Summary
Vi presenterar ett standardiserat protokoll för kvantifiering av T2* relaxationstider för tumörer med hjälp av extern programvara. Multi-echo gradient eko bilder förvärvas och matas in i programvaran för att skapa tumör T2 * kartor och mäta tumör T2 * avkopplingstider.
Abstract
T2* relaxometri är en av de etablerade metoderna för att mäta effekten av superparamagnetiska järnoxidnanopartiklar på tumörvävnader med magnetisk resonanstomografi (MRT). Järnoxidnanopartiklar förkortar T1-, T2- och T2*-avslappningstiderna för tumörer. Medan T1-effekten varierar baserat på nanopartiklarnas storlek och sammansättning, är T2- och T2*-effekterna vanligtvis dominerande, och T2*-mätningar är de mest tidseffektiva i kliniska sammanhang. Här presenterar vi vårt tillvägagångssätt för att mäta tumör T2 * avkopplingstider, med hjälp av multi-echo gradient ekosekvenser, extern programvara och ett standardiserat protokoll för att skapa en T2 * karta med skanneroberoende programvara. Detta underlättar jämförelsen av bilddata från olika kliniska skannrar, olika leverantörer och samkliniskt forskningsarbete (dvs. tumör T2 * data som erhållits i musmodeller och patienter). När programvaran är installerad måste T2 Fit Map-plugin installeras från plugin-hanteraren. Detta protokoll ger steg-för-steg-procedurdetaljer, från att importera ekosekvenserna med flera ekogradienter till programvaran, till att skapa färgkodade T2 * -kartor och mäta tumör T2 * avkopplingstider. Protokollet kan appliceras på solida tumörer i vilken kroppsdel som helst och har validerats baserat på prekliniska bilddata och kliniska data från patienter. Detta kan underlätta tumör T2 * mätningar för multicenter kliniska prövningar och förbättra standardisering och reproducerbarhet av tumör T2 * mätningar i co-kliniska och multicenter dataanalyser.
Introduction
Icke-invasiv kvantifiering av tumör T2 * avkopplingstider i olika vävnader i kroppen med magnetisk resonanstomografi (MRT) är allmänt etablerad1. Motiveringen för denna artikel är att tillhandahålla ett protokoll för mätning av tumör T2 * avkopplingstider som är oberoende av skannerprogramvara som Osirix2. Detta möjliggör enhetliga analyser av bilddata från olika centra, olika skannrar och olika leverantörer. Faktum är att tusentals användare potentiellt kan använda samma tillvägagångssätt och därmed öka standardiseringen av tumör T2 * mätningar. T2*-mätningar används för olika ändamål av bland annat neuroradiologer, hjärtavbildningsexperter och experter på bukavbildning. MR-pulssekvenser för mätningar av vävnad T2* relaxeringstider har tillämpats och optimerats för bedömning av intrakraniella blödningar3, leverjärnhalt1,4 och hjärtjärnhalt 5,6, bland andra. Andra forskare har använt T2 * mätningar för att generera kvantitativa uppskattningar av järnoxidnanopartikelansamlingar i maligna tumörer 7,8. Många av dessa tidigare metoder använde dock institutionell programvara eller specifik skannerprogramvara, som skulle vara begränsad till användning vid en specifik institution eller för behandling av data som erhållits på en specifik skanner. Här beskriver vi ett universellt tillämpligt tillvägagångssätt för att generera tumör T2 * kartor och tumör T2 * avkopplingstider baserat på prekliniska eller kliniska MR-data från vilken skanner som helst som kan generera ekobilder med flera ekogradienter. Den erforderliga gradientekosekvensen bör ha mycket korta första ekotider och nära inter-echo-avstånd 9,10. Multi-echo gradient echo-bilderna matas sedan in i den externa programvaran, tumör T2 * kartor beräknas och tumör T2 * avkopplingstider mäts. T2 Fit Map-plugin i de externa modellernas T2*-sönderfallskurvor som en monoexponentiell anpassning till S(t) = Soe-t/T2* 11 där S(t) representerar signal- eller processvärdet vid en given tidpunkt t; S 0 är initialvärdet för signalen eller processen vid t =0; t betecknar tid; T2 *, även känd som den uppenbara tvärgående avkopplingstiden, kännetecknar signalens eller processens sönderfallshastighet; och e är basen för den naturliga logaritmen (ungefär lika med 2,71828). Ekvationen beskriver ett exponentiellt sönderfall, där signalen eller processen minskar över tiden som en funktion av sönderfallshastigheten T2*. Ju större värde T2* har, desto långsammare sönderfallshastighet och vice versa. Samma programvara kan också användas för att mata in ekobilder med flera ekospinn och generera tumör T2-värden genom att anpassa T2-sönderfallskurvan till S (t) = So e-t / T2. Kurvanpassningen utfördes med hjälp av extern programvara, utan att införliva en konstant förskjutning. Båda sönderfallskurvorna uppvisar ett enda exponentiellt beteende, där T2* visar en kortare varaktighet jämfört med T2.
Hos patienter med hemosideros och hemokromatos är kvantifieringen av leverjärnhalten genom vävnadsbiopsi guldstandarden, medan icke-invasiv MR-avbildning är vårdpunkten för att fastställa baslinjevärden och övervaka förändringar över tid icke-invasivt12,13. Medan generering av T2 * -kartor för leverjärnkvantifiering är väl etablerad4, finns det inget standardiserat protokoll för att mäta tumör T2 * avkopplingstider. T2*-kartor kan också genereras av skannerprogramvara, men de är begränsade till en specifik skanner och leverantör. Inom onkologi förekommer seriella avbildningsstudier av en viss patient ofta på olika skannrar, och multicenter MR-data förvärvas baserat på avbildningsstudier från olika skannrar och olika leverantörer. Dessutom genomförs samklinisk bildforskning alltmer och kräver jämförelse av MR-data från patienter och musmodeller som simulerar deras tumör. Syftet med detta protokoll är att tillhandahålla ett protokoll för mätning av tumör T2* avkopplingstider som är oberoende av skannerprogramvaran. Detta möjliggör enhetlig analys av bilddata från olika centra och olika skannrar. Faktum är att tusentals användare potentiellt kan använda samma tillvägagångssätt och därigenom öka standardiseringen och reproducerbarheten av tumör T2 * mätningar. Vårt protokoll använder extern programvara som kan laddas ner från internet. Ekobilder med flera ekogradienter matas in i programvaran och anpassas till en formel för monoexponentiellt sönderfall för att generera en T2*-karta, på vilken tumörens T2*-relaxeringstider kan mätas med hjälp av operatörsdefinierade intresseområden (ROI)5. Järnoxidnanopartiklar kan infunderas vid olika doser 14, I vår studie fick patienten en Ferumoxytol-injektion (30 mg / ml) innehållande 510 mg elementärt järn i en volym på17 ml, i en dos av 5 mg elementärt järn per kg kroppsvikt. Därefter erhölls ekosekvenser med flera ekogradienter15 med hjälp av inställda sekvensparametrar för datainsamling.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Detta protokoll har genererats för en prospektiv klinisk prövning och samklinisk forskning. Studien överensstämde med Health Insurance Portability and Accountability Act (HIPAA) och godkändes av Stanford University institutional review board (IRB). Alla patienter eller deras lagligt behöriga företrädare undertecknade ett skriftligt informerat samtycke, och alla barn mellan 7 och 18 år undertecknade ett samtyckesformulär.
1. Installera och starta plugin-programmet T2 Fit Map
- Starta Osirix-programvaran. Installera T2 Fit Map-plugin från plugin-hanteraren och starta om programvaran.
- I menyraden klickar du på knappen Plugins. Klicka på rullgardinsmenyn och välj Installera ett plugin-paket (bild 1).
- När plugin-hanteraren har laddats väljer du tillgängliga plugins i rullgardinsmenyn och sedan T2 Fit Map (figur 2).
- Klicka på ladda ner och installera. Stäng plugin-hanteraren och starta om programvaran.
- Läs in ekosekvensbilderna med flera ekogradienter när DICOM-filer matas in i programvaran.
- Ändra musknappsfunktionen för att rita en intresseregion (ROI) (bild 3).
- Använd den här musknappsfunktionen och definiera en form för önskad avkastning: välj Oval eller Stängd polygon eller önskad form i rullgardinsmenyn (bild 4).
- Rita ROI i de önskade bilderna med olika ekotider (TEs).
- Välj ROI i alla bilder med olika TEs för vilka T2*-kartan krävs.
- Klicka på knappen Plugin-program , välj Bildfilter i listrutan och välj sedan T2 Fit Map.
- Klicka på T2 Fit Map. En dialogruta öppnas. klicka på Generera karta (som finns längst ner i dialogrutan) (bild 5).
En anpassningskurva genereras med minsta, genomsnittliga och högsta T2*-värden för de valda avkastningarna med olika TEs (ms). Medelvärdet för T2* beräknas och visas under kurvan (figur 6).
Bild 1: Välja "Installera ett plugin-paket" i rullgardinsmenyn. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Välja 'T2 Fit Map' från tillgängliga plugins. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Bild 3: Skärmbild som visar hur du ändrar musknappsfunktionen för att rita en region av intresse (ROI). Klicka här för att se en större version av denna figur.
Bild 4: Skärmbild som visar hur du väljer olika former för avkastningen på investeringen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5: Skärmbild som visar hur du väljer "Generera karta" efter att ha valt "T2 Fit Map". Klicka här för att se en större version av denna figur.
Bild 6: Skärmbild som visar genereringen av en anpassningskurva för T2*-värden. Klicka här för att se en större version av denna figur.
2. Uteslutning av buller med definitionen av mask
OBS: För att definiera en mask på det första ekot av de T2map_MSME data som används för att beräkna parametriska kartor, ställ in en lägre tröskel för första ekosignal för T2*-värdeberäkning (T2*-kartvolymen utesluter nu pixlarna med signaler som är för låga för korrekt beräkning vid det första multi-spin multi-echo-ekot (MSME). Tröskelvärdet kan ökas för att utesluta fler pixlar eller minskas för att inkludera fler pixlar).
- För att definiera maskens ROI på en bildserie utanför parametriska data, öppna önskad serie (t.ex. första ekot av T2map_MSME med TE = 15) och välj ett segment.
- Längst ned i rullgardinsmenyn ROI väljer du Utöka region....
- Välj alternativknappen 3D-växande region... (bild 7).
- I listrutan Algoritm väljer du Tröskelvärde (nedre/övre gränser).
- Ställ in de nedre och övre tröskelvärdena till 0 respektive X% av den kontralaterala kalvmuskelsignalen (ställ t.ex. tröskeln till det värde som maskerar ut mest fläck i tumörens ROI och lämnar den mest utvärderbara tumören T2 (*) s).
- Ange ROI-namnet efter behov.
- Klicka på bilden för att placera ett frö för ROI-odling.
- Klicka på knappen Beräkna.
- I ROI-menyn väljer du Spara alla ROI för den här serien... (Figur 8).
OBS: Nu har ROI som definierar området som ska maskeras från de parametriska kartorna sparats och kan tillämpas på parametriska data. - Öppna den parametriska datauppsättningen i 4D-visningen.
- I ROI-menyn väljer du Importera ROI(er)....
OBS: Maskens ROI är nu i den första parametriska serien. - Kontrollera att avkastningen på investeringen är i den första 3D-volymen och inte 4D.
- Använd mask för att mappa data. Det gör du genom att välja Ange pixelvärden till längst ned på rullgardinsmenyn ROI. Välj sedan tillämpa på: ROI med samma namn... (bild 9).
- Markera rutan Sprid till 4D-serien .
- Ange pixlar som är inuti ROI.
- Ställ in på det här nya värdet: som 0.
Bild 7: Skärmbild som visar segmenteringsparametrarna. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Bild 8: Skärmbild som visar hur du väljer "Spara alla avkastningar på den här serien...". Klicka här för att se en större version av denna figur.
Bild 9: Skärmbild som visar de värden som ska matas in i "Ange pixelvärden till". Klicka här för att se en större version av denna figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 10: T2*-kartan med en ROI överlagrad på den metastaserande osteosarkomlesionen som visar medelvärdet och standardavvikelsen T2*-värdet. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 11: Anpassningskurva för T2*-värden för T2*-kartan hos en patient med metastaserad osteosarkom. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 12: T2*-kartan överlagrad på en T1-viktad bild hos denna patient med metastaserande osteosarkom. Klicka här för att se en större version av denna figur.
MR-skanningen utfördes på en kommersiell skanner. En axiell skiva genom bröstet avbildades med hjälp av en eko-eko-enkelandningsgradient ekosekvens med ett intervall av TEs (1,22-9,98 ms). T2* mättes med hjälp av detta protokoll från ROI som täckte hela tumören i alla skivor, vilket undviker de omgivande vävnaderna. T2*-mätningarna utfördes av två olika observatörer. Medelvärdet av mätningarna från alla skivor beräknades för varje observatör. Tumörens T2*-relaxeringshastighet mättes genom att placera en ROI för att inkludera hela tumörvävnaden på en representativ axiell skiva genom mitten av tumörvävnaden (figur 10). Figur 11 visar en anpassningskurva genererad med minsta, genomsnittliga och högsta T2*-värden för de valda ROI:erna med olika TEs (ms) för den här patienten. Tumörens T2*-relaxeringsgrad för vår patientskanning var 6,8 ms. För visuell representation slogs de färgkodade T2*-kartorna samman med en kontrastförstärkt T1-viktad gradientekobild för anatomisk orientering (figur 12). Ett positivt resultat för detta protokoll representerar T2*-värdet i den specifika vävnaden (figur 10 och figur 11).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vårt protokoll tillåter oss att mäta tumör T2 * avkopplingstider baserat på multi-echo gradient-echo sekvenser, en extern programvara, och ett plugin för att skapa T2 * kartor. De kritiska stegen i protokollet är införandet av multi-echo gradient-echo-sekvensen med mycket korta TEs i skanningsprotokollet och den monoexponentiella passformen för multi-echo gradient-echo-bilderna med hjälp av extern programvara. Det är viktigt att ordna inmatningsbilderna med flera ekogradienter enligt deras förvärvstider. Detta kan uppnås genom att sortera bilddataserien efter förvärvstid i den externa programvaran under rullgardinsmenyn Inställningar: Databas.
Programvaran vi använder tillämpar en monoexponentiell anpassning för att mata in ett multi-echo gradient-echo utan konstant förskjutning för T2 * -anpassning. Detta tillvägagångssätt kan vara otillräckligt för vävnader med en mycket hög järnöverbelastningsnivå (T2 * < 2-3 ms), där MR-signalen på grund av det låga T2 * -värdet når en "platå" som är lika med det rektifierade Rician MR-bruset. Detta är vanligtvis inte fallet efter intravenös injektion av järnoxidnanopartiklar. Men om markerad nanopartikelackumulering i tumörvävnaden bör observeras, kan användningen av en renexponentiell modell leda till ett viktigt diagnostiskt fel, vilket kan hanteras med monoexponentiell offsetmetod 5 eller R2 monoexponentiell trunkeringsmetod5 för att få mer exakta T2 * -resultat. Trunkeringsmetoden kan enkelt tillämpas genom att minska antalet DICOM-filer i anpassningsprocessen. Vi föreslår också ett nytt tillvägagångssätt i programvaran, som beskrivs i protokoll 2; för tumörer med markant ackumulering av järnoxidnanopartiklar och signifikant förkortade T2*-värden som är nära noll, definierar vi en mask på de parametriska magnitudbilderna eller en annan serie för att ställa in en lägre signaltröskel för T2*-värdeanalysen. Detta minskar felregistreringar och fel i T2*-anpassningsprocessen. Den relativa och absoluta mängden pixlar med T2*-värden nära noll kan också mätas med den här metoden. Detta tillvägagångssätt har testats på prekliniska data med potentiell översättning till kliniska patienter.
Vårt protokoll erbjuder omfattande användbarhet eftersom det inte kräver programmeringsspråkkunskaper, till skillnad från den linjära minsta kvadratmetoden som kräver att man använder 3D Slicer16,17. Antalet tillgängliga funktioner för T2*- och T2-mappning i gratisversionen av programvaran är dock begränsat jämfört med den betalda versionen. En annan begränsning med att använda denna programvara är dess pålitlighet på MacOS-systemet. Ett praktiskt problem kan vara att det inte går att skapa en T2*-karta med programvaran. Om det inte finns någon T2*-kartgenerering som felsökning rekommenderar vi att du använder ROI-verktyget för att kontrollera TEs. Om ekobilderna med flera ekoövertoningar inte är ordnade i samma ordning som TEs-kartorna uppstår ett fel vid genereringen av T2*-kartor. Därför rekommenderas det starkt att ordna ekobilderna med flera ekogradienter enligt deras TEs och felsöka processen.
En fördel med detta protokoll jämfört med annan befintlig programvara16,18,19 är den relativa användarvänligheten på grund av bristen på krav på programmeringskunskap. Detta protokoll möjliggör också kvalitetssäkring och kvalitetsförbättringsprojekt, eftersom det möjliggör snabb bedömning av flera mätningar, vilket i sin tur möjliggör reproducerbarhet och repeterbarhetsmätningar.
Ytterligare validering och standardisering av vårt protokoll kommer att möjliggöra utbredd användning för tumör T2 * mätningar av data från olika skannrar, olika tillverkare och olika institutioner. Detta kommer att underlätta longitudinella utvärderingar av patienter som genomgår T2*-mätningar på olika platser. Dessutom kommer ett standardiserat protokoll att hjälpa till att analysera tumör T2 * mätningar för multicenter kliniska prövningar. En annan potentiell klinisk tillämpning av detta protokoll är avbildningen av hemosiderin i tumörvävnader20. Andra möjliga kliniska tillämpningar inkluderar utvärdering av tumörpatienter med immunriktad terapi med höga nivåer av tumörassocierade makrofager, övervakning av tumörsvaret på dessa behandlingar hos dessa individer 21,22 och avbildning av förbättring av leverskador med användning av det superparamagnetiska järnoxidkontrastmedlet 23,24 och ferucarbotran 25,26.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes delvis av ett bidrag från National Cancer Institute, bidrag nummer U24CA264298. Vi tackar Dawn Holley, Kim Halbert och Mehdi Khalighi från PET/MRI Metabolic Service Center för deras hjälp med förvärvet av PET/MR-skanningar vid Lucas Research Center vid Stanford. Vi tackar medlemmarna i Daldrup-Link-labbet för värdefulla synpunkter och diskussioner kring detta 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).
