Misurazione dei tempi di rilassamento del tumore T2* dopo somministrazione di nanoparticelle di ossido di ferro

Riepilogo

Presentiamo un protocollo standardizzato per la quantificazione dei tempi di rilassamento T2* dei tumori utilizzando software esterni. Le immagini eco multi-eco gradiente vengono acquisite e inserite nel software per creare mappe tumorali T2* e misurare i tempi di rilassamento del tumore T2*.

Abstract

La relaxometria T2* è uno dei metodi consolidati per misurare l'effetto delle nanoparticelle superparamagnetiche di ossido di ferro sui tessuti tumorali con la risonanza magnetica (MRI). Le nanoparticelle di ossido di ferro accorciano i tempi di rilassamento T1, T2 e T2 * dei tumori. Mentre l'effetto T1 è variabile in base alle dimensioni e alla composizione delle nanoparticelle, gli effetti T2 e T2* sono generalmente predominanti e le misurazioni T2* sono le più efficienti in termini di tempo in un contesto clinico. Qui presentiamo il nostro approccio alla misurazione dei tempi di rilassamento del tumore T2*, utilizzando sequenze di eco a gradiente multi-eco, software esterno e un protocollo standardizzato per la creazione di una mappa T2* con software indipendente dallo scanner. Ciò facilita il confronto dei dati di imaging provenienti da diversi scanner clinici, diversi fornitori e lavori di ricerca co-clinica (ad esempio, dati sul tumore T2 * ottenuti in modelli murini e pazienti). Una volta installato il software, il plugin T2 Fit Map deve essere installato dal gestore dei plugin. Questo protocollo fornisce dettagli procedurali passo-passo, dall'importazione delle sequenze di eco gradiente multi-eco nel software, alla creazione di mappe T2* codificate a colori e alla misurazione dei tempi di rilassamento del tumore T2*. Il protocollo può essere applicato ai tumori solidi in qualsiasi parte del corpo ed è stato convalidato sulla base di dati di imaging preclinico e dati clinici nei pazienti. Ciò potrebbe facilitare le misurazioni del tumore T2* per studi clinici multicentrici e migliorare la standardizzazione e la riproducibilità delle misurazioni del tumore T2* nelle analisi dei dati co-clinici e multicentrici.

Introduzione

La quantificazione non invasiva dei tempi di rilassamento del tumore T2* in vari tessuti del corpo con risonanza magnetica (MRI) è ampiamente stabilita¹. La logica di questo articolo è quella di fornire un protocollo per la misurazione dei tempi di rilassamento del tumore T2 * che è indipendente dal software dello scanner come Osirix². Ciò consentirà analisi uniformi dei dati di imaging provenienti da diversi centri, diversi scanner e diversi fornitori. In effetti, migliaia di utenti potrebbero potenzialmente utilizzare lo stesso approccio, aumentando così la standardizzazione delle misurazioni del tumore T2 *. Le misurazioni T2 * sono utilizzate per scopi diversi da neuroradiologi, esperti di imaging cardiaco ed esperti di imaging addominale, tra gli altri. Le sequenze di impulsi MRI per le misurazioni dei tempi di rilassamento del tessuto T2* sono state applicate e ottimizzate per la valutazione di sanguinamenti intracranici³, contenuto di ferro epatico^1,4 e contenuto di ferro cardiaco ^5,6, tra gli altri. Altri ricercatori hanno utilizzato misurazioni T2 * per generare stime quantitative degli accumuli di nanoparticelle di ossido di ferro nei tumori maligni ^7,8. Tuttavia, molti di questi approcci precedenti utilizzavano software istituzionali o software di scansione specifici, che sarebbero stati limitati all'uso in un'istituzione specifica o per l'elaborazione dei dati ottenuti su uno scanner specifico. Qui, descriviamo un approccio universalmente applicabile per generare mappe tumorali T2 * e tempi di rilassamento del tumore T2 * basati su dati preclinici o clinici MRI da qualsiasi scanner in grado di generare immagini ecologiche multi-eco gradiente. La sequenza di eco gradiente richiesta dovrebbe avere tempi di prima eco molto brevi e spaziatura tra eco ravvicinata ^9,10. Le immagini dell'eco multi-eco gradiente vengono quindi inserite nel software esterno, vengono calcolate le mappe del tumore T2 * e vengono misurati i tempi di rilassamento del tumore T2 *. Il plugin T2 Fit Map nelle curve di decadimento T2* dei modelli esterni come adattamento monoesponenziale a S(t) = S o ^{e-t/T2* 11} dove S(t) rappresenta il valore del segnale_odel processo in un dato momento t; S 0 è il valore iniziale del segnale o del processo a t =₀; t indica il tempo; T₂*, noto anche come tempo di rilassamento trasversale apparente, caratterizza il tasso di decadimento del segnale o del processo; ed E è la base del logaritmo naturale (approssimativamente uguale a 2,71828). L'equazione descrive un decadimento esponenziale, in cui il segnale o il processo diminuisce nel tempo in funzione del tasso di decadimento T₂*. Maggiore è il valore di T₂*, più lento è il tasso di decadimento e viceversa. Lo stesso software può anche essere utilizzato per inserire immagini di eco di spin multi-eco e generare valori di T2 tumorale adattando la curva di decadimento T2 a S(t) = S_o ^e-t/T2. Il raccordo della curva è stato eseguito utilizzando software esterni, senza incorporare un offset costante. Entrambe le curve di decadimento mostrano un singolo comportamento esponenziale, con T2* che dimostra una durata più breve rispetto a T2.

Nei pazienti con emosiderosi ed emocromatosi, la quantificazione del contenuto di ferro epatico mediante biopsia tissutale è il gold standard, mentre l'imaging RM non invasivo è il punto di cura per stabilire i valori basali e monitorare i cambiamenti nel tempo in modo non invasivo^12,13. Mentre la generazione di mappe T2 * per la quantificazione del ferro epatico è ben consolidata⁴, non esiste un protocollo standardizzato per misurare i tempi di rilassamento del tumore T2 *. Sebbene le mappe T2* possano essere generate anche dal software dello scanner, è limitato a uno scanner e a un fornitore specifici. Nel campo dell'oncologia, gli studi di imaging seriale di un determinato paziente si verificano spesso su scanner diversi e i dati MRI multicentrici vengono acquisiti sulla base di studi di imaging di diversi scanner e diversi fornitori. Inoltre, la ricerca di imaging co-clinico viene sempre più implementata e richiede il confronto dei dati MRI dei pazienti e dei modelli murini che simulano il loro tumore. Lo scopo di questo protocollo è quello di fornire un protocollo per la misurazione dei tempi di rilassamento del tumore T2* che siano indipendenti dal software dello scanner. Ciò consentirà un'analisi uniforme dei dati di imaging provenienti da diversi centri e diversi scanner. In effetti, migliaia di utenti potrebbero potenzialmente utilizzare lo stesso approccio, aumentando così la standardizzazione e la riproducibilità delle misurazioni del tumore T2 *. Il nostro protocollo utilizza software esterno, che può essere scaricato da Internet. Le immagini eco a gradiente multi-eco vengono inserite nel software e adattate a una formula per il decadimento monoesponenziale per generare una mappa T2*, su cui i tempi di rilassamento del tumore T2* possono essere misurati utilizzando regioni di interesse (ROI) definite dall'operatore5. Le nanoparticelle di ossido di ferro possono essere infuse a dosi diverse 14, Nel nostro studio, il paziente ha ricevuto un'iniezione di ferumoxytol (30 mg / ml) contenente 510 mg di ferro elementare in un volume di¹⁷ ml, alla dose di 5 mg di ferro elementare per kg di peso corporeo. Successivamente sono state ottenute sequenze di eco gradiente multi-eco¹⁵ utilizzando parametri di sequenza impostati per l'acquisizione dei dati.

Protocollo

Questo protocollo è stato generato per una sperimentazione clinica prospettica e una ricerca co-clinica. Lo studio è stato conforme all'Health Insurance Portability and Accountability Act (HIPAA) e approvato dal comitato di revisione istituzionale (IRB) della Stanford University. Tutti i pazienti o il loro rappresentante legalmente autorizzato hanno firmato un consenso informato scritto e tutti i bambini tra i 7 ei 18 anni hanno firmato un modulo di assenso.

1. Installazione e avvio del plugin T2 Fit Map

1. Avviare il software Osirix. Installare il plug-in T2 Fit Map dal gestore dei plugin e riavviare il software.
   1. Nella barra dei menu, fai clic sul pulsante Plugin. Fare clic sul menu a discesa e selezionare Installa un pacchetto plug-in (Figura 1).
   2. Una volta caricato il gestore dei plugin, selezionare i plugin disponibili dal menu a discesa e quindi T2 Fit Map (Figura 2).
   3. Fai clic su Scarica e installa. Chiudi il gestore dei plugin e riavvia il software.
2. Carica le immagini della sequenza di eco gradiente multi-eco come file DICOM nel software.
3. Modificare la funzione del pulsante del mouse per disegnare una regione di interesse (ROI) (Figura 3).
4. Utilizzando questa funzione del pulsante del mouse, definire una forma per il ROI richiesto: selezionare Poligono ovale o chiuso o la forma desiderata dal menu a discesa (Figura 4).
5. Disegna ROI nelle immagini richieste con diversi tempi di eco (TE).
6. Seleziona i ROI in tutte le immagini con TE diversi per le quali è richiesta la mappa T2*.
7. Fare clic sul pulsante Plugin , selezionare Filtri immagine dal menu a discesa, quindi selezionare T2 Fit Map.
8. Clicca su T2 Fit Map. Si aprirà una finestra di dialogo; fare clic su Genera mappa (che si trova nella parte inferiore della finestra di dialogo) (Figura 5).
   NOTA: viene generata una curva di adattamento con valori T2* minimi, medi e massimi per i ROI selezionati con vari TE (ms). Il valore medio di T2* viene calcolato e visualizzato sotto la curva (figura 6).

Figura 1: Selezione di 'Installa un pacchetto plugin' dal menu a discesa. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 2: Selezione di 'T2 Fit Map' dai plugin disponibili. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Screenshot che illustra come modificare la funzione del pulsante del mouse per disegnare una regione di interesse (ROI). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 4: Screenshot che mostra come selezionare forme diverse per il ROI. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Screenshot che mostra come selezionare 'Genera mappa' dopo aver selezionato 'T2 Fit Map'. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 6: Screenshot che mostra la generazione di una curva di raccordo per i valori T2*. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

2. Esclusione del rumore mediante la definizione di maschera

NOTA: per definire una maschera sulla prima eco dei dati T2map_MSME utilizzati per calcolare le mappe parametriche, impostare una soglia inferiore del segnale di prima eco per il calcolo del valore T2* (il volume della mappa T2* escluderà ora i pixel con segnali troppo bassi per un calcolo accurato alla prima eco multi-spin multi-echo (MSME). La soglia può essere aumentata per escludere più pixel o ridotta per includere più pixel).

1. Per definire il ROI della maschera su una serie di immagini al di fuori dei dati parametrici, aprire la serie desiderata (ad esempio, prima eco del T2map_MSME con TE = 15) e selezionare una sezione.
2. Nella parte inferiore del menu a discesa ROI, seleziona Regione di crescita....
3. Selezionare il pulsante di opzione Regione di crescita 3D... (Figura 7).
4. Nel menu a discesa Algoritmo, selezionare Soglia (limiti inferiori/superiori).
5. Impostare le soglie inferiore e superiore rispettivamente su 0 e X% del segnale muscolare del polpaccio controlaterale (ad esempio, impostare la soglia sul valore che maschererà il maggior numero di macchie nel ROI del tumore e lascerà il tumore più valutabile T2 (*)s).
6. Impostare il nome del ROI come desiderato.
7. Clicca sull'immagine per posizionare un seme per la coltivazione del ROI.
8. Fare clic sul pulsante Calcola .
9. Nel menu ROI, selezionare Salva tutti i ROI di questa serie... (Figura 8).
   NOTA: Ora, il ROI che definisce l'area da mascherare dalle mappe parametriche è stato salvato e può essere applicato ai dati parametrici.
10. Aprire il set di dati Parametrico nel visualizzatore 4D.
11. Nel menu ROI, seleziona Importa ROI....
    NOTA: Il ROI della maschera è ora nella prima serie parametrica.
12. Verifica che i ROI siano nel primo volume 3D e non 4D.
13. Applicare la maschera per mappare i dati. A tale scopo, nella parte inferiore del menu a discesa ROI, seleziona Imposta valori pixel su. Quindi, selezionare Applica a: ROI con lo stesso nome... (Figura 9).
14. Selezionare la casella Propaga alla serie 4D .
15. Imposta i pixel che sono all'interno dei ROI.
16. Impostare su questo nuovo valore: as 0.

Figura 7: Screenshot che mostra i parametri di segmentazione. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 8: Screenshot che mostra come selezionare "Save All ROIs of this Series...". Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 9: Screenshot che mostra i valori da inserire in "Set Pixel Values To". Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Risultati

Figura 10: La mappa T2* con un ROI sovrapposto alla lesione metastatica dell'osteosarcoma che mostra il valore medio e la deviazione standard T2*. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Discussione

Il nostro protocollo ci consente di misurare i tempi di rilassamento del tumore T2* sulla base di sequenze gradiente-eco multi-eco, un software esterno e un plugin per la creazione di mappe T2*. I passaggi critici all'interno del protocollo sono l'inclusione della sequenza gradiente-eco multi-eco con TE molto brevi nel protocollo di scansione e l'adattamento monoesponenziale delle immagini multi-eco gradiente-eco utilizzando software esterno. È importante disporre le immagini multi-eco gradiente-eco in ingresso in base ...

Materiali

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