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.
El cáncer de mama es la causa más común de cáncer entre las mujeres en todo el mundo. La detección temprana del cáncer de mama tiene un papel fundamental en la mejora de la calidad de vida y la supervivencia de pacientes con cáncer de mama. Los métodos estándar actuales para la detección del cáncer de mama se basan en la mamografía de rayos X y ecografía. La sensibilidad y especificidad de estas técnicas, en particular para la detección de lesiones en mamas densas insuficiente, ha estimulado el desarrollo de otras técnicas, incluyendo la resonancia magnética de mama (MRI). Contraste dinámico mejorado (DCE) MRI se ha establecido como una poderosa herramienta para la detección y el diagnóstico de cáncer de mama 1,2 y es frecuentemente facilitado por el diagnóstico asistido por ordenador significa 3. Actualmente se utiliza para casos especiales, como los pacientes de alto riesgo 4, pero no para la detección de rutina, presumiblemente a causa de los altos costos, la necesidad de utilizar una inyección de un agente de contraste, la falta de estandarización de unnd la especificidad variable en diferenciar lesiones benignas de las malignas que van desde valores bajos / moderados 5,6 a altos valores que se obtuvieron mediante la mamografía combinado y RM-RT 7,8. Más recientemente, la difusión RM ponderada y los mapas resultantes de coeficiente de difusión aparente (ADC) han sido evaluados como un método de complemento a RM-RT y se demostró que los valores de ADC pueden ayudar a distinguir entre los tipos de cáncer, lesiones benignas y el tejido mamario normal 9,10 . Además, se iniciaron los estudios de imágenes de tensor de difusión de mama (DTI) en voluntarios sanos y pacientes con lesiones de la mama en la intensidad de campo de 1,5 T 11-15 y de 3 T 16-24. La mayoría de estos estudios informaron ADC y anisotropía fraccional (FA) valores 11,12,14,15,20-23 y encontrado los dos parámetros que puedan reproducirse con los valores de ADC más reproducibles de FA 13,20. Los resultados de estos estudios indicaron que las lesiones malignas presentan valores bajos de ADC como un borradorared a las lesiones de tejidos normales y benignos, sin embargo, se informaron resultados contradictorios en los valores y la capacidad de diagnóstico de FA 11,12,14,20-23. En un conjunto de 3 T- estudios DTI se informaron los valores de los tres valores propios del tensor y vectores propios en el marco de tejido de mama, así, y los resultados se presentan en mapas vectoriales del vector propio principal y mapas paramétricos de los valores propios, ADC, FA y un índice de anisotropía máxima 16-19,24. En estos estudios, el principal valor propio de difusión y la anisotropía máxima se muestran para servir como los parámetros independientes más sensibles para la detección y diagnóstico de lesiones de cáncer
La mama está compuesta de tejido fibroglandular y tejido graso. El tejido fibroglandular se compone además de muchos lóbulos, que son altamente variables en tamaño y forma. Cada microestructura lóbulo incluye el árbol funcional mamaria y lóbulos asociados que forman el tejido glandular, y los alrededores conectivo-fitejido fibroso. La mayoría de los tumores malignos mamarios empiezan por la proliferación aberrante de las células epiteliales en los conductos o lóbulos, el desarrollo de carcinoma in situ, que por la infiltración en el tejido circundante se convierten en carcinoma invasivo. Por lo tanto, las estructuras ductales / lobulares son un área fundamental de investigación de la transformación maligna de mama.
Las características estructurales de los árboles ductales se investigaron primera ex vivo en 1840 por Sir Astley Cooper usando inyección de cera de color a los conductos de las muestras de mastectomía 25. Recientemente, seguimiento calculado por computadora de los árboles ductales de toda la mama se ha logrado en pocos pechos humanos utilizando muestras de mastectomía 26,27. El trabajo presentado aquí demuestra que los parámetros obtenidos por en vivo de imágenes de tensor de difusión proporcionan información asociada a las características microestructurales de tejido mamario distintas, lo que permite también la detección del cáncer de mama no invasivo.
El pprincipios subyacentes ÍSICA imágenes de tensor de difusión de mama se basan en la capacidad de resonancia magnética para medir y cuantificar la difusión del agua anisotrópico en entornos restringidos 28. En general, la difusión del agua en soluciones homogéneas es libre e isotrópico, sin embargo, si se detiene el movimiento del agua debido a la restricción por paredes impermeables a la difusión se vuelve anisotrópica con una difusión libre rápido paralela a las paredes y una difusión más lenta restringido perpendicular a las paredes ( la Figura 1). La difusión del agua en los tejidos es compleja y depende de las características estructurales y fisiológicas de la intra y extracelulares incluyendo compartimentos 'tamaños células células de baja densidad, tortuosidad extracelular y el intercambio de agua a través de membranas, así como en la presencia de redes vasculares y linfáticos (Figura 2).
<br /> Figura 1: difusión libre y restringido Dibujo esquemático de una difusión libre de la molécula de agua (izquierda) y la difusión restringida por paredes impermeables (derecha)..
Figura 2: Complejo de difusión en un tejido Dibujo esquemático de la difusión del agua en un sistema celular que muestra el movimiento moléculas de agua en los compartimentos extracelulares e intracelulares y el intercambio de agua (flechas) entre estos dos compartimentos..
Debido a las características arquitectónicas específicas de la mama la difusión de moléculas de agua en los conductos mamarios y lóbulos presenta un ejemplo particular de movimiento restringido y anisotrópico: En paralelo a las paredes de los conductos y lóbulos de la difusión es cercana a la de libre difusión, pero en las direcciones perpendiculares a las paredes está restringido por las paredes, compuestas por doscapas de membrana de la célula y el sótano. En consecuencia, la difusión en el sistema ductal / glandular es relativamente rápido y anisotrópico. Por otra parte, la difusión en el tejido fibroso conectivo que rodea los conductos es rápido y isotrópico como resultado de la alto contenido de agua y baja densidad celular en este tejido (Figuras 3 y 4). En la presencia de malignidad, bloqueo de los conductos y lóbulos por las células cancerosas aumenta la tortuosidad y la restricción del movimiento de agua, causando una reducción en los coeficientes de difusión en todas las direcciones y en el movimiento anisotrópico (Figura 3 y 4).
Figura 3: Difusión en lóbulos mamarios Dibujo esquemático de un corte a través de los lóbulos y la difusión de agua dentro de lóbulo.. Izquierda: la difusión de agua restringido por las paredes de los lóbulos 'Showing rápidodifusión paralela a las paredes y de difusión restringida perpendicular a las paredes. Derecha: la difusión en los lóbulos con células cancerosas. La difusión en el compartimento extracelular es muy obstaculizada pero similar en todas las direcciones y, por tanto, casi isotrópica.
Figura 4:. La difusión del agua en el sistema de árbol ductal Izquierda: conductos mamarios inyectados con cera de color, que muestran su dirección radiada, y su interrelación ramificación 25. Medio: Dibujo esquemático de un árbol ductal normal con vectores que indican la difusión dentro de los conductos (flechas negras) y en el tejido conectivo (flechas verdes). Derecha: Dibujo esquemático de un árbol ductal con dos loci de las células cancerosas (morado). Las flechas rojas muestran la difusión en los tipos de cáncer.
En este trabajo se describe en detalle el método de exploración de tensor de difusión y el pralgoritmos ocessing y software de análisis de los conjuntos de datos DTI que permitieron la detección de tumores malignos de mama. Todos los cánceres fueron confirmadas por los hallazgos histopatológicos de la biopsia de mama y / o piezas quirúrgicas. También describe el protocolo de exploración T2 ponderado para la obtención de las características anatómicas de mama, así como el protocolo de exploración DCE que sirvió como método de referencia para la evaluación de la sensibilidad de detección DTI. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Este trabajo demuestra la capacidad de DTI, explorada en 3 T con una alta resolución espacial (~ 8 mm 3), para medir in vivo de los parámetros de tensor de difusión de agua en todo el tejido fibroglandular de ambos senos. El conjunto de algoritmos y software desarrollados en el curso de este estudio permitió el análisis de los grandes conjuntos de datos DTI y simultáneamente ver los mapas paramétricos de difusión de los diferentes coeficientes de difusión, λ 1, λ 2, λ 3, los índices de ADC y anisotropía λ 1 -λ 3, y FA de todas las rebanadas de pechuga. Este trabajo también hace hincapié en el potencial de los distintos coeficientes de difusión y los índices de anisotropía para detectar y diagnosticar el cáncer de mama. Los resultados indicaron que el coeficiente de difusión prime, λ 1, es el parámetro principal para la detección de cáncer de mama, con una capacidad sustancial para diferenciar maligna del tejido normal de mama. Un indepen secundariaparámetro Dent, con alta sensibilidad pero la especificidad mucho menor que λ 1, es el índice máximo de la anisotropía que actúa para confirmar la detección por el primer coeficiente de difusión.
Los resultados también demostraron la capacidad de MRI para medir in vivo la difusión de agua direccional y cuantificar la anisotropía de la difusión en todo el ductal / sistema glandular en ambos senos. A fin de garantizar un perfil uniforme de precisión de las mediciones anisotrópicas 30 de difusión gradiente direcciones se aplicaron. La selección de alto tiempo de eco de 120 ms, y la optimización de la resolución espacial reveló la restricción de la difusión del agua en los conductos. El tamaño medio de los conductos normales se informó de que 90 micras, con ~ 70% en el rango de 40-100 micras 36. Según la ecuación de Einstein el desplazamiento de la difusión del agua libre, x = (6DT) 1/2, donde D es el coeficiente de difusión de agua libre media y t la difusióntiempo. En nuestro experimento x es de aproximadamente 25 micras, y por lo tanto, sólo una fracción de las moléculas de agua ductal están restringidos por las paredes ductales mamarias, que conduce a los valores relativos bajos FA en la mama (valores superiores ~ 0,3) en comparación con los valores encontrados en la sustancia blanca del cerebro (≥0.5). En Sir Astley Cooper estudia 25 se reveló que el tejido mamario humano está organizado en lóbulos separados, cada uno compuesto de un árbol ductal. Se intentaron estudios de ultrasonido preliminares de un pecho lactante 37, así como la detección de las estructuras ductales seccionales utilizando mediciones de la forma de segundo orden 38. Sin embargo, ningún método de imagen ha tenido éxito hasta ahora revelando la totalidad del sistema ductal en ambos senos en vivo. El algoritmo para la obtención de todo el sistema de árbol ductal 3D a partir de los resultados del DTI está todavía en desarrollo, pero el vector mapas exhiben claramente el potencial de revelar la anatomía detallada y altamente diversificada de los árboles mamarias. Recientemente un iintento nitial de un seguimiento 3D completa de la mama sobre la base de nuestras bases de datos DTI se informó de 39.
En el curso de este trabajo limitaciones técnicas han sido notado debido a la supresión de grasa ineficiente y distorsiones del PAI. Supresión de grasa se logró mediante una secuencia de saturación de la grasa (FAT-SAT) que era por lo general eficiente en mamas densas. Sin embargo, en los pechos grasos espectral Selección atenuada Inversion de recuperación (de SPAIR), que es más eficiente y menos sensible a la falta de homogeneidad B1, se aplicó. Los protocolos de difusión basados EPI tenían limitaciones adicionales debido al gradiente corrientes parásitas inducidas, B 0 El campo de la falta de homogeneidad y diferencias de susceptibilidad 40,41. Estas limitaciones se reducen al mínimo mediante el uso reiterativo de calce automático y manual de las señales de agua y grasa y elegir el espaciamiento de eco menor posible. Además, una corrección procesamiento posterior de las distorsiones geométricas de vez en cuando se aplicó como se describe en el Protocolo. Total, En el caso de mamas densas con una señal de agua fuerte que era posible superar las limitaciones técnicas; sin embargo, 5 casos de este estudio con los pechos muy grasos no pudieron analizarse debido a las limitaciones anteriores.
En resumen, se han desarrollado un protocolo y procesamiento de imágenes herramientas de tensor de difusión de mama MRI. Esta metodología completamente segura, rápida y no invasiva disecciona con precisión la arquitectura de mama y puede facilitar la detección de cáncer de mama en la clínica. El coeficiente de difusión prime, λ 1, y el índice de anisotropía máxima, λ 1 -λ 3, se encontraron para servir como dos parámetros de difusión independientes para la detección de cáncer. Los estudios clínicos de pacientes con cáncer de mama mostraron que la eficiencia de detección con estos dos parámetros es comparable a la de DCE MRI. Por lo tanto, la emergencia de este método de comprensión básica de la arquitectura de mama y de desarrollo del cáncer y su dependencia de revelarcambios significativos y cuantificables, así como su ser un método seguro y rápido hacen que sea una herramienta valiosa para la investigación de diversos aspectos del desarrollo que implican la proliferación ductal, y para probar su impacto clínico para la detección del cáncer de mama en estudios prospectivos a gran escala.
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 |