Segmentação automática e avaliação volumétrica de órgãos internos e tecido adiposo: quais são os benefícios?

edmund.chen@wecistanche.com

O objetivo mais importante da imagem médica tradicional na clínica é mostrar alterações patológicas nas imagens de projeção ou corte. O critério crucial para a qualidade das imagens, além da resolução espacial, geralmente é o contraste entre o tecido normal e o tecido patologicamente alterado. Todas as modalidades de imagem atualmente disponíveis, incluindo tecnologia de raios-X, ultrassom, ressonância magnética e tomografia por emissão de pósitrons, se desenvolveram muito rapidamente nas últimas décadas. Não só a qualidade das imagens melhorou enquanto os tempos de exame se tornaram mais curtos, mas também novos aspectos da avaliação dos dados de imagem entraram em foco Particularmente no caso da ressonância magnética, que no passado muitas vezes não conseguia explorar todo o seu potencial nos tempos de exame usuais de cerca de 30 a 45 minutos devido a tempos de medição relativamente longos para cada sequência de imagem, os métodos modernos com "imagem paralela massiva", [1] "detecção de compressão" [2] e/ou "impressão digital" [3] ] são benéficas: agora é possível realizar análises multiparamétricas e quantitativas abrangentes de tecidos em tempos de exame toleráveis. Em vez de uma "pesagem de contraste", os dados brutos para várias propriedades quantificáveis ​​do tecido (T1, T2, T2*, teor de gordura, difusão de água, etc.) podem agora ser coletados no mesmo tempo de exame. Além disso, os modernos sistemas de ressonância magnética permitem a aquisição de conjuntos de dados de imagens isotrópicas de alta resolução de todo o corpo ou pelo menos do tronco do corpo, que contêm uma grande quantidade de informações morfológicas.

Palavras-chave:doenca renal; rins; doenças do fígado; volume hepático; fígado

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A avaliação de informações anatômicas-morfológicas em conjuntos de dados de imagens 3D foi inicialmente limitada à determinação manual de informações óbvias relevantes para a doença, por exemplo, para avaliar o tamanho de tumores ou metástases no estadiamento ou para monitorar o curso da doença sob terapia [4]. Embora o diâmetro (máximo) de uma estrutura anatômica pudesse ser determinado com bastante rapidez, era muito mais demorado realizar análises volumétricas, pois várias fatias precisavam ser avaliadas manualmente para esse fim. Um pouco atrasado para o desenvolvimento de métodos de aquisição de RM para conjuntos de dados 3D de alta resolução, métodos de segmentação automática ou pelo menos semiautomática foram desenvolvidos e usados ​​em muitos estudos [5]. Com a introdução de métodos modernos de inteligência artificial (IA), as possibilidades de segmentação confiável de órgãos a partir de conjuntos de dados de ressonância magnética melhoraram significativamente nos últimos anos [6]. Somente com a ajuda desses métodos tornou-se viável avaliar estruturas anatômicas individuais em milhares de conjuntos de dados 3D de grandes estudos de coorte baseados em populações (por exemplo, UK Biobank [7] ou German National Cohort [8]) com esforço gerenciável. Com esses dados, por um lado, podem ser exploradas correlações entre características anatômicas, características genéticas, circunstâncias de vida (por exemplo, nutrição e atividade física) e condição física (aptidão física e doenças). Por outro lado, os resultados da avaliação volumétrica de órgãos em estudos de coorte também são muito adequados para trabalhar valores padrão e faixas de valores normais para diferentes grupos populacionais, dependendo da idade e sexo.

Uma questão importante é, obviamente, se esses dados volumétricos também podem ser usados ​​como indicadores de doença em pacientes individuais. As condições de exame (posição de repouso, sensibilidade espacial relativamente uniforme com bobinas de cabeça multi-array modernas) e condições de avaliação (poucas classes de tecidos com distribuição espacial relativamente consistente) são bastante favoráveis ​​para exames de ressonância magnética do cérebro. Além disso, existem muitas instituições envolvidas na neurociência. Portanto, aplicações de avaliação volumétrica de estruturas cerebrais [9] são certamente as mais avançadas e já bem estudadas para questões clínicas [10].A gravidade e o curso do tempo da perda de substância branca e cinzenta em diferentes áreas do cérebro podem fornecer pistas diagnósticas diferenciais em doenças [11] e quantificar o desenvolvimento de atrofia [12]. Desvios da atrofia normal relacionada à idade podem ser detectados e os efeitos das intervenções terapêuticas podem ser medidos com precisão.

Para o trabalho apresentado em muitas publicações foram aplicados algoritmos de segmentação "caseiros", que não são facilmente aplicáveis ​​pelo leitor. Muitas vezes, os métodos de IA são treinados com imagens específicas de ressonância magnética (em termos de ponderação de contraste, parâmetros geométricos de imagem e arranjos de bobinas) e a aplicabilidade geral não é certa, mesmo que o algoritmo seja publicado. Recentemente, no entanto, alguns fornecedores de RM oferecem pacotes completos de sequências e ferramentas de segmentação que funcionam de forma confiável (por exemplo, para segmentação automática dofígado). Em estudos de neuro RM, está disponível software gratuito para segmentação (por exemplo, SPM, Wellcome Center for Human Neuroimaging, UCL Neurology, Londres, Reino Unido), que é usado por muitos grupos científicos e que também pode ser combinado com segurança com sequências de aquisição clínica. Além disso, há suporte comercial, especialmente para pós-processamento de dados de estudos de coorte de empresas como a AMRA Medical (Linköping, Suécia). Para melhor avaliar a relevância clínica da segmentação automatizada e avaliação volumétrica de sistemas de órgãos no tronco do corpo, algumas informações sobre a importância do volume do órgão nas doenças são fornecidas a seguir:

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Pulmões 

O volume pulmonar individual é obviamente dependente da posição de respiração e, portanto, variável. Assim, protocolos de exame consistentes são necessários para medições de referência e comparativas. Doenças congênitas como hérnias diafragmáticas ou malformações broncopulmonares estão frequentemente associadas a um volume pulmonar reduzido. Para obter valores normais no desenvolvimento da primeira infância, vários exames de volume pulmonar foram realizados em fetos dependendo da idade gestacional, mas os resultados não foram totalmente consistentes [13]. Em adultos, doenças pulmonares restritivas adquiridas, como fibrose pulmonar ou sarcoidose, podem levar à redução do volume pulmonar. Em contraste, o enfisema e a DPOC mostram hiperinsuflação dos pulmões e, portanto, frequentemente um aumento do volume pulmonar [14].

Coração

Em pacientes cardíacos (por exemplo, com dilatação ou hipertrofia do miocárdio), os exames de ressonância magnética são realizados com sincronização de ECG. A imagem em múltiplas fases cardíacas permite a avaliação da espessura das paredes miocárdicas, volumes sanguíneos sistólico e diastólico e parâmetros funcionais derivados [15, 16] (ver linha superior de imagens na Fig. 1). Os conjuntos de dados usuais de RM do tronco são adquiridos sem o disparo do ECG e, portanto, geralmente não são avaliáveis ​​em relação ao tamanho e à função cardíaca. No entanto, já foram descritos procedimentos modernos de RM que podem reconstruir imagens de RM dependentes da fase respiratória e cardíaca mesmo sem desencadeamento externo [17], bem como procedimentos automatizados para determinação de contornos cardíacos [18].

Fígado

De forma saudávelfígado,o volume do órgão pode ser considerado um bom parâmetro para a função do órgão.Fígadotamanho com intervalos de valores normais foi investigado em estudos de TC, e fórmulas para "normalfígadovolume" em função do tamanho do corpo foram dados [19]. Esses foram ainda mais refinados e também adaptados para diferentes etnias [20, 21].doenças do fígadocomo esteatose, sobrecarga de ferro ou cirrose são relatados para aumentar significativamentevolume do fígadocomparados aos valores normais [21]. Deve-se notar, no entanto, que a fração funcionalmente ativa defígadoo volume torna-se menor nos casos com processos de remodelação restritivos (fibrose hepática e cirrose) e deve ser determinado separadamente por segmentação das estruturas hepáticas internas [22] As mudanças no estilo de vida em pacientes com esteatose levaram a uma redução significativavolume do fígadoem paralelo com a reduçãofígadoteor de gordura [23, 24]. Um significado clínico particularmente importante é dado à funçãovolume do fígadoainda disponível após ressecção parcial (no caso de tumores ou transplantes), o que deve ser levado em consideração no planejamento de procedimentos cirúrgicos [25]

Baço O aumento do baço (esplenomegalia) é frequentemente causado pordoença hepáticaassociada à hipertensão no sistema portal. A relação entre o grau defígadofibrose ou hipertensão portal e volume do baço foram recentemente estudados quantitativamente em um grande número de pacientes [26]. A esplenomegalia com volume muitas vezes marcadamente aumentado em relação ao normal também é observada em algumas doenças infecciosas (doenças virais como EBV e CMV; mas também na malária ou toxoplasmose) e nas hematológicas (talassemia, anemia falciforme) ou imunológicas (artrite juvenil, lúpus eritematoso ) distúrbios [27].

Pâncreas

Foi relatado que o volume pancreático tende a ser reduzido em ambos os tipos I [28] e diabetes tipo 2 [29] em comparação com indivíduos saudáveis. Na pancreatite aguda, observa-se um aumento do volume do órgão [30], mas após vários episódios agudos de pancreatite desaparecerem, oo volume do pâncreas é muitas vezes significativamente reduzido [31]. A segmentação manual ou automática do pâncreas em imagens de TC ou RM no caso de infiltração gordurosa (periférica) é pouco confiável [32]. A infiltração gordurosa do pâncreas é particularmente comum na fibrose cística, e a diferenciação do tecido adiposo circundante é muitas vezes muito difícil [33].

Rins

Norim,os dois componentes principais, córtex e medula, geralmente podem ser segmentados de forma confiável separadamente em conjuntos de dados 3D de tomografias computadorizadas [34] e ressonâncias magnéticas [35]. O volume dorenalcórtex, em particular, diminui significativamente com a idade, enquanto o volume dorenalmedula permanece constante ou até aumenta [34]. Desvios dos valores normais são vistos, por um lado, na aplasia congênita ou hipoplasia dorins,mas também em avarias adquiridas. Aumentado, inchadorinsocorrem em processos inflamatórios agudos (pielonefrite) e em doenças crônicas em estágios iniciais, enquanto a longo prazodoenças renais(por exemplo, diabéticorim) podem causar fibrose com perda de função e redução de volume [36]. Um padrão de doença que é particularmente examinado volumetricamente usando RM é o policístico hereditário autossômico dominante.rimdoença (ADPKD) [37].

Tecido adiposo (subcutâneo, visceral, epi e pericárdico)

Nas últimas duas décadas, muitos estudos sobre o papel da gordura corporal no desenvolvimento de doenças metabólicas e cardiovasculares foram realizados. Tem sido demonstrado que não é tanto a quantidade total de tecido adiposo, mas a distribuição do tecido adiposo em diferentes compartimentos que desempenha um papel importante [38]. Enquanto o tecido adiposo subcutâneo contribui pouco para o desenvolvimento de doenças metabólicas associadas, a quantidade de gordura visceral localizada ao redor dos órgãos abdominais, com sua propensão à inflamação crônica, correlaciona-se significativamente com a redução da ação da insulina [39]. Foram identificadas maiores quantidades de gordura visceral e também de gordura na cavidade torácica ao redor do miocárdio (gordura epicárdica e pericárdica, que são difíceis de distinguir na RM por serem separadas apenas por uma fina camada)como fatores de risco para doenças cardiovasculares [40]. Também foi demonstrado que compartimentos de gordura menores, como a gordura do pescoço, estão sujeitos a regulação independente e que a quantidade de gordura norenalárea sinusal está relacionada à proteinúria [41]. Como métodos simples não invasivos, como a medição da impedância corporal, não podem determinar alguns compartimentos de gordura, como a gordura visceral, com precisão suficiente, a ressonância magnética com sua capacidade de registrar o volume.

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Musculatura esquelética

Uma redução na quantidade (e, em alguns casos, na qualidade) do músculo esquelético é chamada de sarcopenia. Especialmente em pacientes mais velhos, a sarcopenia geralmente leva à redução da atividade e mobilidade e pode resultar em perda de independência. O monitoramento do acúmulo muscular também desempenha um papel no treinamento após a imobilização devido a doença ou na medicina esportiva. Dependendo da região de interesse, áreas transversais de músculos ou volumes inteiros podem ser avaliados quantitativamente por TC ou RM [42].

Discussão

A ressonância magnética é muito adequada para investigar quantitativamente estruturas anatômicas em conjuntos de dados de imagens 3D de alta resolução, tanto em termos de tamanho e volume (Fig. 1), quanto em suas propriedades de sinal. O método alternativo de TC está, infelizmente, associado a uma exposição à radiação que dificilmente pode ser justificada ao examinar voluntários, e os exames de ultrassom 3D atualmente não são prontamente possíveis para todas as estruturas anatômicas do tronco do corpo, uma vez que as áreas contendo ar e osso não são penetráveis para ultra-som e os contrastes dos tecidos são frequentemente críticos para a avaliação automática. Como a RM geralmente não está associada a efeitos nocivos nos tecidos, esse método também é particularmente adequado para exames de coortes grandes, principalmente saudáveis, embora seja relativamente caro. A determinação de volumes de órgãos e volumes de gordura em grandes coortes com indivíduos saudáveis ​​de diferentes faixas etárias e sexos permite a determinação de faixas de valores normais, para que os resultados de exames individuais posteriores possam ser melhor avaliados. No entanto, erros sistemáticos devido ao uso de diferentes métodos de registro ou análise de imagem devem ser levados em consideração.Em grandes coortes de toda a população, os indivíduos com doenças e/ou medicamentos são incluídos, de modo que correlações anteriormente desconhecidas também podem ser reconhecidas e melhor elucidadas (em analogia ao trabalho no cérebro como [43]). Isso permite que novos mecanismos patológicos sejam detectados e hipóteses existentes sejam testadas. Como às vezes ocorrem correlações aleatórias com um grande número de parâmetros sob investigação, é indispensável uma análise estatística cuidadosa (com correção de Bonferroni) e a verificação dos resultados em coletivos independentes.

Estudos individuais

Surge a pergunta: cada especificação de tamanho de um órgão ou de suas subestruturas é relevante? Para a maioria das perguntas, esse provavelmente não é o caso, pelo menos enquanto os valores medidos estiverem na "faixa normal". Desvios significativos da faixa normal, no entanto, podem indicar processos patológicos relatados acima ou confirmar diagnósticos suspeitos já existentes. Deve-se notar também que radiologistas experientes muitas vezes notam desvios significativos do tamanho do órgão em relação à faixa normal ao revisar as imagens, mesmo sem avaliação automatizada.Os volumes de gordura visceral e epi/pericárdica em particular, juntamente com outras condições, são considerados fatores de risco para o desenvolvimento de diabetes e doenças cardiovasculares. A determinação do volume, bem como medidas terapêuticas para reduzir esses compartimentos de gordura, são, portanto, úteis. A medição individual da redução do volume de gordura geralmente é muito útil para motivar os pacientes na implementação de terapias apropriadas; se, por exemplo, a massa muscular aumenta e a massa gorda diminui durante uma intervenção no estilo de vida com mais atividade física, isso não é visível através de medidas simples de peso ou impedância de corpo inteiro. Nesses casos, os esforços correspondentes são interrompidos se nenhum incentivo positivo for dado por meio de um sucesso demonstrável. O mesmo vale para o monitoramento do fortalecimento dos músculos esqueléticos por meio de treinamento após imobilização por doença ou no campo esportivo. ) exames deno futuro, o tronco do corpo permitirá que os volumes dos órgãos e outras medidas quantitativas sejam determinados automaticamente. Semelhante à análise química laboratorial de rotina de sangue e outros fluidos corporais, desvios da faixa normal serão então indicados e podem ser explorados para fazer um diagnóstico.

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