Будущее MRI высокого разрешения в визуализации микрососудистых структур

Эти возможности уже были применены в исследовательских условиях для изображения микрососудистых аномалий в опухолях головного мозга, поражений рассеянного склероза и заболеваний мелких сосудов, в то время как перевод на клиническую практику ускоряется.

Новые технологии, улучшающие микрососудистое изображение

Несколько новых технологий, как аппаратных, так и программных, расширяют границы того, что МРТ с высоким разрешением может рассказать о микроциркуляции.

Strain-Encoded MRI (SENC) и Motion-Sensitive Techniques (Моционально-чувствительные методы)

Первоначально разработанный для визуализации сердечного напряжения, SENC был адаптирован для захвата тонкой деформации тканей, вызванной пульсативным кровотоком в мелких сосудах. Кодируя движение ткани в сигнал MR, SENC может отображать микрососудистую растяжимость и стресс сдвига стенок - параметры, которые являются ранними маркерами дисфункции сосудов. Этот метод особенно перспективен для оценки микрососудистого здоровья у гипертонических пациентов и диабетиков.

Новые контрастные агенты

Агенты на основе гадолиния остаются рабочей лошадкой для клинической МРТ с усиленным контрастом, но их небольшой молекулярный размер означает, что они быстро экстравазируются, ограничивая окно для микрососудистой визуализации с высоким разрешением.

• Агенты для кровотока — такие как ферумокситол (ультрамалый сверхпарамагнитный оксид железа, USPIO) и альбумин-связывающие хелаты гадолиния, остаются в внутрисосудистом пространстве в течение нескольких часов. Это позволяет длительное сканирование всего микрососудистого дерева с высоким разрешением без вымывания.
• Молекулярно-ориентированные агенты — Лиганды, конъюгированные с контрастными полезными нагрузками, могут связываться с рецепторами, экспрессируемыми на активированном эндотелии (например, интегрины в ангиогенезе опухоли) или на стенках воспаленных сосудов, что позволяет осуществлять специфическую визуализацию патологических микрососудов.
• CEST и фторированные агенты — Химический обменный перенос насыщения (CEST) и ¹⁹F МРТ агенты могут обеспечивать сигналы «горячей точки», которые полностью свободны от фона, что делает их идеальными для количественной оценки разреженных микрососудистых мишеней.

Ультра-высокополосная МРТ (7 Т и далее)

Переход от 3 Т к 7 Т был единственным наиболее важным аппаратным достижением для микрососудистой визуализации. При 7 Т SNR примерно удваивается, обеспечивая изотропное разрешение 200-300 мкм по всему мозгу в разумные сроки сканирования (5-10 минут). Системы 9,4 Т и 10,5 Т человека в настоящее время работают на нескольких исследовательских участках, и в то время как сканирование всего тела остается сложным, локализованная визуализация мозга, колена и кожи дала карты микрососудов размером менее 100 мкм. Основной упор остается на управление удельной скоростью поглощения (SAR) и неоднородностью полей, с параллельными передающими катушками, помогающими обеспечить равномерное возбуждение в этих высоких полях.

Продвинутая реконструкция изображений и ИИ

Шум и движение являются естественными врагами МРТ с высоким разрешением. Современные методы реконструкции, такие как сжатое зондирование и параллельная визуализация (GRAPPA, SENSE), могут ускорить приобретения по факторам 2-8, уменьшая артефакты движения и позволяя более высокое разрешение в течение клинически приемлемого времени сканирования. Глубокое обучение вступило в бой: сверточные нейронные сети, обученные на полностью отобранных данных, могут обезвреживать менее отобранные изображения с высоким разрешением, эффективно позволяя более быстрое сканирование с тем же очевидным разрешением. Методы супер-разрешения на основе ИИ также могут масштабировать более грубые изображения, хотя истинное физическое разрешение остается ограниченным основными параметрами приобретения. Тем не менее, эти инструменты необходимы для практического использования микрососудистой МРТ ультра-высокого разрешения для рутинного использования.

Будущие направления и вызовы

Заглядывая в будущее, несколько разработок обещают еще больше превратить микрососудистую визуализацию из экзотического исследовательского инструмента в клинический продукт.

Интеграция с искусственным интеллектом

Объем данных, генерируемых микрососудистыми сканами с высоким разрешением, огромен - одно приобретение мозга с разрешением 7 Т может производить тысячи изображений тонкого среза. Ручная сегментация микрососудистого дерева невозможна в масштабе. Алгоритмы сегментации и отслеживания на основе ИИ, особенно основанные на архитектурах U-Net и теории графов, могут автоматически извлекать центральные линии сосудов, измерять диаметры до 100 мкм и количественно определять ветвящиеся модели. Машинное обучение также позволяет коррекцию движения в реальном времени, регистрацию изображений через временные точки и даже синтез отсутствующего контраста (например, прогнозирование контрастного изображения от неконтрастного сканирования). В течение следующих пяти лет мы ожидаем появления первых инструментов ИИ с очисткой FDA для микрососудистого анализа МРТ.

Мультимодальная синергия изображений

Ни одна модальность не фиксирует каждый аспект микрососудистой физиологии. Сочетание МРТ с другими методами обеспечивает более полную картину:

• МРТ + оптическая когерентная томография (OCT) - OCT предлагает разрешение суб-10 мкм поверхностных микрососудов сетчатки и кожи. Слияние этого с глубинопроницаемой МРТ может создать сосудистую карту полной толщины.
• ПЭТ-МРТ — Одновременное получение позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) с МРТ позволяет картировать метаболическую активность (например, поглощение глюкозы) наряду с микрососудистой анатомией и перфузией. Это уже используется в онкологии для характеристики ангиогенных опухолей.
• Фотоакустическая визуализация – Хотя она ограничена поверхностной глубиной (<5 см), фотоакустика обеспечивает визуализацию гемоглобина с высоким разрешением. Со-регистрация с МРТ может калибровать и проверять микрососудистые сигналы МРТ глубоких тканей.

Количественная микрососудистая МРТ

Область выходит за рамки качественных изображений в направлении надежных количественных биомаркеров. Такие показатели, как микрососудистая плотность, фрактальное измерение, проницаемость, проницаемость продукта поверхности поверхности (K^)транс) и фракция объема крови (fBV) проверяются на гистологию. С помощью стандартизированных протоколов сбора и постобработки эти цифры могут служить биомаркерами визуализации для эффективности лекарств, прогрессирования заболевания или стратификации риска. Альянс количественных биомаркеров визуализации (QIBA) инициировал усилия по гармонизации микрососудистой МРТ на участках.

Проблемы, которые необходимо преодолеть

Несмотря на обещание, необходимо устранить несколько препятствий, прежде чем микрососудистая МРТ с высоким разрешением станет широко доступной:

• Стоимость и инфраструктура — Ультравысокопольные магниты (7 Т) стоят $8—12 млн, требуют специализированного экранирования и криогеники, а также требуются специалисты. Всего несколько сотен 7 Т-систем существуют во всем мире. Даже 3 Т-системы с высокопроизводительными градиентами дороги. Снижение стоимости за счет более дешевых высокопольных конструкций (например, 5 Т-систем) или более эффективных катушек является активной областью исследований.
• Время сканирования — Для достижения изотропного разрешения суб-200 мкм часто требуется время сканирования 10-15 минут на приобретение. Для покрытия всего органа (например, мозга, почек) необходимы множественные приобретения. Ускоренная визуализация (сжатое зондирование, реконструкция на основе ИИ) сокращает этот разрыв, но надежность в клинических условиях еще предстоит доказать.
• Чувствительность движения — Сканирование с высоким разрешением по своей сути более уязвимо для движения пациента. Даже тонкое движение головы может размыть микрососуды до неузнаваемости. Перспективная коррекция движения с использованием отслеживания на основе камеры или эхо навигатора имеет важное значение, но добавляет сложность.
• Безопасность в сверхвысоком поле — Повышение напряженности статического поля вызывает опасения по поводу головокружения, металлического вкуса и потенциальной стимуляции периферических нервов от быстрых градиентов. Ограничения SAR ограничивают количество мощных перефокусирующих импульсов, которые могут быть использованы. Тщательный дизайн последовательности и мониторинг SAR в реальном времени смягчают эти проблемы, но они ограничивают достижимое разрешение.
• Отсутствие стандартизированных протоколов — Микрососудистые протоколы МРТ широко варьируются в разных учреждениях. Последовательности, параметры и трубопроводы после обработки должны быть гармонизированы, чтобы позволить многоцентровые испытания и клиническое принятие. Международное общество магнитного резонанса в медицине (ISMRM) имеет рабочие группы, посвященные этой цели.

Последствия для медицины и исследований

Способность видеть и количественно определять микрососудистые структуры у живых людей открывает двери, которые ранее были закрыты только для гистологии.

Онкология: ангиогенез как терапевтическая мишень

Опухоли не могут расти за несколько миллиметров без набора кровоснабжения. Антиангиогенная терапия (например, бевацизумаб) направлена на нормализацию или разрушение сосудистой опухоли. МРТ высокого разрешения может контролировать микрососудистый ответ: изменения диаметра сосуда, проницаемости и проницаемости появляются за несколько дней до изменения размера опухоли. Это позволяет на ранней стадии оценить эффективность препарата и выявить закономерности резистентности. При раке молочной железы 7 Т DCE-МРТ с разрешением суб-400 мкм уже показала характеристики архитектуры микрососуда, которые отличают доброкачественные от злокачественных поражений с более высокой специфичностью, чем обычная МРТ.

Неврология: болезнь мелких сосудов и инсульт

Заболевание малых сосудов головного мозга (СВД), ведущая причина снижения когнитивных функций и лакунарного инсульта, характеризуется микрососудистым разрежением, микрокровотечением и увеличением перисосудистого пространства. SWI высокого разрешения при 7 Т может обнаруживать корковые микроинфаркты и отдельные глубокие медуллярные вены, которые невидимы при 1,5 Т. При остром инсульте перфузионная визуализация с ультравысоким разрешением может отображать «несоответствие» между инфарктом ядра и спасаемой полутенью на микрососудистом уровне, потенциально улучшая выбор пациента для тромбэктомии. Инициатива HARNESS опубликовала руководящие принципы для микрососудистой визуализации при инсульте.

Сердечно-сосудистые заболевания: Vasa Vasorum и уязвимость бляшек

МРТ высокого разрешения может изображать ваза вазорум — сеть микрососудов, питающих стенки крупных артерий. При атеросклерозе пролиферирующие ваза вазорум являются отличительной чертой уязвимых бляшек. Используя контрастные агенты крови и взвешенные последовательности T2* с высоким разрешением, исследователи количественно оценили плотность ваза вазорума в каротидных бляшках и соотнесли ее с гистологическими доказательствами воспаления и неоваскуляризации. Это может стать неинвазивным инструментом для стратификации риска инсульта.

Нейродегенеративные расстройства

Разрушение гематоэнцефалического барьера (ВВВ) на микрососудистом уровне все чаще признается ранним событием при болезни Альцгеймера и других деменциях. Динамическая контрастная МРТ с высоким разрешением может отображать тонкую утечку ВВВ в таких регионах, как гиппокамп и тракты белого вещества, за годы до появления когнитивных симптомов. Эти изменения проницаемости могут служить биомаркером для профилактической терапии и для мониторинга эффектов новых лекарств, предназначенных для стабилизации микрососудистой системы.

Исследования: биология развития и доставка лекарств

В доклинических моделях МРТ микрососудов с высоким разрешением выяснила, как развиваются органоспецифические сосудистые слои и как они меняются с возрастом, диетой и генетическими мутациями. Для доставки лекарств понимание распределения микрососудов в твердых опухолях и мозге имеет решающее значение для разработки наночастиц, липосом и конъюгатов антител, которые могут экстравазировать и достигать клеток-мишеней. Путем картирования микрососудистой пористости и гетерогенности потока МРТ может направлять разработку лучших носителей лекарств.

Заключение

МРТ с высоким разрешением больше не является футуристическим любопытством - это быстро развивающаяся технология, которая уже обеспечивает беспрецедентные представления о микрососудистой инфраструктуре организма у живых людей. Прогресс в области аппаратного обеспечения (7 Т и более, выделенные катушки), умные последовательности (SWI, DCE, ASL), новые контрастные агенты и реконструкция и анализ на основе ИИ сближаются, чтобы сделать микрососудистую визуализацию быстрее, надежнее и информативнее. Проблемы стоимости, чувствительности к движению и стандартизации протокола активно решаются глобальным сообществом визуализации. Поскольку эти решения выходят в сеть, способность неинвазивно визуализировать микроциркуляцию станет краеугольным камнем точной диагностики и мониторинга терапии в онкологии, неврологии, кардиологии и за ее пределами. Будущее МРТ с высоким разрешением в визуализации микрососудистых структур яркое, и его интеграция в рутинную помощь изменит наше понимание и лечение бесчисленных заболеваний.