra ulogu u treningu nakon imobilizacije zbog bolesti ili u sportskoj medicini. U zavisnosti od regije od interesa, površine poprečnog presjeka mišića ili cijeli volumen mogu se kvantitativno procijeniti CT ili MRI [42].
Diskusija
MRI je veoma pogodan za kvantitativno istraživanje anatomskih struktura u skupovima podataka 3D slike visoke rezolucije, kako u smislu njihove veličine i zapremine (slika 1), tako i njihovih svojstava signala. Alternativni metod CT je, nažalost, povezan sa izlaganjem zračenju koje se teško može opravdati kod pregleda dobrovoljaca, a 3D ultrazvučni pregledi trenutno nisu mogući za sve anatomske strukture u trupu, jer nisu probojna područja koja sadrže zrak i kosti. za ultrazvuk i kontrasti tkiva su često kritični za automatsku evaluaciju. Kako MRI generalno nije povezan sa štetnim efektima na tkivo, ova metoda je također posebno pogodna za preglede velikih, uglavnom zdravih kohorti, iako je relativno skupa. Određivanje volumena organa i masnog tkiva u velikim kohortama sa zdravim osobama različitih starosnih grupa i spolova omogućava određivanje raspona normalnih vrijednosti, tako da se rezultati kasnijih individualnih pregleda mogu bolje procijeniti. Međutim, moraju se uzeti u obzir sistematske greške zbog upotrebe različitih metoda snimanja ili analize slike.U velike kohorte iz cijele populacije uključene su osobe s bolestima i/ili lijekovima, tako da se također mogu prepoznati i dalje razjasniti ranije nepoznate korelacije (po analogiji s radom na mozgu kao [43]). Ovo omogućava otkrivanje novih patomehanizama i testiranje postojećih hipoteza. Pošto se ponekad javljaju slučajne korelacije sa velikim brojem parametara koji se istražuju, neophodna je pažljiva statistička analiza (sa Bonferronijevim korekcijom) i verifikacija rezultata u nezavisnim kolektivima.
Individualne studije
Postavlja se pitanje: je li relevantna svaka specifikacija veličine organa ili njegovih podstruktura? Za većinu pitanja to vjerovatno nije slučaj, barem sve dok su izmjerene vrijednosti u "normalnom opsegu". Međutim, značajna odstupanja od normalnog raspona mogu ukazivati na patološke procese kao što je gore navedeno ili potvrditi već postojeće sumnjive dijagnoze. Također treba napomenuti da će iskusni radiolozi često primijetiti značajna odstupanja veličine organa od normalnog raspona prilikom pregleda slika, čak i bez automatske procjene.Visceralni i epi-/perikardijalni volumen masti posebno se, zajedno sa drugim stanjima, smatraju faktorima rizika za razvoj dijabetesa i kardiovaskularnih bolesti. Određivanje volumena, kao i terapijske mjere za smanjenje ovih masnih odjeljaka, je stoga korisno. Individualno mjerenje smanjenja volumena masti često je od velike pomoći u motiviranju pacijenata pri primjeni odgovarajućih terapija; ako se, na primjer, mišićna masa povećava, a masna masa smanjuje tokom intervencije u načinu života s više fizičke aktivnosti, to nije vidljivo kroz jednostavna mjerenja težine ili impedance cijelog tijela. U tim slučajevima, odgovarajući napori se prekidaju ako se ne da pozitivno ohrabrenje kroz vidljiv uspjeh. Isto vrijedi i za praćenje jačanja skeletnih mišića kroz trening nakon imobilizacije zbog bolesti ili u oblasti sporta. Uz brz razvoj metoda automatske segmentacije korištenjem IA algoritama, sasvim je zamislivo da MRI (a možda i klinički indicirana CT ) pregleditrup će u budućnosti omogućiti da se zapremine organa i druga kvantitativna mjerenja određuju automatski. Slično rutinskoj laboratorijskoj hemijskoj analizi krvi i drugih tjelesnih tekućina, tada će biti indicirana odstupanja od normalnog raspona i mogu se iskoristiti za postavljanje dijagnoze.
CISTANCHE ĆE POBOLJŠATI INFEKCIJU BUBREGA/BUBREGA
