腫瘍サイズ測定における品質保証のために組織模倣材料を用いた前臨床マルチモダリティファントムの構築

Summary

本論文では、ファントムは、このような超音波（米国）、コンピュータ断層撮影（CT）や磁気などの動物の画像診断法における腫瘍サイズ測定の品質保証（QA）のための（TM）材料組織模倣で作られた前臨床マルチモダリティを構築する社内手順について説明します共鳴イメージング（MRI）。

Abstract

固形腫瘍における世界保健機関（WHO）と応答評価基準（RECIST）は、それぞれ1980年代と1990年代に抗腫瘍薬物療法に反応して固形腫瘍の放射線学的評価のための標準化された基準を提唱したワーキンググループ。 RECIST測定はわずか^{1、2、3,4,5}より再現性であると考えられる一次元を使用するのに対し、WHO基準は、2次元の固形腫瘍を測定する。これらの基準は、広く、米国食品医薬品局（FDA）によって承認⁶のみ撮像バイオマーカーとして使用されている。精度の画像について、抗腫瘍薬に対する腫瘍の応答を測定するために、従って、堅牢な品質保証（QA）プロシージャと対応するQAファントムが必要である。

このニーズに対処するために、著者らは、前臨床マルチモダリティを組織模倣（TM）を使用してファントム（超音波（US）、コンピュータ断層撮影（CT）および磁気共鳴画像法（MRI）用）を構築材料Gammex米国の商業ファントム^7を見直すことでRECISTで必要な標的病変の限られた数に基づいて。 Lee らの付録には、ファントム製作⁷の手順を示しています。この記事では、すべてのプロトコルがマルチモダリティイメージングのためTM材料の調製に続いて​​、ファントムで腫瘍シミュレーテストオブジェクトをキャストするためのシリコーン型を準備するための手順とステップ·バイ·ステップのファッション初めに導入されており、最終的に建設前臨床マルチモダリティQAファントム。本稿の主な目的は、独立して自分のプロジェクトのためにファントムの構築に興味がある人々を可能にするためのプロトコルを提供することです。 QA腫瘍サイズを測定するための手順と、RECISTし、このQAファントムを使用して、複数の機関で行われた試験対象の体積測定結果Lee らに詳細に示されている^。8。

Introduction

腫瘍の大きさの変化の評価は、腫瘍の縮小および疾患の進行^9,10の両方において抗腫瘍薬の活性を評価するための重要なエンドポイントである。固形腫瘍における世界保健機関（WHO）と応答評価基準（RECIST）は、超音波（米国）、コンピュータ断層撮影（CT）または（MRI）磁気共鳴画像などの撮像モダリティの腫瘍病変の解剖学的評価のための体系化された方法である。 WHO基準については、腫瘍の最大径とターゲット地域の横断面における最大の垂直直径の積が⁰⁴を算出する。対照的に、RECISTための、標的病変の限られた数の横断面で最も長い直径の合計は^4で計算される。腫瘍治療応答評価における連続関心の高まりにもかかわらず、全く前臨床品質保証（QA）ファントム/ QAイメージングバイオマーカーのための手順がありませんでした。

コンテンツ">基準および/ ​​またはRECISTが他の撮像マーカー、Lee らのためのQAの出発点として、米国食品医薬品局（FDA）により承認された唯一の撮像バイオマーカーであるWHOに基づいて、その腫瘍の大きさ測定を考慮した。設計及びUTHSCSA / Gammexマーク1とGammex株式会社⁷と共同で腫瘍の大きさ測定のためのQAマーク2ファントムを構築した。マーク1ファントムGammex商業米国ファントムの改訂版だったため、サイズがに収まるように大きすぎました動物のCTやMRスキャナはまたマルコ1ファントムにおけるいくつかのツールは、腫瘍の大きさの測定は不要であった。マーク2ファントム最新FDA承認イメージングバイオマーカーであるRECISTに基づいて設計されていたが、マーク2ファントムの大きさまだMRスキャナに対して大きすぎで、ファントムのCTやMR画像品質は、正確な腫瘍の大きさの測定⁷の許容ではなかった。

QAファントムは、彼を説明手綱は、前のファントムの欠点を克服するために再設計されており、我々の研究室で開発された変性組織模倣（TM）材料およびプロトコルを使用して構築した。本論文では、ファントム建設のためのプロトコルの詳細について説明します：まず、メソッドが腫瘍シミュレーテストオブジェクトを鋳造と重力沈降を防止するためのファントムを回転させるための回転子を組み立てるために必要なシリコーン金型を製造するために導入されている。米国、CTやMRイメージングのためのD'Souza氏らのから変更TM材料を製造するための第二に、プロトコルは^11に記載されている。 TM材料の物理的特性は、様々なモダリティで取得される画像で観察されたTM材料は、ヒトの軟組織を表現するように、各モダリティで試験したが、結果はここでは表示されない。第三に、ファントム建設のためのプロトコルが記載されている。最後に、ファントムの米国、CTやMR画像が結果として表示されます。

Protocol

1。ファントムデザイン

前臨床マルチモダリティファントムの図面は、 図1 ^7、図8に示されている。ファントムの大きさは直径38ミリメートルおよびファントムは、様々な動物のスキャナでスキャンすることができるように、長さが115ミリメートルである。ファントム内で10mmの深さに配置された：ファントムは5腫瘍シミュレーテストオブジェクト（14、10、7、4、直径2mm）が含まれています。

2。シリコンモールド建設

シリコーン型は、腫瘍シミュレーこの項⁷に記載のテスト·オブジェクトをキャストするために調製される。シリコーン金型の製造のために必要なすべてのアクリルプレートとロッドは、サン·アントニオ（UTHSCSA）のテキサス健康科学センターの大学の機械工場で25μmの精度でカットされています。

1. 2アクリルベースの​​アライメントロッド用：テストオブジェクトと別の5つの穴（直径6mm）のために：5つの穴（14、10、7、4、直径2mm）を作るプレート（サイズ：4.2センチメートル×11.5センチメートル×0.9 cm）の（ 図2）。
2. 7の高さとスペーサーのペアをカットし、5、3.5、2と1ミリ（サイズ：1.0㎝×5.5センチメートル）（ 図2 B）。
3. （：14、10、7、4、2ミリメートル、精度：2.5μmの直径）の鋼球を準備します。
4. シーケンスの薄いアクリル板に7ミリメートルとベースプレートの高さのある場所2スペーサーペアとC-クランプ（ 図2のC）を使用してそれらを締めます。
5. ベース板と接着剤、それがJB KWIKます（ 図2 C）を使用して、14 mmの穴に14ミリメートル径の鋼球を挿入します。ボールの残りの部分（ 図2のD）のために、その他のベース·プレートのための手順を繰り返します。 2つのベース板にスチールボールが鏡像⁷として接着されていることに注意してください。
6. フェンスのようにマスキングテープを使用して各ベースに（：4つの2.5 cmの高いアクリル板（2.5センチメートル×二枚のプレートと2.5センチメートル×別の二つのプレート4.2センチメートル11.5センチメートルサイズ）を取り付けオング>図3 A）。
7. 5アクリル棒（直径挿入するベース·プレートアセンブリのいずれかで0.8センチ、長さ：0.5：（4.2センチメートル×11.5センチメートル、直径0.8センチ、直径1.2 CMと10穴と5穴サイズ）天板を取り付け1ミリメートルのヒントとCM）、および5つのアライメントロッド（直径挿入する：0.9センチメートル、長さ：4.0 cm）のとシリコーン（ 図3）注ぐ。
8. 鋼球と接着し、シリコーン接着剤を使用しての先頭にすべての方法天板0.8センチ穴にアクリル棒を挿入します。その後、天板に大きな穴（ 図3）を通って、ベースプレートの穴に整列ロッドを挿入します。
9. 1〜10重量の比で部分Bを有するシリコーンゴムコンパウンドの一部混ぜる。
10. アセンブリにシリコーンゴムコンパウンドを注ぎ、約24時間（ 図3 B）室温でアセンブリを乾燥させます。

3。回転子アセンブリ

T ">ローテータは塩ビ管とロティサリーモーターから調製される。

1. 焼肉モータの孔に適合するように、ボルトの先端を挽く。
2. ナットとワッシャーを使用して塩ビ管（75ミリメートル：270ミリメートル、内径の長さ）の端にアース​​ボルトをねじ込みます。
3. 塩ビ管をサポートし、塩ビ管⁷の高さを調整するJB KWIKを使用してプラスチック板上に金属板と接着剤、それらを曲げる。

4。 TM素材の準備

TM材料を製造するためのプロトコルは、ウィスコンシン大学マディソン校博士アーネストL.マドセンの研究室で開発されたものから変更され、詳細はLee らにあるされています^。8,11。

4.1背景TMの材料調製

1. 20μmとした後、10μmのメッシュフィルターを通して商用全乳（200のcc）を渡す。
2. フィルタリング牛乳（100ccの）にチメロサール（0.2グラム）を溶かす。
3. 家の掃除、デを使用室温で30秒間ガスこの乳溶液。
4. 室温で脱イオン水（MΩ18）（100のcc）で乾燥したアガロース（2g）を溶かす。
5. 次いで、アガロース溶液に1 -プロパノール（7.9 cc）でかつたBaSO _4（1 g）を加える。
6. 次いで、脱気するアガロース溶液及びアガロース溶液が解消されるまで95℃の水浴中で加熱する。
7. アガロース溶液は、95℃の水浴、熱55℃の水浴中で練乳にしてクリアしながら。
8. クールダウンするために55℃の水浴に溶融アガロース溶液を移動します。
9. 一度両方のソリューションは、55である°コンデンスミルク（50のcc）とC、ミックスアガロース溶液（50のcc）は、体積で50から50の比率を行い、徐々に表面からの気泡の除去に続いて混合物を攪拌する。
10. 次いで、均一性を確保するために十分な撹拌し、アガロース乳混合物にEDTA（0.103グラム）とのCuCl _{2·2H 2} O（0.06 g）を加える。
11. 最後に、ガラスビーズ（15を追加- 60μmの径、平均径：35μm）を（0.1 g）を、最終的な混合を繰り返しかき混ぜる。使用前に、任意の不純物を除去した後、酸を洗い流すために24時間、濃硝酸にガラスビーズを浸す。

4.2試験対象TM材調製

試験対象TM材料は、以下の組成の相違点を除い背景TM材料と同様の方法で調製される。

1. 20μmとした後、10μmのメッシュフィルターを通して商用全乳（20のcc）を渡す。
2. フィルタリング牛乳（10ccの）でチメロサール（0.02 g）を溶かす。
3. 脱イオン水（10ccの）および1 - プロパノール（0.79投稿）の室温溶液に、乾燥アガロース（0.60グラム）に溶解する。
4. 次いで、脱気するアガロース溶液及びアガロース溶液が解消されるまで95℃の水浴中で加熱する。
5. アガロース溶液は、95℃の水浴、熱55℃の水浴中で練乳にしてクリアしながら。
6. 両方のソリューションは、55℃でありたら、コンデンスミルクとアガロース溶液（5 CC）を混ぜ（5 cc）で、ゆっくりと表面からの気泡の除去に続いて混合物をかき混ぜる。
7. その後、十分攪拌しアガロースミルクにEDTA（0.0017グラム）とのCuCl _{2·2H 2} Oを（0.0010グラム）を追加します。

5。マルチモダリティファントム組立

シリコーンモールドを用いて、以下のステップがマルチモダリティファントムを構築するために達成される。

1. 1ミリメートルの穴のないシリコーンモールドで、シリコーン接着剤を（ 図4）を使用して金型の両端に球と接着剤、それの中心に沿ってナイロン糸を添付してください。
2. 柔らかいブラシを使用して、2つの金型の表面（ 図4）上にシリコングリースを適用し、位置合わせ棒を用いて二金型を組み立てる。
3. 節で説明したように試験対象TM材料を作製4.2およびシリンジの22ゲージの針を使用して、シリコーンモールド1mmの孔を介して注ぐ。
4. テストオブジェクトを設定できるようにするには、約30分間冷蔵庫（5℃）で金型を格納します。
5. 半円筒容器（：115ミリメートル、直径：長さ38ミリメートル）の各々の側では、テストオブジェクトとナイロン糸をマウントするために、ファントム表面から10mmの深さで1ミリの二つの穴を作る。背景TM材料を注ぐために6mmの追加の穴を作る。
6. 金型からナイロン糸（ 図4 B）でテストオブジェクトをアンロードしてから、半円 ​​筒容器（ 図4 C）でそれらをマウントします。
7. 3MスコッチウェルドDP-100と3Mのダクトテープを使用し、薄い非導電性アルミ（厚さ0.12 mm）を接着するアクリル容器に。同じ接着剤（ 図4 C）を使用して、アクリル容器1mmの穴をブロックします。
8. 迅速背景TM素材を準備し、ゆっくりと、容器6 mmの穴にそれを注ぐ小さなプラスチックの漏斗を用いた。
9. 気泡を除去した後、接着剤3Mスコッチウェルド·DP-100を用いて6ミリメートル穴。
10. 一度組み立て、室温で4から5時間、ローテーターで2 rpmでファントムを回転させます。
11. ファントムは完全硬化で​​TM材料後ナイロン糸を外します。

6。マルチモダリティイメージング

ファントムは前臨床超音波、CTやMRIと3モダリティで取得された画像に走査される。イメージングプロトコルは、Lee ら ^7、図8に詳細に記載されている。

Representative Results

図3と図Bそれぞれ5ショーテストオブジェクトをキャストするための2つのシリコーン型、およびマルチモダリティファントム、。縦×横×各金型の深さは109ミリメートルである×37ミリメートル×21 mmであり、2型は、同一の鏡像である。一方の金型は、TM材料は細い針を使用して挿入することができる1ミリメートルの穴を有している。各型は、アライメント棒のための追加の5つの穴を有している。ファントムの長さ×幅×深さ115ミリメートル×38ミリメートル×24 mmで、その初期質量は101.02グラムであった。ファントムの大きさは、前臨床スキャナに収まるように十分である。

米国、CTやMRIにより取得された画像は、 図6に示されている。テストオブジェクトと背景とのコントラストがテスト·オブジェクトを識別し、そのサイズを測定するのに十分である。重篤なアーティファクトは、米国の画像の小さな残響以外の任意の画像で観察されていません。

図1。前臨床マルチモダリティファントムの設計。ファントム、2、4の直径が5腫瘍シミュレーテストオブジェクト、7、10とファントム表面から10ミリメートルに置か14ミリメートルを持っています。

図2。薄い使用して、テスト·オブジェクトのための5つの穴とアライメントロッドのために別の5つの穴で。A.ベースプレートシリコーン型を鋳造するための準備。B.スペーサー 7、5、3.5、2の高さとのペアと1ミリメートル℃の糊付けの鋼球アクリル板、スペーサ、ベース板とC-クランプ、D.糊付け5スチールボールとベースプレート。

イチジク URE 3。シリコーン型を鋳造するための手順。シリコーン化合物を注ぐ前に、ベース板アセンブリのA.建設。B.シリコーンモールド。

図4。シリコーン型を使用して、テストオブジェクトをキャストするための手順。ナイロン糸、シリコーングリースとアライメントロッドを使用したシリコーン型にテストオブジェクトをキャストする前に、A.の準備。アンロードする前に、シリコーン型でB.テストオブジェクト。Cのアクリル容器にテストオブジェクトの取り付け。

図5。組織模倣材料で作られたマルチモダリティファントム。複数の機関で様々な動物のスキャナにファントムフィット。

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図6。 A.米国、B. CTとファントム。画像C. T2強調MR画像は、重度のアーティファクトと気泡が表示されません。テストオブジェクトと背景の間のコントラストは、サイズ測定のために適切であった。

Discussion

この記事の目的は、マルチモダリティイメージングのためTM材料を作り、複数の機関で異なるモダリティを用いた正確な腫瘍の大きさの測定のためのQAツールとして前臨床マルチモダリティファントムを構築するための方法を提供することでした。前述したように、TMの素材は、もともとマルチイメージングモダリティ前立腺ファントム用ウィスコンシン大学マディソン校博士アーネストL.マドセンの研究室によって開発されました。我々はテストオブジェクトと背景の間に十分なコントラストを持つため、米国、CTやMR画像における軟部組織の物性を表現するために、私たち自身の目的のために博士マドセンのTM材料プロトコルを変更しました。当社独自のTM素材プロトコルが簡単にLee らによって導入された使用。初めて^7、8用ファントムの建設のための方法。本論文では、TM材料やファントム構造のプロトコルが詳細に説明された。

TM材料の準備に先立ち、シリコーン金型やローテータは弊社ラボでカスタマイズされていた。シリコーンモールドは、乾燥の過程で収縮できるので、金型を製造するための右シリコーン化合物を選択することが重要である。我々は、彼らが最小限の収縮があったことを確認するために硬化した後、NISTトレーサブルキャリパーを使用して金型内の各オブジェクトの直径を測定した。回転子は、背景資料においてガラスビーズの重力沈降を防止する必要があった。

TM材料は^12、次の理由から^7、11のためにいくつかの化学物質で作られていた：ミルクは人間の組織と同じ性質を持っている、チメロサールは、牛乳の細菌の侵入を防ぐことができ、メッシュフィルターは集中の前および商用パッケージの間に導入された可能性のある不純物を除去ミルクの、アガロースは、接合材とMR T2緩和時間変更子であり、脱イオン水は水道水とは異なり、緩和時間を下げる金属イオンを含まない、プロパノールはウォートための音の速度を増加させる軟部組織（1540メートル/秒）の場合とR（1484メートル/秒）、たBaSO _4は、CTのコントラスト強調のためであり、銅^{2 +} / EDTA MRのT1緩和時間を減少させ、ガラスビーズは、米国のコントラスト強調のためのものです。画像や物性のコントラストがLee らに記載されている^。8。

試験対象のTM材料は、テスト·オブジェクト中の気泡を避けるために、シリンジを用いてシリコーンモールド1mmの孔を介して脱気し、徐々に注入されるべきである。テストオブジェクトはシリコーン型にキャストされたら、それらは直ちにアクリルファントムにロードされるべきであり、ファントムの上部は、テスト対象の脱水を防ぐために、すぐに同様に覆われており、接着されるべきである。

ファントムの計量定期的に脱水をチェックすることが必要である。今回の知見は、ファントムのアプリケーションの許容可能である我々のファントム^8、一年で最大1.68パーセントの減量があったことを示した。この損失は、定期的にinjectinによって補正することができるGきちんと交換水。しかしながら、画像の変化に体重減少の効果は、ファントムをスキャンし、定期的にテスト·オブジェクトのサイズを測定することによって調査される必要がある。これは、脱水を防ぐために、室温で湿気から離れてファントムを維持することも重要である。

現在QAファントム考慮典型的な動物またはヒトの腫瘍で観察された形状の変動を取ることはありません。このように、不規則な形のテストオブジェクトとファントムは、当社の今後の研究⁸として構築してテストする必要があります。それにもかかわらず、現在のファントムのように、米国、CTやMRシステムにおける測定ツールの正確性をテスト、さらに他の目的、 例えば、正確な撮像システム較正のために使用可能である。また、ファントム規模のリビジョンに臨床的に使用することができる。

三次元画像を提供する能力を有するファントム、小動物イメージングシステムを用いて腫瘍の大きさを測定するためのQA（図5の幅、長さ及び深さ）が必要である。ファントムとイメージングプロトコルは^8を開発されてきたスキャンを含む正確な腫瘍の大きさの測定のためのQA手順。撮像コントラストが撮像パラメータに依存するため、画像品質の再現性については、この研究で使用したのと同じMRコイルを含む同一の撮像プロトコルが推奨される。撮像プロトコルの詳細は、我々の以前の記事^7,8で参照され、それらはUTHSCSAで使用されてきた小動物イメージング·プロトコルに基づいている。本研究で得られた米国、CT及びMR画像は、検査対象（ 図6）のサイズを測定するために十分なコントラストを有していた。しかし、米国とCT画像の品質は、MR画像のものほど良くはありません。米国では、多くのゲルは、表面上のファントム膜とトランスデューサーの間のより良い接触を持っているために使用されるべきである。米国画像のコントラストを向上するため、わずかに背景TMの調製においてガラスビーズの量が増加する可能性米国特性が軟組織に対して範囲内である限り、使用することができる。同様に、より多くの塩BaSO _4は、CTコントラストを向上させる背景TM材料に添加することができる。 CTのコントラストを改善するための別の方法は、X線管電圧を減少させるか、管電流を増加させることになるが、小動物CTスキャナはこれらの管のパラメータを変更するための限られた選択肢を有する。

RECIST、WHOと、彼らはこの論文の範囲外であるため、試験対象の体積を測定した結果がここに表示されません。 Lee ら両機関の米国、CTやMRIには3つの独立した測定から分析⁸簡潔に提示された実験データ。 UTHSCSAでは、テスト対象の直径の3つの測定値の標準偏差（SD）は、3つの垂直方向に、異なる5人にはそれぞれ、米国、CTやMRI用ミリを0.01から0.26ミリメートルに、0から0.06ミリメートルの範囲が0.01から0.09に直径。 UCデンバーでは、SDSが0.01〜、0.02〜0.21ミリメートルの範囲であったそれぞれ0.06から米国、CTやMRI用0.29ミリメートルに0.31ミリメートル、、。さらなる情報は、Lee ら ^7、図8に示されている。別の将来の研究では、観察者間の変動を調査するために多くのオブザーバーが含まれます。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Reagent/Material
PVC pipe	N/A	N/A	Home Depot
Bolt, nut, washer and metal plates	N/A	N/A	Home Depot
Acrylic plates and rods	N/A	N/A	Plastic supply in San Antonio, TX
Steel balls	Nordex, Inc.	AEC-M2-2, -4, -7, -10 and -14	2, 4, 7, 10 and 14 mm diameter
C-clamps	Adjustable Clamp	1420-C	2 inch length
Masking tape	3M Industrial Adhesives and Tapes	2600
Duct tape	3M Industrial Adhesives and Tapes	S-3763SIL
J-B KWIK	J-B WELD Co.	380238
3M Scotch-Weld Epoxy Adhesive	3M Industrial Adhesives and Tapes	DP-100
Silicone grease	Permatex, Inc.	22058
Silicone glue	DAP, Inc.	688
Silicone rubber compound	Smooth-ON, Inc.	Smooth-SilTM950 Part A and B	A:B mix ratio = 10:1 by weight
Brush	N/A	N/A	Hobby Lobby
Syringe	Becton Dickinson	309604	10 ml
Needle	Becton Dickinson	305156	22-gauge 1.5 inch length
Funnel	N/A	N/A
Mesh filters	Small parts, Inc.	CMN-0010-C and CMN-0020-C	10 and 20 μm
Whole milk	N/A	N/A	HEB in San Antonio, TX
Thimerosal	Sigma-Aldrich Co.	T5125
Propanol	Sigma-Aldrich Co.	33538
EDTA	Sigma-Aldrich Co.	431788
CuCl2	Sigma-Aldrich Co.	459097
Agarose	Sigma-Aldrich Co.	A0169
BaSO4	Sigma-Aldrich Co.	B8675
Glass beads	Potters Industries, Inc.	3000E
PET/AL/LLDPE*	Pechiney Plastic Packaging, Inc.	Pechiney Spec 151	Phantom cover material
			*Polyethylene terephthalate/aluminum/linear low density polyethylene
Equipment
Rotisserie motor	Brinkmann	812-7103-S	Home Depot
Water bath 1	Precision, Inc.	Model: 282, Serial #: 601091552
Water bath 2	VWR, Inc.	Model: 1212, Serial #: 08119606
Ultrasound	Visualsonics	Serial #: 770/120-259
CT	Gamma Medica-Ideas	Serial #: GR 0050
MRI	Bruker	Part #: W3301390, Serial #: 0030