氧化铁纳米颗粒给药后肿瘤T2*弛豫时间的测量

Summary

我们提出了一种标准化的方案，用于使用外部软件量化肿瘤的T2 *弛豫时间。采集多回波梯度回波图像并将其输入软件，以创建肿瘤T2*图并测量肿瘤T2*弛豫时间。

Abstract

T2*弛豫法是用磁共振成像（MRI）测量超顺磁性氧化铁纳米颗粒对肿瘤组织影响的既定方法之一。氧化铁纳米颗粒缩短肿瘤的T1，T2和T2*弛豫时间。虽然 T1 效应根据纳米颗粒的大小和组成而变化，但 T2 和 T2* 效应通常占主导地位，T2* 测量在临床环境中最省时。在这里，我们介绍了我们测量肿瘤T2*弛豫时间的方法，使用多回波梯度回波序列，外部软件和标准化协议，用于使用扫描仪独立软件创建T2 *图谱。这有助于比较来自不同临床扫描仪、不同供应商和联合临床研究工作的成像数据（即在小鼠模型和患者中获得的肿瘤T2*数据）。安装软件后，需要从插件管理器安装 T2 Fit Map 插件。该协议提供了分步程序细节，从将多回波梯度回波序列导入软件，到创建颜色编码的T2 *图和测量肿瘤T2*弛豫时间。该方案可应用于任何身体部位的实体瘤，并已根据临床前成像数据和患者的临床数据进行了验证。这可以促进多中心临床试验的肿瘤T2*测量，并提高肿瘤T2*测量在共临床和多中心数据分析中的标准化和可重复性。

Introduction

用磁共振成像（MRI）^{广泛建立了对}身体各组织中肿瘤T2*弛豫时间的无创定量1。本文的基本原理是提供一种用于测量肿瘤T2*弛豫时间的协议，该协议独立于Osirix²等扫描仪软件。这将允许对来自不同中心、不同扫描仪和不同供应商的成像数据进行统一分析。事实上，成千上万的用户可能会使用相同的方法，从而提高肿瘤T2*测量的标准化。T2* 测量被神经放射科医生、心脏成像专家和腹部成像专家等用于不同的目的。用于测量组织 T2* 弛豫时间的 MRI 脉冲序列已被应用并优化，用于评估颅内出血³、肝铁含量 ^1,4 和心脏铁含量 ^5,6 等。其他研究人员使用T2*测量来生成恶性肿瘤中氧化铁纳米颗粒积累的定量估计^7,8。然而，以前的许多方法都使用机构软件或特定的扫描仪软件，这些软件仅限于在特定机构使用或用于处理在特定扫描仪上获得的数据。在这里，我们描述了一种普遍适用的方法，该方法基于来自任何可以生成多回波梯度回波图像的扫描仪的临床前或临床MRI数据生成肿瘤T2*图和肿瘤T2*弛豫时间。所需的梯度回波序列应具有非常短的首次回波时间和紧密的回波间隔^9,10。然后将多回波梯度回波图像输入外部软件，计算肿瘤T2*图，并测量肿瘤T2*弛豫时间。外部模型的 T2* 衰减曲线中的 T2 拟合图插件作为 S（t） = S_o ^{e-t/T2* 11} 的单指数拟合，其中 S（t） 表示给定时间 t 的信号或过程值;S 0 是 t =₀ 时信号或过程的初始值;t 表示时间;T₂*，也称为表观横向弛豫时间，表征信号或过程的衰减速率;e 是自然对数的底数（大约等于 2.71828）。该方程描述了指数衰减，其中信号或过程随时间减小，是衰减速率T₂*的函数。T₂*的值越大，衰减速率越慢，反之亦然。同一软件还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） = S_o ^e-t/T2 来生成肿瘤 T2 值。曲线拟合是使用外部软件执行的，没有包含恒定的偏移。两条衰减曲线都表现出单一的指数行为，与T2相比，T2*的持续时间更短。

在含铁血黄素沉着症和血色素沉着症患者中，通过组织活检定量肝铁含量是金标准，而无创MR成像是建立基线值和无创监测随时间变化的护理点^12,13。虽然生成用于肝铁定量的T2*图谱^{已经建立4}，但没有标准化的方案来测量肿瘤T2*弛豫时间。虽然 T2* 地图也可以由扫描仪软件生成，但它仅限于特定的扫描仪和供应商。在肿瘤学领域，给定患者的连续成像研究通常发生在不同的扫描仪上，并且多中心MRI数据是基于来自不同扫描仪和不同供应商的成像研究获得的。此外，共临床成像研究正在越来越多地实施，并且需要比较患者的MRI数据和模拟其肿瘤的小鼠模型。该协议的目的是提供独立于扫描仪软件的肿瘤T2 *弛豫时间测量协议。这将允许对来自不同中心和不同扫描仪的成像数据进行统一分析。事实上，成千上万的用户可能会使用相同的方法，从而提高肿瘤T2*测量的标准化和可重复性。我们的协议使用外部软件，可以从互联网上下载。多回波梯度回波图像被输入软件并拟合到单指数衰减公式中以生成 T2* 图，在该图谱上，可以使用操作员定义的感兴趣区域 （^{ROI） 测量}肿瘤 T2* 弛豫时间5。氧化铁纳米颗粒可以以不同的剂量输注¹⁴，在我们的研究中，患者接受了Ferumoxytol注射液（30mg / mL），其中含有510mg元素铁，体积为17mL，剂量为每公斤体重5mg元素铁。随后使用设定的序列参数获得多回波梯度回波序列¹⁵进行数据采集。

Protocol

该协议已生成用于前瞻性临床试验和联合临床研究。该研究符合《健康保险流通与责任法案》（HIPAA），并得到了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都签署了书面知情同意书，所有7至18岁的儿童都签署了同意书。

1. 安装并启动 T2 拟合图插件

1. 启动 Osirix 软件。从插件管理器安装 T2 Fit Map 插件并重新启动软件。
   1. 在菜单栏上，单击插件按钮。单击下拉菜单并选择 安装插件包 （图1）。
   2. 加载插件管理器后，从下拉菜单中选择可用的插件，然后选择 T2 拟合图 （图 2）。
   3. 单击 下载并安装。关闭插件管理器并重新启动软件。
2. 将多回波梯度回波序列图像作为DICOM文件加载到软件中。
3. 更改鼠标按钮功能以绘制 感兴趣区域 （ROI）（图 3）。
4. 使用此鼠标按钮功能，为所需的ROI定义形状：选择 椭圆 形或 闭合多边形，或从下拉菜单中选择所需的形状（图4）。
5. 在具有不同回声时间 （TE） 的所需图像中绘制 ROI。
6. 选择需要 T2* 地图的所有具有不同 TE 的图像中的 ROI。
7. 单击 插件 按钮，从下拉菜单中选择 图像过滤器 ，然后选择 T2 拟合贴图。
8. 单击 T2 拟合图。将打开一个对话框;单击“ 生成地图 ”（位于对话框底部）（图 5）。
   注意：将生成具有各种 TE （ms） 的选定 ROI 的最小、平均值和最大 T2* 值的拟合曲线。计算平均T2*值并显示在曲线下方（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大图。

图 2：从可用插件中选择“T2 拟合图”。 请点击此处查看此图的大图。

图 3：演示如何更改鼠标按钮功能以绘制感兴趣区域 （ROI） 的屏幕截图。 请点击此处查看此图的大图。

图 4：屏幕截图显示了如何为 ROI 选择不同的形状。 请点击此处查看此图的大图。

图 5：屏幕截图显示了如何在选择“T2 拟合地图”后选择“生成地图”。 请点击此处查看此图的大图。

图 6：显示生成 T2* 值拟合曲线的屏幕截图。 请点击此处查看此图的大图。

2. 使用掩码的定义排除噪声

注意： 要在用于计算参数映射的T2map_MSME数据的第一个回波上定义掩码，请为 T2* 值计算设置较低的首次回波信号阈值（T2* 映射体积现在将排除信号太低而无法在第一个多旋多回波 （MSME） 回波处准确计算的像素。可以增加阈值以排除更多像素，也可以降低阈值以包含更多像素）。

1. 要在参数数据之外的图像序列上定义掩模ROI，请打开所需的序列（例如，TE = 15的T2map_MSME的第一个回波）并选择一个切片。
2. 在投资回报率下拉菜单的底部，选择 增长区域...。
3. 选择 3D 生长区域... 单选按钮（图 7）。
4. 在算法下拉菜单中，选择阈值（下限/上限）。
5. 将下限阈值和上限分别设置为对侧小腿肌肉信号的 0% 和 X%（例如，将阈值设置为将掩盖肿瘤 ROI 中最多斑点并留下最可评估的肿瘤 T2（*））的值）。
6. 根据需要设置 ROI 名称。
7. 单击图像以放置ROI增长的种子。
8. 单击 计算 按钮。
9. 在ROI菜单中，选择 “保存此系列的所有ROI...” （图8）。
   注意：现在，定义参数化地图中要掩蔽的区域的ROI已保存，可以应用于参数数据。
10. 在 4D 查看器中打开参数化数据集。
11. 在“投资回报率”菜单中，选择 “导入投资回报率...”。
    注意： 掩模 ROI 现在位于第一个参数序列中。
12. 检查 ROI 是否位于第一个 3D 体积中，而不是 4D 中。
13. 应用掩码以映射数据。为此，请在 ROI 下拉菜单底部选择将 像素值设置为。然后，选择 应用于：具有相同名称的 ROI... （图 9）。
14. 选中 传播到 4D 系列 框。
15. 设置在 ROI 内像素。
16. 设置为此新值：为 0。

图 7：显示分段参数的屏幕截图。 请点击此处查看此图的大图。

图 8：屏幕截图显示如何选择“保存此系列的所有 ROI...”。请点击此处查看此图的大图。

图 9：屏幕截图显示了要在“将像素值设置为”中输入的值。 请单击此处查看此图的大图。

Representative Results

图 10：T2* 图，ROI 叠加在转移性骨肉瘤病变上，显示平均值和标准偏差 T2* 值。 请点击此处查看此图的大图。

图 11：转移性骨肉瘤患者 T2* 图谱的 T2* 值拟合曲线。 请点击此处查看此图的大图。

图 12：T2* 图叠加在该转移性骨肉瘤患者的 T1 加权图像上。 请点击此处查看此图的大图。

MRI扫描是在商用扫描仪上进行的。使用具有一系列TEs（1.22-9.98 ms）的多回波单屏气梯度回波序列对穿过胸部的轴向切片进行成像。使用该协议从覆盖所有切片中的整个肿瘤的ROI测量T2 *，避开周围组织。T2*测量由两个不同的观察者进行。计算每个观察者的所有切片的测量平均值。通过将ROI包括整个肿瘤组织包括在通过肿瘤组织中间的代表性轴向切片上来测量肿瘤T2*松弛率（图10）。图 11 显示了针对该患者具有各种 TE （ms） 的选定 ROI 的最小、平均值和最大 T2* 值生成的拟合曲线。我们患者扫描的肿瘤T2*松弛率为6.8毫秒。为了进行视觉表示，将颜色编码的 T2* 图与对比度增强的 T1 加权梯度回波图像合并以进行解剖学定位（图 12）。该协议的阳性结果将代表特定组织中的T2 *值（图10和图11）。

Discussion

我们的协议允许我们根据多回波梯度回波序列、外部软件和用于创建 T2* 图的插件来测量肿瘤 T2* 弛豫时间。协议中的关键步骤是将具有非常短TE的多回波梯度回波序列包含在扫描协议中，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。根据采集时间排列输入多回波梯度回波图像非常重要。这可以通过在外部软件的首选项：数据库下拉菜单下按采集时间对成像数据系列进行排序来实现。

我们使用的软件应用单指数拟合来输入多回波梯度回波，T2* 拟合没有恒定偏移。这种方法对于铁过载水平非常高（T2*<2-3 ms）的组织可能是不够的，由于T2*值低，MR信号达到等于整流Rician MR噪声的“平台”。静脉注射氧化铁纳米颗粒后通常不是这种情况。但是，如果应观察到肿瘤组织中明显的纳米颗粒积累，则使用纯指数模型会导致重要的诊断错误，这可以通过单指数偏移方法⁵ 或R² 单指数截断方法⁵ 来解决，以获得更准确的T2*结果。通过减少拟合过程中的 DICOM 文件数量，可以轻松应用截断方法。我们还在软件中提出了一种新方法，如协议 2 中所述;对于具有显着氧化铁纳米颗粒积累且T2*值显着缩短接近于零的肿瘤，我们在参数量级图像或其他系列上定义一个掩模，以设置T2*值分析的较低信号阈值。这减少了 T2* 装配过程中的套准错误和错误。T2*值接近零的像素的相对和绝对数量也可以用这种方法测量。这种方法已经在临床前数据上进行了测试，并有可能转化为临床患者。

我们的协议提供了广泛的适用性，因为它不需要编程语言知识，不像需要使用 3D Slicer^16,17 的线性最小二乘方法。但是，与付费版本相比，该软件免费版本中 T2* 和 T2 映射的可用功能数量有限。使用此软件的另一个限制是它在MacOS系统上的可靠性。一个实际问题可能是没有使用软件创建 T2* 地图。作为故障排除，如果没有 T2* 地图生成，建议使用 ROI 工具检查 TE。如果多回波梯度回波图像未按其TE的顺序排列，则T2*贴图的生成将出现错误。因此，强烈建议根据TE排列多回波渐变回波图像并排除该过程。

与其它现有软件16^、18、19相比，该协议的一个优点是由于缺乏编程知识的要求而相对易于使用。该协议还允许质量保证和质量改进项目，因为它允许快速评估多个测量，这反过来又允许可重复性和可重复性测量。

我们协议的进一步验证和标准化将使来自不同扫描仪、不同制造商和不同机构的数据的肿瘤 T2* 测量能够得到广泛使用。这将有助于对在不同部位接受T2*测量的患者进行纵向评估。此外，标准化方案将有助于分析多中心临床试验的肿瘤T2*测量值。该方案的另一个潜在临床应用是描述含铁血黄素^{在肿瘤组织中20}。其他可能的临床应用包括用高水平的肿瘤相关巨噬细胞评估免疫靶向治疗的肿瘤患者，监测这些个体对这些治疗的肿瘤反应^21,22，以及使用超顺磁性氧化铁造影剂23,24和阿鲁卡博群^25,26描述肝脏病变的增强。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
OsiriX	Pixmeo SARL		https://www.osirix-viewer.com/
3T GE MR 750	GE Healthcare, Chicago, IL
FERAHEME (ferumoxytol injection)	AMAG Pharmaceuticals, Inc. 1100 Winter Street Waltham, MA 02451