Summary
Vi præsenterer en standardiseret protokol til kvantificering af T2* afslapningstider for tumorer ved hjælp af ekstern software. Multi-ekko gradient ekko billeder erhverves og føres ind i softwaren til at oprette tumor T2 * kort og måle tumor T2 * afslapningstider.
Abstract
T2* relaxometri er en af de etablerede metoder til at måle effekten af superparamagnetiske jernoxid nanopartikler på tumorvæv med magnetisk resonansbilleddannelse (MRI). Jernoxid nanopartikler forkorter T1, T2 og T2 * afslapningstider for tumorer. Mens T1-effekten er variabel baseret på nanopartiklernes størrelse og sammensætning, er T2- og T2*-effekterne normalt dominerende, og T2*-målinger er de mest tidseffektive i klinisk sammenhæng. Her præsenterer vi vores tilgang til måling af tumor T2* afslapningstider ved hjælp af ekkogradientekkosekvenser, ekstern software og en standardiseret protokol til oprettelse af et T2*-kort med scanneruafhængig software. Dette letter sammenligningen af billeddata fra forskellige kliniske scannere, forskellige leverandører og co-klinisk forskningsarbejde (dvs. tumor T2* data opnået i musemodeller og patienter). Når softwaren er installeret, skal T2 Fit Map-pluginet installeres fra plugin-manageren. Denne protokol giver trinvise proceduremæssige detaljer, fra import af ekkogradientekkosekvenser til softwaren til oprettelse af farvekodede T2*-kort og måling af tumor-T2*-afslapningstider. Protokollen kan anvendes på solide tumorer i enhver kropsdel og er blevet valideret baseret på prækliniske billeddannelsesdata og kliniske data hos patienter. Dette kunne lette tumor T2 * målinger til multicenter kliniske forsøg og forbedre standardiseringen og reproducerbarheden af tumor T2 * målinger i co-kliniske og multi-center dataanalyser.
Introduction
Noninvasiv kvantificering af tumor T2* afslapningstider i forskellige væv i kroppen med magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) er bredt etableret1. Begrundelsen for denne artikel er at give en protokol til måling af tumor T2 * afslapningstider, som er uafhængig af scannersoftware som Osirix2. Dette vil muliggøre ensartede analyser af billeddata fra forskellige centre, forskellige scannere og forskellige leverandører. Faktisk kunne tusindvis af brugere potentielt bruge den samme tilgang og derved øge standardiseringen af tumor T2 * målinger. T2 * målinger bruges til forskellige formål af neuroradiologer, hjertebilleddannelseseksperter og abdominale billeddannelseseksperter, blandt andre. MR-pulssekvenser til måling af vævs T2*-afslapningstider er blevet anvendt og optimeret til vurdering af blandt andet intrakranielle blødninger3, jernindhold i leveren1,4 og hjertejernindhold 5,6. Andre forskere har brugt T2* målinger til at generere kvantitative estimater af jernoxid nanopartikelakkumuleringer i maligne tumorer 7,8. Imidlertid anvendte mange af disse tidligere tilgange institutionel software eller specifik scannersoftware, som ville være begrænset til brug på en bestemt institution eller til behandling af data opnået på en bestemt scanner. Her beskriver vi en universelt anvendelig tilgang til generering af tumor T2* kort og tumor T2* afslapningstider baseret på prækliniske eller kliniske MR-data fra enhver scanner, der kan generere multi-ekko gradient ekkobilleder. Den krævede gradientekkosekvens skal have meget korte første ekkotider og tæt inter-ekkoafstand 9,10. Multi-ekko gradient ekko billeder indføres derefter i den eksterne software, tumor T2 * kort beregnes, og tumor T2 * afslapningstider måles. T2 Fit Map-pluginet i de eksterne modellers T2*-henfaldskurver som en monoeksponentiel tilpasning til S(t) = Soe-t/T2* 11, hvor S(t) repræsenterer signal- eller procesværdien på et givet tidspunkt t; S 0 er startværdien af signalet eller processen ved t =0; t betegner tid; T2*, også kendt som den tilsyneladende tværgående afslapningstid, karakteriserer signalets eller processens henfaldshastighed; og e er grundlaget for den naturlige logaritme (omtrent lig med 2, 71828). Ligningen beskriver et eksponentielt henfald, hvor signalet eller processen falder over tid som funktion af henfaldshastighedenT2*. Jo større værdien afT2* er, desto langsommere er henfaldshastigheden og omvendt. Den samme software kan også bruges til at indtaste multi-ekko spin ekko billeder og generere tumor T2 værdier ved at tilpasse T2 henfaldskurven til S (t) = So e-t / T2. Kurvetilpasningen blev udført ved hjælp af ekstern software uden at inkorporere en konstant forskydning. Begge henfaldskurver udviser en enkelt eksponentiel adfærd, hvor T2* viser en kortere varighed sammenlignet med T2.
Hos patienter med hæmosiderose og hæmokromatose er kvantificeringen af leverens jernindhold ved vævsbiopsi guldstandarden, mens ikke-invasiv MR-billeddannelse er plejepunktet for etablering af baselineværdier og overvågning af ændringer over tid noninvasivt12,13. Mens generering af T2 * kort til kvantificering af leverjern er veletableret4, er der ingen standardiseret protokol til måling af tumor T2 * afslapningstider. Mens T2*-kort også kan genereres af scannersoftware, er det begrænset til en bestemt scanner og leverandør. Inden for onkologi forekommer serielle billeddannelsesundersøgelser af en given patient ofte på forskellige scannere, og multicenter MR-data erhverves baseret på billeddannelsesundersøgelser fra forskellige scannere og forskellige leverandører. Derudover implementeres co-klinisk billeddannelsesforskning i stigende grad og kræver sammenligning af MR-data fra patienter og musemodeller, der simulerer deres tumor. Formålet med denne protokol er at tilvejebringe en protokol til måling af tumor T2* afslapningstider, der er uafhængige af scannersoftwaren. Dette vil muliggøre ensartet analyse af billeddata fra forskellige centre og forskellige scannere. Faktisk kunne tusindvis af brugere potentielt bruge den samme tilgang og derved øge standardiseringen og reproducerbarheden af tumor T2 * målinger. Vores protokol bruger ekstern software, som kan downloades fra internettet. Multi-ekko gradient ekko billeder indføres i softwaren og passer til en formel for monoeksponentielt henfald for at generere et T2 * kort, hvor tumor T2 * afslapningstider kan måles ved hjælp af operatørdefinerede interesseområder (ROI'er)5. Jernoxidnanopartikler kan infunderes i forskellige doser 14, I vores undersøgelse modtog patienten en Ferumoxytol-injektion (30 mg / ml) indeholdende 510 mg elementært jern i et volumen på17 ml i en dosis på 5 mg elementært jern pr. Kg legemsvægt. Derefter blev multi-ekkogradient ekkosekvenser opnået15 ved hjælp af indstillede sekvensparametre til dataindsamling.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Denne protokol er genereret til et prospektivt klinisk forsøg og co-klinisk forskning. Undersøgelsen var i overensstemmelse med Health Insurance Portability and Accountability Act (HIPAA) og godkendt af Stanford University institutional review board (IRB). Alle patienter eller deres juridisk bemyndigede repræsentant underskrev et skriftligt informeret samtykke, og alle børn mellem 7 og 18 år underskrev en samtykkeformular.
1. Installation og start af T2 Fit Map-pluginet
- Start Osirix-softwaren. Installer T2 Fit Map-pluginet fra plugin-manageren, og genstart softwaren.
- Klik på knappen Plugins på menulinjen. Klik på rullemenuen, og vælg Installer en plugin-pakke (figur 1).
- Når plugin-manageren er indlæst, skal du vælge de tilgængelige plugins i rullemenuen og derefter T2 Fit Map (figur 2).
- Klik på download og installer. Luk plugin-manageren, og genstart softwaren.
- Indlæs multi-ekko gradient ekko sekvens billeder som DICOM filer i softwaren.
- Skift museknapfunktionen for at tegne en interesseregion (ROI) (figur 3).
- Brug denne museknapfunktion til at definere en form for det krævede investeringsafkast: Vælg Oval eller Lukket polygon eller den ønskede form i rullemenuen (figur 4).
- Tegn ROI'er i de krævede billeder med forskellige ekkotider (TEs).
- Vælg ROI'erne i alle billeder med forskellige TE'er, hvor T2*-kortet er påkrævet.
- Klik på knappen Plugins , vælg Billedfiltre i rullemenuen, og vælg derefter T2 Fit Map.
- Klik på T2 Fit Map. En dialogboks åbnes; klik på Generer kort (som er placeret nederst i dialogboksen) (Figur 5).
BEMÆRK: Der genereres en tilpasningskurve med minimum-, middel- og maksimumværdier T2* for de valgte ROI'er med forskellige TEs (ms). Den gennemsnitlige T2*-værdi beregnes og vises under kurven (figur 6).
Figur 1: Valg af 'Installer en plugin-pakke' i rullemenuen. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Valg af 'T2 Fit Map' fra de tilgængelige plugins. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Skærmbillede, der viser, hvordan du ændrer museknapfunktionen for at tegne et interesseområde (ROI). Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Skærmbillede, der viser, hvordan du vælger forskellige figurer til investeringsafkastet. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 5: Skærmbillede, der viser, hvordan du vælger 'Generer kort' efter at have valgt 'T2 Fit Map'. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 6: Skærmbillede, der viser genereringen af en tilpasningskurve for T2*-værdier. Klik her for at se en større version af denne figur.
2. Udelukkelse af støj ved hjælp af definitionen af maske
BEMÆRK: For at definere en maske på det første ekko af de T2map_MSME data, der bruges til at beregne de parametriske kort, skal du indstille en lavere tærskel for første ekkosignal til beregning af T2*-værdien (T2*-kortvolumen udelukker nu pixels med signaler, der er for lave til nøjagtig beregning ved det første multi-spin multi-echo (MSME) ekko. Tærsklen kan hæves for at udelukke flere pixels eller sænkes for at inkludere flere pixels).
- For at definere maske-ROI på en billedserie uden for parametriske data skal du åbne den ønskede serie (f.eks. Første ekko af T2map_MSME med TE = 15) og vælge et udsnit.
- Nederst i rullemenuen ROI skal du vælge Udvid region....
- Vælg alternativknappen 3D-vækstområde... (Figur 7).
- I rullemenuen Algoritme skal du vælge Tærskel (nedre/øvre grænser).
- Indstil de nedre og øvre tærskler til henholdsvis 0 og X% af det kontralaterale lægmuskelsignal (f.eks. Indstil tærsklen til den værdi, der maskerer den mest speckle i tumorens ROI og efterlader den mest evaluerbare tumor T2 (*) s).
- Indstil ROI-navnet som ønsket.
- Klik på billedet for at placere et frø til ROI-dyrkning.
- Klik på knappen Beregn .
- I menuen ROI skal du vælge Gem alle investeringsafkast i denne serie... (Figur 8).
BEMÆRK: Nu er ROI, der definerer det område, der skal maskeres ud af parametriske kort, gemt og kan anvendes på parametriske data. - Åbn det parametriske datasæt i 4D-fremviseren.
- I menuen ROI skal du vælge Importer ROI(s)....
BEMÆRK: Maskens ROI er nu i den første parametriske serie. - Kontroller, at ROI'erne er i den første 3D-diskenhed og ikke 4D.
- Anvend maske for at kortlægge dataene. Det gør du ved at vælge Angiv pixelværdier til nederst i rullemenuen Investeringsafkast. Vælg derefter Anvend på: ROI'er med samme navn... (Figur 9).
- Marker afkrydsningsfeltet Formering til 4D-serien .
- Angiv pixels, der er inden for investeringsafkast.
- Indstil til denne nye værdi: som 0.
Figur 7: Skærmbillede, der viser segmenteringsparametrene. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 8: Skærmbillede, der viser, hvordan du vælger "Gem alle ROI'er i denne serie ...". Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 9: Skærmbillede, der viser de værdier, der skal indtastes i "Indstil pixelværdier til". Klik her for at se en større version af denne figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 10: T2*-kortet med en ROI overlejret på den metastatiske osteosarkomlæsion, som viser middel- og standardafvigelsen T2*-værdien. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 11: Tilpasningskurve for T2*-værdier for T2*-kortet hos en patient med metastatisk osteosarkom. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 12: T2*-kortet overlejret på et T1-vægtet billede hos denne patient med metastatisk osteosarkom. Klik her for at se en større version af denne figur.
MR-scanningen blev udført på en kommerciel scanner. En aksial skive gennem brystet blev afbildet ved hjælp af en multi-ekko enkelt åndedræt gradient ekko sekvens med et interval af TEs (1,22-9,98 ms). T2* blev målt ved hjælp af denne protokol fra ROI, der dækkede hele tumoren i alle skiver og undgik det omgivende væv. T2*-målingerne blev udført af to forskellige observatører. Gennemsnittet af målingerne fra alle skiverne blev beregnet for hver observatør. Tumor T2 * afslapningshastigheden blev målt ved at placere en ROI for at inkludere hele tumorvævet på en repræsentativ aksial skive gennem midten af tumorvævet (figur 10). Figur 11 viser en tilpasningskurve genereret med minimum-, middel- og maksimumværdier T2* for de valgte ROI'er med forskellige TEs (ms) for denne patient. Tumor T2* afslapningshastigheden for vores patientscanning var 6,8 ms. Til visuel repræsentation blev de farvekodede T2*-kort slået sammen med et kontrastforstærket T1-vægtet gradientekkobillede til anatomisk orientering (figur 12). Et positivt resultat for denne protokol vil repræsentere T2*-værdien i det specifikke væv (figur 10 og figur 11).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vores protokol giver os mulighed for at måle tumor T2 * afslapningstider baseret på multi-ekko gradient-ekko sekvenser, en ekstern software og et plugin til oprettelse af T2 * kort. De kritiske trin i protokollen er inkluderingen af multi-ekko gradient-ekko sekvens med meget korte TEs i scanningsprotokollen, og den monoeksponentielle tilpasning af multi-ekko gradient-ekko billeder ved hjælp af ekstern software. Det er vigtigt at arrangere input multi-ekko gradient-ekko billeder i henhold til deres erhvervelsestider. Dette kan opnås ved at sortere billeddataserierne efter anskaffelsestid i den eksterne software under rullemenuen Indstillinger: Database.
Den software, vi bruger, anvender en monoeksponentiel tilpasning til at indtaste et multi-ekko gradient-ekko uden konstant forskydning for T2 * tilpasning. Denne fremgangsmåde kan være utilstrækkelig for væv med et meget højt jernophobningsniveau (T2* < 2-3 ms), hvor MR-signalet på grund af den lave T2*-værdi når et "plateau" svarende til den korrigerede Rician MR-støj. Dette er normalt ikke tilfældet efter intravenøs injektion af jernoxid nanopartikler. Men hvis markeret nanopartikelakkumulering i tumorvævet skal observeres, kan brugen af en ren eksponentiel model føre til en vigtig diagnostisk fejl, som kan løses ved monoeksponentiel forskydningsmetode 5 eller R2 monoeksponentiel trunkeringsmetode5 for at få mere nøjagtige T2 * resultater. Afkortningsmetoden kan let anvendes ved at reducere antallet af DICOM-filer i tilpasningsprocessen. Vi foreslår også en ny tilgang i softwaren, som beskrevet i protokol 2; for tumorer med markant jernoxidnanopartikelakkumulering og signifikant forkortede T2*-værdier, der er tæt på nul, definerer vi en maske på parametriske størrelsesbilleder eller en anden serie for at indstille en lavere signaltærskel for T2*-værdianalysen. Dette reducerer fejlregistreringer og fejl i T2*-tilpasningsprocessen. Den relative og absolutte mængde pixels med næsten nul T2*-værdier kan også måles med denne fremgangsmåde. Denne tilgang er blevet testet på prækliniske data med potentiel oversættelse til kliniske patienter.
Vores protokol tilbyder vidtrækkende anvendelighed, da den ikke kræver kendskab til programmeringssprog, i modsætning til den lineære mindste kvadraters metode, der kræver brug af 3D Slicer16,17. Antallet af tilgængelige funktioner til T2*- og T2-kortlægning i den gratis version af softwaren er dog begrænset sammenlignet med den betalte version. En anden begrænsning ved at bruge denne software er dens pålidelighed af MacOS-systemet. Et praktisk problem kan være fraværet af at oprette et T2 * -kort med softwaren. Som fejlfinding, hvis der ikke er nogen T2*-kortgenerering, anbefales det at bruge ROI-værktøjet til at kontrollere TEs. Hvis ekkofarvegradientens ekkobilleder ikke er arrangeret i rækkefølgen af deres TEs, vil der opstå en fejl i genereringen af T2*-kort. Derfor anbefales det stærkt at arrangere ekkogradientekkobillederne i henhold til deres TEs og fejlfinde processen.
En fordel ved denne protokol sammenlignet med anden eksisterende software16,18,19 er den relative brugervenlighed på grund af manglen på krav om programmeringskendskab. Denne protokol giver også mulighed for kvalitetssikrings- og kvalitetsforbedringsprojekter, da den giver mulighed for hurtig vurdering af flere målinger, hvilket igen giver mulighed for reproducerbarheds- og repeterbarhedsmålinger.
Yderligere validering og standardisering af vores protokol vil muliggøre udbredt anvendelse til tumor T2* målinger af data fra forskellige scannere, forskellige producenter og forskellige institutioner. Dette vil lette longitudinelle evalueringer af patienter, der gennemgår T2*-målinger på forskellige steder. Derudover vil en standardiseret protokol hjælpe med at analysere tumor T2 * målinger til kliniske forsøg med flere centre. En anden potentiel klinisk anvendelse af denne protokol er skildringen af hæmosiderin i tumorvæv20. Andre mulige kliniske anvendelser omfatter evaluering af tumorpatienter med immunmålrettet terapi med høje niveauer af tumorassocierede makrofager, overvågning af tumorresponset på disse behandlinger hos disse personer 21,22 og afbildning af forbedring af leverlæsioner ved anvendelse af det superparamagnetiske jernoxidkontrastmiddel 23,24 og ferucarbotran 25,26.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde blev delvist støttet af et tilskud fra National Cancer Institute, bevillingsnummer U24CA264298. Vi takker Dawn Holley, Kim Halbert og Mehdi Khalighi fra PET/MRI Metabolic Service Center for deres hjælp med anskaffelsen af PET/MR-scanninger på Lucas Research Center på Stanford. Vi takker medlemmerne af Daldrup-Link laboratoriet for værdifulde input og diskussioner om dette projekt.
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 |
References
- Garbowski, M. W., et al. Biopsy-based calibration of T2* magnetic resonance for estimation of liver iron concentration and comparison with R2 Ferriscan. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 16 (1), 40 (2014).
- OsiriXDICOM Viewer. , Available from: https://www.osirix-viewer.com/ (2023).
- Linfante, I., Llinas, R. H., Caplan, L. R., Warach, S. MRI features of intracerebral hemorrhage within 2 hours from symptom onset. Stroke. 30 (11), 2263-2267 (1999).
- Labranche, R., et al. Liver iron quantification with MR imaging: a primer for radiologists. Radiographics. 38 (2), 392-412 (2018).
- Triadyaksa, P., Oudkerk, M., Sijens, P. E. Cardiac T2* mapping: Techniques and clinical applications. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 52 (5), 1340-1351 (2020).
- Anderson, L. J., et al. Cardiovascular T2-star (T2*) magnetic resonance for the early diagnosis of myocardial iron overload. European Heart Journal. 22 (23), 2171-2179 (2001).
- Seo, M., et al. Estimation of T2* relaxation time of breast cancer: correlation with clinical, imaging and pathological features. Korean Journal of Radiology. 18 (1), 238-248 (2017).
- Serkova, N. J. Nanoparticle-based magnetic resonance imaging on tumor-associated macrophages and inflammation. Frontiers in Immunology. 8, 590 (2017).
- Chen, X., Qiu, B. A pilot study of short T2* measurements with ultrashort echo time imaging at 0.35 T. BioMedical Engineering OnLine. 17 (1), 70 (2018).
- Yi, J., Lee, Y. H., Song, H. -T., Suh, J. -S. Comparison of T2* between regular echo time and ultrashort echo time with 3D cones at 3 tesla for knee meniscus. Medicine. 97 (48), e13443 (2018).
- Weishaupt, D., et al. How Does MRI Work?: An Introduction to the Physics and Function of Magnetic Resonance Imaging. , Springer. Berlin, Heidelberg. (2006).
- Wood, J. C. Guidelines for quantifying iron overload. Hematology. American Society of Hematology. 2014 (1), 210-215 (2014).
- Branisso, P. P. F., et al. Non-invasive methods for iron overload evaluation in dysmetabolic patients. Annals of Hepatology. 27 (4), 100707 (2022).
- Schaefer, B., Meindl, E., Wagner, S., Tilg, H., Zoller, H.
- Haacke, E. M., Mittal, S., Wu, Z., Neelavalli, J., Cheng, Y. -C. N. Susceptibility-weighted imaging: technical aspects and clinical applications, part 1. AJNR: American Journal of Neuroradiology. 30 (1), 19-30 (2009).
- T2 Mapping Slicer Extension. , Available from: https://github.com/gattia/Slicer-T2mapping (2021).
- 3D Slicer image computing platform. 3D Slicer. , Available from: https://slicer.org/ (2023).
- Messroghli, D. R., et al. An open-source software tool for the generation of relaxation time maps in magnetic resonance imaging. BMC Medical Imaging. 10, 16 (2010).
- GNU Octave. , Available from: https://octave.org/ (2023).
- Chavhan, G. B., Babyn, P., Thomas, B., Shroff, M., Haacke, E. M. Principles, techniques, and applications of T2*-based MR imaging and its special applications. Radiographics. 29 (5), 1433-1449 (2009).
- Aghighi, M., et al. Magnetic resonance imaging of tumor associated macrophages: clinical translation. Clinical Cancer Research. 24 (17), 4110-4118 (2018).
- Trujillo-Alonso, V., et al. FDA-approved ferumoxytol displays anti-leukaemia efficacy against cells with low ferroportin levels. Nature Nanotechnology. 14 (6), 616-622 (2019).
- Ishiyama, K., et al. Tumor-liver contrast and subjective tumor conspicuity of respiratory-triggered T2-weighted fast spin-echo sequence compared with T2*-weighted gradient recalled-echo sequence for ferucarbotran-enhanced magnetic resonance imaging of hepatic malignant tumors. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 27 (6), 1322-1326 (2008).
- Hirokawa, Y., et al. Hepatic lesions: improved image quality and detection with the periodically rotated overlapping parallel lines with enhanced reconstruction technique-evaluation of SPIO-enhanced T2-weighted MR images. Radiology. 251 (2), 388-397 (2009).
- Tonan, T., et al. Evaluation of small (≤2cm) dysplastic nodules and well-differentiated hepatocellular carcinomas with ferucarbotran-enhanced MRI in a 1.0-T MRI unit: Utility of T2*-weighted gradient echo sequences with an intermediate-echo time. European Journal of Radiology. 64 (1), 133-139 (2007).
- Rief, M., et al. Detection of focal liver lesions in unenhanced and ferucarbotran-enhanced magnetic resonance imaging: a comparison of T2-weighted breath-hold and respiratory-triggered sequences. Magnetic Resonance Imaging. 27 (9), 1223-1229 (2009).
