Name: Ressonância magnética pulmonar funcional resolvida em fase para avaliação de ventilação e perfusão pulmonar (V/Q) (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-08-09T12:50:00.000+00:00
Duration: 5 min 56 s
Description: Aprenda a usar ressonância magnética pulmonar funcional resolvida em fase para avaliar ventilação e perfusão sem contraste. Este método não invasivo detecta precocemente doenças pulmonares e quantifica respostas ao tratamento em pacientes.

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<meta charset="utf8"></head><body>Imagens pulmonares avançadas para detecção e monitoramento de doenças

O sistema respiratório, com seus intrincados mecanismos, é vulnerável a várias doenças. Destacam-se as condições respiratórias crônicas, como doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC), fibrose cística (FC) e hipertensão pulmonar tromboembólica crônica (HPTEC), reduzindo consideravelmente a expectativa de vida1. Como resultado, o diagnóstico precoce, o monitoramento e a avaliação da resposta terapêutica tornaram-se primordiais.
Os testes de função pulmonar (TFPs) podem derivar parâmetros globais da função pulmonar, como o índice de Tiffeneau-Pinelli, definido como a razão entre o volume expiratório forçado no primeiro segundo (VEF1) e a capacidade vital forçada (CVF)2. Tais parâmetros estão bem estabelecidos na rotina clínica, mas carecem de informações regionais e exigem um alto nível de adesão do paciente. Nesse sentido, a imagem pode oferecer insights adicionais e possibilidades para parâmetros mais sensíveis. A tomografia computadorizada (TC) oferece imagens de alta resolução da morfologia do parênquima, e técnicas recentes, como o mapeamento de resposta paramétrica, também recuperam informações funcionais3. No entanto, a tomografia computadorizada por emissão de fóton único (SPECT) continua sendo o padrão-ouro atual para descrever a ventilação e a perfusão (V/Q) no pulmão4. Comum a todos, as modalidades de imagem mencionadas requerem exposição à radiação ionizante, o que requer consideração especial em casos de monitoramento e grupos vulneráveis. Consequentemente, há um esforço contínuo para promover a RM como uma modalidade alternativa.
Inerentemente, o pulmão é um órgão desafiador para a ressonância magnética devido à sua baixa densidade de prótons e rápido decaimento do sinal5. Entre as múltiplas abordagens, as soluções mais difundidas incluem o uso de gás hiperpolarizado (por exemplo, ressonância magnética 129Xe) para ventilação6 e aplicação de agente de contraste intravenoso à base de gadolínio para representação de perfusão7. Esses métodos oferecem uma alta relação sinal-ruído (SNR) e são amplamente considerados métodos padrão-ouro na comunidade de RM. Uma abordagem mais recente evita a aplicação de qualquer agente de contraste e é viável com RM de prótons convencional em respiração livre com um tempo total de aquisição de ~ 1 min/fatia. Assim, eventos adversos potenciais e efeitos de longo prazo recentemente debatidos dos agentes de contraste são evitados e a disseminação mais fácil sem a necessidade de hiperpolarização adicional e hardware multinuclear é habilitada. Além disso, o problema de encontrar um estado de insuflação adequado, que pode afetaros valores derivados do defeito ventilatório8, é evitado pela aquisição de respiração livre.
Essa abordagem indireta baseada em sinal de RM foi introduzida pela primeira vez por Zapke et al., que utilizaram a relação recíproca do sinal ponderado em prótons S e volume pulmonar V: S ~ 1 / V.9 Baseia-se no processo de transformação de imagens adquiridas na respiração livre em um estado de inflação comum (normalmente em uma posição intermediária entre a expiração final e a inspiração final), compensando assim o movimento e permitindo analisar a série temporal do sinal em cada voxel. A partir daí, uma medida de ventilação pode ser derivada dessas chamadas imagens registradas usando a equação (1) de Klimeš et al.10:
<img alt="Equação da ventilação respiratória: VDent= (VInsp-VExp)/VReg = (SReg/SInsp) - (SReg/SExp)." src="/files/ftp_upload/66380/66380eq01.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Equation 1">Características (1)
Com os volumes/sinais em inspiração (Insp), expiração (Exp) e estado registrado (Reg). Posteriormente, o método foi expandido com a introdução da Decomposição de Fourier para diferenciar entre modulações de sinal associadas à frequência respiratória (ventilação) e frequência de pulso (perfusão) e, portanto, derivar um mapa V / Q perfeitamente compatível espacialmente a partir de uma aquisição11. Isso é possível graças à lacuna típica entre as frequências respiratória e cardíaca, de modo que ambos os componentes que estão um sobre o outro no domínio do tempo são efetivamente discriminados no domínio da frequência pela análise de Fourier. Após a transição de baixo campo (0,35T) para 1,5T com uma sequência de precessão livre em estado estacionário balanceada otimizada (bSSFP)12, esse método começou a ganhar mais atenção com vários estudos de acompanhamento 13,14,15.
Uma vez que a respiração e o pulso estão sujeitos à variabilidade e a imagem bSSFP (gradiente compensado) disponível comercialmente a 1,5T pode resultar em artefatos de bandas substanciais (linhas claras de vazio de sinal), um método relacionado foi proposto com sequência de eco gradiente estragada (SPGRE) em combinação com ampla filtragem passa-baixa e passa-alta16,17. Isso captura o espectro mais complexo de modulações reais relacionadas à respiração e ao pulso. O cálculo a seguir da amplitude no domínio do tempo evita a necessidade de selecionar um pico de frequência específico. Uma otimização adicional foi alcançada dividindo o registro típico de uma etapa em direção a um estado de referência em duas etapas separadas. Assim, é utilizado o fato de que, durante a respiração livre, uma variedade de diferentes fases respiratórias são adquiridas entre a inspiração final e a expiração final, com vários graus de deformação necessária em direção a um estado fixo. Após a escolha de vários grupos e a identificação do grupo de imagens individuais, é realizado o seguinte procedimento: 1) Registro dentro do respectivo grupo de estado de respiração, 2) Registro intergrupo passo a passo de um grupo adjacente para o próximo (por exemplo, 1-&gt;2, 2-&gt;3,...) para o grupo que representa o grupo de referência. Essa abordagem foi expandida ainda mais pela estimativa de fase para cada imagem para estabelecer uma resolução temporal aparente mais alta para facilitar a análise da dinâmica de ventilação e perfusão, levando à terminologia de RM do pulmão funcional resolvido em fase (PREFUL) para diferenciar esse ramo de outras técnicas relacionadas18. Estudos de acompanhamento utilizaram as informações adicionais fornecidas pelos ciclos respiratório completo e cardíaco e mostraram sensibilidade potencialmente aumentada desses parâmetros 19,20,21.
A validação com o SPECT padrão-ouro revelou um coeficiente de dados de ≥67% para regiões de defeito22, e a medição mais direta da ventilação com 129Xe mostrou correlação percentual de defeito ventilatório ≥62% em uma coorte mista de DPOC/FC/saudável23 e 84% em uma coorte multicêntrica e multifornecedorde FC 24, que também demonstrou uma correlação semelhante ao índice de depuração pulmonar de PREFUL e 129Xe (r = 0,82 e r = 0,91). A análise de perfusão do mesmo estudo mostrou que não houve diferenças significativas na sobreposição espacial com o DCE entre os centros avaliados25. A concordância com o DCE e a concordância dos resultados do PREFUL entre os centros também foram relatadas para um subestudo prospectivo incluindo nove centros26. A análise da reprodutibilidade em pacientes com DPOC resultou em um coeficiente de variação abaixo de 15% para todos os parâmetros27. Estudos atuais sugerem que o parâmetro FVL tem maior poder preditivo e sensibilidade para detectar alterações no tratamento em comparação com o parâmetro ventilatório "estático", que leva em consideração apenas as fases inspiratória final e expiratória final. A capacidade de resposta ao tratamento com medidas regionais de alça fluxo-volume (FVL) foi demonstrada após o tratamento inalatório com indacaterol-glicopirrônio (IND/GLY) na DPOC28. Em concordância, o parâmetro FVL previu a perda do enxerto em pacientes com transplante duplo pulmonar, enquanto a espirometria não (P = 0,02 vs. P = 0,33)29. Os primeiros estudos de viabilidade mostram que a imagem pulmonar funcional com PREFUL pode ser realizada em bebês e neonatos respiradores livres com hardware de ressonância magnética clínica padrão30,31. Glandorf et al. compararam os parâmetros PREFUL em 1,5T e 3T (sequência SPGRE) e não encontraram diferenças significativas para a maioria dos parâmetros, que foram altamente reprodutíveis, apesar da diferença na intensidade do campo32. Isso pode ser uma vantagem importante, pois nem todos os locais têm acesso a scanners de intensidade de campo de 1,5 T ou inferior. Recentemente, a viabilidade e detecção de sintomas persistentes após a infecção por COVID-19 a 0,55T foi demonstrada avaliando os dados do bSSFP com o PREFUL33.
Em resumo, apesar de ser uma técnica relativamente nova, o PREFUL tem sido extensivamente estudado. Critérios importantes como validação com medidas mais diretas e estabelecidas, reprodutibilidade, sensibilidade para patologia e responsividade para alterações de tratamento e progressão foram avaliados. No entanto, ainda assim, apenas alguns centros especializados estão utilizando essa técnica, apesar da baixa exigência tecnológica. Portanto, o objetivo deste trabalho é resumir a mais recente metodologia de RM PREFUL na forma escrita e visual. Essas informações podem ser usadas para estabelecer essa técnica em mais centros e, assim, a longo prazo, levar a uma técnica mais madura.

<table><tbody><tr><td>Ferramentas Avançadas de Normalização (ANTs)</td><td>-</td>Caixa de ferramentas de <td></td><td>registro de imagens (https://stnava.github.io/ANTs/; https://github.com/fordanic/image-registration)</td></tr><tr><td>Forsberg-Caixa</td> <td>de</td> <td>ferramentas de registro de</td><td></td> imagens</tr><tr><td>MRI</td><td>Siemens Healthineers AG, Munique, Alemanha</td><td></td><td>0.55T / 1.5T / 3T Scanner</td></tr><tr><td>PREFUL App</td><td>BioVisioneers GmbH, Laatzen, Alemanha</td><td></td><td>Análise PREFUL, Figuras e relatórios</td></tr></tbody></table>

ressonância magnética pulmonar funcional resolvida em fase para avaliação de ventilação e perfusão pulmonar (v/q)

Phase-Resolved Functional Lung MRI for Pulmonary Ventilation and Perfusion (V/Q) Assessment

A parte inferior da Figura 2 ilustra a consequência do dimensionamento adequado e inadequado com um efeito correspondente na faixa dinâmica. A Figura 6 mostra a distribuição de sinal não homogênea, que é representativa de varreduras sem e com normalização da bobina. Recomenda-se evitar uma faixa dinâmica baixa e imagens sem normalização da bobina.
<img alt="Comparação de imagens de ressonância magnética do processo de correção de bobinas em imagens torácicas; antes e depois do aprimoramento." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66380/66380fig06.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 6"> Figura 6: Imagens exemplares após aquisição sem correção da bobina (incorreta) e com correção da bobina (correta). Observe o aprimoramento do sinal artificial nos limites do corpo perto dos elementos da bobina. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380fig06large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
A Figura 7 ilustra a segmentação automática bem-sucedida e com falha. Observe que a segmentação com falha não inclui todos os voxels pulmonares, o que falsificará análises e estatísticas adicionais. Cuidados especiais são necessários para casos com infiltrados, pois esses voxels podem ser classificados erroneamente como vasos devido ao seu alto sinal por modelos de IA ou não segmentados.
<img alt="Segmentação pulmonar, análise de ressonância magnética, diagrama de comparação, estágios de segmentação, cortes de imagem, Sujeitos A e B." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66380/66380fig07.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 7"> Figura 7: Um exemplo de segmentação automatizada resultando em uma falha (Sujeito A: homem de 83 anos com DPOC) e um resultado bem-sucedido (Sujeito B: controle saudável feminino de 30 anos). A primeira linha mostra as imagens, que foram usadas como entrada para os modelos de IA. A segunda linha mostra os resultados do primeiro estágio de segmentação que consiste em encontrar o limite pulmonar. A terceira linha mostra o resultado final após a exclusão dos vasos. Conforme mostrado pelas setas azuis, o algoritmo foi desafiado pelas variações pulmonares de alto sinal, causando detecção incorreta de limites pulmonares. Observe que as imagens foram normalizadas pelo sinal máximo, o que levou a resultados diferentes devido à falta de normalização da bobina da varredura realizada no sujeito A. As regiões vermelhas mostram as ROIs, que foram detectadas automaticamente para classificação da fase de perfusão. Abreviaturas: DPOC = doença pulmonar obstrutiva crônica; ROIs = regiões de interesse. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380fig07large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
A Figura 8 e a Figura 9 mostram mapas de parâmetros representativos para um controle saudável (30 anos, mulher) e um paciente com DPOC (60 anos, homem). Observe que o controle saudável mostra uma ventilação e perfusão mais homogêneas e, portanto, menos voxels defeituosos. Os relatórios correspondentes das estatísticas de ROI podem ser encontrados na Tabela 4 e na Tabela 5.
<img alt="Perfusão, ventilação, diagrama de análise da função pulmonar com quantificação regional de fluxo e volume." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66380/66380fig08.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 8"> Figura 8: Mapas de parâmetros PREFUL de uma mulher controle saudável de 30 anos. A perfusão (1ª linha), ventilação regional (2ª linha), métrica de correlação de loop fluxo-volume (3ª linha) e mapas V/Q limiares (4ª linha). Observe a distribuição homogênea dos valores do parênquima e as baixas porcentagens de defeitos. Abreviaturas: PREFUL = pulmão funcional resolvido em fase; V = ventilação; Q = perfusão. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380fig08large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Diagrama de análise da função pulmonar; perfusão, ventilação, ventilação dinâmica, imagens V/Q combinadas." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66380/66380fig09.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 9"> Figura 9: Mapas de parâmetros PREFUL de um paciente com DPOC do sexo masculino de 60 anos. A perfusão (1ª linha), ventilação regional (2ª linha), métrica de correlação de loop fluxo-volume (3ª linha) e mapas V/Q limiares (4ª linha). Observe a distribuição heterogênea dos valores do parênquima e altas porcentagens de defeitos. Abreviaturas: DPOC = doença pulmonar obstrutiva crônica; PREFUL = pulmão funcional resolvido em fase; V = ventilação; Q = perfusão. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380fig09large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
Tabela 4: Relatório exemplar dos parâmetros PREFUL obtidos para um controle saudável (mulher de 30 anos). Observe os baixos valores de coeficiente de variação e defeito, que estão de acordo com os mapas de parâmetros apresentados na Figura 8 para o mesmo assunto. Veja também a Tabela 5 e a Figura 9. Abreviatura: PREFUL = pulmão funcional resolvido em fase. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380_Table_4_rev.xlsx" target="_blank">Clique aqui para baixar esta tabela.</a>
Tabela 5: Relatório exemplar dos parâmetros PREFUL obtidos para um paciente com DPOC (homem de 60 anos). Observe os altos valores de coeficiente de variação e defeito, que estão de acordo com os mapas de parâmetros apresentados na Figura 9 para o mesmo assunto. Veja também a Tabela 4 e a Figura 8. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380_Table_5_rev.xlsx" target="_blank">Clique aqui para baixar esta tabela.</a>
Material Suplementar: Explicação animada do algoritmo PREFUL. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/JOVE_All_Screen_Recordings.mp4" target="_blank">Clique aqui para baixar este arquivo.</a>

Ressonância magnética pulmonar funcional resolvida em fase para avaliação de ventilação e perfusão pulmonar (V/Q)

Fourier decomposition is a contrast agent-free 1H MRI method for lung perfusion (Q) and ventilation (V) assessment. After image registration, the time ...

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