Haalbaarheid van kwantitatieve gevoeligheidsmapping (QSM) van de menselijke nier

Voor meer informatie:ali.ma@wecistanche.com

Eric Bechler1 · Julia Stabinska1 · Thomas Thiel1 · Jonas Jasse1 · Romeinen Zukovs2 · Birte Valentin1 · Hans-Jörg Wittsack1 · Alexandra Ljimani1

Abstract

Doelstelling De haalbaarheid van in vivo evaluerenkwantitatieve gevoeligheidstoewijzing(QSM) van de mensnier.

Methoden Een axiale single-breath-hold 3D multi-echo-sequentie (acquisitietijd 33 s) werd voltooid op een 3 T-MRI-scanner (Magnetom Prisma, Siemens Healthineers, Erlangen, Duitsland) bij 19 gezonde vrijwilligers. Op grafieken gebaseerde uitpakken in combinatie met de T2*-IDEAL-benadering werd uitgevoerd om de chemische verschuiving van vet te verwijderen en om QSM te kwantificeren (kwantitatieve gevoeligheidsmapping)van de bovenbuik. Gemiddelde gevoeligheidswaarden van de gehele, renale cortex en medulla in beidenierenen de lever werden bepaald en vergeleken. Vijf proefpersonen werden tweemaal gemeten om de reproduceerbaarheid te onderzoeken. Eén patiënt met ernstigenierfibrose werd in het onderzoek opgenomen om de mogelijke klinische relevantie van QSM te evalueren.

Resultaten QSM (kwantitatieve gevoeligheidsmapping) was succesvol bij 17 vrijwilligers en patiënten met nierfibrose. Anatomische structuren in de buik waren duidelijk te onderscheiden met QSM en de in de lever verkregen gevoeligheidswaarden waren vergelijkbaar met die in de literatuur. De resultaten lieten een goede reproduceerbaarheid zien. Trouwens, de gemiddeldenierQSM-waarden verkregen bij gezonde vrijwilligers ({{0}}.04±0,07 ppm rechts en − 0,06±0,19 ppm linksnier) waren aanzienlijk hoger dan die gemeten in de onderzochte fibrotischenier(− {{0}}.43±− 0.02 ppm).

Conclusie QSM van de mensnierzou een veelbelovende benadering kunnen zijn voor de beoordeling van informatie over microscopische nierweefselstructuur. Daarom zou het de functionele MR-beeldvorming van de nieren verder kunnen verbeteren.

Trefwoorden Kwantitatieve gevoeligheidsmapping · nierMRI · Functionele beeldvorming van de nieren

Invoering

De laatste jaren is er steeds meer onderzoeksinteresse in functionelenierMRI-scan. Verschillende eerdere studies hebben het grote potentieel van MRI-biomarkers aangetoond voor het karakteriseren van verschillende pathologische processen die betrokken zijn bij de progressie vanchronische nierziekte(CKD) [1-3]. Een histologisch kenmerk van CKD en een belangrijke oorzaak van progressief nierfunctieverlies bij renale interstitiële fibrose. Daarom is de mate van interstitiële fibrose in het nierweefsel een belangrijke indicator bij het bepalen van de reversibiliteit vannierschade. Tot nu toe is nierbiopsie het enige betrouwbare klinische hulpmiddel om de mate van tubulo-interstitiële fibrose te evalueren. Aangezien deze diagnostische procedure invasief is, aangetast wordt door bemonsteringsbias en niet willekeurig herhaalbaar is [4, 5], is een niet-invasieve beeldvormingsmodaliteit die de mate van renale interstitiële fibrose nauwkeurig kan bepalen, zeer wenselijk.

Kwantitatieve gevoeligheidstoewijzing(QSM) is een nieuwe MRI-techniek die fasebeelden gebruikt om een ​​hoog structureel contrast en kwantitatieve informatie over de magnetische gevoeligheid van het weefsel te produceren [6-9]. In eerdere studies was QSM gevoelig voor veranderingen in weefselmicrostructuur of chemische samenstelling [10-12] en is daarom een ​​veelbelovende, niet-invasieve benadering voor de beoordeling vannierinterstitiële fibrose [13]

Tot nu toe is QSM voornamelijk toegepast om pathologische afzettingen in basale ganglia bij verschillende neurologische aandoeningen te meten, of als een biomarker voor beeldvorming van ijzerstapeling in de lever [14-17]. Meer recente studies in diermodellen hebben het potentieel van QSM onderzocht om te beoordelen:niermicrostructuur [13, 18, 19]. In het bijzonder Xie et al. [13] toonde de gevoeligheid van QSM aan bij het detecteren van pathologie veroorzaakt door nierontsteking en fibrose bij muizen. Voor zover ons bekend, is er echter geen adequaat onderzoek in vivo uitgevoerd om de gevoeligheid in de h . in kaart te brengenuman nier.

Abdominale QSM (kwantitatieve gevoeligheidsmapping) wordt als technisch uitdagend beschouwd. Ten eerste leidt ademhalingsbeweging van de bovenste buikorganen tot een beperkt structureel contrast en onderschatte gevoeligheidswaarden [17]. Ten tweede heeft de aanwezigheid van buikvet een negatieve invloed op de schatting van de B0-veldkaart, wat een cruciale stap is in het QSM-algoritme [17, 20]. Ten derde veroorzaken de grote gevoeligheidsvariaties rond de lucht-weefselinterfaces ernstige streaking-artefacten en dus onjuiste QSM-kaarten [21]. Bovendien, zoals aangetoond in een eerdere voorlopige simulatiestudie door onze studiegroep [22], wordt de nauwkeurigheid van de abdominale gevoeligheidskaart sterk beïnvloed door de faseverwerkingsstap, inclusief uitpakken en achtergrondveldverwijdering.

Het huidige werk was gericht op het evalueren van de haalbaarheid van het uitvoeren van in vivo QSM van demenselijke nierop een klinisch MRI-systeem. Hiervoor zijn een geoptimaliseerd MRI-acquisitieprotocol en QSM (kwantitatieve gevoeligheidsmapping) verwerkingspijplijn werd gebruikt om nier-QSM-kaarten te verkrijgen.

Klik naarCistanche para que sirve om nierziekte te behandelen

Methoden:

Studiepopulatie

De studie werd goedgekeurd door de lokale ethische commissie en van alle proefpersonen werd schriftelijke geïnformeerde toestemming verkregen.

Negentien gezonde vrijwilligers (gemiddelde leeftijd 28,1 ± 12,9 jaar) zonder enige voorgeschiedenis vannierziekte of een bekende systemische ziekte waarbij mogelijk de nieren betrokken zijn, hebben deelgenomen aan het onderzoek. Vijf proefpersonen werden tweemaal gemeten met een tijdsinterval van 10 minuten tussen metingen en herpositionering in de MRI om de reproduceerbaarheid te evalueren.

Verder heeft een 78-jarige, mannelijke patiënt met ernstigenierfibrose door een lange anamnese vannierinsufficiëntie (CKD V (eGFRa<15 ml/min/1.73="" m2="" )="" for="" 25="" years,="" state="" after="" kidney="" transplantation="" 20="" years="" ago,="" chronic="" graft="" failure="" and="" dialysis="" for="" the="" last="" 5="" years)="" was="" exemplarily="" included="" in="" the="" study="" to="" evaluate="" the="" potential="" clinical="" relevance="" of=""> (kwantitatieve gevoeligheidsmapping).

Voor het onderzoek zijn geen specifieke voorbereidingen getroffen [1].

Data-acquisitie

Data-acquisitie werd uitgevoerd op een 3T-scanner (Magnetom Prisma, Siemens AG, Healthineers, Erlangen, Duitsland) met behulp van een 32-kanaals wervelkolomspoel in combinatie met een 30-kanaals lichaamsspoel. Een half-Fourier single-shot turbo spin-echo (HASTE) -sequentie in alle drie de beeldassen (axiaal, coronaal en sagittaal) werd gebruikt om anatomische beelden te verkrijgen. Deze anatomische afbeeldingen werden gebruikt voor FOV-plaatsing voor de volgende QSM (kwantitatieve gevoeligheidsmapping) reeks. Het FOV werd centraal in denieren(Figuur 1).

QSM-gegevens werden verkregen met behulp van een axiale enkele apneu 3D multi-echogradiëntechosequentie met de volgende parameters: aantal echo's=4; TE1/ΔTE/TR=3.1/3.7/17 ms; kantelhoek=15 graden ; acquisitiematrix=256×192 × 26; voxelgrootte=1,64×1,64 × 3 mm3; bandbreedte=1775 Hz/pixel; slice en fase Fourier-codering=6/8; parallelle beeldversnellingsfactor=2; acquisitietijd 33 s. De instellingen voornierQSM-acquisitie werd bepaald in pre-tests om de optimale beeldkwaliteit te bereiken in de kortst mogelijke acquisitietijd.

De kwaliteit van de ingehouden adem tijdens de QSM-acquisitie werd geverifieerd door visuele controle door de geïntegreerde patiëntobservatiecamera. Bovendien werd de kwaliteit van de verkregen gegevens vóór nabewerking geverifieerd door twee ervaren radiologen in abdominale beeldvorming (AL 10 jaar, BV 4 jaar). In het geval van significante bewegingsartefacten in de gegevens, kan de QSM (kwantitatieve gevoeligheidsmapping) acquisitie werd onmiddellijk herhaald of uitgesloten van verdere analyse als de herhaling mislukte.

Fig. 1 Voorbeeld van FOV-plaatsing voornierQSM acquisitie. FOV stond centraal in denierenom uniforme beeldcondities te garanderen

Nabewerking

Het stroomschema in Fig. 2 toont de reconstructiestappen die zijn ondernomen om denierQSM-kaarten. Alle berekeningen werden uitgevoerd met behulp van MATLAB (R2018a; The MathWorks, Inc., Natick, MA).

In de eerste stap waren de gegevens met nul gevuld, wat leidde tot een voxelgrootte van 0,8×0,8 × 2,25 mm³. De nabewerking voor QSM was oorspronkelijk geoptimaliseerd voor beeldvorming van de hersenen, waar de bijdrage van vet aan het MRI-signaal minimaal is [20]. Toepassingen buiten de hersenen, met name in de buik, vereisen echter effectieve vetverwijdering om kwantificeringsbias in de gevoeligheidskaarten te voorkomen. In deze studie werd het ongewenste chemische verschuivingseffect tussen water en vet geëlimineerd door een methode genaamd Simultaneous phase unwrapping and removal of chemical shift (SPURS) [20]. SPURS gebruikt een op grafieken gebaseerde uitpakmethode om de faseomloop in de met nul gevulde fasegegevens te elimineren. Verder werd een T2*-IDEAL-benadering [23] toegepast om de resulterende vetgecorrigeerde veldkaarten te berekenen, die werden gebruikt als invoer voor de verwijdering van het achtergrondveld.

In deze studie werden automatisch maskers van de hele buik gegenereerd op de axiale afbeeldingen (Brain Surface Extractor (BSE) van BrainSuite, versie 18a, University of California) van de nul-gevulde magnitudegegevens om de ongewenste lucht buiten de buik te verwijderen. Na visuele kwaliteitscontrole van de segmentatie werden de gegenereerde maskers gebruikt om het achtergrondveld te verwijderen met behulp van het Laplace-grenswaarde (LBV) algoritme [24], dat onderdeel is van de MEDI-toolbox [25].

In een laatste stap werd het slecht gestelde inverse probleem opgelost door de vermindering van het strepenartefact voor QSM (kwantitatieve gevoeligheidsmapping) (STAR-QSM) methode [26] uit de STI-Suite [9] resulterend in gevoeligheidskaarten. Zowel LBV als STAR-QSM werden uitgevoerd met standaardinstellingen.

De software ITK-SNAP (versie 3.8.0, University of Pennsylvania) werd gebruikt om handmatig interessegebieden (ROI's) te tekenen in het paravertebrale spierweefsel (336 pixels), lever (900 pixels), de gehelenier(5533±1792 pixels en 4756±1142 pixels voor links en rechts)nierenrespectievelijk),niercortex (1260 ± 279 pixels en 1245 ± 265 pixels voor respectievelijk linker en rechter nieren) en niermerg (respectievelijk 993 ± 293 pixels en 962 ± 392 pixels voor linker en rechter nieren) (Fig. 3). Alle ROI's werden over drie opeenvolgende plakjes getrokken en de gemiddelde gevoeligheid en standaarddeviatie (SD) werden berekend voor elk orgaan en onderwerp. Het paravertebrale spierweefsel werd gebruikt als referentie voor QSM-kwantificering in het huidige onderzoek om consistentie van de gevoeligheidswaarden te garanderen (supplementmateriaal, tabel S1) [27].

Fig. 2 Stroomschema met de reconstructiestappen de berekening van de gevoeligheidskaarten. Het startpunt van de reconstructie zijn de met nul gevulde magnitude- en fasegegevens. Gelijktijdige fase-uitpakken en verwijdering van chemische verschuiving (SPURS) werd toegepast op nul-gevulde fasegegevens om chemische verschuivingseffecten tussen water en vet te verwijderen. Verder werd een T2*-IDEAL-benadering toegepast om de resulterende vetgecorrigeerde veldkaarten (uitgepakte fase) te berekenen. Maskers van de hele buik werden automatisch gegenereerd uit met nul gevulde magnitudegegevens voor het verwijderen van het achtergrondveld met behulp van het Laplace-grenswaarde-algoritme (LBV). In een laatste stap werd het slecht gestelde inverse probleem opgelost door de vermindering van het strepenartefact voor QSM (kwantitatieve gevoeligheidsmapping) (STAR-QSM) methode uit de STI-Suite resulterend in gevoeligheidskaarten.

Om te onderzoeken of globale nabewerkingseffecten de berekende QSM . vertekenen (kwantitatieve gevoeligheidsmapping) waarden, bijv. niet-lokale fouten van onbetrouwbare veldschattingen over de ROI's, QSM-waarden in de lever werden bepaald en vergeleken met de beschikbare literatuurwaarden.

Verder is de nauwkeurigheid van het verwijderen van buitenlucht een belangrijke stap voor QSM-kwantificering. Om de invloed van de kwaliteit van de maskerdefinitie op de QSM-waarden te evalueren, werd de maskerdefinitie bij één gezonde proefpersoon gevarieerd. Zo werden respectievelijk vier verschillende maskers (zonder lucht buiten de buik, met een kleine en een grote hoeveelheid buitenlucht en met het hele beeldgebied) op de dataset toegepast, en gevoeligheidswaarden van de rechternierwerden vergeleken.

Fig. 3 Voorbeeld van ROI-plaatsing. Magnitude-afbeelding van de buik met voorbeeldige interessegebieden (ROI's) getekend in het paravertebrale spierweefsel (336 pixels), lever (900 pixels), de hele nier (5533 ± 1792 pixels en 4756 ± 1142 pixels voor respectievelijk linker en rechter nieren ),niercortex (1260±279 pixels en 1245±265 pixels voor links en rechts)nieren, respectievelijk) en niermerg (993 ± 293 pixels en 962 ± 392 pixels voor respectievelijk linker- en rechternieren)

statistische analyse

De gevoeligheidswaarden van links en rechtsnier, evenals de cortex en medulla in beide nieren, van de gezonde controlegroep, werden gemiddeld over alle proefpersonen en vergeleken met het gemiddelde en SD in de rechter fibrotische nier om een ​​voorbeeld van de potentiële klinische relevantie van QSM te beoordelen.

Verder werd de Wilcoxon-test gebruikt om de QSM-resultaten van de linker- en rechternieren te vergelijken, evenals:niercortex en medulla. Trouwens, een Pearson-correlatie tussen denieren levergevoeligheid werd berekend voor de gezonde controlegroep.

Resultaten

Twee gezonde proefpersonen werden uitgesloten van verdere analyse vanwege ernstige artefacten op de grens tussen de longen en het omliggende weefsel (figuur 4e).

QSM (kwantitatieve gevoeligheidsmapping) werd met succes gekwantificeerd bij de 17 overgebleven gezonde vrijwilligers en de patiënt metnierfibrose (supplementmateriaal, figuren S1-S3). De parenchymateuze bovenbuikorganen, zoals lever en nier, waren duidelijk te onderscheiden in deze datasets (Fig. 4). In één geval mislukte het uitpakken van de fase in een klein gebied dicht bij denier, wat leidt tot onnauwkeurige gevoeligheidswaarden in dat gebied (figuur 4d). Slechts een klein deel van de nier was echter aangetast en werd overwogen tijdens de ROI-plaatsing. Er was geen correlatie waarneembaar tussen de QSM-waarden van de nier en de lever (R2=0.035) (Fig. 5), wat aangeeft dat er geen globale effecten van nabewerking zijn die de berekende gevoeligheidswaarden beïnvloeden.

Afbeelding 6 toont de gevoeligheidskaarten en waarden voor de variatie van de maskerdefinitie bij één gezonde vrijwilliger. Geen veranderingen in renale QSM (kwantitatieve gevoeligheidsmapping) waarden konden worden geïdentificeerd in het geval van een relatief kleine onnauwkeurigheid van de segmentatie (Fig. 6a, b). Grotere hoeveelheden lucht leidden echter tot onnauwkeurige gevoeligheidswaarden (Fig. 6c, d).

De betekenisniergevoeligheidswaarden van de gezonde vrijwilligers waren {{0}}.04±0.07 ppm (bereik − {{10}} .07 tot 0,16 ppm) voor de rechter nier en − 0,06 ± 0,19 ppm (bereik − 0,35 tot 0,39 ppm) voor respectievelijk de linker nier (tabel 1). De gemiddelde gevoeligheidswaarden van rechts en linksnierenwaren significant verschillend (p<0.05) showing="" a="" wider="" range="" of="" values="" for="" the="" left="" kidney="" (table="" 1).="" no="" significant="" difference="" between="" cortical="" and="" medullary="" qsm="" values="" of="" the="" right="" or="" the="" left="" kidney="" could="" be="" determined="" (p="">0.05).

Levergevoeligheidswaarden gemeten bij gezonde vrijwilligers en de patiënt metnierfibrose waren in hetzelfde bereik {{0}},17±0,13 ppm en 0,15±0,01 ppm voor respectievelijk gezonde vrijwilligers en de patiënt met nierfibrose (tabel 2).

Reproduceerbaarheidsmetingen bij vijf proefpersonen lieten een goede reproduceerbaarheid zien voor zowel de lever als de rechter nier QSM (kwantitatieve gevoeligheidsmapping) zonder significant verschil in lever- of niergevoeligheidswaarden tussen beide metingen (p=0.48) (Tabel 3). De gevoeligheidswaarden voor rechtsnierwaren {{0}}.02±0.06 ppm en − 0.03±{{15} }.11 ppm voor respectievelijk de test- en hertestmetingen. De gevoeligheid van de lever was respectievelijk 0,16±0,10 ppm en 0,12±0,07 ppm.

Figuur 7 toont de QSM-kaarten over de magnitude-afbeeldingen voor een gezonde vrijwilliger en de onderzochte patiënt met renale interstitiële fibrose. De gevoeligheid van de rechter fibrotische nier was sterk diamagnetisch (− 0,43±0,02 ppm).

Discussie

QSM (kwantitatieve gevoeligheidsmapping) is een nieuwe, veelbelovende benadering voor de beoordeling van informatie over de microstructuur en functie van weefsel. In dit werk hebben we de haalbaarheid aangetoond van het uitvoeren van in vivo QSM van de menselijke nier op een klinisch MRI-systeem. Het gepresenteerde acquisitieschema en verder de geïmplementeerde QSM-verwerkingspijplijn, samengesteld uit de state-of-the-art QSM-methoden, was succesvol in 90 procent van de onderzochte onderwerpen en leidde tot reproduceerbare resultaten. Anatomische structuren in de buik waren duidelijk te onderscheiden op de QSM-kaarten en er waren slechts enkele artefacten aanwezig in het darmgebied. Bovendien is het verschil tussen de gemiddelde QSM-waarden verkregen in de gezondenierenen de gevoeligheid van de fibrotische nier toont het potentieel van QSM (kwantitatieve gevoeligheidsmapping) om onderscheid te maken tussen gezond en pathologischnierzakdoek. Aangezien deze financiering gebaseerd is op slechts één enkel fibrotisch geval, zouden verdere studies met een grotere patiëntenpopulatie de diagnostische waarde van QSM in de toekomst moeten bewijzen.

Fig. 4 Voorbeelden van in- en uitgepakte fasebeelden, evenals lokale veld- en gevoeligheidskaarten en het bijbehorende masker van de bovenbuik van vijf gezonde vrijwilligers. Anatomische structuren zijn duidelijk te onderscheiden en er zijn slechts enkele artefacten aanwezig in het darmgebied (a-c). In één geval mislukte het uitpakken van de fase dicht bij denier, wat leidt tot onnauwkeurige gevoeligheidswaarden (d, witte pijl). Voorbeeld van ernstige artefacten door lucht in de longen (e, zwarte pijlen), die aanwezig waren bij twee gezonde vrijwilligers. Beide datasets zijn verwijderd uit verdere nabewerking.

Fig. 5 Pearson-correlatiegrafiek tussennieren levergevoeligheidswaarden van de gezonde vrijwilligers. Er was geen correlatie waarneembaar tussen nier- en lever-QSM (kwantitatieve gevoeligheidsmapping) waarden (R2=0.035), wat aangeeft dat de globale nabewerkingseffecten geen invloed hadden op de QSM-kwantificering.

Fig. 6 Voorbeelden van gevoeligheidskaarten en waarden voor de variatie van maskerdefinitie voor verwijdering van buitenlucht bij één gezonde vrijwilliger. Geen wijzigingen van QSM-waarden van rechtsnierkunnen worden geïdentificeerd in het geval van een relatief kleine onnauwkeurigheid van de segmentatie waarbij na segmentering geen buitenlucht meer over is (a) en met een kleine hoeveelheid buitenlucht (b). Grotere hoeveelheden buitenlucht leidden echter tot onnauwkeurige gevoeligheidswaarden (c, d)

Tabel 1 Gevoeligheidswaarden van het geheelnier, de cortex en de medulla van gezonde vrijwilligers gemiddeld over alle 17 proefpersonen

Het significante verschil in QSM (kwantitatieve gevoeligheidsmapping) waarden van links en rechtsnieren(p<0.05) is="" probably="" based="" on="" higher="" motion="" artifacts="" in="" the="" left="" kidney.="" considering="" the="" standard="" deviation,="" the="" susceptibility="" of="" healthy="">niertissue fluctuates around 0 in the current study. No significant difference between cortical and medullar QSM values of the right or the left kidneys could be determined (p>0.05)

Tabel 2 Gevoeligheidswaarden van de rechter nier en de lever van gezonde vrijwilligers, gemiddeld over alle 17 proefpersonen, en de patiënt met ernstige nierfibrose

De QSM-waarde van rechtsniervan patiënten met nierfibrose is significant verschillend van de QSM-waarden gemeten in de rechter nier van gezonde vrijwilligers. De QSM-waarden voor de lever gemeten bij gezonde vrijwilligers en de patiënt met nierfibrose liggen echter in hetzelfde bereik, met uitzondering van globale effecten die de nier-QSM-resultaten vertekenen.

QSM is al eerder toegepast in de menselijke buik [17, 27, 29, 30], wat veelbelovende resultaten laat zien als een nieuwe MRI-techniek. De methode brengt echter enkele technische uitdagingen met zich mee die de in vivo toepassing ervan op de menselijke nier tot nu toe hebben belemmerd. Door reeds bestaande beeldverwerkingsstappen voor QSM . te combineren en te optimaliseren (kwantitatieve gevoeligheidsmapping), zijn sommige van deze problemen in het huidige onderzoek met succes opgelost. Ten eerste werden door vrije ademhaling veroorzaakte bewegingsartefacten geëlimineerd door gegevens te verzamelen tijdens een enkele adempauze bij eindinspiratie. Ten tweede werd het ongewenste chemische verschuivingseffect tussen water en vet verwijderd door gebruik te maken van een geavanceerde nabewerkingspijpleiding. Ten derde werden adequate acquisitie- en nabewerkingsparameters bepaald om de artefacten te minimaliseren en reproduceerbare resultaten te bieden.

Tabel 3 Reproduceerbaarheidsresultaten.

Gemiddelde ± standaarddeviatie gevoeligheidswaarden voor rechtsnieren lever werden gemiddeld over alle vijf reproduceerbaarheidsonderwerpen. Goede reproduceerbaarheid voor zowel de lever als de rechter nier QSM zonder significant verschil in lever- of niergevoeligheidswaarden tussen beide metingen (p=0.48)

Fig. 7 Magnitude-afbeeldingen bedekt met de QSM-kaarten van de rechter nier voor een gezonde vrijwilliger (linker afbeelding) en de patiënt met nierfibrose (rechter afbeelding). de fibrotischeniervertoont een sterke diamagnetische waarde (− {{0}},43±− 0,02 ppm), die aanzienlijk lager was dan de QSM-waarde gemeten in de gezondenierweefsel (rechter nier {{0}},04±0,07 ppm)

Voor zover ons bekend is dit de eerste studie die in vivo QSM . uitvoert (kwantitatieve gevoeligheidsmapping) in de mensnierop een klinisch MRI-systeem. Aangezien er in de literatuur geen QSM-waarden voor de nieren beschikbaar zijn, konden we alleen de in ons onderzoek verkregen gevoeligheidswaarden van de lever vergelijken met die van de andere groepen. In het onderzoek van Lin et al. [27], de berekende levergevoeligheid varieerde van 0.23 tot 5.94 ppm. Hun onderzoek was echter gericht op patiënten met ijzerstapeling in de lever (hemochromatose). Personen met minder ijzerafzettingen in de lever vertoonden QSM-waarden van ongeveer 0.34 ppm en werden als gezond beschouwd. In de studie van Dong et al. [20], werden gemiddelde levergevoeligheidswaarden van {{10}},23±0,07 ppm bepaald. Over het algemeen zijn de QSM-waarden voor de lever gemeten in het huidige onderzoek (bereik 0,01-0,44 ppm) consistent met het vorige onderzoek, wat aangeeft dat er geen globale effecten zijn die onze resultaten beïnvloeden.

Een slechte maskerdefinitie kan denierQSM-waarden. Daarom is een optimale nauwkeurigheid van de verwijdering van buitenlucht een belangrijke stap voor QSM-kwantificering. In de huidige studie hebben we de maskerdefinitie van één gezond onderwerp gevarieerd. In dit voorbeeld zijn er geen significante wijzigingen van de QSM-waarden van de rechternierkunnen worden geïdentificeerd in het geval van een relatief kleine onnauwkeurigheid van de segmentatie, zoals het geval was in ons onderzoek. Een systematische evaluatie van de invloed van de maskerdefinitie op de QSM-waarden zou echter onderwerp kunnen zijn van verder simulatieonderzoek.

In deze studie was de variabiliteit van de QSM-waarden van de linker nier significant hoger dan die van de rechter nier (p<0.05). this="" difference="" might="" be="" due="" to="" higher="" cardiac="" artifacts="" of="" the="" left="">nier, zoals aangetoond in verschillende eerdere MRI-onderzoeken van de nieren [28]. Dit effect kan worden verminderd bij verdere ontwikkeling van renale QSM.

Cortico-medullaire differentiatie was niet mogelijk door QSM (kwantitatieve gevoeligheidsmapping) in the current study (p>0.05), vermoedelijk vanwege de matige resolutie van de methode. Verbetering van de resolutie van QSM om cortico-medullaire differentiatie mogelijk te maken, zou onderwerp van verder onderzoek moeten zijn.

Om de potentiële diagnostische waarde van QSM te onderzoeken, heeft een patiënt met:nierfibrose als voorbeeld van een eindstadium nierpathologie werd in de studie opgenomen. Eerder is gemeld dat nierfibrose het diamagnetisch gehalte van het nierweefsel [13] verhoogt, waarschijnlijk als gevolg van overmatige afzetting van collageen, dat sterk diamagnetisch is [31]. Gezien de standaarddeviatie schommelt de gevoeligheid van gezond nierweefsel rond 0 in het huidige onderzoek. In onze studie, de fibrotischeniervertoonde een sterke diamagnetische gevoeligheidswaarde, die aanzienlijk lager was dan die in het gezonde nierweefsel. Toekomstig onderzoek in een groter patiëntencohort is nodig om de exacte diagnostische waarde van de renale QSM te beoordelen (kwantitatieve gevoeligheidsmapping).

Er zijn verschillende beperkingen van ons werk. Ten eerste was het aantal gezonde vrijwilligers laag en werd slechts één patiënt in deze studie opgenomen. Onze focus lag echter op het ontwikkelen van een robuust acquisitieprotocol en postprocessing-pijplijn voor het uitvoeren van in vivo nier-QSM op een klinisch MRI-systeem. Ten tweede werden SPURS en een T2* IDEAL-benadering gebruikt om het ongewenste chemische verschuivingseffect tussen water en vet te verwijderen en om de voor vet gecorrigeerde veldkaarten te berekenen. In deze studie werd geen vetonderdrukkingstechniek gebruikt, omdat dit de acquisitietijd zou verlengen. Om dit probleem aan te pakken, moet bij het meten van QSM in de buik rekening worden gehouden met snellere beeldvormingsmethoden, zoals het volumetrisch geïnterpoleerd adem-ingehouden onderzoek (VIBE) [32] of radiale acquisitieschema's [33]. Ten derde verwijderden de gegenereerde maskers alleen lucht buiten de buik. De lucht in het darmkanaal en de longen was nog aanwezig in de gevoeligheidsberekeningen. Dit kan leiden tot niet-lokale fouten in de lokale velden over de ROI [34]. We toonden echter een goede intra-individuele reproduceerbaarheid in de huidige studie, wat suggereert dat de fout als gevolg van lucht in de buik verwaarloosbaar is. Bovendien was de resolutie van de MR-beelden vrij laag, wat mogelijk heeft geleid tot onderschatting van de gevoeligheid [35, 36]. Om deze beperking te overwinnen, werden de onbewerkte gegevens vóór de QSM-nabewerking met nul gevuld. Bovendien werden de QSM-gegevens verkregen in een enkele adempauze van 33 s, wat moeilijk kan zijn voor zieke en oudere proefpersonen. Verdere optimalisatie van de multi-echo 3D-gradiënt-echo-sequentie is daarom nodig om de scantijd te verkorten met behoud van de beeldkwaliteit.

Concluderend, de haalbaarheid van in vivo QSM (kwantitatieve gevoeligheidsmapping) in de mensnierwerd met succes aangetoond in de huidige studie met goede reproduceerbaarheid. Het duidelijke verschil in de QSM-waarden tussen gezonde nieren en een fibrotische nier geeft het mogelijke diagnostische potentieel van QSM aan. Verdere studies met grotere patiëntenpopulaties moeten worden uitgevoerd om de diagnostische relevantie van QSM voor functionelenierMR-beeldvorming.

Elektronisch aanvullend materiaal De online versie van dit artikel (https://doi.org/10.1007/s10334-020-00895-9) bevat aanvullend materiaal dat beschikbaar is voor geautoriseerde gebruikers.

Auteursbijdragen EB: studie conceptie en ontwerp, verwerving van gegevens, analyse en interpretatie van gegevens, opstellen van het manuscript en kritische revisie; JS: studie conceptie en ontwerp, acquisitie van data en kritische revisie; TT: acquisitie van gegevens, analyse en interpretatie van gegevens en kritische revisie; JJ: acquisitie van data, analyse en interpretatie van data en kritische revisie; RZ: acquisitie van data, analyse en interpretatie van data en kritische revisie; BV: acquisitie van data, analyse en interpretatie van data en kritische revisie; HW: studie conceptie en ontwerp, analyse en interpretatie van gegevens, en kritische herziening; AL: studie conceptie en ontwerp, verwerving van gegevens, analyse en interpretatie van gegevens, opstellen van het manuscript en kritische revisie.

Financiering Open Access financiering mogelijk gemaakt en georganiseerd door Projekt DEAL.

Symptomen van cistanche-nierfalen

Naleving van ethische normen

Belangenverstrengeling De auteurs verklaren dat ze geen belangenverstrengeling hebben. Bovendien hebben alle auteurs geen financiële relatie met een organisatie. Het onderzoek is niet gesponsord.Ethische norm Het onderzoek is goedgekeurd door de lokale ethische commissie.Informed consent. Schriftelijke geïnformeerde toestemming is verkregen van alle proefpersonen.Open toegang Dit artikel is gelicentieerd onder een Creative Commons Attribution 4.0 International License, die gebruik, delen, aanpassing, distributie en reproductie in elk medium of formaat toestaat, zolang je de oorspronkelijke auteur(s) en de bron op de juiste manier vermeldt, een link naar de Creative Commons-licentie verstrekt en aangeeft of er wijzigingen zijn aangebracht gemaakt. De afbeeldingen of ander materiaal van derden in dit artikel zijn opgenomen in de Creative Commons-licentie van het artikel, tenzij anders aangegeven in een kredietlijn bij het materiaal. Als materiaal niet is opgenomen in de Creative Commons-licentie van het artikel en uw beoogde gebruik niet is toegestaan ​​door wettelijke voorschriften of het toegestane gebruik overschrijdt, dient u rechtstreeks toestemming te verkrijgen van de auteursrechthebbende. Ga naar http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ om een ​​kopie van deze licentie te bekijken.

Referenties

1. Mendichovszky I, Pullens P, Dekkers I, Nery F, Bane O, Pohlmann A, de Boer A, Ljimani A, Odudu A, Buchanan C, Sharma K, Laustsen C, Harteveld A, Golay X, Pedrosa I, Alsop D , Fain S, Caroli A, Prasad P, Francis S, Sigmund E, Fernández-Seara M, Sourbron S (2020) Technische aanbevelingen voor klinische vertaling vannierMRI: een consensusproject van de Samenwerking in Wetenschap en Technologie Actie PARENCHIMA. Magn Reson Mater Phy Biol Med 33:131–140

2. Selby NM, Blankestijn PJ, Boor P, Combe C, Eckardt KU, EikefJord E, Garcia-Fernandez N, Golay X, Gordon I, Grenier N, Hockings PD, Jensen JD, Joles JA, Kalra PA, Krämer BK, Mark PB, Mendichovszky IA, Nikolic O, Odudu A, Ong ACM, Ortiz A, Pruijm M, Remuzzi G, Rørvik J, de Seigneux S, Simms RJ, Slatinska J, Summers P, Taal MW, Thoeny HC, Vallée JP, Wolf M , Caroli A, Sourbron S (2018) Magnetische resonantie beeldvorming biomarkers voor chronischenierziekte: een position paper van de European Cooperation in Science and Technology Action PARENCHIMA. Nephrol-wijzerplaattransplantatie 33:24-214

3. Caroli A, Pruijm M, Burnier M, Selby NM (2018) Functionele magnetische resonantie beeldvorming van de nieren: waar staan ​​we? Het perspectief van de Europese COST Action PARENCHIMA. Nephrol-wijzerplaattransplantatie. https://doi.org/10.1093/ndt/gfy181

4. Kretzler M, Cohen CD, Doran P, Henger A, Madden S, Gröne EF, Nelson PJ, Schlöndorf D, Gröne HJ (2002)nierbiopsie: strategieën voor moleculaire diagnose in nefrologie. J Am Soc Nephrol 13: 1961-1972

5. Corwin HL, Schwartz MM, Lewis EJ (1988) Het belang van de steekproefomvang bij de interpretatie van de nierbiopsie. Ben J Nephrol 8:85-89

6. Haacke EM, Liu S, Buch S, Zheng W, Wu D, Ye Y (2015) Kwantitatieve gevoeligheidskaarten: huidige status en toekomstige richtingen. Magn Reson-beeldvorming 33:1–25

7. Liu C, Wei H, Gong NJ, Cronin M, Dibb R, Decker K (2015) Kwantitatieve gevoeligheidsmapping: contrastmechanismen en klinische toepassingen. Tomografie 1:3–17

8. Schweser F, Deistung A, Reichenbach JR (2016) Grondslagen van MRI-fasebeeldvorming en -verwerking voor kwantitatieve gevoeligheidsmapping (QSM). Z Med Phys 26:6–34

9. Li W, Wu B, Liu C (2011) Kwantitatieve gevoeligheidskartering van menselijke hersenen weerspiegelt ruimtelijke variatie in weefselsamenstelling. NeuroImage 55:1645–1656

10. Wang Y, Liu T (2015) Kwantitatieve gevoeligheidsmapping (QSM): het decoderen van MRI-gegevens voor een weefselmagnetische biomarker. Magn Reson Med 73:82–101

11. Duyn JH, Van Gelderen P, Li TQ, De Zwart JA, Koretsky AP, Fukunaga M (2007) Hoogveld-MRI van hersencorticale substructuur op basis van signaalfase. Proc Natl Acad Sci VS 104:11796–11801

12. Liu C (2010) Gevoeligheidstensorbeeldvorming. Magn Reson Med 63:1471-1477

13. Xie L, Sparks MA, Li W, Qi Y, Liu C, Cofman TM, Johnson GA (2013) Kwantitatieve gevoeligheidskartering vannierontsteking en fibrose bij type 1 angiotensinereceptor-deficiënte muizen. NMR Biomed 26:1853-1863

14. Zivadinov R, Tavazzi E, Bergsland N, Hagemeier J, Lin F, Dwyer MG, Carl E, Kolb C, Hojnacki D, Ramasamy D, Durfee J, Weinstock-Guttman B, Schweser F (2018) Hersenijzer bij kwantitatieve MRI wordt geassocieerd met invaliditeit bij multiple sclerose. Radiologie 289:487-496

15. Li DTH, Hui ES, Chan Q, Yao N, Chua SE, McAlonan GM, Pang SYY, Ho SL, Mak HKF (2018) Kwantitatieve gevoeligheidsmapping als een indicator van subcorticale en limbische ijzerafwijkingen bij de ziekte van Parkinson met dementie. NeuroImage Clin 20:365–373

16. Sun H, Klahr AC, Kate M, Gioia LC, Emery DJ, Butcher KS, Wilman AH (2018) Kwantitatieve gevoeligheidsmapping voor het volgen van intracraniële bloeding. Radiologie 288:830-839

17. Sharma SD, Hernando D, Horng DE, Reeder SB (2015) Kwantitatieve gevoeligheidsmapping in de buik als een beeldvormende biomarker van hepatische ijzerstapeling. Magn Reson Med 74:673-683

18. Xie L, Layton AT, Wang N, Larson PEZ, Zhang JL, Lee VS, Liu C, Johnson GA (2016) Dynamische contrastversterkte kwantitatieve gevoeligheidsmapping met ultrakorte echotijd-MRI voor evaluatienierfunctie. Am J Physiol Ren Physiol 310:F174-F182

19. Xie L, Dibb R, Cofer GP, Li W, Nicholls PJ, Johnson GA, Liu C (2015) Gevoeligheidstensorbeeldvorming van de nier en zijn microstructurele onderbouwing. Magn Reson Med 73: 1270-1281

20. Dong J, Liu T, Chen F, Zhou D, Dimov A, Raj A, Cheng Q, Spincemaille P, Wang Y (2015) Simultane fase uitpakken en verwijderen van chemische verschuiving (SPURS) met behulp van grafiekuitsparingen: toepassing in kwantitatieve gevoeligheid in kaart brengen. IEEE Trans Med-beeldvorming 34:531-540

21. Li W, Wang N, Yu F, Han H, Cao W, Romero R, Tantiwongkosi B, Duong TQ, Liu C (2015) Een methode voor het schatten en verwijderen van streaking-artefacten bij het in kaart brengen van kwantitatieve gevoeligheid. NeuroImage 108:111–122

22. Bechler E, Stabinska J, Wittsack H (2019) Analyse van verschillende fase-uitpakmethoden om kwantitatieve gevoeligheidskartering in de buik te optimaliseren. Magn Reson Med 82:2077-2089

23. Hernando D, Kramer JH, Reeder SB (2013) Multi-piek vetgecorrigeerde complexe R2 * relaxometrie: theorie, optimalisatie en klinische validatie. Magn Reson Med 70:1319–1331

24. Zhou D, Liu T, Spincemaille P, Wang Y (2014) Achtergrondveldverwijdering door het Laplace-grenswaardeprobleem op te lossen. NMR Biomed 27:312-319

25. Liu J, Liu T, de Rochefort L, Ledoux J, Khalidov I, Chen W, Tsiouris AJ, Wisnief C, Spincemaille P, Prince MR, Wang Y (2012) Morfologie maakte dipoolinversie mogelijk voor kwantitatieve gevoeligheidsmapping met behulp van structurele consistentie tussen het magnitudebeeld en de gevoeligheidskaart. NeuroImage 59:2560-2568

26. Wei H, Dibb R, Zhou Y, Sun Y, Xu J, Wang N, Liu C (2015) Streaking-artefactreductie voor kwantitatieve gevoeligheidskartering van bronnen met een groot dynamisch bereik. NMR Biomed 28:1294-1303

27. Lin H, Wei H, He N, Fu C, Cheng S, Shen J, Wang B, Yan X, Liu C, Yan F (2018) Kwantitatieve gevoeligheidskartering in combinatie met water-vetscheiding voor gelijktijdig leverijzer en vet fractie kwantificering. Eur Radiol 28:3494–3504

28. Kido A, Kataoka M, Yamamoto A, Nakamoto Y, Umeoka S, Koyama T, Maetani Y, Isoda H, Tamai K, Morisawa N, Saga T, Mori S, Togashi K (2010) Diffusie tensor MRI van denierbij 3.0 en 1.5 Tesla. Acta Radiol 51:1059-1063

29. Jafari R, Sheth S, Spincemaille P, Nguyen TD, Prince MR, Wen Y, Guo Y, Deh K, Liu Z, Margolis D, Brittenham GM, Kierans AS, Wang Y (2019) Snelle geautomatiseerde kwantitatieve levergevoeligheidsmapping. J Magn Reson-beeldvorming. https://doi.org/10.1002/jmri.26632

30. Li J, Lin H, Liu T, Zhang Z, Prince MR, Gillen K, Yan X, Song Q, Hua T, Zhao X, Zhang M, Zhao Y, Li G, Tang G, Yang G, Brittenham GM, Wang Y (2018) Kwantitatieve gevoeligheidsmapping (QSM) minimaliseert interferentie van cellulaire pathologie bij R2 * -schatting van leverijzerconcentratie. J Magn Reson Imaging 48:1069-1079

31. Luo J, He X, d'Avignon DA, Ackerman JJH, Yablonskiy DA (2010) Eiwitgeïnduceerde water 1H MR-frequentieverschuivingen: bijdragen van magnetische gevoeligheid en uitwisselingseffecten. J Magn Reson 202:102–108

32. Rofsky NM, Lee VS, Laub G, Pollack MA, Krinsky GA, Thomasson D, Ambrosino MM, Weinreb JC (1999) Abdominale MR-beeldvorming met een volumetrisch geïnterpoleerd apneuonderzoek. Radiologie 212: 876–884

33. Yedururi S, Kang HC, Wei W, Wagner-Bartak NA, Marcal LP, Staford RJ, Willis BJ, Szklaruk J (2016) Vrij ademhalend radiaal volumetrisch geïnterpoleerd adem inhouden onderzoek versus a.u.b. cartesiaans volumetrisch geïnterpoleerd adem inhouden onderzoek magnetische resonantie beeldvorming van de lever bij 1,5 T. World J Radiol 8:707

34. Schweser F, Robinson S, de Rochefort L, Li W, Bredies K (2017) Een geïllustreerde vergelijking van verwerkingsmethoden voor fase-MRI en QSM: verwijdering van achtergrondveldbijdragen van bronnen buiten het interessegebied. NMR Biomed. https://doi.org/10.1002/nm.3604

35. Karsa A, Punwani S, Shmueli K (2019) Het effect van lage resolutie en dekking op de nauwkeurigheid van gevoeligheidskaarten. Magn Reson Med 81:1833–1848

36. Zhou D, Cho J, Zhang J, Spincemaille P, Wang Y (2017) Onderschatting van de gevoeligheid in een fantoom met hoge gevoeligheid: afhankelijkheid van beeldresolutie, magnitudecontrast en andere parameters. Magn Reson Med 78:1080-1086

Opmerking van de uitgever Springer Nature blijft neutraal met betrekking tot rechtsvorderingen in gepubliceerde kaarten en institutionele voorkeuren.