Quantificação precisa não invasiva de cirrose hepática por meio de imagens de fusão estrutural de rigidez multimodal

Resumo

A Elastografia por Ressonância Magnética Tradicional separa a rigidez e as imagens estruturais, exigindo delineamento manual de ROI e entrada do radiologista. Este estudo apresenta um método de fusão multimodal que combina os dois tipos de imagem para produzir imagens de fusão estrutural de rigidez e estatísticas de distribuição de rigidez hepática, apoiando o estadiamento preciso da cirrose e permitindo a análise radiômica com base na distribuição da rigidez hepática.

Resumo

A Elastografia por Ressonância Magnética (ERM) tradicional apresenta imagens de rigidez e estruturais separadamente, necessitando de delineamento manual da ROI para avaliação da rigidez hepática. Isso introduz variabilidade do observador e pode ignorar lesões significativas, não representando com precisão os padrões de distribuição da rigidez hepática total. O presente estudo implementou a fusão de imagens multimodais integrando mapas de rigidez com imagens estruturais usando: (1) aquisição em uma ressonância magnética de 3,0T com imagem ponderada em T1 otimizada (TR/TE = 157,62/1,17 ms) e ERM (vibrações de 60 Hz); (2) pré-processamento computacional de dados DICOM em volumes 3D; (3) cálculo preciso do co-registro e da fusão; e (4) análise quantitativa da distribuição da rigidez hepática em diferentes estágios da cirrose. A técnica de imagem de fusão estrutural de rigidez integrou estruturas anatômicas com padrões de rigidez em uma única visualização, permitindo a avaliação simultânea da morfologia hepática e da distribuição da rigidez. A análise comparativa revelou uma clara diferenciação entre pacientes cirróticos e controles saudáveis, com fígados cirróticos mostrando proporções significativamente maiores de fibrose avançada. Essa técnica eliminou a variabilidade devido à colocação manual do ROI e estabeleceu uma estrutura padronizada para avaliação abrangente do fígado inteiro. A técnica de imagem de fusão estrutural de rigidez fornece visualização abrangente da rigidez hepática com correlação anatômica precisa, melhorando potencialmente a precisão diagnóstica em comparação com o MRE convencional. Essa abordagem elimina a variabilidade do observador, permite a avaliação padronizada de todo o fígado e estabelece uma estrutura quantitativa para monitorar a progressão da doença e a resposta ao tratamento, ao mesmo tempo em que facilita a comunicação médico-paciente aprimorada e oferece uma base para radiômica avançada no estadiamento da cirrose hepática.

Introdução

A cirrose hepática representa um desafio significativo para a saúde global, sendo o estadiamento preciso crucial para o manejo ideal do paciente e o planejamento do tratamento ^1,2. A Elastografia por Ressonância Magnética (ERM) surgiu como uma técnica não invasiva valiosa para a avaliação da cirrose hepática, oferecendo vantagens sobre os procedimentos de biópsia invasiva que acarretam riscos inerentes de erro de amostragem e desconforto ao paciente ^3,4,5. No entanto, as abordagens convencionais de ERM apresentam limitações significativas na prática clínica que afetam a precisão diagnóstica e a eficiência do fluxo de trabalho.

As metodologias tradicionais de ERM normalmente apresentam mapas de rigidez e imagens estruturais como entidades separadas, exigindo que os médicos correlacionem mentalmente as características anatômicas com os padrões de rigidez em diferentes séries de imagens ^5,6. Essa abordagem requer a colocação manual da região de interesse (ROI) para quantificação da rigidez hepática, introduzindo considerável variabilidade interobservador e potencial viés de amostragem ^7,8. Além disso, a abordagem convencional baseada em ROI não consegue capturar a natureza heterogênea da distribuição da rigidez hepática, conforme destacado na literatura recente que enfatiza o significado prognóstico da heterogeneidade do parênquima na progressão da doença hepática crônica ^9,10. A incapacidade de visualizar e quantificar de forma abrangente a distribuição da rigidez de todo o fígado representa uma barreira significativa para a análise radiômica avançada e a caracterização precisa da doença.

Técnicas alternativas não invasivas para avaliação da cirrose hepática incluem ultrassom, elastografia e painéis de biomarcadores séricos^11,12. Embora a elastografia transitória ofereça medições pontuais da rigidez hepática, ela não possui os recursos abrangentes de mapeamento espacial do MRE ¹³. Os painéis de biomarcadores séricos fornecem estimativas indiretas de fibrose, mas não podem visualizar a distribuição espacial das alterações parenquimatosas¹¹. Estudos comparativos recentes têm demonstrado consistentemente uma acurácia diagnóstica superior da ERM para estágios intermediários e avançados de fibrose em comparação com essas alternativas^13,14.

Para resolver essas limitações, desenvolvemos uma nova técnica de imagem de fusão estrutural de rigidez multimodal que integra perfeitamente mapas quantitativos de rigidez com imagens estruturais de alta resolução. Essa abordagem permite a visualização simultânea de pontos anatômicos e padrões de rigidez em uma única representação integrada, eliminando a necessidade de co-registro mental e reduzindo a carga cognitiva durante a interpretação^15,16. A técnica fornece uma análise abrangente da distribuição da rigidez de todo o fígado, superando as limitações de amostragem dos métodos convencionais baseados em ROI.

Este estudo utilizou sistemas de ressonância magnética de 3,0 Tesla com recursos de elastografia, preparação padrão do paciente, incluindo jejum de 4-6 horas e MATLAB com caixa de ferramentas de processamento de imagem para análise computacional. Esses requisitos estão cada vez mais disponíveis em centros médicos acadêmicos e instalações especializadas em imagens.

Este protocolo fornece uma metodologia detalhada para implementar a técnica de fusão rigidez-estrutura em ambientes clínicos e de pesquisa. A abordagem é particularmente valiosa para centros com acesso a recursos de ERM que buscam aumentar a precisão do diagnóstico, melhorar a eficiência do fluxo de trabalho clínico e estabelecer estruturas quantitativas para o monitoramento longitudinal da doença hepática crônica. A técnica é aplicável em várias etiologias de doença hepática crônica e pode ser implementada com um tempo mínimo de pós-processamento adicional usando a estrutura computacional fornecida.

Protocolo

O protocolo foi realizado sob aprovação institucional do CEP. Um paciente do Hospital Dongzhimen, Universidade de Medicina Chinesa de Pequim, foi submetido a ressonância magnética abdominal superior de rotina e ERM no Hospital YouAn com consentimento informado. Este caso foi selecionado para a metodologia de pesquisa devido à progressão confirmada de fibrose para cirrose, destacando o valor da abordagem no diagnóstico da fronteira entre fibrose hepática e cirrose. O estudo também fornece uma comparação quantitativa entre a distribuição da rigidez hepática (LSD) deste paciente e a de um fígado saudável. Todos os equipamentos e ferramentas de software utilizados neste estudo estão listados na Tabela de Materiais.

1. Estratégias de ressonância magnética

1. Prepare o paciente garantindo um período de jejum de 4-6 h antes do exame para reduzir a variabilidade fisiológica.
2. Posicione o paciente no sistema de ressonância magnética de 3.0 Tesla usando uma combinação de um feixe abdominal de 16 canais e uma bobina de arranjo posterior de 32 canais.
3. Aquisição de imagens estruturais
   1. Realize imagens anatômicas usando uma sequência de eco axial 2D ponderada em T1 ponderada em apneia com gradiente recordado com os seguintes parâmetros:
      NOTA: TR/TE = 157,62/1,17 ms; Ângulo de inversão = 60°; Campo de visão = 400 × 400 mm²; Matriz de aquisição = 512 × 512; Espessura da fatia = 7 mm.
   2. Verifique se a sequência fornece informações estruturais de alta resolução (resolução no plano de 0,78 × 0,78 mm²) com capacidade inerente de separação de água e gordura.
4. Aquisição de elastografia por RM
   1. Coloque a chave pneumática sobre o fígado anterior direito para aplicar vibrações mecânicas a 60 Hz.
   2. Realize o mapeamento da rigidez hepática usando uma aquisição baseada em imagem ecoplanar 2D (EPI) com os seguintes parâmetros:
      NOTA: TR/TE = 1050,3/63,4 ms; Ângulo de inversão = 90°; Campo de visão = 420 × 420 mm²; Matriz de aquisição = 256 × 256 (reconstruída para 256 × 256); Espessura do corte = 10 mm; Largura de banda = 1953,1 Hz/pixel.
   3. Adquira oito deslocamentos de fase para calcular a propagação de ondas e gerar mapas quantitativos de rigidez (elastogramas) com valores expressos em quilopascais (kPa).
5. Estratégia de co-registro de imagens
   1. Garanta o alinhamento espacial preciso entre imagens estruturais e elastogramas, mantendo o posicionamento idêntico do paciente e instruções consistentes de apneia.
   2. Realize todas as imagens no plano axial com cobertura de corte correspondente do fígado.
   3. Planeje a sequência de ERM usando as imagens anatômicas ponderadas em T1 como referência para garantir a cobertura ideal do parênquima hepático.
   4. Verifique se ambas as sequências utilizam o mesmo quadro de referência para facilitar o co-registro automatizado no processo de fusão subsequente.

2. Coleta e preparação de dados

1. Renomeando a pasta de cada sequência
   NOTA: Adicione nomes explícitos para cada sequência, pois os dados DICOM exportados do equipamento não têm identificação de sequência. Isso facilita a análise e o processamento subsequentes.
   1. Execute a função Description_Name para adicionar nomes descritivos às pastas de cada sequência.
   2. Copie todos os dados DICOM para um diretório de trabalho personalizado.
   3. Navegue até o diretório que contém os dados no diretório de trabalho do MATLAB.
2. Verificação rápida de imagens da sequência estrutural
   NOTA: Examine imagens estruturais derivadas de imagens T1, que compartilham o mesmo sistema de coordenadas com mapas de rigidez e fornecem visualização clara do contorno do fígado, essencial para cálculos subsequentes de distribuição de rigidez.
   1. Gere uma matriz de volume 3D a partir dos arquivos DICOM das sequências de ressonância magnética usando o seguinte código MATLAB:
      f=dir('*.dcm');
      para i=1:comprimento(f)
      V(:,:,i)=dicomread(fullfile(f(i).folder,f(i).name));
      Fim
   2. Visualize a sequência de imagens usando a função sliceViewer do MATLAB para um exame interativo:
      figura;
      H=sliceViewer(V); mapa de cores(cinza(1024));
      set(gcf, 'Barra de ferramentas', 'figura');
   3. Interaja com a GUI do sliceViewer . Use a barra de rolagem para navegar por diferentes fatias. Verifique se os limites do fígado estão claramente delineados com forte contraste com os tecidos circundantes.
      NOTA: As imagens aceitáveis devem mostrar parênquima hepático contínuo sem artefatos de movimento ou borramento (Figura 1). Este visualizador interativo permite uma avaliação rápida da qualidade da imagem e da morfologia do fígado.
   4. Encontre os ícones para aumentar, diminuir e retornar à exibição global no canto superior direito da GUI. Use o ícone de dica de dados para marcar as coordenadas de regiões específicas do fígado para análise posterior.
   5. Observe que o mapa de cores cinza padrão exibe valores de baixo (preto) a alto (branco). Clique com o botão direito do mouse na barra de cores no menu pop-up para selecionar diferentes opções de mapa de cores para uma visualização ideal do tecido hepático.
   6. Se o contraste não for satisfatório, use o botão esquerdo do mouse para arrastar para cima e para baixo no meio da figura para ajustar o nível da janela. Arraste para a esquerda e para a direita para ajustar a largura da janela. A faixa de contraste precisa correspondente será exibida na barra de cores.
      NOTA: Use esses controles interativos para inspecionar as características da sequência estrutural da ressonância magnética em intensidade e dimensões espaciais. Avalie a integridade do contorno anatômico do fígado e a qualidade da imagem antes de prosseguir para a próxima etapa.
3. Verificando rapidamente os mapas de rigidez do MRE
   NOTA: Examine os mapas de rigidez MRE para medições quantitativas da elasticidade do fígado, onde cores diferentes representam vários graus de rigidez, o que é essencial para identificar áreas fibróticas ou cirróticas.
   1. Gere uma matriz de volume 3D a partir dos arquivos DICOM das sequências MRE usando o seguinte código MATLAB:
      f=dir('*.dcm');
      para i=1:comprimento(f)
      V_LSD(:,:,i)=dicomread(fullfile(f(i).folder,f(i).name));
      Fim
   2. Visualize os mapas de rigidez do MRE usando a função sliceViewer do MATLAB para exame interativo:
      figura; H=sliceViewer(V_LSD); mapa de cores (jato (1024)); set(gcf, 'Barra de ferramentas', 'figura');
   3. Interaja com a GUI do sliceViewer . Use a barra de rolagem na parte inferior da interface gráfica do usuário (GUI) para navegar por diferentes fatias na sequência (Figura 2). Observe que este visualizador interativo permite uma avaliação rápida da distribuição da rigidez e dos padrões de elasticidade do fígado.
   4. Encontre os ícones para aumentar, diminuir e retornar à exibição global no canto superior direito da GUI. Use o ícone Dica de dados para marcar as coordenadas de regiões hepáticas específicas com valores de rigidez notáveis para análise posterior.
   5. Observe que o mapa de cores do jato padrão representa valores de rigidez de baixa (azul) a alta (vermelho). Clique com o botão direito do mouse na barra de cores no menu pop-up para ajustar o intervalo do mapa de cores para uma visualização ideal dos gradientes de rigidez do fígado.
   6. Se o contraste não for satisfatório, use o botão esquerdo do mouse para arrastar para cima e para baixo no meio da figura para ajustar o nível da janela. Arraste para a esquerda e para a direita para ajustar a largura da janela. A faixa de rigidez precisa correspondente será exibida na barra de cores.
   7. Confirme se os mapas de rigidez exibem transições de cores suaves no parênquima hepático. O mapeamento de rigidez aceitável deve mostrar artefatos mínimos de ruído e diferenciação clara entre o tecido hepático (normalmente na faixa de 1-8 kPa) e as regiões de fundo.
      NOTA: Esses controles interativos permitem a inspeção flexível dos mapas de rigidez do ERM no espaço de intensidade e na localização da sequência, facilitando a avaliação rápida da distribuição da rigidez hepática e das áreas potenciais de fibrose.

3. Fusão rigidez-estrutural

NOTA: Integre ambas as modalidades, pois os mapas de rigidez por si só não podem localizar lesões com precisão sem correlação estrutural da imagem.

1. Defina variáveis de caminho para imagens estruturais e mapas de rigidez, bem como arquivos de varredura aproximadamente nas mesmas posições axiais.
2. Selecione a função Struct_Stiffness_Fusion (I_fusion = Struct_Stiffness_Fusion(I_structural, I_stiffness)) para gerar imagens de fusão rigidez-estrutural no diretório atual.
3. Localize os arquivos de imagem de fusão no navegador de arquivos e abra-os usando o visualizador de imagens padrão. Verifique se as estruturas anatômicas e os padrões de rigidez estão alinhados corretamente.
   NOTA: As imagens de fusão aceitáveis devem demonstrar sobreposição precisa sem registro espacial incorreto entre os dados estruturais e de elastografia. Seguindo as etapas acima, as posições axiais de varredura alinhadas geram automaticamente a sequência de imagens de fusão, que pode ser visualizada usando visualizadores de imagens RGB comuns.

4. A distribuição da rigidez do fígado

NOTA: Para complementar a análise da imagem de fusão mostrada na Figura 3, gere estatísticas de distribuição de rigidez hepática conforme demonstrado na Figura 4.

1. Repita as etapas 1 a 3 para examinar pacientes com diferentes estágios de cirrose hepática.
2. Selecione a função LSD_compute ([LSD_distribution, LSD_stats] = LSD_compute(V_stiffness, liver_mask)) para calcular os valores de LSD (Distribuição da Rigidez do Fígado) do paciente em diferentes estágios de rigidez¹⁵ (Figura 4).
   NOTA: O paciente mostrado na Figura 3 está em fibrose hepática em estágio avançado que já progrediu para cirrose, com rigidez média do fígado total atingindo 5 kPa. Portanto, na distribuição quantitativa da Figura 4, a maioria dos valores de rigidez tecidual hepática está acima do estágio F4.

5. Verificação final e arquivo de dados

1. Verifique se todas as imagens de fusão foram geradas e salvas com êxito no diretório de trabalho.
2. Confirme se os resultados da análise de LSD foram calculados e documentados para interpretação clínica.
3. Arquive todos os dados processados, incluindo imagens estruturais, mapas de rigidez, imagens de fusão e métricas quantitativas de LSD, para referência futura e comparação longitudinal.
   NOTA: O protocolo de imagem de fusão estrutural de rigidez multimodal está concluído. As imagens de fusão geradas e a análise quantitativa do LSD fornecem dados abrangentes de avaliação do fígado prontos para interpretação clínica e comunicação com o paciente.

Resultados

A abordagem de visualização apresentada neste estudo oferece informações abrangentes sobre a estrutura do fígado e a distribuição da rigidez, permitindo uma avaliação precisa da cirrose hepática. Por meio da GUI representada na Figura 1, os médicos podem entender melhor a anatomia estrutural do fígado em várias seções transversais, avaliando principalmente sua integridade anatômica. O exame da Figura 2 revela uma limitação crítica dos mapas de rigidez isolados: ...

Discussão

Etapas críticas
Várias etapas críticas no protocolo requerem atenção especial para garantir a implementação bem-sucedida da técnica de imagem de fusão estrutural de rigidez multimodal. Primeiro, o planejamento da sequência de ERM usando imagens anatômicas ponderadas em T1 como referência garante a cobertura ideal do parênquima hepático e facilita o co-registro automatizado subsequente¹⁵. Em segundo lugar, o pré-processamento de dados DICOM requ...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
MATLAB	GE Medical Systems	SIGNA Pioneer	3.0 Tesla
MRI system	Entropia Inteligente	LSD-Fusion V1.0	Pequim Entropia Inteligente Ciência & Technology Co Ltd. Modelagem para fusão CT/MRI
Ferramentas para modelagem	MathWorks	2022B	Computação e visualização