We describe how to obtain parametric and vector maps of the diffusion tensor of the breast using magnetic resonance imaging. The protocol and final output following imaging processing are tailored for tracking breast architectural features and detecting breast malignancy.
Breast cancer is the most common cause of cancer among women worldwide. Early detection of breast cancer has a critical role in improving the quality of life and survival of breast cancer patients. In this paper a new approach for the detection of breast cancer is described, based on tracking the mammary architectural elements using diffusion tensor imaging (DTI).
The paper focuses on the scanning protocols and image processing algorithms and software that were designed to fit the diffusion properties of the mammary fibroglandular tissue and its changes during malignant transformation. The final output yields pixel by pixel vector maps that track the architecture of the entire mammary ductal glandular trees and parametric maps of the diffusion tensor coefficients and anisotropy indices.
The efficiency of the method to detect breast cancer was tested by scanning women volunteers including 68 patients with breast cancer confirmed by histopathology findings. Regions with cancer cells exhibited a marked reduction in the diffusion coefficients and in the maximal anisotropy index as compared to the normal breast tissue, providing an intrinsic contrast for delineating the boundaries of malignant growth. Overall, the sensitivity of the DTI parameters to detect breast cancer was found to be high, particularly in dense breasts, and comparable to the current standard breast MRI method that requires injection of a contrast agent. Thus, this method offers a completely non-invasive, safe and sensitive tool for breast cancer detection.
乳腺癌是全世界妇女癌症中最常见的原因。早期发现乳癌具有改善生活的乳腺癌患者的质量和存活的关键作用。目前的标准的乳腺癌的方法检测是基于X射线乳腺摄影和超声波扫描。灵敏度和它们的技术,特别是用于检测病变致密乳房特异性不足,刺激了其他技术,包括乳房磁共振成像(MRI)的发展。动态对比增强(DCE)MRI已经被确立为一个强大的工具,乳腺癌1,2的检测和诊断,经常容易通过计算机辅助诊断装置3。目前,它被用于特殊情况,如高风险患者4,但不能用于常规筛选,因为成本高的推测,需要使用一个注射造影剂,缺乏标准化第二变量特异性鉴别恶性病变,从低/中值5,6使用乳腺X线摄影联合和DCE-MRI 7,8获得高价值良性的。最近,扩散加权成像,将所得的表观扩散系数(ADC)地图被评价为一种补充方法为DCE-MRI和它表明ADC值可以帮助癌症,良性病变和正常乳腺组织9,10区分。此外,乳腺扩散张量成像(DTI)的研究,在3个T 16-24的1.5T的11-15场强,并开始在健康志愿者和患者的乳腺病变。大多数研究报告ADC和分数各向异性(FA)值11,12,14,15,20-23,发现这两个参数是重复性与ADC值比FA 13,20更具可重复性。这些研究的结果表明,恶性病变表现出低ADC值作为补偿ARED正常组织及良性病变,但是,矛盾的结果报告中的值和FA 11,12,14,20-23的诊断能力。在一组3个T-DTI研究的3张量特征向量在乳房组织帧的值被报告为好,其结果是在主要特征向量的向量图,固有值的参数图,ADC,FA呈现和最大各向异性指数16-19,24。在这些研究中的主要扩散特征值与最大各向异性被示出,作为癌的副病灶的检测和诊断中最敏感的独立参数
乳房由fibroglandular组织和脂肪组织。所述fibroglandular组织被进一步由许多裂片,它们在尺寸和形状高度可变的。每个叶组织包括乳腺功能树和相关的小叶形成腺体组织,和周围的结缔组织音响纤维状组织。大多数乳腺恶性肿瘤开始由上皮细胞中的导管或小叶, 原位癌 ,其通过渗入周围组织变成浸润癌显影的异常增殖。因此,导管/小叶结构是恶性乳腺癌转化研究的必要区域。
乳腺导管树的结构特点采用注射彩色蜡以乳房切除标本25管道首次调查体外于1840年由阿斯特利爵士库珀。近日,全乳腺导管树木计算机得出跟踪已使用乳房切除标本26,27少数人的乳房来实现的。这里介绍的工作表明, 在体内扩散张量成像获得的参数提供了不同的乳腺组织显微结构特征相关的信息,从而也非侵入性乳 腺癌的检测。
在p潜在的乳腺癌扩散张量成像原理物质环境的基于MRI的能力来衡量和量化各向异性水扩散受限的环境中28。在一般情况下,水的扩散的均质溶液是免费的,各向同性的,但是,如果水的运动被停止,因为限制由不可渗透壁的扩散变得各向异性与自由平行于壁的快速扩散,并垂直于壁较慢受限扩散( 图1)。水扩散在组织中是复杂的,并取决于分子内的结构和生理功能和细胞外室包括细胞的大小,细胞的密度,细胞外曲折和水交换通过膜,以及对血管和淋巴管网络的存在( 图2)。
<bR /> 图1:自由和限制扩散水分子自由扩散(左)和限制扩散通过不可渗透壁(右)的示意图。
图2:在一个组织复杂扩散水扩散的示出了在细胞外和细胞内区室和这两个隔室之间的水交换(箭头)的水分子运动在蜂窝系统中示意图。
由于乳房的特定建筑特色的水分子中的乳腺导管和小叶扩散提出限制,并且各向异性运动的一个具体的实例中:在平行于所述导管的壁和小叶扩散接近于自由扩散,但在垂直的方向的壁是由壁限定,两个组成层的细胞和基底膜。因此在导管/腺体系统的扩散是比较快的和各向异性。另一方面,在周围的管道中的结缔组织的纤维组织的扩散速度快,各向同性的高水含量和低的细胞密度在这个组织中( 图3和4)的结果。在恶性肿瘤的情况下,该导管和小叶癌细胞堵塞增加了水的运动的曲折和限制,导致的扩散系数的降低在所有方向上,并在各向异性运动( 图3和4)。
图3:扩散乳房小叶切过小叶,一个小叶内的水扩散示意图。左图:水限制了小叶“墙壁展示快速扩散平行扩散到墙壁和弥散受限垂直于墙壁。右:扩散小叶癌细胞。在细胞外室中的扩散是高度受阻,但在所有的方向相似的,因此,几乎各向同性。
图4:水扩散的导管系统树左:注射用彩色蜡乳腺导管,可见其辐射方向,它们之间的衍生物25。中间:一个正常的导管树与矢量指示导管(黑色箭头)内的扩散示意图和结缔组织(绿色箭头)。右:一个导管树与癌细胞的两个基因座(紫色)示意图。红色箭头显示出在癌症的扩散。
本文详细介绍了弥散张量扫描方法和公关ocessing算法和启用检测乳腺恶性肿瘤的DTI数据集的软件分析。所有的癌症是由乳腺活检和/或手术标本组织病理学的研究结果证实。我们还描述了T2加权扫描协议获得乳房的解剖特点,以及该服务作为评价的DTI检测灵敏度的参考方法DCE扫描协议。 请点击此处查看该图的放大版本。
这项工作表明,DTI的能力,在扫描3个T在高空间分辨率(〜8毫米3),以测量在体内在两个乳房的整个fibroglandular组织水扩散张量的参数。的开发在本研究中启用的大的DTI数据集的分析的过程中,同时算法和软件的合奏查看各个扩散系数,λ1,λ2,λ3的扩散参数图,ADC和各向异性指数λ1-λ 3,和FA所有乳腺癌切片。这项工作中也强调不同扩散系数和各向异性指数的电位来检测和诊断乳腺癌。研究结果表明素扩散系数,λ1,是用于检测乳腺癌,与从正常乳腺组织区分恶性一个实质能力的主要参数。次要indepen凹痕参数,具有高灵敏度,但特异性比λ1低得多,是其作用,以确认该检测由素扩散系数的最大各向异性指数。
结果还证明的MRI来测量体内定向水扩散并量化该扩散的各向异性在整个导管/腺系统在两个乳房的能力。为了确保各向异性测量30扩散梯度方向均匀精密轮廓施加。的120毫秒,和空间分辨率的优化高回波时间的选择显示的水扩散,在管道的限制。正常导管的平均大小被报告为90微米,具有〜70%的40-100微米36的范围内。根据爱因斯坦方程平均自由水扩散位移,X =(6DT)1/2,其中D是自由水的扩散系数及吨扩散时间。在我们的实验中,x是约25微米,并且因此,所述导管的水分子的一小部分是由乳腺导管壁的限制,导致了相对低的FA值在乳房(上限值〜0.3)相比,发现该值在脑白质(≥0.5)。在爵士阿斯特利库柏研究25它显露人类乳房组织被组织成单独的波瓣,每个导管树组成。的泌乳乳房37初步超声研究已尝试,以及检测用二阶形状测量38剖导管结构。然而,没有成像方法已成功迄今揭示了整个导管系统,两个乳房在体内 。该算法用于从DTI结果获得整个3D导管树系统仍在发展,但向量映射清楚显示出的电位以显示乳腺树的详细和高度多元化解剖。最近的我基于我们的DTI数据集乳房的全3D跟踪nitial企图报道39。
在这个工作过程中技术上的限制已经注意到由于低效的脂肪抑制和EPI扭曲。脂肪抑制由脂肪饱和序列(FAT-SAT),它通常是在密集的乳房高效的实现。然而,在脂肪酸乳房光谱选择衰减反转恢复(SPAIR),这是更有效的,并到B1不均匀性较不敏感的,被施加。该EPI基于扩散的协议不得不由于梯度引起的涡流额外的限制,B 0场不均匀性和敏感性的差异40,41。这些限制通过使用对水和脂肪信号的迭代自动和手动匀场,并选择下可能回波间隔最小化。此外,几何失真的后处理校正的协议中所描述偶尔使用。总体在致密乳房具有较强的水信号,有可能克服技术上的限制的情况下;然而,有5例在本研究中具有高度的脂肪酸乳房不能因上述限制分析。
总之,已经开发了用于乳腺癌的扩散张量的MRI的协议和图像处理工具。这完全安全,快速,无创的方法精确剖析乳房的架构,可以方便的检测乳腺癌的诊所。素扩散系数,λ1,最大各向异性指数,λ1-λ3,发现作为两个独立的扩散参数,用于检测癌症。乳腺癌患者的临床研究表明,与这两个参数的检测效率是比得上DCE MRI杂志。因此,从基本理解癌症发展的乳房结构和及其对揭示依赖新兴此方法的量化显著的变化,以及它是一种安全,快速的方法,使其成为调查涉及各种乳腺导管增生发展方面,以及用于测试大规模前瞻性研究乳腺癌筛查的临床影响的重要工具。
The authors have nothing to disclose.
We would like to thank Mr. Nachum Stern and Ms. Fanny Attar for their excellent technical assistance. H.D. holds the Fred and Andrea Fallek Chair for Breast Cancer Research.
Material/Equipment | Company/ Catalog No. | Comments/ Description | |
Magnetol-Gadopentetatedimeglumine | Soreq, Yavne, Israel | 0.5M | |
3 Tesla MRI scanner, MAGNETON Trio | Siemens, Erlangn, Germany | 120 | |
Bilateral breast array coil | Siemens, Erlangn, Germany | 4-channel | |
Bilateral breast array coil | In-Vivo, Orlando FA | 7.channel | |
Automated pump, Spectris Solaris MR Injector | Medrad, Indianola , PA | ||
DTI Image processing software | Home-built | Property of Yeda Research and Development Co. Ltd http://www.yedarnd.com/ContactUs.asp | |
3TP Image processing software | Home-built | Property of Yeda Research and Development Co. Ltd http://www.yedarnd.com/ContactUs.asp |