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.
Рак молочной железы является наиболее распространенной причиной рака у женщин во всем мире. Раннее выявление рака молочной железы имеет критическую роль в улучшении качества жизни и выживаемость больных раком молочной железы. Нынешние стандартные методы для обнаружения рака молочной железы на основе рентгеновского маммографии и ультразвукового сканирования. Недостаточно чувствительность и специфичность этих методов, в частности, для обнаружения повреждений в плотной груди, стимулировало развитие других методов, включая грудь магнитно-резонансной томографии (МРТ). Динамическая контрастность усиливается (DCE) МРТ была создана в качестве мощного инструмента для обнаружения и диагностики рака молочной железы 1,2 и часто способствует автоматизированного диагностирования означает, 3. В настоящее время она используется для особых случаев, таких, как пациентов с высоким риском 4, но не для рутинного скрининга, по-видимому из-за высоких затрат, необходимость в использовании инъекцию контрастного вещества, отсутствие стандартизации Ай переменная специфичность в дифференциации доброкачественных и злокачественных поражений, начиная с низких / средних значений 5,6 до высоких значений, которые были получены с помощью комбинированной маммографию и DCE-MRI 7,8. Совсем недавно, диффузионная МРТ и результирующие карты коэффициента диффузии (ADC) были оценены как метод дополнение к DCE-MRI и было показано, что значения АЦП могут помочь отличить рака, доброкачественных и нормальной ткани молочной железы 9,10 , Кроме того, исследования молочной тензора диффузии изображения (DTI) были начаты в здоровых добровольцев и больных раком молочной поражений на поле напряженностью 1,5 T 11-15 и 3 Т 16-24. Большинство из этих исследований сообщалось АЦП и дробная анизотропия (FA) Значения 11,12,14,15,20-23 и нашел эти два параметра, воспроизводимые со значениями АЦП более воспроизводимым, чем FA 13,20. Результаты этих исследований показали, что злокачественные демонстрируют низкие значения ADC как компared к нормальной ткани и доброкачественных поражений, однако, противоречивые результаты были получены на ценностях и возможности диагностики ФА 11,12,14,20-23. В наборе 3 Т DTI исследований были зафиксированы значения трех тензорных собственных значений и собственных векторов в ткани молочной железы, рамы, как хорошо, и его результаты были представлены в векторных карт главного собственного вектора и параметрических карт собственных, АЦП, FA и максимальная анизотропия индекс 16-19,24. В этих исследованиях основной диффузии собственное значение и максимальное анизотропии были показаны в качестве наиболее чувствительных независимых параметров для обнаружения и диагностики повреждений рака
Грудь состоит из fibroglandular ткани и жировой ткани. Fibroglandular ткани, кроме того, состоит из множества лепестков, которые сильно варьирует по размеру и форме. Каждая доля микроструктура содержит функциональный молочной дерево и связанные дольки, образующие железистой ткани и окружающую соединительную-Fiволокнистого ткани. Большинство молочных злокачественные начать с аномальным распространением эпителиальных клеток в протоках или дольках, развивающихся на месте карциномы, которая по инфильтрации в окружающие ткани превращаются в инвазивной карциномы. Таким образом, протоков / лобулярного структуры необходимо направление исследований злокачественной трансформации молочной железы.
Структурные особенности протоков деревьев были впервые исследованы экс естественных условиях в 1840 году сэром Эстли Купером, используя инъекции цветного воска, чтобы протоков мастэктомии образцов 25. В последнее время компьютер происходит отслеживать все-протоков молочной железы деревьев был достигнут в немногих человеческих грудей с помощью мастэктомии образцы 26,27. Работа, представленная здесь, показывает, что параметры, полученные с помощью картирования тензора диффузии в естественных условиях предоставлять информацию, связанную с различными ткани молочной железы микроструктурных особенностей, что позволяет также неинвазивного определения рака молочной железы.
Рhysical принципы, лежащие в основе картирования тензора груди диффузии в зависимости от возможностей МРТ для измерения и количественной оценки анизотропной диффузии воды в ограниченных средах 28. В общем, диффузия воды в гомогенных растворов свободна и изотропно, однако, если движение воды прекращается из-за ограничений по непроницаемых стенок диффузии становится анизотропным с быстрым свободного диффузии параллельно к стенкам и медленнее ограниченной диффузии, перпендикулярном к стенкам ( Рисунок 1). Диффузии воды в тканях является сложным и зависит от конструктивных и физиологических особенностей внутри- и внеклеточного отсеков в том числе "размеров, клеток клетки плотности, внеклеточной извитости и водообмена через мембраны, а также о наличии сосудистых и лимфатических сетей (фиг 2).
<bR /> Рисунок 1: Бесплатный и ограниченной диффузии Схематическое изображение молекулы воды свободной диффузии (слева) и диффузии, ограниченной непроницаемыми стенками (справа)..
Рисунок 2: Комплекс диффузии в ткани Схематическое изображение диффузии воды в системе сотовой связи, показывающий движение молекул воды во внеклеточных и внутриклеточных компартментах и водообмена (стрелки) между этими двумя отделениями..
Из-за специфических архитектурных особенностей груди диффузии молекул воды в молочных протоков и долек представить конкретный пример ограниченного и анизотропной движений: в параллельной стенкам протоков и долек диффузии близка к свободной диффузии, но в направлениях, перпендикулярных к стенам она ограничена стенами, состоящий из двухслои клеток и базальной мембраны. Следовательно диффузии в протоковой / железистой системы сравнительно быстро и анизотропной. С другой стороны, диффузия в соединительной волокнистой ткани, окружающей протоки очень быстро и изотропно, в результате высокого содержания воды и низкой плотности клеток в данной ткани (фиг.3 и 4). В присутствии злокачественной опухоли, закупорка протоков и долек раковыми клетками увеличивает извилистость и ограничение движения воды, что приводит к снижению коэффициентов диффузии во всех направлениях, и в анизотропной движения (рис 3 и 4).
Рисунок 3: Диффузия в груди дольки Схематическое изображение разреза через долек и диффузии воды внутри одной дольки.. Слева: диффузия воды, ограниченном стенами дольки ", показывая быстродиффузии параллельно стенкам и ограниченной диффузии перпендикулярно к стенам. Справа: диффузии в дольки с раковыми клетками. Диффузия в внеклеточное высоко препятствует, но одинаковы во всех направлениях и, следовательно, почти изотропным.
Рисунок 4:. Диффузии воды в системе протоков дерева Слева: Молочные протоки вводили цветной воск, с указанием их излучаемой направление, и свою взаимозависимость ветвление 25. Средний: Схематическое изображение нормального протока дерева с векторами, указывающих на распространение внутри протоков (черные стрелки) и в соединительной ткани (зеленые стрелки). Справа: схематический рисунок протоков дерева с двумя локусов раковых клеток (фиолетовый). Красные стрелки показывают распространение в раковых заболеваний.
Эта статья подробно описывает метод сканирования тензора диффузии и прocessing алгоритмы и программное обеспечение для анализа из DTI наборов данных, которые позволили обнаружения рака молочной злокачественных новообразований. Все рака были подтверждены Гистопатология результатов биопсии молочной железы и / или хирургических образцов. Мы также описать протокол сканирования, взвешенный по Т2 для получения возможности груди анатомические, а также протокол DCE сканирования, который служил в качестве опорного метода для оценки DTI чувствительность обнаружения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
Эта работа демонстрирует способность DTI, отсканированные с 3 T с высоким пространственным разрешением (~ 8 мм 3) для измерения в естественных условиях в воде тензора диффузии параметров во всей fibroglandular ткани в обеих молочных железах. Ансамбль алгоритмов и программного обеспечения, разработанного в ходе данного исследования позволило анализа больших DTI наборов данных и одновременно просматривать диффузии параметрических карт различных коэффициентов диффузии, λ 1, λ 2, λ 3, АЦП и анизотропии индексы λ 1 -λ 3, и FA всех срезах молочной железы. Эта работа также подчеркивает потенциал различных коэффициентов диффузии и показателей анизотропии для обнаружения и диагностики рака молочной железы. Результаты показали, что премьер-коэффициент диффузии, λ 1, является основным параметром для определения рака молочной железы, с существенным способности различать злокачественные от нормальной ткани молочной железы. Вторичный незавивмятина параметр, с высокой чувствительностью, но более низкой специфичностью, чем λ 1, максимальный индекс анизотропии, который действует, чтобы подтвердить обнаружения посредством простого коэффициента диффузии.
Результаты также продемонстрировали способность МРТ для измерения в естественных условиях направленного диффузии воды и количественно анизотропии диффузии во всем протоков / железистой системы в обеих грудях. Для того чтобы обеспечить равномерную точность профиля анизотропной измерений 30 диффузии направлениях градиента были применены. Выбор высокой эхо-времени 120 мс, и оптимизации пространственного разрешения показали ограничение диффузии воды в каналах. Средний размер нормальных каналов, как сообщалось, 90 мкм, с ~ 70% в диапазоне 40-100 мкм 36. В соответствии с уравнением Эйнштейна означает смещение свободного диффузии воды, х = (6DT) 1/2, где D является свободным коэффициент диффузии воды и т диффузиюВремя. В нашем эксперименте х примерно 25 мкм и, следовательно, только часть молекул воды протоков ограничены молочных протоков стенок, что приводит к относительно низким значениям ФА в груди (верхние значения ~ 0,3) по сравнению со значениями, найденными в мозговой белого вещества (≥0.5). В Sir Эстли Купер изучает 25 было установлено, что ткани молочной железы человека состоит из отдельных долек, каждая из которых состоит из протоков дерева. Предварительные ультразвуковые исследования кормящей грудью 37 были попытки, а также определение сечения протоков структур с использованием измерений 38 формы второго порядка. Тем не менее, ни один метод визуализации не удалось до сих пор выявления целые протоков системы в обеих грудях в естественных условиях. Алгоритм получения всей системы 3D протоков дерева от МТП результатов находится в стадии разработки, но векторными картами явно демонстрируют потенциал раскрыть подробную и весьма разнообразный анатомию молочных деревьев. Недавно яnitial попытка полного 3D слежения груди на основе наших DTI наборов данных было сообщено 39.
В ходе этой работы технические ограничения были замечены из-за неэффективного подавления жира и РПИ искажений. Жир подавление было достигнуто за счет последовательности насыщения жира (FAT-сб), который был, как правило, эффективны в плотной груди. Тем не менее, в жирных молочных желез спектральной селекции Ослабленная Инверсия Восстановления (Spair), который является более эффективным и менее чувствительны к неоднородности B1, был применен. Протоколы диффузии на основе EPI были дополнительные ограничения, связанные с градиент индуцированных вихревых токов, B 0 неоднородности поля и восприимчивости различия 40,41. Эти ограничения были сведены к минимуму с помощью итеративного автоматическую и ручную прокладок на воде и жира сигналов и выбора возможное расстояние нижнюю эхо. Кроме того, обработка коррекции после геометрических искажений был иногда применяется, как описано в протоколе. Общий, В случае плотной груди с сильным сигналом воды можно было преодолеть технические ограничения; Однако, 5 случаев в этом исследовании с высокой жирных молочных желез не может быть проанализирована в результате указанных выше ограничений.
Таким образом, протокол и обработки изображений инструменты для груди тензора диффузии МРТ были разработаны. Это полностью безопасно, быстро, и неинвазивный методология точно анализирует архитектуру груди и может способствовать выявлению рака молочной железы в клинике. Простой коэффициент диффузии, λ 1, а максимальный показатель анизотропии, λ 1 -λ 3, были найдены в качестве двух независимых диффузионных параметров для обнаружения рака. Клинические исследования больных раком молочной железы, показали, что эффективность регистрации с этими двумя параметрами сопоставим с DCE MRI. Таким образом, появляются этого метода из базового понимания архитектуры молочной железы и развития рака и его зависимость по выявлениюисчисляемая значительные изменения, а также его бытия безопасный и быстрый способ сделать это ценный инструмент для исследования различных аспектов развития, связанных с протоковой пролиферации, так и для тестирования ее клинических проявлений для скрининга рака молочной железы в крупных проспективных исследованиях.
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 |