我们介绍了一种使用外部软件定量测定肿瘤T2*弛豫时间的标准化方案。通过采集多回波梯度回波图像，并将其输入软件，以生成肿瘤T2*图并测量肿瘤T2*弛豫时间。
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摘要
摘要
T2*弛豫测量法是利用磁共振成像（MRI）检测超顺磁性氧化铁纳米颗粒对肿瘤组织影响的成熟方法之一。氧化铁纳米颗粒可缩短肿瘤的T1、T2和T2*弛豫时间。尽管T1效应随纳米颗粒的尺寸和组成而变化，T2和T2*效应通常占主导地位，而在临床环境中，T2*测量的时间效率最高。本文介绍了我们测量肿瘤T2*弛豫时间的方法，该方法采用多回波梯度回波序列、外部软件以及标准化协议，使用与扫描仪无关的软件生成T2*图。这有助于比较来自不同临床扫描仪、不同厂商以及共临床研究（即在小鼠模型和患者中获得的肿瘤T2*数据）的影像数据。软件安装完成后，需通过插件管理器安装T2 Fit Map插件。本方案提供了从将多回波梯度回波序列导入软件，到生成彩色编码的T2*图并测量肿瘤T2*弛豫时间的详细操作步骤。该方案适用于身体任何部位的实体瘤，并已基于临床前成像数据和患者临床数据得到验证。该方法可促进多中心临床试验中的肿瘤T2*测量，并提高共临床及多中心数据分析中肿瘤T2*测量的标准化和可重复性。
引言
利用磁共振成像（MRI）对全身各种组织中的肿瘤T2*弛豫时间进行无创定量分析已被广泛应用1。本文的目的是提供一种独立于Osirix等扫描仪专用软件的肿瘤T2*弛豫时间测量方案2。该方法可实现对来自不同中心、不同厂商及不同扫描仪的影像数据进行统一分析。事实上，成千上万的用户均可采用相同的方法，从而提高肿瘤T2*测量的标准化水平。神经放射学专家、心脏成像专家和腹部成像专家等已将T2*测量用于多种不同目的。用于测量组织T2*弛豫时间的MRI脉冲序列已被应用于颅内出血3、肝脏铁含量1,4和心脏铁含量5,6等的评估，并经过优化。其他研究者则利用T2*测量来定量估算恶性肿瘤中铁氧化物纳米颗粒的积聚情况7,8。然而，许多先前的方法依赖于机构内部软件或特定扫描仪的软件，限制了其仅能在特定机构或特定扫描仪获取的数据上使用。本文介绍一种通用方法，可根据任何能够生成多回波梯度回波图像的临床前或临床MRI扫描仪所获得的数据，生成肿瘤T2*图谱和肿瘤T2*弛豫时间。所需的梯度回波序列应具有极短的首个回波时间以及紧密的回波间隔9,10。将多回波梯度回波图像输入外部软件后，即可计算出肿瘤T2*图谱并测量肿瘤T2*弛豫时间。外部软件中的T2 Fit Map插件将T2*衰减曲线拟合为单指数模型：S(t) = Soe-t/T2* 11，其中S(t)表示在给定时间t时的信号或过程值；S0表示t = 0时信号或过程的初始值；t表示时间；T2*，又称表观横向弛豫时间，用于表征信号或过程的衰减速率；e为自然对数的底（约等于2.71828）。该方程描述了一个指数衰减过程，信号或过程随时间按衰减速率T2*呈指数下降。T2*值越大，衰减速率越慢，反之亦然。同一软件也可用于输入多回波自旋回波图像，并通过将T2衰减曲线拟合为S(t) = Soe-t/T2来生成肿瘤T2值。曲线拟合使用外部软件完成，且未引入常数偏移项。两条衰减曲线均表现为单指数行为，其中T2*的持续时间较T2更短。
对于血色素沉着症和血色病患者，通过组织活检定量肝脏铁含量是金标准，而非侵入性的磁共振成像（MR imaging）则用于建立基线值，并实现对铁含量随时间变化的无创监测12,13。尽管用于肝脏铁定量的T2*图生成技术已较为成熟4，但目前尚无标准化的方案用于测量肿瘤的T2*弛豫时间。虽然扫描仪软件也可生成T2*图，但其应用受限于特定型号的扫描仪和厂商。在肿瘤学领域，同一患者的系列影像研究常常在不同的扫描仪上进行，而多中心MRI数据也通常来自不同厂商和型号的设备。此外，共临床影像研究（co-clinical imaging research）正日益普及，需要对患者与模拟其肿瘤的小鼠模型的MRI数据进行比较。本方案旨在提供一种不依赖于扫描仪软件的肿瘤T2*弛豫时间测量方法，从而实现对来自不同中心和不同扫描仪的影像数据进行统一分析。事实上，成千上万的用户均可采用相同的方法，从而提高肿瘤T2*测量的标准化程度和可重复性。本方案采用可从互联网下载的外部软件，将多回波梯度回波图像输入该软件，并按单指数衰减公式进行拟合，以生成T2*图，随后通过操作者定义的兴趣区域（ROIs）在图上测量肿瘤的T2*弛豫时间5。氧化铁纳米颗粒可按不同剂量输注14。在本研究中，患者接受了Ferumoxytol注射液（30 mg/mL），总体积17 mL，含510 mg元素铁，剂量为每公斤体重5 mg元素铁。随后使用设定的序列参数采集多回波梯度回波序列图像15。
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方案
本方案已为一项前瞻性临床试验及协同临床研究而制定。该研究符合《健康保险可携性和责任法案》（HIPAA）要求，并已获得斯坦福大学机构审查委员会（IRB）的批准。所有患者或其法定授权代表均签署了书面知情同意书，所有7至18岁的儿童受试者均签署了同意参与声明书。
1. 安装并启动 T2 Fit Map 插件
- 启动 Osirix 软件。通过插件管理器安装 T2 Fit Map 插件，然后重新启动软件。
- 在菜单栏上，单击 Plugins 按钮。点击下拉菜单并选择 Install a plugin package（图 1）。
- 插件管理器加载完成后，从下拉菜单中选择可用插件，然后选择 T2 Fit Map（图 2）。
- 单击 download & install。关闭插件管理器并重新启动软件。
- 将多回波梯度回波序列图像以 DICOM 文件格式加载到软件中。
- 更改鼠标按钮功能以绘制感兴趣区域（ROI）（图 3）。
- 使用此鼠标按钮功能，为所需的 ROI 定义形状：从下拉菜单中选择 Oval 或 Closed Polygon，或其他所需形状（图 4）。
- 在具有不同回波时间（TEs）的目标图像中绘制 ROI。
- 选择所有需要生成 T2* 图的、具有不同 TEs 的图像中的 ROI。
- 单击 Plugins 按钮，从下拉菜单中选择 Image filters ，然后选择 T2 Fit Map。
- 单击 T2 Fit Map。将打开一个对话框；单击对话框底部的 Generate Map（图 5）。
注意：系统将为所选 ROI 在不同 TE（ms）下的数据生成拟合曲线，并显示最小值、平均值和最大值 T2* 值。平均 T2* 值将在曲线下方计算并显示（图 6）。
图1：从下拉菜单中选择“安装插件包”。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 2：从可用插件中选择“T2 Fit Map”。 请点击此处查看此图的放大版本。
图3：截图展示如何更改鼠标按钮功能以绘制感兴趣区域（ROI）。 请点击此处查看此图的放大版本。
图4：截图展示如何为感兴趣区域（ROI）选择不同的形状。 请点击此处查看该图的放大版本。
图5：选择“T2拟合图谱”后，如何选择“生成图谱”的界面截图。 请点击此处查看该图的放大版本。
图6：显示生成T2*值拟合曲线的截图。 请点击此处查看该图的放大版本。
2. 利用掩模定义排除噪声
注意：为了在用于计算参数图的T2map_MSME数据的第一个回波上定义掩膜，需设置较低的第一个回波信号阈值以计算T2*值（此时T2*图体积将排除在多自旋多回波（MSME）第一个回波时信号过低而无法准确计算的像素）。可通过提高阈值来排除更多像素，或降低阈值以包含更多像素。
- 要在参数数据之外的图像序列上定义掩膜感兴趣区域（ROI），请打开所需的序列（例如，T2map_MSME 的第一个回波，TE = 15），并选择一个切片。
- 在 ROI 下拉菜单底部，选择 区域生长…。
- 选择 3D 区域生长… 单选按钮（图7）。
- 在算法下拉菜单中，选择 阈值（上下限）。
- 将下限和上限阈值分别设置为对侧小腿肌肉信号的 0 和 X%（例如，设置阈值以掩除肿瘤 ROI 中最多的斑点噪声，并保留最多可评估的肿瘤 T2(*) 值）。
- 根据需要设置 ROI 名称。
- 在图像上点击以放置 ROI 生长的种子点。
- 点击 计算 按钮。
- 在 ROI 菜单中，选择 保存该序列的所有 ROI…（图8）。
注：现在，用于定义参数图中需掩除区域的 ROI 已保存，可应用于参数数据。 - 在 4D 查看器中打开参数数据集。
- 在 ROI 菜单中，选择 导入 ROI…。
注：掩膜 ROI 现已导入至第一个参数序列中。 - 确认 ROI 位于第一个 3D 体积数据中，而非 4D 数据中。
- 应用掩膜以映射数据。操作方法为：在 ROI 下拉菜单底部选择 将像素值设置为，然后选择 应用于：同名 ROI…（图9）。
- 勾选 传播至 4D 序列 复选框。
- 设置位于 ROI 内部 的像素。
- 将 新值设置为： 0。
图7：显示分割参数的截图。 请点击此处查看此图的放大版本。
图8：截图显示如何选择“保存本系列所有兴趣区域…”。 请点击此处查看此图的放大版本。
图9：显示在“将像素值设置为”中需输入的数值的截图。 请点击此处查看该图的放大版本。
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讨论
本方案允许我们基于多回波梯度回波序列、外部软件及T2*图生成插件来测量肿瘤的T2*弛豫时间。该方案中的关键步骤包括：在扫描方案中加入具有极短回波时间（TE）的多回波梯度回波序列，以及使用外部软件对多回波梯度回波图像进行单指数拟合。必须根据图像的采集时间对输入的多回波梯度回波图像进行正确排序。此操作可通过在外部软件的“首选项：数据库”下拉菜单中按采集时间对影像数据序列进行排序来实现。
我们使用的软件采用单指数拟合方法，对多回波梯度回波信号进行拟合，且不包含常数偏移，用于T2*拟合。对于铁过载水平极高的组织（T2* < 2–3 ms），该方法可能不充分，因为在低T2*值的情况下，MR信号会达到一个等于整流后瑞利噪声（Rician noise）的"平台"。然而，在静脉注射氧化铁纳米颗粒后通常不会出现这种情况。但是，如果在肿瘤组织中观察到明显的纳米颗粒积聚，则使用纯指数模型可能导致重要的诊断误差，可通过单指数偏移法5或R2单指数截断法5加以纠正，以获...
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作部分得到了美国国家癌症研究所资助项目（资助号：U24CA264298）的支持。我们感谢斯坦福大学卢卡斯研究中心PET/MRI代谢服务中心的Dawn Holley、Kim Halbert和Mehdi Khalighi在PET/MRI扫描采集过程中提供的协助。我们感谢Daldrup-Link实验室成员在本项目中提供的宝贵意见和讨论。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| OsiriX | Pixmeo SARL | https://www.osirix-viewer.com/ | |
| 3T GE MR 750 | GE Healthcare，芝加哥，伊利诺伊州 | ||
| FERAHEME（ferumoxytol 注射液） | AMAG Pharmaceuticals, Inc. 1100 Winter Street Waltham, MA 02451 |
参考文献
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