Summary
Vi presenterer en standardisert protokoll for kvantifisering av T2* avslapningstider for svulster ved hjelp av ekstern programvare. Multi-ekko gradient ekkobilder er anskaffet og matet inn i programvaren for å lage tumor T2 * kart og måle tumor T2 * avslapningstider.
Abstract
T2* relaksometri er en av de etablerte metodene for å måle effekten av superparamagnetiske jernoksid nanopartikler på tumorvev med magnetisk resonansavbildning (MR). Jernoksid nanopartikler forkorter T1, T2 og T2 * avslapningstider for svulster. Mens T1-effekten er variabel basert på størrelsen og sammensetningen av nanopartiklene, er T2- og T2*-effektene vanligvis dominerende, og T2*-målingene er de mest tidseffektive i klinisk sammenheng. Her presenterer vi vår tilnærming til måling av tumor T2* avslapningstider, ved hjelp av ekkosekvenser med flere ekkogradienter, ekstern programvare og en standardisert protokoll for å lage et T2*-kart med skanneruavhengig programvare. Dette letter sammenligningen av bildedata fra forskjellige kliniske skannere, forskjellige leverandører og koklinisk forskningsarbeid (dvs. tumor T2 * -data oppnådd i musemodeller og pasienter). Når programvaren er installert, må T2 Fit Map-plugin installeres fra plugin-behandleren. Denne protokollen gir trinnvise prosedyredetaljer, fra import av ekkogradientsekvenser i programvaren, til å lage fargekodede T2*-kart og måling av avslapningstider for tumor T2*. Protokollen kan brukes på solide svulster i alle kroppsdeler og har blitt validert basert på prekliniske bildedata og kliniske data hos pasienter. Dette kan lette tumor T2 * -målinger for kliniske multisenterstudier og forbedre standardiseringen og reproduserbarheten av tumor T2 * -målinger i kokliniske og multisenterdataanalyser.
Introduction
Ikke-invasiv kvantifisering av tumor T2* relaksasjonstider i ulike vev i kroppen med magnetisk resonanstomografi (MR) er allment etablert1. Begrunnelsen for denne artikkelen er å gi en protokoll for måling av tumor T2 * avslapningstider som er uavhengig av skannerprogramvare som Osirix2. Dette vil tillate ensartede analyser av bildedata fra forskjellige sentre, forskjellige skannere og forskjellige leverandører. Faktisk kan tusenvis av brukere potensielt bruke samme tilnærming, og dermed øke standardiseringen av tumor T2 * målinger. T2*-målinger brukes til forskjellige formål av blant annet nevroradiologer, hjertebildeeksperter og abdominale bildebehandlingseksperter. MR-pulssekvenser for målinger av vev T2* relaksasjonstider er anvendt og optimalisert for vurdering av blant annet intrakranielle blødninger3, leverjerninnhold1,4 og hjertejerninnhold 5,6. Andre forskere har brukt T2 * målinger for å generere kvantitative estimater av jernoksid nanopartikkelakkumuleringer i ondartede svulster 7,8. Imidlertid benyttet mange av disse tidligere tilnærmingene institusjonell programvare eller spesifikk skannerprogramvare, som ville være begrenset til bruk ved en bestemt institusjon eller for behandling av data oppnådd på en bestemt skanner. Her beskriver vi en universelt anvendelig tilnærming for generering av tumor T2*-kart og tumor T2*-avslapningstider basert på prekliniske eller kliniske MR-data fra en hvilken som helst skanner som kan generere ekkobilder av flere ekkogradienter. Den nødvendige gradientekkosekvensen skal ha svært korte første ekkotider og nær ekkoavstand 9,10. Multi-ekko-gradient-ekkobildene mates deretter inn i den eksterne programvaren, tumor T2*-kart beregnes og tumor T2* avslapningstider måles. T2 Fit Map-plugin i de eksterne modellenes T2*-henfallskurver som en monoeksponentiell tilpasning til S(t) = Soe-t/T2* 11 der S(t) representerer signal- eller prosessverdien på et gitt tidspunkt t; S 0 er startverdien av signalet eller prosessen ved t =0; t betegner tid; T2 *, også kjent som den tilsynelatende tverrgående avslapningstiden, karakteriserer forfallshastigheten til signalet eller prosessen; og e er grunnlaget for den naturlige logaritmen (omtrent lik 2, 71828). Ligningen beskriver et eksponentielt henfall, hvor signalet eller prosessen avtar over tid som en funksjon av forfallshastigheten T2 *. Jo større verdien av T2 *, jo langsommere forfallshastighet, og omvendt. Den samme programvaren kan også brukes til å legge inn multi-ekko-spinnekkobilder og generere tumor T2-verdier ved å tilpasse T2-henfallskurven til S (t) = So e-t / T2. Kurvetilpasningen ble utført ved hjelp av ekstern programvare, uten å innlemme en konstant forskyvning. Begge henfallskurvene viser enkel eksponentiell oppførsel, med T2* som viser kortere varighet sammenlignet med T2.
Hos pasienter med hemosiderose og hemokromatose er kvantifisering av jerninnhold i leveren ved vevsbiopsi gullstandarden, mens ikke-invasiv MR-avbildning er omsorgspunktet for å etablere baselineverdier og overvåke endringer over tid ikke-invasivt12,13. Mens generering av T2 * kart for leverjernkvantifisering er veletablert4, er det ingen standardisert protokoll for å måle tumor T2 * avslapningstider. Selv om T2*-kart også kan genereres av skannerprogramvare, er det begrenset til en spesifikk skanner og leverandør. Innen onkologi forekommer serielle bildestudier av en gitt pasient ofte på forskjellige skannere, og multisenter MR-data er anskaffet basert på bildestudier fra forskjellige skannere og forskjellige leverandører. I tillegg blir koklinisk bildebehandling i økende grad implementert og krever sammenligning av MR-data fra pasienter og musemodeller som simulerer deres svulst. Formålet med denne protokollen er å gi en protokoll for måling av tumor T2* avslapningstider som er uavhengige av skannerprogramvaren. Dette vil tillate jevn analyse av bildedata fra forskjellige sentre og forskjellige skannere. Faktisk kan tusenvis av brukere potensielt bruke samme tilnærming, og dermed øke standardiseringen og reproduserbarheten av tumor T2 * -målinger. Vår protokoll benytter ekstern programvare, som kan lastes ned fra internett. Multi-ekko gradient ekkobilder mates inn i programvaren og passer til en formel for monoeksponentielt henfall for å generere et T2 * -kart, hvor tumor T2 * relaksasjonstider kan måles ved hjelp av operatørdefinerte interesseområder (ROI)5. Jernoksid nanopartikler kan infunderes i forskjellige doser 14, I vår studie fikk pasienten Ferumoxytol injeksjon (30 mg/ml) inneholdende 510 mg elementært jern i et17 ml volum, i en dose på 5 mg elementært jern per kg kroppsvekt. Deretter ble multi-ekkogradientsekvenser oppnådd15 ved bruk av angitte sekvensparametere for datainnsamling.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Denne protokollen er generert for en prospektiv klinisk studie og co-klinisk forskning. Studien var i samsvar med Health Insurance Portability and Accountability Act (HIPAA) og godkjent av Stanford University institutional review board (IRB). Alle pasienter eller deres lovlig autoriserte representant signerte et skriftlig informert samtykke, og alle barn mellom 7 og 18 år signerte et samtykkeskjema.
1. Installere og starte plugin-modulen T2 Fit Map
- Start Osirix-programvaren. Installer T2 Fit Map-plugin fra plugin-behandleren og start programvaren på nytt.
- På menylinjen klikker du på Plugins-knappen. Klikk på rullegardinmenyen og velg Installer en plugin-pakke (figur 1).
- Når plugin-modulen er lastet inn, velger du de tilgjengelige pluginmodulene fra rullegardinmenyen og deretter T2 Fit Map (figur 2).
- Klikk på Last ned & installer. Lukk pluginbehandleren og start programvaren på nytt.
- Last inn ekkosekvensbildene med flere ekkogradienter som DICOM-filer i programvaren.
- Endre museknappfunksjonen for å tegne et interesseområde (ROI) (figur 3).
- Bruk denne museknappfunksjonen til å definere en form for ønsket avkastning: velg Oval eller Lukket polygon, eller ønsket form fra rullegardinmenyen (figur 4).
- Tegn avkastning på investeringen i de nødvendige bildene med forskjellige ekkotider (TEer).
- Velg avkastningen på investeringen i alle bildene med forskjellige TEer som T2*-kartet kreves for.
- Klikk på Plugins-knappen , velg Bildefiltre fra rullegardinmenyen, og velg deretter T2 Fit Map.
- Klikk på T2 Fit Map. En dialogboks åpnes; klikk på Generer kart (som ligger nederst i dialogboksen) (figur 5).
MERK: En tilpasningskurve genereres med minimums-, gjennomsnitts- og maksimumsverdier for T2* for de valgte avkastningsverdiene med ulike TEs (ms). Den gjennomsnittlige T2*-verdien beregnes og vises under kurven (figur 6).
Figur 1: Velge "Installer en plugin-pakke" fra rullegardinmenyen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Velge 'T2 Fit Map' fra de tilgjengelige pluginene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Skjermbilde som viser hvordan du endrer museknappfunksjonen for å tegne et interesseområde (ROI). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Skjermbilde som viser hvordan du velger forskjellige figurer for avkastningen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Skjermbilde som viser hvordan du velger 'Generer kart' etter å ha valgt 'T2 Fit Map'. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6: Skjermbilde som viser genereringen av en tilpasningskurve for T2*-verdier. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
2. Utelukkelse av støy ved bruk av definisjonen av maske
MERK: Hvis du vil definere en maske på det første ekkoet av de T2map_MSME dataene som brukes til å beregne de parametriske kartene, angir du en lavere terskel for det første ekkosignalet for beregning av T2*-verdi (T2*-kartvolumet ekskluderer nå pikslene med signaler som er for lave for nøyaktig beregning ved det første MSME-ekkoet (multi-spin multi-echo). Terskelen kan økes for å utelate flere piksler, eller reduseres for å inkludere flere piksler).
- Hvis du vil definere maskeavkastningen for en bildeserie utenfor de parametriske dataene, åpner du ønsket serie (f.eks. første ekko av T2map_MSME med TE = 15) og velger et stykke.
- Nederst på ROI-rullegardinmenyen velger du Grow Region ....
- Velg alternativknappen 3D-voksende region... (figur 7).
- I rullegardinmenyen Algoritme velger du Terskel (nedre/øvre grenser).
- Sett nedre og øvre terskel til henholdsvis 0 og X% av det kontralaterale leggmuskelsignalet (sett f.eks. terskelen til verdien som vil maskere ut mest flekk i tumoravkastningen og vil etterlate den mest evaluerbare svulsten T2 (*) s).
- Angi ROI-navnet som ønsket.
- Klikk på bildet for å plassere et frø for å vokse avkastning.
- Klikk på Beregn-knappen .
- I ROI-menyen velger du Lagre all avkastning på investeringen for denne serien... (figur 8).
MERK: Nå er avkastningen som definerer området som skal maskeres ut av de parametriske kartene, lagret og kan brukes på de parametriske dataene. - Åpne det parametriske datasettet i 4D-visningen.
- I ROI-menyen velger du Importer avkastning(er)....
MERK: Maskeavkastningen er nå i den første parametriske serien. - Kontroller at avkastningen er i det første 3D-volumet og ikke 4D.
- Bruk maske for å tilordne dataene. Dette gjør du ved å velge Angi pikselverdier til nederst i rullegardinmenyen ROI. Velg deretter Bruk på: ROI med samme navn... (figur 9).
- Merk av for Overfør til 4D-serien .
- Angi piksler som er innenfor avkastning.
- Sett til denne nye verdien: som 0.
Figur 7: Skjermbilde som viser segmenteringsparametrene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 8: Skjermbilde som viser hvordan du velger "Lagre all avkastning på denne serien ...". Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 9: Skjermbilde som viser verdiene som skal skrives inn i «Angi pikselverdier til». Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 10: T2*-kartet med en ROI lagt på metastatisk osteosarkomlesjon som viser gjennomsnitts- og standardavvik T2*-verdien. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 11: Monteringskurve for T2*-verdier for T2*-kartet hos en pasient med metastatisk osteosarkom. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 12: T2*-kartet kledt på et T1-vektet bilde hos denne pasienten med metastatisk osteosarkom. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
MR-undersøkelsen ble utført på en kommersiell skanner. En aksial skive gjennom brystet ble avbildet ved hjelp av en multi-ekko enkelt pust-hold gradient ekkosekvens med en rekke TEs (1,22-9,98 ms). T2* ble målt ved hjelp av denne protokollen fra ROI som dekker hele svulsten i alle skiver, og unngår det omkringliggende vevet. T2*-målingene ble utført av to forskjellige observatører. Gjennomsnittet av målingene fra alle skivene ble beregnet for hver observatør. Tumor T2* relaksasjonsrate ble målt ved å plassere en ROI for å inkludere hele tumorvevet på en representativ aksial skive gjennom midten av tumorvevet (figur 10). Figur 11 viser en tilpasningskurve generert med minimums-, gjennomsnitts- og maksimumsverdier for T2* for de valgte ROIene med ulike TEs (ms) for denne pasienten. Tumor T2* relaksasjonsfrekvens for vår pasientundersøkelse var 6,8 ms. For visuell fremstilling ble de fargekodede T2*-kartene slått sammen med et kontrastforsterket T1-vektet gradientekkobilde for anatomisk orientering (figur 12). Et positivt resultat for denne protokollen vil representere T2*-verdien i det spesifikke vevet (figur 10 og figur 11).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vår protokoll lar oss måle tumor T2* avslapningstider basert på multi-ekko gradient-ekkosekvenser, en ekstern programvare og en plugin for å lage T2* kart. De kritiske trinnene i protokollen er inkluderingen av multi-ekkogradient-ekkosekvensen med svært korte TEs i skanneprotokollen, og den monoeksponentielle tilpasningen til multi-ekkogradient-ekkobildene ved hjelp av ekstern programvare. Det er viktig å ordne inngangen multi-ekko gradient-ekko bilder i henhold til deres oppkjøpstider. Dette kan oppnås ved å sortere bildedataserien etter anskaffelsestid i den eksterne programvaren under rullegardinmenyen Innstillinger: Database.
Programvaren vi bruker bruker en monoeksponentiell tilpasning for å legge inn et multi-ekko gradient-ekko uten konstant forskyvning for T2 * tilpasning. Denne tilnærmingen kan være utilstrekkelig for vev med svært høyt jernoverskuddsnivå (T2* < 2-3 ms), der MR-signalet på grunn av den lave T2*-verdien når et "platå" som tilsvarer den utbedrede riciske MR-støyen. Dette er vanligvis ikke tilfelle etter intravenøs injeksjon av jernoksid nanopartikler. Imidlertid, hvis merket nanopartikkelakkumulering i tumorvevet skal observeres, kan bruken av en ren eksponentiell modell føre til en viktig diagnostisk feil, som kan løses ved monoeksponentiell offsetmetode 5 eller R2 monoeksponentiell trunkeringsmetode5 for å få mer nøyaktige T2 * resultater. Trunkeringsmetoden kan enkelt brukes ved å redusere antall DICOM-filer i tilpasningsprosessen. Vi foreslår også en ny tilnærming i programvaren, som beskrevet i protokoll 2; for svulster med markert jernoksid nanopartikkelakkumulering og signifikant forkortede T2 * -verdier som er nær null, definerer vi en maske på de parametriske størrelsesbildene eller en annen serie for å sette en lavere signalgrense for T2 * -verdianalysen. Dette reduserer feilregistreringer og feil i T2*-tilpasningsprosessen. Den relative og absolutte mengden piksler med nær null T2*-verdier kan også måles med denne tilnærmingen. Denne tilnærmingen er testet på prekliniske data med potensiell oversettelse til kliniske pasienter.
Protokollen vår tilbyr omfattende anvendelighet siden den ikke krever kunnskap om programmeringsspråk, i motsetning til den lineære minste kvadraters metoden som krever bruk av 3D Slicer16,17. Imidlertid er antall tilgjengelige funksjoner for T2 * og T2-kartlegging i gratisversjonen av programvaren begrenset sammenlignet med den betalte versjonen. En annen begrensning ved bruk av denne programvaren er dens pålitelighet på MacOS-systemet. Et praktisk problem kan være fraværet av å lage et T2*-kart med programvaren. Hvis det ikke genereres T2*-kart som feilsøking, anbefales det å bruke ROI-verktøyet til å kontrollere TEene. Hvis ekkogradientbildene ikke er ordnet i rekkefølgen til TEs, vil det være en feil i genereringen av T2*-kart. Derfor anbefales det sterkt å ordne ekkobilder med flere ekkograderinger i henhold til deres TEs og feilsøke prosessen.
En fordel med denne protokollen sammenlignet med annen eksisterende programvare16,18,19 er den relative brukervennligheten på grunn av mangel på krav til programmeringskunnskap. Denne protokollen tillater også kvalitetssikrings- og kvalitetsforbedringsprosjekter, da den muliggjør rask vurdering av flere målinger, noe som igjen muliggjør reproduserbarhets- og repeterbarhetsmålinger.
Videre validering og standardisering av protokollen vår vil muliggjøre utbredt bruk for tumor T2 * målinger av data fra forskjellige skannere, forskjellige produsenter og forskjellige institusjoner. Dette vil lette longitudinelle evalueringer av pasienter som gjennomgår T2*-målinger på forskjellige steder. I tillegg vil en standardisert protokoll bidra til å analysere tumor T2 * målinger for multisenter kliniske studier. En annen potensiell klinisk anvendelse av denne protokollen er skildringen av hemosiderin i tumorvev20. Andre mulige kliniske anvendelser inkluderer evaluering av tumorpasienter med immunmålrettet terapi med høye nivåer av tumorassosierte makrofager, overvåking av tumorresponsen på disse behandlingene hos disse individene 21,22, og skildring av forbedring av leverlesjoner ved bruk av superparamagnetisk jernoksidkontrastmiddel 23,24 og ferucarbotran 25,26.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble delvis støttet av et tilskudd fra National Cancer Institute, tilskuddsnummer U24CA264298. Vi takker Dawn Holley, Kim Halbert og Mehdi Khalighi fra PET / MRI Metabolic Service Center for deres hjelp med oppkjøpet av PET / MR-skanninger ved Lucas Research Center ved Stanford. Vi takker medlemmene av Daldrup-Link-laben for verdifulle innspill og diskusjoner rundt dette prosjektet.
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).
