Name: 乳腺アーキテクチャの特長を追跡し、磁気共鳴拡散テンソルイメージングと乳がんの検出 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-12-15T15:00:00.000+00:00
Duration: 15 min 48 s
Description: 学ぶ拡散テンソルイメージングによる乳がん検出法。MRI画像処理で乳腺微小構造を非侵襲的に追跡し、悪性腫瘍を識別するパラメトリックマップ作成技術を習得できます。

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私たちは、ナチュム・スターン氏とファニー・アタール氏の優れた技術支援に感謝したいと思います。H.D.は、乳がん研究のためのフレッド・アンドレア・ファレック議長を務めています。

注：すべてのプロトコルはメイア医療センター、クファル·サバ、イスラエルの内部審査委員会によって承認された署名インフォームドコンセントがすべての被験者から得た。 MRIスキャナ1.患者の準備と配置<ol><li>造影剤を注入するための左または右の腕に静脈内カテーテルを挿入します。 </li><li> 図5に示されたように、患者が乳房コイルの二国間の開口部に自由にぶら下がって両方の乳房と腹臥位に横たわっていることを確認します。 </li><li>ヘッドは、患者の頭部と首の快適さのために枕の上に配置され、 図5に示されたように両腕を頭の上に置かれていることを確認します。 </li><li>各胸を図5に示されているように深く各コイル開口部内で可能な限り緩いとをぶら下げ、中央の位置にあることを確認してください。 </li></ol>E 5 "SRC =" /ファイル/ ftp_upload / 52048 / 52048fig5highres.jpg "/&gt; 図5：乳房のMRIスキャンのための女性の位置づけ。腹臥位と乳房コイルの二国間の開口部で両乳房のフリーハンギングに注意してください。 <ol start="5"><li>静脈カテーテルに自動注入ポンプを接続します。 </li></ol> 2. MRIスキャン<ol><li>両方の乳房を局在化するためのMRIスキャナーでパイロット画像を取得し、視野（FOV）を決定し、完全に腋窩及び胸壁の拡張の両方の胸をカバーするスライス及びスライス厚の数。 </li><li> MRIスキャナで実行されるすべての次のスキャン·シーケンスでは、各ケースのFOV、スライス番号とスライス厚と同じ値を保持する。例えば、胸の大きさ、および位相エンコード方向Lに応じて、読み出しおよび位相方向の360ミリメートル2~3ミリメートル（mm）の範囲のスライス厚のFOV 60の軸方向スライスを取得する2;&gt; RまたはR &gt;&gt; L.は、 表1に示すように、各シーケンスのために使用される取得行列の次元に応じて、以下の配列の面内解像度を変更します。 </li></ol><table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td>実験パラメーター</td><td> 2DのT2重み付け</td><td> 2D DTI </td><td> 2D GEフィールドのマッピング</td><td> 3D DCE </td></tr><tr><td>繰り返し時間（TR）ミリ</td><td> 5500 </td><td> 10800 </td><td> 669 </td><td> 6.8 </td></tr><tr><td>エコー時間（TE）ミリ</td><td> 122 </td><td> 120 </td><td> 4.92 </td><td> 2.49 </td></tr><tr><td> TE（2） </td><td></td><td></td><td> 7.38 </td><td></td></tr><tr><td>フリップ角を度単位</td><td></td><td></td><td> 60 </td><td> 18 </td></tr><tr><td>買収行列</td><td> 640×428 </td><td> 192×192 </td><td> 64×192 </td> 428 X 428 </tr><tr><td>平均値</td><td> 1 </td><td> 1 </td><td> 1 </td><td> 1 </td></tr><tr><td>連結</td><td> 4 </td><td> 1 </td><td> 1 </td><td> 1 </td></tr><tr><td>ターボ要因</td><td> 21 </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>スライスあたりの列車の数</td><td> 11 </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>エコー間隔、ミリ秒</td><td> 10 </td><td> 0.79 </td><td></td><td></td></tr><tr><td>帯域幅、ヘルツ/ピクセル</td><td> 300 </td><td> 1860 </td><td> 1532 </td><td> 560 </td></tr><tr><td>平面スキャン解像度で</td><td> 0.56 X 0.84 </td><td> 1.9×1.9 </td><td></td><td> 0.8×0.8 </td></tr><tr><td>平面画像の解像度で</td><td> 0.56 X 0.56 </td><td> 1.9×1.9 </td><td> 1.9×1.9 </td><td> 0.8×0.8 </td></tr><tr><td>取得時間、分：秒</td><td> 4時26分</td><td> 6：09 </td><td> 1時28分</td><td>午前1時06分（X9） </td></tr><tr><td>拡散勾配の＃ </td><td></td><td> 30 </td><td></td><td></td></tr><tr><td>脂肪抑制</td><td>いいえ</td><td> FAT-SAT / SPAIR 1 </td><td></td><td>いいえ</td></tr><tr><td> b値、秒/ mm 2の</td><td></td><td> 0、700 </td><td></td><td></td></tr></tbody></table> 表1：本研究で用いた系列の実験パラメータ 1 FAT-SAT：脂肪抑制。 SPAIR：スペクトラル弱毒反転回復。 <ol start="3"><li> MRIスキャナのユーザーインターフェースコンピュータで両乳房と腋窩を含む領域をローカライズし、シミングボックスを定義します。磁場29を最適化するために、反復シミング戦略を適用します。 <ol><li>ユーザインターフェースコンピュータの画面上にプロトンスペクトルを表示およびtにおける周波数を中心とすることでシミングを調整する彼はその後、水共鳴周波数と脂肪共鳴周波数に。それが最高の脂肪と水の信号を分離し、プロトンスペクトルで明らかにされるように最大の信号強度と形状を最適化するまでシミングを繰り返します。照射周波数が水の共鳴周波数を中心としていることを確認します。 </li></ol></li><li> 2.ポップアップ表示されたパラメータを修正して加速係数で、一般的な自動キャリブ部分的に並列買収（GRAPPA）を使用して、脂肪抑制することなく、高空間分解能でのユーザー·インタフェース·コンピュータを介して2次元バーサルT2強調ターボスピンエコーマルチスライス·シーケンスを適用します表1の列「2D T2重み付け」のそれぞれの値に応じて、画面上。 </li><li>二回のパラメータ加速係数2.修正により、GRAPPAを使用して、エコープラナーイメージングシーケンス30をリフォーカスを使用してDTI - 2次元バーサル、脂肪抑制、スピンエコー拡散テンソル画像のユーザインタフェースコンピュータを介して適用しますそれは、 表1の欄「2D DTI」でその値に応じて画面上にポップアップ表示されます。 </li><li>エコープラナーイメージング（EPI）における幾何学的歪みを補正するためのユーザインターフェースコンピュータを介してフィールドマッピングシーケンスを適用し、Jezzardとバラバン31に記載されているように、位相差画像を得る。配列は、2つのイン相異なるエコー時間を有する二次元横断勾配エコー（GE）画像の取得が含まれていることを確認し、位相エンコード方向は、DTIシーケンス（ ステップ2.5）と同じであること。 表1の列「2D GEフィールドマッピング」で、その値に応じて画面上にポップアップ表示されたパラメータを修正してください。 </li><li> 3時点（3TP）法32に従って最適化されたパラメータで、ユーザー·インタフェース·コンピュータを介して脂肪抑制することなく、3D高速グラジエントエコーシーケンスを使用してプロトコルを強化し、ダイナミックコントラストを適用します。そのパラメータを修正表1の列「3D DCE」でその値に応じて画面上にポップアップ表示されます。 <ol><li> ステップ2.7におけるプロトコルに従って2つの初期precontrast画像を記録。 </li></ol></li><li>生理食塩水のフラッシュ20mlを、続いて、2ミリリットル/秒の速度で自動化されたポンプを使用して、0.1ミリモル/ kg体重の用量で、第2のプレコントラスト取得造影剤gadopentetatedimeglumineの終了前に15秒を噴射2ミリリットル/秒。 <ol><li> 54、120、186、252、318、384、450秒のポスト造影剤注入でステップ2.7におけるプロトコルに従って7シーケンシャル3Dデータセットを記録し続けます。 </li></ol></li><li>二次元横断T2強調脂肪ターボスピンエコーマルチスライスシーケンス加速係数2.とGRAPPA、 ステップ2.4に記載さT2強調画像のために使用されるものと同様の実験の詳細を使用して、高空間分解能での抑制ユーザインターフェースコンピュータを介して適用する NOTE：MRIプロトコルにおけるステップを要約経時変化を図6に提供される。 </li></ol><img alt="図6" src="/files/ftp_upload/52048/52048fig6highres.jpg"> 図6：臨床MRIプロトコルの時間経過。 3.画像処理<ol><li>すべてのスキャンシーケンスによって得られたデータセット全体を転送する（ ステップ2.4に記載されて- 2.9）リモートワークステーションやパーソナルコンピュータへと乳房の拡散テンソル画像とDCE-MRIを分析するために捧げたソフトウェアプログラムで画像の全体のデータセットを処理する。 <ol><li>ここでは、MATLAB 19のプログラミング環境を使用して検証したC ++で書かれた手製のソフトウェアパッケージを用いて説明する手順を実行します。一般的に、商業的スキャナは、乳房に適合させることができる脳DTI実験のために画像処理ツールを提供するが私たちの自家製ソフトウェアパッケージによって適用されたすべての処理機能を持っていない可能性があり</li></ol></li><li> 図7のフローチャートのステップ以下の専用DTI画像処理ソフトウェアを使用して、DTIデータセットの画像処理を行う。 </li></ol><img alt="図7" src="/files/ftp_upload/52048/52048fig7highres.jpg"> 図7：DTI処理に必要な手順を示すフローチャート 。 <ol style="margin-left: 40px;"><li> （約1cm 2の）乳癌および関心の3~4領域における残りの組織の外部の騒音レベルを評価し、最大ノイズレベルを見つけるためにDTIソフトウェアプログラムを使用する。 </li><li> 6拡散係数、D xxは 、D yyは 、D、最大ノイズレベルを超えると、60スライスのそれぞれの全ての画素において、画素ごとに計算するためにDTIソフトウェアプログラムを使用しDが 33以下に記載対称テンソルのZZ、D xyは、DのXZ、DのYZ、（ 図8参照） <img alt="式1" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/52048/52048eq1.jpg"> D xyの = D YX、D ZY = D YZ、DのZX = DのXZ。 <ol><li> Siは、jが（b）の信号のSi、jの（b）は= Siの（0）のexp（-bD）：テンソル成分はStejskal-Tannerの式に基づいて、非線形回帰フィッティングプログラムを使用して計算するために方向j及びSiの拡散勾配を画素iの輝度（0）bは0ミリメートル2·sの同じ画素の信号強度である。このフィッティングは、各拡散勾配方向30の非線形関数の二乗和を最小化レーベンバーグ·マルカートアルゴリズム34。このステップはフリーソフトウェアcminpack（によって行ったの修飾による6拡散テンソル変数コンポーネント<a href="http://devernay.free.fr/hacks/cminpack/index.html" target="_blank">http://devernay.free.fr/hacks/cminpack/index.html</a> ）。 </li></ol></li></ol><img alt="図8" src="/files/ftp_upload/52048/52048fig8highres.jpg"> 図8：対称拡散テンソルを生じる計算ステップの概念図。 <ol start="3" style="margin-left: 40px;"><li>主成分分析（PCA）35を適用することにより、各画素における対称拡散テンソルを対角化するためにDTIソフトウェアを使用してください。 注：PCAは、データの次元を削減し、無相関と直交軸の新しい座標系に相関ピクセル·パラメータをマッピングする線形変換を見つけるために一般に使用される方法である。このPRocess各画素3固有ベクトルための収量（ν1、ν2、ν3）、組織の拡散枠と一致する楕円形状の3つの直交軸、及び対応する3つの拡散固有値の拡散方向を規定する、ハイから配置ローに、3方向拡散係数を決定すること（λ1、λ2、λ3）（ 図9および10を参照のこと）。 </li></ol><img alt="図9" src="/files/ftp_upload/52048/52048fig9highres.jpg"> 図9：組織の拡散フレームと楕円するモデリングと一致して固有値と固有ベクトルを生じる計算ステップの概念図。 <img alt="図10" src="/files/ftp_upload/52048/52048fig10highres.jpg"> 図10：Schemat正常な腺管組織及び癌組織における拡散固有ベクトルと固有値を算出するメイン処理ステップでIC図面。 <ol start="4" style="margin-left: 40px;"><li>各画素ごとに&lt;λ&gt; =（λ1 +λ2 +λ3）/ 3 3固有値の平均として定義見かけの拡散係数（ADC）を計算するためにDTIソフトウェアプログラムを使用してください。 </li><li>各画素ごとに差（ - λ3λ1）のように定義最大の絶対的な異方性指数を計算するためにDTIソフトウェアプログラムを使用してください。 </li><li>画素ごとに（一方向に自由拡散）1に（等方性拡散）0の間の範囲であり、以下の式に従って異方性比率（FA）指数を計算するためにDTIソフトウェアプログラムを使用します。 <img alt="式2" fo:content-width="3in" src="/files/ftp_upload/52048/52048eq2.jpg" width="300"></li><li> displaにDTIソフトウェアプログラムを使用して、両乳房全体に各スライス内の画素によってY画素1νプライム固有ベクトルの方向を示すベクトルマップ、およびν1の主方向を示す3色のカラーコード化されたマップと同じのT2強調画像上にオーバーレイスライスします（ 図9）。このステップは、フリーソフトウェアのGTK（使用して行った<a href="http://gtk.org" target="_blank">http://gtk.orgを</a>グラフィックス）。 </li><li>すべての拡散テンソルの値がλ1、λ2、λ3、ADCパラメータ両方の乳房全体の各スライスに画素ごとに表示した拡散テンソル画像パラメトリックマップ、λ1-λ3を構築するためにDTIソフトウェアプログラムを使用し、 FAと同一スライスのT2強調画像上にオーバーレイする（ 図11）。 </li></ol><img alt="図11" src="/files/ftp_upload/52048/52048fig11highres.jpg" width="700"> <str>-3 mm 2の/秒の単位である。 FAは無単位である。ベクトルマップ中のスケールバーは20mmの長さを指し、T2画像中のスケールバーは、残りのすべての画像で20mmの長さを指す。 </str><ol start="3"><li>必要に応じて、幾何学的歪みは、 ステップ2.6に記載のように得られた位相差マップをロードすることによって、修正するためにDTIソフトウェアプログラムを使用する。 +πrepreseに-πの範囲に勾配エコー画像中のノイズレベル以上の全画素の位相差マップの範囲をシフトラジアン（ 図12）における位相シフトΔɸ（x、y、z）をnting。 <ol><li>に応じてピクセル単位で空間的なシフトを計算するためにDTIソフトウェアプログラムを使用します。 <img alt="式3" fo:content-width="1.5in" src="/files/ftp_upload/52048/52048eq3.jpg" width="150"> ΔTEは、2つのエコー間の時間差である2.46×10 -3秒に等しく、BWP実験における位相帯域幅は13.2ヘルツ/ピクセルに等しくなる。フィールドマップに従ってピクセルシフトし、拡散テンソルパラメータ（ 図12）再計算します。 </li></ol></li></ol><img alt="図12" src="/files/ftp_upload/52048/52048fig12highres.jpg"> 図12：位相差マップを用いて幾何学的歪みの補正の例は、画像は、浸潤性小葉癌を有する47歳のボランティアから記録した。左のT2強調画像上の最初の列と、スライスの位相差マップ中左乳房にがんと表示されます。第二と第三の列は1マップが補正前の最初の行に表示され、補正後のλ1のマップは2行目に表示されているλ。 λ1のマップは、対応するT2強調画像上にオーバーレイされている。 2 番目の列内の水の拡散係数の全範囲（0.8〜3.0）×10 -3 mm 2の/秒カラーコードスケールのために使用され、3 番目の列に縮小範囲は、1.7×10の閾値で使用され左乳房の癌と正常乳房組織との間のコントラストを強調-3 mm 2の/秒。 T2画像中のスケールバーは、すべての画像で20mmの長さを指す。 <ol start="4"><li>そのような3TPの画像処理ソフトウェア17として強化の動力学的パラメーターのピクセルマップによってピクセルを提供するソフトウェアを使用してDCE-MRIデータセットの画像処理を行う。 </li></ol>

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著者らは、開示することは何もない。

この研究は、 インビボでの両乳房の全乳腺組織中の水拡散テンソルのパラメータを測定するために、高い空間分解能（1~8 mm 3で ）で3 Tでスキャンし、DTIの能力を実証する。同時に大DTIデータセットのこの研究有効に分析の過程で開発され、アルゴリズムとソフトウェアのアンサンブルは、様々な拡散係数、λ1、λ2、λ3の拡散パラメトリックマップを表示し、ADCと異方性指数が1-λをλ 3、すべての乳房のスライスとFA。この研究はまた、乳癌を検出し、診断するための様々な拡散係数と異方性指数の可能性を強調している。所見は、プライム拡散係数は、1λ、正常な乳房組織から悪性分化する実質的な能力を、乳癌を検出するための主要なパラメータであることを示した。二次indepen凹みパラメータは、高感度が、λ1よりもはるかに低い特異性で、プライム拡散係数によって検出を確認するように作用する最大異方性指数である。 結果はまた、 インビボでの指向性の水の拡散を測定し、両方の乳房全体の腺管/腺組織中の拡散の異方性を定量化するためのMRIの能力を実証した。異方性測定は30拡散勾配方向の均一精度プロファイルを確実にするために適用した。 120ミリ秒の高エコー時間の選択、及び空間分解能の最適化は、ダクト内の水の拡散の制限を明らかにした。通常のダクトの平均サイズは40〜100ミクロン36の範囲で〜70％、90μmであることが報告された。アインシュタイン方程式に従って自由水拡散の変位Dは自由水の拡散係数であり、x =（6Dt）1/2を意味し、拡散トン時間。 （〜0.3の上限値）を比較して、乳房に比較的低いFA値につながる、我々の実験では、xは約25μmであるため、腺管水分子の一部のみが、乳管の壁によって制限されている検出された値に脳白質（≥0.5）で。卿でアストリー·クーパーは、それが、それぞれが乳管ツリーで構成される、ヒト乳房組織が ​​別々の葉に編成されていることが明らかとなった25を研究。授乳中の乳房37の予備的な超音波の研究が試みられ、並びに二次形状測定値38を使用して乳管の断面構造の検出された。しかし、撮像方法は、これまで生体内で両方の乳房全体乳管系を明らかに成功していない。 DTI結果から全体の3D乳管ツリーシステムを得るためのアルゴリズムは、まだ開発中ですが、ベクトルは明らかに乳腺木々の詳細かつ高度に多様な解剖学を明らかにする可能性を示すマップします。最近、私私たちのDTIのデータセットに基づいて、乳房のフル3Dトラッキングのnitial試みは39を報告しました。 この作業の過程で、技術的な限界に起因非効率的な脂肪抑制及びEPIの歪みに注目されている。脂肪抑制は、高密度の乳房における通常効率的であった脂肪抑制シーケンス（FAT-SAT）によって達成された。しかし、脂肪の胸に、より効率的かつB1不均一性の影響を受けにくいスペクトル選択弱毒反転回復（SPAIR）は、適用された。 EPIベース拡散プロトコルは、誘導される渦電流、B 0磁場不均一性と感受性の違い40,41の勾配に起因する追加の制限がありました。これらの制限は、水と脂肪の信号に反復自動および手動のシミングを使用して、下の可能なエコーの間隔を選択することによって最小化された。プロトコールに記載されるように加えて、幾何学的歪みの後処理補正は時折適用した。全体的な、強い水信号との密な乳房の場合には、それは技術的な限界を克服することが可能であった。しかし、非常に脂肪の胸にこの研究では5例は、上記の制限に起因して分析することができなかった。 要約すると、乳房の拡散テンソルMRIのためのプロトコルおよび画像処理ツールが開発されている。この完全に安全で迅速、かつ非侵襲的方法は、正確に乳房構造を解剖し、診療所での乳癌の検出を容易にすることができる。プライム拡散係数、λ1、および最大異方性指数、λ1-λ3は 、癌を検出するための2つの独立した拡散パラメータとして機能することが見出された。乳癌患者の臨床試験は、これら2つのパラメータを検出効率がDCE MRIに匹敵することを示した。このように、基本的な乳房のアーキテクチャのと癌発生の理解と明らかへの依存からこのメソッドの新興定量化の有意な変化、ならびにその安全かつ迅速な方法であるが、大規模プロスペクティブ試験で乳癌スクリーニングのための臨床的影響を試験するための乳管増殖を伴う種々の発生態様を検討するための貴重なツールにする。

乳癌は、世界中の女性の癌の最も一般的な原因である。乳がんの早期発見は、乳癌患者の生活の質および生存を改善するのに重要な役割を有している。乳癌の検出のための現在の標準的な方法は、X線マンモグラフィと超音波走査に基づいている。これらの技術の不十分な感度および特異性は、特に高密度の乳房内の病変を検出するために、乳房の磁気共鳴画像（MRI）を含む他の技術の開発を刺激してきた。ダイナミックコントラスト増強（DCE）MRIは、乳癌1,2の検出および診断のための強力なツールとして確立されており、しばしばコンピュータ支援診断によって促進される3を意味する。現在、このようなハイリスク患者4のような特別な場合のためではなく、日常的なスクリーニングのために、おそらく、高コスト、造影剤の注入を使用する必要性、標準化aの不足のために使用されND低/中程度の値から5,6組み合わせたマンモグラフィーとDCE-MRI 7,8を用いて得られた高い値の範囲に悪性病変から良性の差別化変数特異性。より最近では、MRI及び見かけの拡散係数（ADC）の得られたマップを重み付け拡散DCE-MRIを補完する方法として評価され、それはADC値は、癌、良性病変と正常乳房組織9,10を区別しやすくすることができることが示された。また、乳房の拡散テンソルイメージング（DTI）の研究は1.5 T 11-15の磁場強度で3 T 16-24の健康なボランティア及び乳房病変を有する患者において開始された。これらの研究のほとんどは、ADC及び異方性比率（FA）値11,12,14,15,20-23を報告し、FA 13,20よりもより再現ADC値で再現性があることが、これらの2つのパラメータを発見した。これらの研究の結果は、悪性病変がコンプとして低いADC値を示すことが示され正常組織と良性病変にARED、しかし、矛盾する結果は、価値観やFA 11,12,14,20-23の診断能力に報告された。 3 T- DTI研究乳房組織枠三テンソルの固有値および固有ベクトルの値も同様に報告され、その結果を主固有ベクトルと固有値のパラメトリックマップのベクトルマップで提示し、ADC、FAのセット内のそして最大の異方性指数16-19,24。これらの研究では主拡散固有値と最大異方性が癌病変の検出および診断のための最も敏感な独立したパラメータとして機能することが示された乳房は乳腺組織と脂肪組織で構成されている。線維腺組織はさらに大きさと形状で非常に可変的である多くの葉、から構成されている。各ローブ微細構造は、機能的乳腺ツリーと腺組織を形成することに関連する小葉、および周囲の結合-Fiが備わってい繊維状組織。ほとんどの乳房の悪性腫瘍は、周囲の組織への浸潤によって浸潤癌に変わるその場での癌、 で開発ダクトや小葉の上皮細胞の異常な増殖によって開始します。したがって、乳管/小葉構造は、悪性乳房変換の調査の不可欠の領域である。 乳管樹の構造的特徴は、最初の乳房切除標本25のダクトに着色ワックスの注入を使用して、サー·アストリー·クーパーによって1840年にex vivoで検討した。最近では、全体の胸乳管樹のコンピュータ派生追跡は、乳房切除標本26,27を使用して、いくつかの人間の胸に達成されている。ここで提示作業は、 インビボ拡散テンソル画像化によって得られたパラメータは、非浸潤性乳癌の検出も可能にする、異なる乳房組織の微細構造の特徴に関連する情報を提供することを示している。 P乳房の拡散テンソル画像の基礎となるhysical原理は、制限環境28内の異方性水拡散を測定し、定量化するためにMRIの能力に基づいている。一般的には、均質な溶液中での水の拡散は無料で等方性で水の動きが不浸透性の壁であるため制限のため停止した場合には、しかし、拡散が（壁に垂直な壁に速い自由拡散平行遅い制限拡散異方性になる図1）。組織中の水の拡散は複雑であり、細胞を含む細胞内および細胞外コンパートメントの構造的および生理学的特徴に依存'のサイズ、細胞の膜を通して、ならびに血管およびリンパ管ネットワークの存在に密度、細胞外のねじれ及び水交換（ 図2）。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/52048/52048fig1highres.jpg"> 図1：無料と制限された拡散透過性の壁（右）によって制限水分子自由拡散（左）と拡散の模式図。。 <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/52048/52048fig2highres.jpg"> 図2：組織における複雑拡散外および細胞内コンパートメント及びこれら二つのコンパートメント間の水交換（矢印）における水分子の移動を示すセルラシステム内の水分拡散の概念図。 により胸の特定のアーキテクチャの特徴に乳管や小葉中の水分子の拡散が制限されたと異方性運動の特定の例を提示する：ダクトの壁に並行してと拡散が自由拡散のそれに近い小葉が、それは壁によって制限され、壁に垂直な方向では、2つから構成される細胞と基底膜の層。従って乳管/腺系における拡散が比較的速いと異方性である。一方、管を ​​周囲の結合線維組織における拡散は、この組織で高含水率および低細胞密度（ 図3および図4）の結果として、迅速かつ等方性である。悪性腫瘍の存在下で、癌細胞による管および小葉の閉塞は、すべての方向に異方性運動の拡散係数の減少（ 図3および4）を引き起こし、水の動きのねじれ、制限を増加させる。 <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/52048/52048fig3highres.jpg"> 図3：乳房の小葉における拡散小葉を通してカットし、1小葉内の水の拡散の模式図。。左：速い示した小葉」の壁によって制限された水の拡散壁に垂直拡散の壁に平行かつ制限拡散。右：癌細胞と小葉で拡散。外区画における拡散は非常に妨げが、全ての方向に類似し、したがって、ほぼ等方される。 <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/52048/52048fig4highres.jpg"> 図4：乳管ツリー系内の水分拡散左：彼らの放射方向、およびそれらの相互分岐25を示す色付きのワックスを注入した乳管、。ミドル：ダクト（黒矢印）の内部拡散を示すベクターを用いた通常の乳管ツリーの概略図及び結合組織における（緑の矢印）。右：癌細胞の2つの遺伝子座（紫）と乳管ツリーの概略図。赤矢印は、癌における拡散を示す。 本稿では詳細に拡散テンソル走査方式とPRを説明ocessingアルゴリズムや乳房の悪性腫瘍の検出が有効DTIデータセットのソフトウェア分析。全ての癌は、乳房生検および/または外科的標本の組織病理学的所見により確認された。我々はまた、乳房の解剖学的特徴を取得するためのT2強調スキャンプロトコルと同様に、DTI検出感度を評価するための参照方法を務めDCEスキャンプロトコルを記述している。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52048/52048fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a>

<table><tbody><tr><td>Magnetol-Gadopentetatedimeglumine</td><td>Soreq, Yavne, Israel</td><td></td><td>0.5 M</td></tr><tr><td>3 Tesla MRI scanner, MAGNETON Trio</td><td>Siemens, Erlangn, Germany</td><td></td><td>120</td></tr><tr><td>Bilateral breast array coil</td><td>Siemens, Erlangn, Germany</td><td></td><td>4 channel</td></tr><tr><td>Bilateral breast array coil</td><td>In-Vivo, Orlando FA</td><td></td><td>7 channel</td></tr><tr><td>Automated pump, Spectris Solaris MRインジェクター</td>メ<td>ドラッド、インディアノーラ、ペンシルバニア</td><td></td><td></td></tr><tr><td>州DTI画像処理ソフトウェア</td><td>自作</td><td></td>プロパティ<td><a href="http://www.yedarnd.com/ContactUs.asp" target="_blank">Yeda Research and Development Co. Ltd</a></td></tr><tr><td>3TP画像処理ソフトウェア</td><td>自作</td><td></td><td><a href="http://www.yedarnd.com/ContactUs.asp" target="_blank">Yeda Research and Development Co. Ltd</a のプロパティ></td></tr></tbody></table>

乳腺アーキテクチャの特長を追跡し、磁気共鳴拡散テンソルイメージングと乳がんの検出

Tracking the Mammary Architectural Features and Detecting Breast Cancer with Magnetic Resonance Diffusion Tensor Imaging

乳がんは、世界中の女性の間で最も一般的ながんの原因です。乳がんの早期発見は、乳がん患者の生活の質と生存率を向上させる上で重要な役割を果たします。この論文では、拡散テンソルイメージング(DTI)を使用して乳腺の建築要素を追跡することに基づいて、乳がんを検出するための新しいアプローチについて説明します。
この論文は、乳腺組織の拡散特性と悪性形質転換中のその変化に適合するように設計されたスキャンプロトコルと画像処理アルゴリズムおよびソフトウェアに焦点を当てています。最終的な出力では、乳管腺樹全体の構造を追跡するピクセル単位のベクトル マップと、拡散テンソル係数と異方性指数のパラメトリック マップが生成されます。
乳がんを検出する方法の効率性は、組織病理学所見によって確認された68人の乳がん患者を含む女性ボランティアのスキャンによってテストされました。がん細胞が存在する領域では、正常な乳房組織と比較して拡散係数と最大異方性指数が著しく減少し、悪性増殖の境界を描写するための固有のコントラストを提供しました。全体として、乳がんを検出するためのDTIパラメータの感度は、特に高密度乳房で高く、造影剤の注射を必要とする現在の標準的な乳房MRI法に匹敵することがわかりました。したがって、この方法は、乳がん検出のための完全に非侵襲的で安全で高感度のツールを提供します。

方法は、最初に、様々なホルモンの段階で正常なボランティアをスキャンすることによってテストされ、実証された。はっきりと見ることができるように図11に示すように、乳腺組織の比較的高い割合の若い健康なボランティアの中心部分の我々のソフトウェアを使用して得られたパラメトリックおよびベクターのマップを示した図 T2強調画像上の（すべての灰色の領域は、乳腺組織であり、明るい領域が太っている）。 1λプライム拡散係数の方向がニップル向いピクセルの大部分を有するベクトルマップv1に示されている。予想されたように拡散テンソル係数の値は、λ3にλ2にλ1から下落。平均拡散係数ADCの計算を可能にし、これらの3つの拡散係数を用いて、異方性比率（FA）及び最大異方性、λ1 - λ3。 FAとλ1のマップのお知らせ- λ 63歳の正常なボランティアについては、図13に例に示すように、閉経後の女性では乳房は通常、低密度である。拡散係数は、高齢者のボランティアに低いが、異方性指数が原因により管および小葉の下面の直径、したがって、乳管壁に直交する方向に拡散に課される高い制限、高い。ミルクミネラル溶解炭水化物およびタンパク質凝集体を含む水ベースの流体中の脂肪球のコロイドであるので、ダクトのサイズテンソルの感受性を示す別の例では、図14における泌乳ボランティアの例に示されている、乳の粘度は、ダクト内の通常の水の流体のそれよりも高く、したがって、授乳中の乳房の水の拡散係数がlである閉経前の女性24のものよりもower。さらに、乳首の近くにダクトが大きく、ダクトに直交する方向の制限は、非授乳中の乳房よりも低くなり、その結果、異方性指数も同様に低い。しかし授乳中の乳房の小葉-posterior地域では異方性が依然として高い。 悪性腫瘍を有する患者において拡散テンソルパラメータの主な変化は、3つの拡散係数の有意な減少に展示されている。 λ1の変化は、ノイズ比19に最高のコントラストを提供することが見出された。この研究は、他の悪性腫瘍と浸潤性小葉癌（ILC）と3と33浸潤性乳管癌（IDC）と診断された患者、 非浸潤性乳管癌（DCIS）との19、13を含む確認された病理を有する68人の患者が含まれていた。数人の患者は、マルチフォーカルまたはマルチ中心の乳癌を持っていた。がんの大きさVARI10〜30ミリメートルの14ミリメートルと四分位範囲の中央値3〜95ミリメートルエド。これらの患者の全てにおいて、DCE及びDTIの検出率は同等であった。しかし、DCEの向上を示し、癌が原因主に磁場不均一性や歪みやアーティファクトが生じる不十分な脂肪抑制に関連した脂肪の胸で技術的な問題にDTI分析に含まれていなかったとして、病理学によって確認された5例。 乳房の悪性腫瘍を検出するために使用されるλ3 - 15、16と17は、1つの主要な拡散パラメータλ1とλの典型的なパラメトリックマップを証明する数字 。 3TPの色分けされた方法を用いて、T2強調画像、DCE分析の結果に加えて、この図に示すが、。管または小葉に導入における悪性細胞の存在を説明し、それらの周囲のかなりトンを削減する細胞外区画に拡散するのを妨げるように彼拡散係数。また、腺管構造による異方性は、明確な方向とカオスのように全方向に広がる癌細胞のように消えている。平均拡散係数は、このパラメータの正規化は、正常組織19と同様の癌におけるFAの高い値をもたらすので、FAは、乳癌検出のための適切なパラメータではない。しかし、最大の異方性が（15-17フィギュア ）癌を検出するための手段を提供します。結合線維組織はまた、等方性に近く、最大の異方性の低い値を示すのでそれにもかかわらず、このパラメータは拡散係数λ1未満特有のものであり、1〜λための二次パラメータとして機能します。 図17はまた、術前化学療法に対する応答を特徴づけるDTIの能力を実証する。この例では、患者は完全に広告の（4サイクルの処置に応答しriamycin + Cycloxane - 、タキソールの4サイクルが続く）。実際、治療に対する応答は、癌細胞を置き換え、修復、結合組織の存在を示唆し、正常な乳房組織に典型的な値に対する拡散係数の有意な増加を引き起こした。同様の結果は、治療に応答し4の他の患者で得られた。 <img alt="図13" src="/files/ftp_upload/52048/52048fig13highres.jpg"> 図13：。63歳の健康なボランティアの中央乳房スライスのパラメトリックDTIマップの出力が同じスライスディルのT2強調画像上に重ね 。 - 赤と方向マップは後部と足の方向に緑を示す頭部への権利、緑を示す前方に左を示す。ベクターは白い線でマークされていることに注意してください。すべての拡散係数および最大異方性指数は1×10 -3 mm 2以上/秒の単位である。 FAは無単位である。ベクトルマップrefの中のスケールバー20mmの長さおよびT2画像中のスケールバーにERSは、残りのすべての画像で20mmの長さを指す。 <img alt="図14" src="/files/ftp_upload/52048/52048fig14highres.jpg"> 図14：。同じスライスディルのT2強調画像に重ね40歳授乳中のボランティアの中央乳房スライスのパラメトリックDTIマップの出力 。 - 赤と方向マップは後部と足の方向に緑を示す頭部への権利、緑を示す前方に左を示す。すべての拡散係数および最大異方性指数は1×10 -3 mm 2以上/秒の単位である。 FAは無単位である。ほとんどのピクセルが乳首に向かって整列している方向マップとベクトルマップに注意してください。また、 図7および健康なボランティアの10の値と比較して低い拡散係数に注意してください。ベクトルマップ中のスケールバーは20mmでかつ長さを指しT2画像中のスケールバーは、残りのすべての画像で20mmの長さを指す。 <img alt="図15" src="/files/ftp_upload/52048/52048fig15highres.jpg"> 図15：λ1とλ1のパラメトリックマップ-マルチフォーカル浸潤性乳管癌の38歳の患者におけるλ3 第 1生でDTIのパラメータは1.7×10 -3 mm 2の/秒のしきい値されています。 -λ3λ1λ1と0.6ミリメートル2 /秒（しきい値以上のすべての値は、紫色に着色されている）。しきい値以上の第 2生、値に着色し、基礎となるT2強調画像を表示していません。図には、左のT2強調画像とDTIパラメトリックマップと同じスライスの3TP方法によって得られたDCEパラメトリックマップ、上の1 番目の列に含まれています。 T2画像中のスケールバーは20mmの長さを指し、iはnのすべての画像。 DCE画像の面内空間分解能DTIよりも約2倍高いことに注意してください、しかし、3TPとλ1のパラメトリックマップの位置とサイズで高い視覚合同性がある。 <img alt="図16" src="/files/ftp_upload/52048/52048fig16highres.jpg"> 図16：低悪性度DCISの60歳の患者におけるλ1、λ1-λ3のパラメトリックマップ図はまたして得られた左T2強調画像とDCEパラメトリックマップ、上の1 番目の列に含まれています。 DTIパラメトリックマップと同じスライスの3TP方法。 T2画像中のスケールバーは、すべての画像で20mmの長さを指す。非常に脂肪の乳房の癌を検出するためにDTIの能力に注意してください。 <img alt="図17" src="/files/ftp_upload/52048/52048fig17highres.jpg"> 図17：λ1とλ1のパラメトリックマップ-術前化学療法前と後の浸潤性小葉癌と39歳の患者におけるλ3患者はAdryamicin +の4サイクル後に、一度、治療の前に、一度手術の前に、二回スキャンした。 Cycloxanとタキソールの4サイクル。治療に反応し、がん領域ではλ1およびλ1-λ3の増加に注意してください。 第 1の原料は、手術前に得られた1 行目 、のように、治療の前に得られた画像とほぼ同じ領域の第 2の生番組の画像を示している。治療がんの前の領域が1-λ3つの値、その閾値以下にλ1とλを示し、治療後にこれら2つのパラメータは、それらのしきい値を超える値に増加した。図には、左のT2強調画像上の1 番目の列に含まれる。 2 番目の列ムーでltiple画像投影-MIP、2分間のポストコントラスト画像からプレコントラスト画像を差し引いた。 3 番目の列にDCEパラメトリックマップは3TP方法により得られる。 T2画像中のスケールバーは全画像に20mmの長さを指し

磁気共鳴画像法を使用して乳房の拡散テンソルのパラメトリックマップとベクトルマップを取得する方法について説明します。イメージング処理後のプロトコルと最終出力は、乳房の建築的特徴を追跡し、乳房の悪性腫瘍を検出するために調整されています。

Breast cancer is the most common cause of cancer among women worldwide. Early detection of breast cancer has a critical role in improving the quality of ...

次の実験の全体的な目標は、乳房の微細構造を追跡し、完全に非侵襲的で安全なイメージング法を使用して乳がんを検出することです。これは、両方の乳房のMRI画像を撮影し、乳房線維腺組織全体を測定することによって達成されます。水拡散テンソルは、正常および病理学的な乳房の微細構造および細胞の特徴を明らかにします。第2のステップとして、拡散テンソルイメージングデータセットは、対称テンソルモデルを使用して処理され、指向性拡散係数と異方性指数をピクセルごとに計算します。次に、方向拡散係数のベクトルと色分けされたパラメトリック マップ。それらの平均見かけ拡散係数と分数および最大抗等方性指数は、悪性腫瘍を検出し、病理を検査するための最良のパラメータを特定するために生成されます。結果は、拡散テンソルパラメータが、正常組織と比較して拡散係数値が減少し、最大異方性値が減少したマップ領域を見つけることにより、乳房の建築的特徴を明らかにし、悪性成長を検出できることを示しています。新しい拡散テンソルイメージング法は、標準的な動的コントラスト増強3点法と同等の乳がん診断精度を示しました。この技術の主な利点は、動的造影MRIなどの既存のMRI方法と比較すると、DTIは外部造影剤の注射を必要としないため、完全に安全で非侵襲的であることです。それはまた比較的速い方法であり、そして彼の臨床成績はホルモンの変化によって影響を受けません。この方法は、がん細胞の増殖による細胞性の増加を検出し、乳がんの検出、診断と治療、乳がんのモニタリング、前立腺や腎臓などの乳腺成分を持つ他の臓器のイメージングなど、乳房イメージングにおける重要な質問に答えるのに役立ちます。一般的に、この方法に不慣れな個人は、乳房DTIは、すべての実験パラメータの微調整を通じてスキャンプロトコルの最適化だけでなく、拡散テンソルパラメータの明確なパラメトリックマップを生成する生データセットの高度な処理ソフトウェアを必要とするため、我々は1840年から乳房の解剖学に乳房管系の本の図面に出くわしたときに、この方法のアイデアを持っていたと感じました2001年からのアトキン、同僚のレポートでMamm Reductorシステムの次元再構築と最近のコンピュータ抵抗は、2004年から堀に行く。この方法の使用と意味は、乳房組織の評価と癌の検出を可能にする色分けされたパラメトリックマップに基づいているため、この方法の視覚的なデモンストレーションは重要です。この手順は、エドナ・フラン博士、マラ・シャピロ・ファインバーグ博士、ノーム・ニサン博士、ダヴ・ゴーゲル氏、そして私たちの2人の優れたMRI技術者、ファニア・タオ氏とホルスター氏によって実演されます。新しい乳房拡散テンソルイメージング法は、現在の標準的な動的造影乳房MRI法と比較して評価されるため、患者のいずれかの腕に静脈内カテーテルを挿入して造影剤を送達し、次に患者を乳房スキャンのために配置することから始めます。患者は、両方の乳房が乳房コイルの両側の開口部に自由にぶら下がっている状態で、腹臥位で横たわっている必要があります。また、患者さんは快適に過ごすために、頭と首を枕に乗せておく必要があります。次に、患者に両腕を頭上に伸ばしてもらい、乳房の位置を確認します。繰り返しになりますが、各乳房が中央に配置され、コイルの開口部内でできるだけ深くぶら下がっていることを確認してください。次に、自動注入ポンプを静脈内カテーテルに接続し、患者をスキャナーに移動してスキャンを続行します。パイロット画像を使用して、両方の乳房の位置を特定し、視野を決定し、その後に必要なスライスの数とスライスの厚さを決定し、腋窩と胸壁まで延長して両方の乳房を完全に覆います。これら3つの実験パラメータは、すべてのスキャンシーケンスで一貫してください。次に、スキャナーのインターフェースコンピューターを使用して、胸と腋窩の両方を含む領域を見つけて、シミングボックスを定義します。次に、反復シミング戦略を適用して、陽子スペクトルの信号を観察しながら磁場を最適化します。周波数を水の共振の中心に置き、次に脂肪の共振に周波数を集中させて、シミングを調整します。脂肪と水の信号を分離することにより、信号強度を最適化し、水の共振周波数を中心に照射周波数を形成する必要があります。これを機能させるには、加速度係数 2 の grappa を使用して、脂肪飽和のない高空間分解能で 2D 横 T 2 加重ターボ スピン エコー マルチスライス シーケンスを適用します。表 1 に従って変数パラメータを設定します。次に、脂肪抑制スピンエコーDTIを行います。2 回再焦点化されたエコー平面イメージング シーケンスを使用して、再度、加速係数 2 の grpa を適用します。スピンエコーDTIでは、次のパラメータを使用し、最も重要なものは紫色で強調表示されます。これには、エコー時間 te、空間分解能、拡散勾配方向の数、および勾配 B 値が含まれます。次に、フィールドマッピングシーケンスを適用して、エコープレーナーイメージングの幾何学的歪みを修正します。desert と balaban で説明されている位相差画像を取得し、イメージング シーケンスに 2 つの異なる位相エコー時間を持つ 2D 横勾配エコー画像が含まれていることを確認し、位相と符号化方向が DTI シーケンスと同じであることを確認します。表 1 には、このイメージングシーケンスに使用する値もリストされています。次のステップは、脂肪抑制なしの3D高速グラディエントエコーシーケンスを使用し、3つのタイムポイント法に従って最適化されたパラメータを使用して、ダイナミックコントラスト強化プロトコルを適用することです。パラメータ値については、表1を参照してください。2回目のプレコントラスト画像取得が終了する15秒前。コンピュータ制御の自動インジェクターで、造影剤を毎秒2ミリリットルで注入します。この注入に続いて、同じ速度で送達されるフラッシュとして20ミリリットルの生理食塩水の自動注入が行われます。次に、注入後 7 つの固定時点で 7 つのシーケンシャル 3D データセットの記録を続けます。次に、T 2 加重イメージングに使用したのと同様の実験の詳細を使用して、2D 横方向の T 2 加重脂肪抑制ターボ スピン エコー マルチスライス シーケンスを作成します。全体の検査時間は30.5分で、DTIシーケンスの所要時間は6分で、最初にデータセット全体をリモートワークステーションまたはパーソナルコンピューターに転送して画像の処理を開始します。次に、乳房拡散、テンソルイメージング、およびD-C-E-M-R-Iの分析に特化したプログラムでデータを開きます。ここでは、自作のソフトウェアパッケージがDTI画像処理のすべての手順で使用されます。まず、乳房の外側の騒音レベルと、関心のある3つまたは4つの領域の残りの組織を評価します。それぞれ約 100 ピクセルです。ノイズレベルより上のピクセルの最大ノイズレベルを見つけます。30 の勾配方向を使用して、60 個のスライスすべてにおける対称テンソル D の 6 つの拡散係数を計算します。staal tanner 方程式と非線形回帰フィッティング プログラムを使用します。次に、主成分解析を使用して、各ピクセルの対称拡散テンソルを対角化します。このプロセスにより、ピクセルごとに 3 つの iGen ベクトルが生成され、楕円体の 3 つの直交 AE の拡散方向が定義されます。これらの値は、組織の拡散フレームと、指向性拡散係数を決定する対応する拡散固有値と一致します。次に、各ピクセルについて、3つのegen値の平均である見かけの拡散係数を計算します。次に、Lambda 1とLambda 3のegen値の差である最大絶対反等方性指数を計算します。次に、分数反等方性指数を決定します。ピクセルごと。値の範囲は、等方性拡散を示す 0 から、一方向の自由拡散を示す 1 までです。これらすべての計算を実行したら、ソフトウェアのグラフ作成機能を使用して、素数または最初の固有ベクトルVのベクトルマップを作成します。また、V 1の主な方向を示す3色のマップを作成し、それらをDTIソフトウェアコンストラクトの同じスライスのT 2加重画像に重ね合わせます。拡散テンソルイメージング、各スライスの各ピクセルのすべての拡散テンソルパラメータの値を表示するパラメトリックマップです。次に、これらの値を同じスライスの T 2 つの重み付け画像に重ね合わせます。この方法がテストされ、若い健康なボランティアが実証されました。線維腺組織の比較的高い割合は、T 2 の重み付け画像で灰色の領域としてはっきりと見ることができます。明るい部分は太っています。素拡散係数ラムダの方向は、ニップルを指すピクセルの大部分を示しています。予想通り、拡散テンソル係数の値は、ラムダ1からラムダ2、ラムダ3に減少しました。これら3つの拡散係数を使用することで、平均拡散率、A DC、フラクショナル抗アトロピー、およびフラクショナル抗アトロピーが非常に一致していた最大抗アトロピーの計算が可能になりました。乳房悪性腫瘍の68人の患者がDTIプロトコルを使用してスキャンされました。拡散係数が最も高いラムダ1と、ラムダ1からラムダ3を引いた最大異方性のパラメトリックマップは、正常な乳房組織と比較してがん組織で有意に低く、乳がんの検出に最も効果的であることがわかりました。これらの患者では、ラムダ1とラムダ1からラムダ3を引いた低い値の領域は、3つのタイムポイント法の色分けによって視覚化された動的コントラスト増強MRIでがんと特定された領域と並行しており、ラムダ1とラムダ1からラムダ3を引いた2番目のペアの画像は、その後ネオアジュバント化学療法治療を受けた患者に癌を示しています。ネオアジュバント化学療法が成功した後、手術前にDTIは組織の反応を特徴づけることができました。がん細胞を置き換える修復結合組織の存在を反映して拡散係数が大幅に増加していた拡散テンソルのシーケンシングおよびイメージング処理を習得すると、イメージングデータセットは数分で実行でき、乳房組織全体にわたる拡散パラメトリックマップが得られ、高感度で悪性腫瘍の検出が可能になります。この手順を試行する際には、MRIスキャナーの最適化、フィールドの均一性、およびDTIプロトコルとイメージング処理の仕様への準拠を忘れないようにすることが重要です。この手順に続いて、DTIの結果を確認し、乳がん診断の精度を高めるために、ダイナミックコントラストエンハンスメントなどの他のMRI方法を実行できます。この技術は、研究者が正常な乳房組織の発達的側面とホルモン調節を調査し、悪性腫瘍の発症につながる乳房の初期の変化を特徴付ける道を開く可能性があります。このビデオを見れば、高度なMRIスキャナー、説明されている取得および画像処理ツールにどのように適応し、実装するか、また、乳房びまん性テナルパラメトリックマップを評価し、乳房の悪性腫瘍を特定する方法について十分に理解できるはずです。

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