Medición de los tiempos de relajación del tumor T2* después de la administración de nanopartículas de óxido de hierro

Resumen

Presentamos un protocolo estandarizado para la cuantificación de los tiempos de relajación T2* de los tumores utilizando software externo. Las imágenes de eco de gradiente de eco múltiple se adquieren y se introducen en el software para crear mapas T2* del tumor y medir los tiempos de relajación del tumor T2*.

Resumen

La relaxometría T2* es uno de los métodos establecidos para medir el efecto de las nanopartículas superparamagnéticas de óxido de hierro en los tejidos tumorales con imágenes por resonancia magnética (RM). Las nanopartículas de óxido de hierro acortan los tiempos de relajación T1, T2 y T2* de los tumores. Si bien el efecto T1 es variable en función del tamaño y la composición de las nanopartículas, los efectos T2 y T2* suelen ser predominantes, y las mediciones T2* son las más eficientes en el tiempo en un contexto clínico. Aquí, presentamos nuestro enfoque para medir los tiempos de relajación T2* del tumor, utilizando secuencias de eco de gradiente de eco múltiple, software externo y un protocolo estandarizado para crear un mapa T2* con software independiente del escáner. Esto facilita la comparación de datos de imágenes de diferentes escáneres clínicos, diferentes proveedores y trabajos de investigación coclínicos (es decir, datos de tumores T2* obtenidos en modelos de ratón y pacientes). Una vez instalado el software, el complemento T2 Fit Map debe instalarse desde el administrador de complementos. Este protocolo proporciona detalles de procedimiento paso a paso, desde la importación de las secuencias de eco de gradiente de eco múltiple en el software, hasta la creación de mapas T2* codificados por colores y la medición de los tiempos de relajación T2* del tumor. El protocolo se puede aplicar a tumores sólidos en cualquier parte del cuerpo y ha sido validado en base a datos de imágenes preclínicas y datos clínicos en pacientes. Esto podría facilitar las mediciones de T2* tumoral para ensayos clínicos multicéntricos y mejorar la estandarización y reproducibilidad de las mediciones de T2* tumoral en análisis de datos coclínicos y multicéntricos.

Introducción

La cuantificación no invasiva de los tiempos de relajación T2* tumoral en diversos tejidos del cuerpo con resonancia magnética (RM) está ampliamente establecida¹. La justificación de este artículo es proporcionar un protocolo para la medición de los tiempos de relajación T2* del tumor que es independiente del software de escáner como Osirix². Esto permitirá análisis uniformes de datos de imágenes de diferentes centros, diferentes escáneres y diferentes proveedores. De hecho, miles de usuarios podrían utilizar el mismo enfoque, aumentando así la estandarización de las mediciones de T2* tumoral. Las mediciones de T2* son utilizadas para diferentes propósitos por neurorradiólogos, expertos en imágenes cardíacas y expertos en imágenes abdominales, entre otros. Se han aplicado y optimizado secuencias de pulsos de resonancia magnética para medir los tiempos de relajación tisular T2* para la evaluación de hemorragias intracraneales³, contenido de hierro hepático ^1,4 y contenido de hierro cardíaco ^5,6, entre otros. Otros investigadores han utilizado mediciones T2* para generar estimaciones cuantitativas de acumulaciones de nanopartículas de óxido de hierro en tumores malignos ^7,8. Sin embargo, muchos de estos enfoques anteriores utilizaban software institucional o software de escáner específico, que se limitaría a su uso en una institución específica o para procesar datos obtenidos en un escáner específico. Aquí, describimos un enfoque universalmente aplicable para generar mapas T2* tumorales y tiempos de relajación T2* tumorales basados en datos de resonancia magnética preclínicos o clínicos de cualquier escáner que pueda generar imágenes de eco de gradiente de eco múltiple. La secuencia de eco de gradiente requerida debe tener tiempos de primer eco muy cortos y un espaciado entre ecos cercano^{de 9,10}. Las imágenes de eco de gradiente de eco múltiple se introducen en el software externo, se calculan los mapas T2* del tumor y se miden los tiempos de relajación del tumor T2*. El complemento T2 Fit Map en las curvas de decaimiento T2* de los modelos externos como un ajuste monoexponencial a S(t) = S o ^{e-t/T2* 11} donde S(t) representa el valor de señal_oproceso en un momento dado t; S 0 es el valor inicial de la señal o proceso en t =₀; t denota tiempo; T₂*, también conocido como el tiempo de relajación transversal aparente, caracteriza la tasa de decaimiento de la señal o proceso; y e es la base del logaritmo natural (aproximadamente igual a 2,71828). La ecuación describe una disminución exponencial, donde la señal o proceso disminuye con el tiempo en función de la tasa de decaimiento T₂*. Cuanto mayor sea el valor de T₂*, más lenta será la tasa de desintegración, y viceversa. El mismo software también se puede utilizar para introducir imágenes de eco de espín de eco múltiple y generar valores de T2 tumoral ajustando la curva de decaimiento T2 a S(t) = S_o ^e-t/T2. El ajuste de la curva se realizó utilizando software externo, sin incorporar un desplazamiento constante. Ambas curvas de decaimiento exhiben un comportamiento exponencial único, con T2* demostrando una duración más corta en comparación con T2.

En pacientes con hemosiderosis y hemocromatosis, la cuantificación del contenido de hierro hepático por biopsia tisular es el estándar de oro, mientras que la RM no invasiva es el punto de atención para establecer valores basales y monitorear los cambios a lo largo del tiempo de forma no invasiva^12,13. Si bien la generación de mapas T2* para la cuantificación del hierro hepático está bien establecida⁴, no existe un protocolo estandarizado para medir los tiempos de relajación de T2* del tumor. Si bien los mapas T2* también pueden ser generados por el software del escáner, está limitado a un escáner y proveedor específicos. En el campo de la oncología, los estudios de imágenes en serie de un paciente determinado a menudo ocurren en diferentes escáneres, y los datos de resonancia magnética multicéntricos se adquieren en función de los estudios de imágenes de diferentes escáneres y diferentes proveedores. Además, la investigación de imágenes coclínicas se está implementando cada vez más y requiere la comparación de datos de resonancia magnética de pacientes y modelos de ratón que simulan su tumor. El propósito de este protocolo es proporcionar un protocolo para la medición de los tiempos de relajación T2* del tumor que sean independientes del software del escáner. Esto permitirá un análisis uniforme de los datos de imágenes de diferentes centros y diferentes escáneres. De hecho, miles de usuarios podrían utilizar el mismo enfoque, aumentando así la estandarización y la reproducibilidad de las mediciones de T2* tumoral. Nuestro protocolo utiliza software externo, que se puede descargar de Internet. Las imágenes de eco de gradiente de eco múltiple se introducen en el software y se ajustan a una fórmula de decaimiento monoexponencial para generar un mapa T2*, en el que se pueden medir los tiempos de relajación T2* del tumor utilizando regiones de interés (ROI) definidas por el ^operador5. Las nanopartículas de óxido de hierro pueden ser infundidas a diferentes dosis 14, En nuestro estudio, el paciente recibió una inyección de ferumoxitol (30 mg/ml) que contenía 510 mg de hierro elemental en un volumen de¹⁷ mL, a una dosis de 5 mg de hierro elemental por kg de peso corporal. Posteriormente se obtuvieron secuencias de eco de gradiente de eco múltiple¹⁵ utilizando parámetros de secuencia establecidos para la adquisición de datos.

Protocolo

Este protocolo se ha generado para un ensayo clínico prospectivo e investigación coclínica. El estudio cumplió con la Ley de Portabilidad y Responsabilidad del Seguro de Salud (HIPAA) y fue aprobado por la junta de revisión institucional (IRB) de la Universidad de Stanford. Todos los pacientes o su representante legalmente autorizado firmaron un consentimiento informado por escrito, y todos los niños entre 7 y 18 años de edad firmaron un formulario de consentimiento.

1. Instalación e inicio del plugin T2 Fit Map

1. Inicie el software Osirix. Instale el complemento T2 Fit Map desde el administrador de complementos y reinicie el software.
   1. En la barra de menús, haga clic en el botón Plugins. Haga clic en el menú desplegable y seleccione Instalar un paquete de complementos (Figura 1).
   2. Una vez cargado el administrador de complementos, seleccione los complementos disponibles en el menú desplegable y luego T2 Fit Map (Figura 2).
   3. Haga clic en descargar e instalar. Cierre el administrador de complementos y reinicie el software.
2. Cargue las imágenes de secuencia de eco de gradiente de eco múltiple como archivos DICOM en el software.
3. Cambie la función del botón del ratón para dibujar una región de interés (ROI) (Figura 3).
4. Con esta función de botón del ratón, defina una forma para el ROI requerido: seleccione Polígono ovalado o cerrado, o la forma deseada en el menú desplegable (Figura 4).
5. Dibuje ROI en las imágenes requeridas con diferentes tiempos de eco (TE).
6. Seleccione los ROI en todas las imágenes con diferentes TE para las que se requiere el mapa T2*.
7. Haga clic en el botón Plugins , seleccione Filtros de imagen en el menú desplegable y, a continuación, seleccione T2 Fit Map.
8. Haga clic en T2 Fit Map. Se abrirá un cuadro de diálogo; haga clic en Generar mapa (que se encuentra en la parte inferior del cuadro de diálogo) (Figura 5).
   NOTA: Se genera una curva de ajuste con valores T2* mínimos, medios y máximos para los ROI seleccionados con varios TE (ms). El valor medio de T2* se calcula y se muestra debajo de la curva (Figura 6).

Figura 1: Seleccionando 'Instalar un paquete de complementos' en el menú desplegable. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Seleccionando 'T2 Fit Map' de los plugins disponibles. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Captura de pantalla que muestra cómo cambiar la función del botón del ratón para dibujar una región de interés (ROI). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Captura de pantalla que muestra cómo seleccionar diferentes formas para el ROI. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5: Captura de pantalla que muestra cómo seleccionar 'Generar mapa' después de seleccionar 'T2 Fit Map'. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6: Captura de pantalla que muestra la generación de una curva de ajuste para valores T2*. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. Exclusión del ruido mediante la definición de mascarilla

NOTA: Para definir una máscara en el primer eco de los datos de T2map_MSME utilizados para calcular los mapas paramétricos, establezca un umbral de señal de primer eco inferior para el cálculo del valor T2* (el volumen del mapa T2* ahora excluirá los píxeles con señales demasiado bajas para un cálculo preciso en el primer eco multi-spin multi-echo (MSME). El umbral se puede aumentar para excluir más píxeles o disminuir para incluir más píxeles).

1. Para definir el ROI de la máscara en una serie de imágenes fuera de los datos paramétricos, abra la serie deseada (por ejemplo, primer eco del T2map_MSME con TE = 15) y seleccione un sector.
2. En la parte inferior del menú desplegable ROI, selecciona Grow Region....
3. Seleccione el botón de opción Región de cultivo 3D... (Figura 7).
4. En el menú desplegable Algoritmo, seleccione Umbral (límites inferior/superior).
5. Establezca los umbrales inferior y superior en 0 y X% de la señal del músculo contralateral de la pantorrilla, respectivamente (p. ej., establezca el umbral en el valor que enmascarará la mayor cantidad de moteado en el ROI del tumor y dejará el tumor T2 (*) más evaluable).
6. Establezca el nombre del ROI como desee.
7. Haga clic en la imagen para colocar una semilla para el crecimiento del ROI.
8. Haga clic en el botón Computar .
9. En el menú ROI, seleccione Guardar todos los ROI de esta serie... (Figura 8).
   NOTA: Ahora, el ROI que define el área a enmascarar de los mapas paramétricos se ha guardado y se puede aplicar a los datos paramétricos.
10. Abra el dataset Parametric en el visor 4D.
11. En el menú ROI, seleccione Importar ROI(s)....
    NOTA: El ROI de la máscara está ahora en la primera serie paramétrica.
12. Compruebe que los ROI están en el primer volumen 3D y no en 4D.
13. Aplique máscara para asignar los datos. Para ello, en la parte inferior del menú desplegable ROI, seleccione Establecer valores de píxeles en. A continuación, seleccione aplicar a: ROI con el mismo nombre... (Figura 9).
14. Marque la casilla Propagar a la serie 4D .
15. Establezca píxeles que estén dentro de ROIs.
16. Establecer en este nuevo valor: como 0.

Figura 7: Captura de pantalla que muestra los parámetros de segmentación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 8: Captura de pantalla que muestra cómo seleccionar "Guardar todos los ROI de esta serie...". Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 9: Captura de pantalla que muestra los valores que se ingresarán en "Establecer valores de píxeles en". Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Resultados

Figura 10: El mapa T2* con un ROI superpuesto en la lesión de osteosarcoma metastásico que muestra la media y el valor de desviación estándar T2*. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discusión

Nuestro protocolo nos permite medir los tiempos de relajación de T2* del tumor basados en secuencias de eco de gradiente de eco múltiple, un software externo y un complemento para crear mapas T2*. Los pasos críticos dentro del protocolo son la inclusión de la secuencia de gradiente de eco de eco múltiple con TE muy cortos en el protocolo de escaneo, y el ajuste monoexponencial de las imágenes de eco de gradiente de eco de eco múltiple utilizando software externo. Es importante organizar las imágenes de eco de gra...

Materiales

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