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.
Borstkanker is de meest voorkomende oorzaak van kanker bij vrouwen wereldwijd. Vroegtijdige opsporing van borstkanker heeft een cruciale rol in het verbeteren van de kwaliteit van leven en de overleving van borstkankerpatiënten. De huidige standaard methoden voor de opsporing van borstkanker zijn gebaseerd op de x-ray mammografie en echografie. De onvoldoende gevoeligheid en specificiteit van deze technieken, met name voor het detecteren van laesies in dichte borsten, heeft de ontwikkeling van andere technieken waaronder borst- magnetic resonance imaging (MRI). Dynamisch contrast versterkt (DCE) MRI is opgericht als een krachtig instrument voor de detectie en diagnose van borstkanker 1,2 en wordt vaak vergemakkelijkt door computergestuurde diagnose betekent 3. Momenteel wordt gebruikt voor speciale gevallen, zoals risicopatiënten 4, maar niet voor routinematige screening, waarschijnlijk vanwege de hoge kosten, de noodzaak om een injectie van een contrastmiddel, het gebrek aan standaardisatie een gebruiknd de variabele specificiteit in het onderscheiden van goedaardige van kwaadaardige laesies, variërend van lage / matige waarden 5,6 tot hoge waarden die werden verkregen met behulp van gecombineerde mammografie en DCE-MRI 7,8. Recenter diffusie-gewogen MRI en de resulterende kaarten van schijnbare diffusiecoëfficiënt (ADC) zijn geëvalueerd als aanvulling methode DCE-MRI en werd aangetoond dat ADC waarden helpen onderscheiden kankers, benigne laesies en normaal borstweefsel 9,10 . Daarnaast werden studies van borstkanker diffusion tensor imaging (DTI) gestart in gezonde vrijwilligers en patiënten met borstkanker laesies op veldsterkte van 1,5 T 11-15 en van 3 T 16-24. De meeste van deze onderzoeken gerapporteerde ADC en fractionele anisotropie (FA) waarden 11,12,14,15,20-23 en hebben deze twee parameters reproduceerbare ADC waarden beter reproduceerbaar dan FA 13,20 te zijn. De resultaten van deze studies gaven aan dat maligne laesies vertonen vanaf ADC waarden compingared met normaal weefsel en goedaardige laesies echter tegenstrijdige resultaten werden gerapporteerd over de waarden en de diagnostische mogelijkheden van FA 11,12,14,20-23. In een set van 3 T- DTI studies de waarden van de drie tensor eigenwaarden en eigenvectoren in het borstweefsel kader werden ook gerapporteerd, en de resultaten werden gepresenteerd in vector kaarten van de belangrijkste eigenvector parametrische kaarten van de eigenwaarden, ADC, FA en een maximale anisotropie index 16-19,24. In deze onderzoeken de belangrijkste diffusie eigenwaarde en de maximale anisotropie bleken te dienen als de meest gevoelige onafhankelijke parameters voor de detectie en diagnose van kanker laesies
De borst is samengesteld uit fibroglandulair weefsel en vetweefsel. De fibroglandulair weefsel bestaat verder uit veel lobben, die zeer variabel in grootte en vorm zijn. Elke kwab microstructuur omvat de functionele borstklieren boom en bijbehorende melkklieren vormen de klierweefsel, en de omliggende bindweefsel-fivezelig weefsel. Meest mammaire tumoren beginnen afwijkende proliferatie van epitheelcellen in de kanalen of kleine lobben, ontwikkelt in situ carcinoom, die door infiltratie in de omringende weefsel zetten in invasief carcinoom. Daarom is de ductale / lobulair structuren zijn een dwingende noodzaak gebied van onderzoek naar kwaadaardige borst transformatie.
De structurele kenmerken van de ductale bomen werden voor het eerst onderzocht ex vivo in 1840 door Sir Astley Cooper via injectie van gekleurde was om de kanalen van mastectomie exemplaren 25. Onlangs heeft de computer afgeleid bijhouden van de hele borst-ductale bomen bereikt in enkele menselijke borsten met behulp van borstamputatie exemplaren 26,27. De hier gepresenteerde werk toont aan dat de parameters verkregen door in vivo diffusie tensor imaging geven informatie in verband met de verschillende borstweefsel microstructuur, waardoor ook niet-invasieve opsporing van borstkanker.
De physical uitgangspunten borst diffusion tensor imaging zijn gebaseerd op MRI mogelijkheid om te meten en te kwantificeren anisotrope water diffusie in beperkte omgevingen 28. In het algemeen diffusie water in homogene oplossingen vrij en isotroop echter, indien de waterbeweging gestopt wegens de beperking van ondoorlaatbare wanden van de diffusie wordt anisotrope met een snelle vrije diffusie evenwijdig aan de wanden en een langzamere beperkte diffusie loodrecht op de wanden ( Figuur 1). Water diffusie in weefsels is complex en hangt af van de structurele en fysiologische kenmerken van de intra- en extracellulaire compartimenten waaronder cellen formaten cellen dichtheid extracellulair kronkeligheid en water uitwisseling door membranen, en op de aanwezigheid van vasculaire en lymfatische netwerken (Figuur 2).
<br /> Figuur 1: Vrij en beperkte verspreiding Schematische tekening van een watermolecuul vrije diffusie (links) en de verspreiding beperkt door ondoordringbare wanden (rechts)..
Figuur 2: Complex diffusie in een weefsel Schematische tekening van water diffusie in een cellulair systeem toont watermoleculen beweging in de extracellulaire en intracellulaire compartimenten en wateruitwisseling (pijlen) tussen beide compartimenten..
Door de specifieke architecturale kenmerken van de borst van de diffusie van watermoleculen in de mammae leidingen en lobben met een bijzonder voorbeeld van beperkte en anisotrope beweging: Parallel aan de wanden van de leidingen en lobules de diffusie dicht bij die vrije diffusie maar in de richtingen loodrecht op de wanden wordt beperkt door de wanden, bestaande uit tweelagen van de cel en basaal membraan. Dus ook de diffusie in de ductale / kliersysteem is relatief snel en anisotroop. Aan de andere kant, de diffusie in het verbindend bindweefsel rond de leidingen is snel en isotroop als gevolg van het hoge watergehalte en lage celdichtheid in dit weefsel (figuren 3 en 4). In aanwezigheid van maligniteit, verstopping van de leidingen en melkklieren van kankercellen verhoogt de kronkeligheid en beperking van de waterstroom, waardoor een vermindering van de diffusie coëfficiënten in alle richtingen en in de anisotrope beweging (figuur 3 en 4).
Figuur 3: Diffusion in borst melkklieren Schematische tekening van een snede door de melkklieren en de verspreiding water binnen één lobule.. Links: diffusie van water beperkt door muren van de melkklieren 'toont sneldiffusie evenwijdig aan de wanden en beperkte diffusie loodrecht op de wanden. Rechts: diffusie in melkklieren met kankercellen. De diffusie in de extracellulaire ruimte is sterk gehinderde maar vergelijkbaar in alle richtingen en dus bijna isotroop.
Figuur 4:. Diffusie Water in het ductale boomstructuur Links: Borst buizen geïnjecteerd met gekleurde was, waarin hun uitgestraalde richting en hun onderlinge vertakking 25. Midden: Schematische tekening van een normale ductale boom met vectoren waarin de diffusie in de leidingen (zwarte pijlen) en in het bindweefsel (groene pijlen). Rechts: Schematische tekening van een ductaal boom met twee loci van kankercellen (paars). Rode pijlen vertonen de diffusie in de kanker.
Dit document beschrijft in detail de diffusie tensor scanmethode en de prHOUTBEWERKINGS- algoritmen en software-analyse van de DTI datasets die ingeschakeld detecteren borst maligniteit. Alle kankers werden bevestigd door histopathologiebevindingen van borst biopsie en / of chirurgische exemplaren. Wij de T2-gewogen scanprotocol beschrijven ook voor het verkrijgen van de borst anatomische kenmerken, evenals de DCE scanprotocol dat diende als referentie methode voor het evalueren van de DTI detectie gevoeligheid. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Dit werk demonstreert het vermogen van DTI gescande 3 T hoge ruimtelijke resolutie (~ 8 mm3), te meten in vivo het water diffusie tensor parameters in het gehele fibroglandulair weefsel van beide borsten. Het ensemble van algoritmes en software ontwikkeld in de loop van deze studie mogelijk analyse van de grote DTI datasets en tegelijkertijd bekijk de verspreiding parametrische kaarten van verschillende diffusiecoëfficiënten, λ 1, 2 λ, λ 3, ADC en anisotropie indices λ 1 -λ 3 en FA van borst segmenten. Dit werk benadrukt ook het potentieel van de verschillende diffusiecoëfficiënten en anisotropie indices te detecteren en diagnosticeren van borstkanker. De resultaten gaven aan dat de eerste diffusiecoëfficiënt, λ 1, is de belangrijkste parameter voor het detecteren van borstkanker, met een aanzienlijke mogelijkheid om onderscheid tussen kwaadaardige en normaal borstweefsel. Een secundaire onafdeuk parameter met een hoge gevoeligheid, maar veel lagere specificiteit dan λ 1, is het maximum anisotropie index die werkt om de detectie door de eerste diffusiecoëfficiënt bevestigen.
De resultaten toonden ook de mogelijkheid van MRI om in vivo meten van de directionele water diffusie en kwantificeren van de anisotropie van de diffusie in het gehele ductaal / kliersysteem in beide borsten. Om een uniforme nauwkeurig profiel van de anisotrope diffusie metingen 30 gradiëntrichtingen waarborgen toegepast. De selectie van hoge echo-tijd van 120 msec en de optimalisering van de ruimtelijke resolutie bleek de beperking van de diffusie water in de leidingen. De gemiddelde grootte van normale kanalen naar verluidt 90 urn, met ~ 70% in het traject van 40-100 urn 36. Volgens Einstein vergelijking de gemiddelde verplaatsing van gratis water diffusie, x = (6DT) 1/2, waarbij D de gratis water diffusiecoëfficiënt en t de diffusietijd. In ons experiment x ongeveer 25 urn, en dus slechts een fractie van de ductale watermoleculen worden beperkt door de ductale mammaire wanden, waardoor de relatief lage FA waarden in de borst (bovengrenzen ~ 0,3) vergeleken met de waarden in de hersenen witte stof (≥0.5). In Sir bestudeert Astley Cooper 25 werd onthuld dat het menselijk borstweefsel is georganiseerd in aparte lobben, elk bestaande uit een ductaal boom. Voorlopige echografie onderzoeken van een zogende borst 37 werden geprobeerd, alsmede opsporing van sectionele ductaal structuren met behulp van de tweede orde vorm metingen 38. Er is echter geen beeldvormingswerkwijze geslaagd dusver waaruit de gehele ductale systemen beide borsten in vivo. Het algoritme voor het verkrijgen van de volledige 3D ductale boomstructuur van de DTI resultaten nog in ontwikkeling maar de vector kaarten vertonen duidelijk het potentieel om de gedetailleerde en sterk gediversifieerde anatomie van de borstklier bomen onthullen. Onlangs een initial poging van een volledige 3D volgen van de borst basis van onze DTI datasets gemeld 39.
Tijdens deze werkzaamheden technische beperkingen zijn opgemerkt vanwege inefficiënte vet onderdrukking en EPI distorsies. Vet onderdrukking werd bereikt door een dikke verzadiging sequence (FAT-SAT) die meestal efficiënt in dichte borsten was. Echter, in vette borsten Spectral Selectie Verzwakte Inversion Recovery (SPAIR), die efficiënter en minder gevoelig B1 inhomogeniteit werd toegepast. De EPI gebaseerd diffusie protocollen hadden extra beperkingen als gevolg van geïnduceerde wervelstromen verloop, B 0 veldinhomogeniteit en gevoeligheid verschillen 40,41. Deze beperkingen werden geminimaliseerd door iteratieve automatische en handmatige vulplaten aan het water en vet signalen en het kiezen van de onderste mogelijke echo afstand. Daarnaast werd een nabewerking correctie van geometrische vervormingen soms toegepast zoals beschreven in het protocol. GlobaalIn het geval van dichte borsten met een sterke watersignaal het mogelijk de technische beperkingen te overwinnen was; echter, 5 gevallen in deze studie met zeer vette borsten kon niet worden onderzocht door de bovenstaande beperkingen.
Samengevat, hebben een protocol en beeldverwerking gereedschappen voor borst diffusie tensor MRI ontwikkeld. Dit volledig veilig, snel en niet-invasieve methode nauwkeurig ontleedt borst architectuur en kan detectie van borstkanker in de kliniek te vergemakkelijken. De eerste diffusiecoëfficiënt, λ 1 en de maximale anisotropie index, λ 1 -λ 3, bleken te dienen als twee onafhankelijke diffusieparameters voor het detecteren van kanker. Klinische studies van borstkankerpatiënten bleek dat de detectie-efficiëntie met deze twee parameters is vergelijkbaar met die van DCE MRI. Zo is de opkomst van deze methode van basiskennis van de borst architectuur en van de ontwikkeling van kanker en de afhankelijkheid van het openbarenkwantificeerbare significante veranderingen, evenals zijn dat een veilige en snelle methode maakt het een waardevol instrument voor het onderzoeken van verschillende ontwikkelingsaspecten met ductaal proliferatie, en voor het testen van de klinische gevolgen voor borstkankerscreening in grootschalige prospectieve studies.
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 |