Cuantificación precisa y no invasiva de la cirrosis hepática mediante imágenes de fusión estructural y rigidez multimodal

Resumen

La elastografía por resonancia magnética tradicional separa la rigidez y las imágenes estructurales, lo que requiere una delineación manual del ROI y la intervención del radiólogo. Este estudio presenta un método de fusión multimodal que combina ambos tipos de imágenes para producir imágenes de fusión estructural de rigidez y estadísticas de distribución de la rigidez hepática, lo que respalda la estadificación precisa de la cirrosis y permite el análisis radiómico basado en la distribución de la rigidez hepática.

Resumen

La elastografía por resonancia magnética (ERM) tradicional presenta imágenes de rigidez y estructurales por separado, lo que requiere una delineación manual del ROI para la evaluación de la rigidez hepática. Esto introduce variabilidad en el observador y puede pasar por alto lesiones significativas, sin representar con precisión los patrones de distribución de la rigidez hepática total. El presente estudio implementó la fusión de imágenes multimodal integrando mapas de rigidez con imágenes estructurales utilizando: (1) adquisición en una resonancia magnética de 3.0T con imágenes optimizadas ponderadas en T1 (TR/TE = 157.62/1.17 ms) y resonancia magnética (vibraciones de 60 Hz); (2) preprocesamiento computacional de datos DICOM en volúmenes 3D; (3) cálculo preciso de co-registro y fusión; y (4) análisis cuantitativo de la distribución de la rigidez hepática en diferentes etapas de la cirrosis. La técnica de imagen de fusión rigidez-estructural integró estructuras anatómicas con patrones de rigidez en una sola visualización, lo que permitió la evaluación simultánea de la morfología hepática y la distribución de la rigidez. El análisis comparativo reveló una clara diferenciación entre los pacientes cirróticos y los controles sanos, con hígados cirróticos que mostraban proporciones significativamente más altas de fibrosis avanzada. Esta técnica eliminó la variabilidad debida a la colocación manual del ROI y estableció un marco estandarizado para la evaluación integral del hígado entero. La técnica de imagen de fusión estructural y rigidez proporciona una visualización completa de la rigidez hepática con una correlación anatómica precisa, lo que podría mejorar la precisión diagnóstica en comparación con la ERM convencional. Este enfoque elimina la variabilidad del observador, permite la evaluación estandarizada de todo el hígado y establece un marco cuantitativo para monitorear la progresión de la enfermedad y la respuesta al tratamiento, al tiempo que facilita una mejor comunicación médico-paciente y ofrece una base para la radiómica avanzada en la estadificación de la cirrosis hepática.

Introducción

La cirrosis hepática representa un importante desafío para la salud mundial, siendo crucial una estadificación precisa para el manejo óptimo del paciente y la planificación del tratamiento ^1,2. La elastografía por resonancia magnética (ERM) se ha convertido en una valiosa técnica no invasiva para la evaluación de la cirrosis hepática, ofreciendo ventajas sobre los procedimientos de biopsia invasivos que conllevan riesgos inherentes de error de muestreo e incomodidad para el paciente ^3,4,5. Sin embargo, los enfoques convencionales de ERM presentan limitaciones significativas en la práctica clínica que afectan la precisión del diagnóstico y la eficiencia del flujo de trabajo.

Las metodologías tradicionales de resonancia magnética suelen presentar mapas de rigidez e imágenes estructurales como entidades separadas, lo que requiere que los clínicos correlacionen mentalmente las características anatómicas con los patrones de rigidez en diferentes series de imágenes ^5,6. Este enfoque requiere la ubicación manual de la región de interés (ROI) para la cuantificación de la rigidez hepática, lo que introduce una considerable variabilidad entre observadores y un posible sesgo de muestreo ^7,8. Además, el enfoque convencional basado en el ROI no logra capturar la naturaleza heterogénea de la distribución de la rigidez hepática, como se destaca en la literatura reciente que enfatiza la importancia pronóstica de la heterogeneidad del parénquima en la progresión de la enfermedad hepática crónica ^9,10. La incapacidad de visualizar y cuantificar de manera integral la distribución de la rigidez hepática total representa una barrera significativa para el análisis radiómico avanzado y la caracterización precisa de la enfermedad.

Las técnicas alternativas no invasivas para la evaluación de la cirrosis hepática incluyen la elastografía ecográfica y los paneles de biomarcadores séricos^11,12. Si bien la elastografía transitoria ofrece mediciones puntuales de la rigidez hepática, carece de las capacidades integrales de mapeo espacial de MRE ¹³. Los paneles de biomarcadores séricos proporcionan estimaciones indirectas de la fibrosis, pero no pueden visualizar la distribución espacial de los cambios parenquimatosos¹¹. Estudios comparativos recientes han demostrado consistentemente una precisión diagnóstica superior de la RM para los estadios intermedios y avanzados de fibrosis en comparación con estas alternativas^13,14.

Para abordar estas limitaciones, hemos desarrollado una nueva técnica de imágenes de fusión estructural de rigidez multimodal que integra a la perfección mapas cuantitativos de rigidez con imágenes estructurales de alta resolución. Este enfoque permite la visualización simultánea de puntos de referencia anatómicos y patrones de rigidez en una única representación integrada, eliminando la necesidad de co-registro mental y reduciendo la carga cognitiva durante la interpretación^15,16. La técnica proporciona un análisis exhaustivo de la distribución de la rigidez de todo el hígado, superando las limitaciones de muestreo de los métodos convencionales basados en el ROI.

Este estudio utilizó sistemas de resonancia magnética de 3.0 Tesla con capacidades de elastografía, preparación estándar del paciente que incluye ayuno de 4 a 6 horas y MATLAB con Image Processing Toolbox para el análisis computacional. Estos requisitos están cada vez más disponibles en los centros médicos académicos y en los centros especializados en diagnóstico por imágenes.

Este protocolo proporciona una metodología detallada para implementar la técnica de fusión estructural y de rigidez en entornos clínicos y de investigación. El enfoque es particularmente valioso para los centros con acceso a las capacidades de MRE que buscan mejorar la precisión del diagnóstico, mejorar la eficiencia del flujo de trabajo clínico y establecer marcos cuantitativos para el seguimiento longitudinal de la enfermedad hepática crónica. La técnica es aplicable en varias etiologías de la enfermedad hepática crónica y se puede implementar con un tiempo de posprocesamiento adicional mínimo utilizando el marco computacional proporcionado.

Protocolo

El protocolo se llevó a cabo bajo la aprobación institucional del IRB. Un paciente del Hospital Dongzhimen de la Universidad de Medicina China de Pekín se sometió a una resonancia magnética abdominal superior de rutina y una resonancia magnética en el Hospital YouAn con consentimiento informado. Este caso fue seleccionado para la metodología de investigación debido a la progresión confirmada de fibrosis a cirrosis, destacando el valor del abordaje en el diagnóstico del límite entre fibrosis hepática y cirrosis. El estudio también proporciona una comparación cuantitativa entre la distribución de la rigidez hepática (LSD) de este paciente y la de un hígado sano. Todos los equipos y herramientas de software utilizados en este estudio se enumeran en la Tabla de Materiales.

1. Estrategias de resonancia magnética

1. Preparar al paciente asegurando un período de ayuno de 4-6 h antes del examen para reducir la variabilidad fisiológica.
2. Coloque al paciente en el sistema de resonancia magnética de 3.0 Tesla utilizando una combinación de una matriz abdominal de 16 canales y una bobina de matriz posterior de 32 canales.
3. Adquisición de imágenes estructurales
   1. Realice imágenes anatómicas utilizando una secuencia de eco axial 2D T1 ponderada en gradiente de doble eco con los siguientes parámetros:
      NOTA: TR/TE = 157,62/1,17 ms; Ángulo de volteo = 60°; Campo de visión = 400 × 400 mm²; Matriz de adquisición = 512 × 512; Grosor de la loncha = 7 mm.
   2. Verifique que la secuencia proporcione información estructural de alta resolución (resolución en el plano de 0,78 × 0,78 mm²) con capacidad inherente de separación de agua y grasa.
4. Adquisición de elastografía por resonancia magnética
   1. Coloque el controlador neumático sobre el hígado anterior derecho para aplicar vibraciones mecánicas a 60 Hz.
   2. Realice un mapeo de la rigidez hepática mediante una adquisición basada en imágenes ecoplanares (EPI) en 2D con los siguientes parámetros:
      NOTA: TR/TE = 1050,3/63,4 ms; Ángulo de giro = 90°; Campo de visión = 420 × 420 mm²; Matriz de adquisición = 256 × 256 (reconstruida a 256 × 256); Espesor de la rebanada = 10 mm; Ancho de banda = 1953,1 Hz/píxel.
   3. Adquiera ocho desplazamientos de fase para calcular la propagación de ondas y generar mapas cuantitativos de rigidez (elastogramas) con valores expresados en kilopascales (kPa).
5. Estrategia de corregistro de imágenes
   1. Garantice una alineación espacial precisa entre las imágenes estructurales y los elastogramas manteniendo una posición idéntica del paciente y unas instrucciones de apnea coherentes.
   2. Realice todas las imágenes en el plano axial con una cobertura de corte correspondiente del hígado.
   3. Planifique la secuencia de resonancia magnética utilizando las imágenes anatómicas ponderadas en T1 como referencia para garantizar una cobertura óptima del parénquima hepático.
   4. Verifique que ambas secuencias utilicen el mismo marco de referencia para facilitar el corregistro automatizado en el proceso de fusión posterior.

2. Recopilación y preparación de datos

1. Cambiar el nombre de la carpeta de cada secuencia
   NOTA: Agregue nombres explícitos para cada secuencia, ya que los datos DICOM exportados desde el equipo carecen de identificación de secuencia. Esto facilita el análisis y el procesamiento posterior.
   1. Ejecute la función Description_Name para agregar nombres descriptivos a las carpetas de cada secuencia.
   2. Copie todos los datos DICOM en un directorio de trabajo personalizado.
   3. Navegue hasta el directorio que contiene los datos en el directorio de trabajo de MATLAB.
2. Comprobación rápida de imágenes de la secuencia estructural
   NOTA: Examine las imágenes estructurales derivadas de las imágenes T1, que comparten el mismo sistema de coordenadas con los mapas de rigidez y proporcionan una visualización clara del contorno del hígado, esencial para los cálculos posteriores de la distribución de la rigidez.
   1. Genere una matriz de volumen 3D a partir de los archivos DICOM de las secuencias de resonancia magnética utilizando el siguiente código de MATLAB:
      f=dir('*.dcm');
      para i = 1: longitud (f)
      V(:,:,i)=dicomread(archivo completo(f(i).carpeta,f(i).nombre)));
      Fin
   2. Visualice la secuencia de imágenes utilizando la función sliceViewer de MATLAB para el examen interactivo:
      figura;
      H = Visor de rebanadas (V); mapa de colores (gris(1024));
      set(gcf, 'Barra de herramientas', 'figura');
   3. Interactúe con la GUI de sliceViewer . Utilice la barra de desplazamiento para navegar por diferentes sectores. Verifique que los límites del hígado estén claramente delineados con un contraste nítido con los tejidos circundantes.
      NOTA: Las imágenes aceptables deben mostrar un parénquima hepático continuo sin artefactos de movimiento ni borrosidad (Figura 1). Este visor interactivo permite una evaluación rápida de la calidad de la imagen y la morfología del hígado.
   4. Busque los iconos para acercar, alejar y volver a la vista global en la esquina superior derecha de la GUI. Utilice el icono de sugerencia de datos para marcar las coordenadas de regiones hepáticas específicas para un análisis más detallado.
   5. Observe que el mapa de colores de grises predeterminado muestra valores de bajo (negro) a alto (blanco). Haga clic con el botón derecho en la barra de colores en el menú emergente para seleccionar diferentes opciones de mapa de colores para una visualización óptima del tejido hepático.
   6. Si el contraste no es satisfactorio, utilice el botón izquierdo del ratón para arrastrar hacia arriba y hacia abajo en el centro de la figura para ajustar el nivel de la ventana. Arrastre hacia la izquierda y hacia la derecha para ajustar el ancho de la ventana. El rango de contraste preciso correspondiente se mostrará en la barra de colores.
      NOTA: Utilice estos controles interactivos para inspeccionar las características de la secuencia estructural de la resonancia magnética en función de la intensidad y las dimensiones espaciales. Evalúe la integridad del contorno anatómico hepático y la calidad de la imagen antes de continuar con el siguiente paso.
3. Comprobación rápida de los mapas de rigidez de MRE
   NOTA: Examine los mapas de rigidez de la RME para las mediciones cuantitativas de la elasticidad hepática, donde los diferentes colores representan diversos grados de rigidez, lo cual es esencial para identificar áreas fibróticas o cirróticas.
   1. Genere una matriz de volumen 3D a partir de los archivos DICOM de las secuencias MRE utilizando el siguiente código de MATLAB:
      f=dir('*.dcm');
      para i = 1: longitud (f)
      V_LSD(:,:,i)=dicomread(archivo completo(f(i).carpeta,f(i).nombre)));
      Fin
   2. Visualice los mapas de rigidez de MRE utilizando la función sliceViewer de MATLAB para el examen interactivo:
      figura; H=sliceViewer(V_LSD); mapa de colores (jet(1024)); set(gcf, 'Barra de herramientas', 'figura');
   3. Interactúe con la GUI de sliceViewer . Utilice la barra de desplazamiento en la parte inferior de la interfaz gráfica de usuario (GUI) para navegar a través de diferentes segmentos en la secuencia (Figura 2). Tenga en cuenta que este visor interactivo permite una evaluación rápida de la distribución de la rigidez y los patrones de elasticidad hepática.
   4. Busque los iconos para acercar, alejar y volver a la vista global en la esquina superior derecha de la GUI. Utilice el icono de sugerencia de datos para marcar las coordenadas de regiones hepáticas específicas con valores de rigidez notables para un análisis posterior.
   5. Observe que el mapa de colores de chorro predeterminado representa los valores de rigidez de menor (azul) a mayor (rojo). Haga clic con el botón derecho en la barra de colores en el menú emergente para ajustar el rango del mapa de colores y obtener una visualización óptima de los gradientes de rigidez del hígado.
   6. Si el contraste no es satisfactorio, utilice el botón izquierdo del ratón para arrastrar hacia arriba y hacia abajo en el centro de la figura para ajustar el nivel de la ventana. Arrastre hacia la izquierda y hacia la derecha para ajustar el ancho de la ventana. El rango de rigidez preciso correspondiente se mostrará en la barra de color.
   7. Confirme que los mapas de rigidez muestran transiciones de color suaves dentro del parénquima hepático. El mapeo de rigidez aceptable debe mostrar artefactos de ruido mínimos y una diferenciación clara entre el tejido hepático (generalmente en el rango de 1-8 kPa) y las regiones de fondo.
      NOTA: Estos controles interactivos permiten una inspección flexible de los mapas de rigidez de la MRE tanto en el espacio de intensidad como en la ubicación de la secuencia, lo que facilita una evaluación rápida de la distribución de la rigidez hepática y las posibles áreas de fibrosis.

3. Rigidez-fusión estructural

NOTA: Integre ambas modalidades, ya que los mapas de rigidez por sí solos no pueden localizar con precisión las lesiones sin una correlación estructural de la imagen.

1. Defina variables de trayectoria para imágenes estructurales y mapas de rigidez, así como archivos de escaneo aproximadamente en las mismas posiciones axiales.
2. Seleccione la función Struct_Stiffness_Fusion (I_fusion = Struct_Stiffness_Fusion(I_structural, I_stiffness)) para generar imágenes de fusión estructural de rigidez en el directorio actual.
3. Localice los archivos de imagen de fusión en el explorador de archivos y ábralos con el visor de imágenes predeterminado. Verifique que las estructuras anatómicas y los patrones de rigidez estén alineados correctamente.
   NOTA: Las imágenes de fusión aceptables deben demostrar una superposición precisa sin errores de registro espacial entre los datos estructurales y elastógrafos. Siguiendo los pasos anteriores, las posiciones axiales de escaneo alineadas emiten automáticamente la secuencia de imágenes de fusión, que se puede ver utilizando visores de imágenes RGB comunes.

4. La distribución de la rigidez hepática

NOTA: Para complementar el análisis de imágenes de fusión que se muestra en la Figura 3, genere estadísticas de distribución de la rigidez hepática como se muestra en la Figura 4.

1. Repita los pasos 1 a 3 para examinar a los pacientes con diferentes etapas de cirrosis hepática.
2. Seleccione la función LSD_compute ([LSD_distribution, LSD_stats] = LSD_compute(V_stiffness, liver_mask)) para calcular los valores de LSD (distribución de rigidez hepática) del paciente en diferentes etapas de rigidez¹⁵ (Figura 4).
   NOTA: El paciente que se muestra en la Figura 3 se encuentra en una fibrosis hepática en etapa tardía que ya ha progresado a cirrosis, con una rigidez promedio de todo el hígado que alcanza los 5 kPa. Por lo tanto, en la distribución cuantitativa de la Figura 4, la mayoría de los valores de rigidez del tejido hepático están por encima de la etapa F4.

5. Verificación final y archivo de datos

1. Compruebe que todas las imágenes de fusión se hayan generado y guardado correctamente en el directorio de trabajo.
2. Confirmar que los resultados del análisis de LSD se han calculado y documentado para la interpretación clínica.
3. Archive todos los datos procesados, incluidas las imágenes estructurales, los mapas de rigidez, las imágenes de fusión y las métricas cuantitativas de LSD, para futuras referencias y comparaciones longitudinales.
   NOTA: El protocolo de imágenes de fusión estructural y rigidez multimodal ya está completo. Las imágenes de fusión generadas y el análisis cuantitativo de LSD proporcionan datos completos de evaluación hepática listos para la interpretación clínica y la comunicación con el paciente.

Resultados

El enfoque de visualización presentado en este estudio ofrece información completa sobre la estructura del hígado y la distribución de la rigidez, lo que permite una evaluación precisa de la cirrosis hepática. A través de la GUI representada en la Figura 1, los médicos pueden comprender mejor la anatomía estructural del hígado en múltiples secciones transversales, evaluando principalmente su integridad anatómica. El examen de la Figura 2 revela una limitación cr...

Discusión

Pasos críticos
Varios pasos críticos en el protocolo requieren una atención especial para garantizar la implementación exitosa de la técnica de imágenes de fusión estructural y rigidez multimodal. En primer lugar, la planificación de la secuencia de resonancia magnética utilizando como referencia imágenes anatómicas ponderadas en T1 garantiza una cobertura óptima del parénquima hepático y facilita el posterior corregistro automatizado¹⁵. En seg...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
SIGNA Pioneer	3.0 Tesla	MATLAB	GE Medical Systems
	Entropía Inteligente	LSD-Fusion V1.0	Beijing Entropía Inteligente Ciencia & Technology Co Ltd. Modelado para CT/MRI
Herramientas de fusión para modelado	MathWorks	2022B	Computación y visualización