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.
Brustkrebs ist die häufigste Ursache von Krebs bei Frauen. Früherkennung von Brustkrebs hat eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Lebensqualität und das Überleben von Brustkrebspatientinnen. Die aktuellen Standardverfahren zur Erkennung von Brustkrebs sind auf Röntgen Mammographie und Ultraschall Abtastung. Die unzureichende Empfindlichkeit und Spezifität dieser Verfahren, insbesondere zur Detektion von Läsionen bei dichten Brüsten, hat die Entwicklung von anderen Techniken, einschließlich Brust- Magnetresonanzbildgebung (MRI) stimuliert. Dynamische kontrastverstärkte (DCE) MRT wurde als leistungsfähiges Werkzeug für den Nachweis und die Diagnose von Brustkrebs 1,2 etabliert und wird häufig von computergestützten Diagnose erleichtert Mittel 3. Derzeit ist es für Sonderfälle, wie beispielsweise Patienten mit hohem Risiko 4 verwendet wird, aber nicht für Routine-Screening, vermutlich wegen der hohen Kosten, die Notwendigkeit, eine Injektion eines Kontrastmittels, die fehlende Standardisierung ein verwendennd die Variable Spezifität bei der Differenzierung von benignen und malignen Läsionen, die von niedrigen / mäßigen Werten 5,6 auf hohe Werte, die mit kombinierten Mammographie und DCE-MRI 7,8 erhalten. In jüngerer Zeit diffusionsgewichteten MRT und die daraus resultierenden Karten der scheinbaren Diffusionskoeffizienten (ADC) haben als Ergänzung Methode, um DCE-MRI untersucht und es wurde gezeigt, dass die ADC-Werte können helfen, zwischen Krebs, gutartige Läsionen und normalem Brustgewebe 9,10 . Darüber hinaus wurden Untersuchungen der Brust Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) bei gesunden Probanden und Patienten mit Brustläsionen bei Feldstärke von 1,5 T von 11 bis 15 und von 16 bis 24 T 3 eingeleitet. Die meisten dieser Studien berichtet ADC und fraktionierte Anisotropie (FA) Werte 11,12,14,15,20-23 und fanden diese beiden Parameter reproduzierbar ADC Werte reproduzierbarer als FA 13,20 sein. Die Ergebnisse dieser Studien zeigten, dass maligne Läsionen weisen niedrige ADC Werte compared zu normalem Gewebe und gutartige Läsionen jedoch widersprüchliche Ergebnisse wurden auf die Werte und Diagnosefähigkeit des FA 11,12,14,20-23 wiesen. In einer Menge von 3 T- DTI Studien werden die Werte der drei Tensor Eigenwerte und Eigenvektoren in dem Brustgewebe Rahmen wurden auch berichtet, und die Ergebnisse wurden in Vektorkarten des Haupteigenvektors und Parameterkarten der Eigenwerte, ADC, FA vorgestellt und eine Maximal Anisotropieindex 16-19,24. In diesen Studien wurde die Hauptdiffusionseigenwert und die maximale Anisotropie wurde gezeigt, wie die empfindlichsten unabhängige Parameter für die Erkennung und Diagnose von Krebs Läsionen dienen
Die Brust wird von fibroglandular und Fettgewebe besteht. Die fibroglandular Gewebe weiter vieler Keulen, die sehr variabel in Größe und Form zusammengesetzt sind. Jeder Lappen Mikrostruktur beinhaltet die Funktionsbrustbaum und zugehörige Läppchen bildet das Drüsengewebe, und die umliegende Bindegewebe-Fifaserige Gewebe. Die meisten Milch Malignitäten starten durch aberrante Proliferation von Epithelzellen in den Kanälen oder Läppchen, entwickelt sich in situ Karzinome, die durch Infiltration in die umgebenden Gewebe in ein invasives Karzinom drehen. Daher sind die duktalen / lobulären Strukturen eine Notwendigkeit Untersuchungsgebiet des bösartigen Brust Transformation.
Die Strukturmerkmale der duktalen Bäume wurden zunächst untersucht, ex vivo 1840 von A. Cooper mit Injektion von farbigem Wachs zu den Kanälen der Mastektomie Proben 25. Vor kurzem hat Computer abgeleitet Verfolgung Ganzbrust duktale Bäume in wenigen menschlichen Brüsten mit Mastektomie Exemplare 26,27 erreicht. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass durch die in-vivo-Diffusions-Tensor-Bildgebung gewonnenen Parameter geben Auskunft zu den verschiedenen Brustgewebe Mikrostrukturelementen verbunden sind, so dass auch nicht-invasiven Brustkrebs-Erkennung.
Die physical Prinzipien Brust Diffusionstensorbildgebung zugrunde liegen, werden in der MRT-Fähigkeit der Basis zu messen und zu quantifizieren anisotrope Diffusion von Wasser in eingeschränkten Umgebungen 28. In der Regel Wasserdiffusion in homogenen Lösungen ist kostenlos und isotrop, jedoch, wenn die Wasserbewegung ist wegen der Beschränkung durch undurchlässige Wände angehalten die Diffusion anisotrop mit einem schnellen freien Diffusion parallel zu den Wänden und einem langsameren eingeschränkten Diffusion senkrecht zu den Wänden ( Abbildung 1). Diffusion von Wasser in den Geweben ist komplex und hängt von der strukturellen und physiologischen Eigenschaften der intra- und extrazellulären Kompartimenten, einschließlich Zellen Größen Zellen Dichte extrazellulärem Tortuosität und Wasseraustausch durch Membranen, wie auch auf die Anwesenheit von vaskulären und lymphatischen Netze (Fig 2).
<br /> Abbildung 1: Freier und eingeschränkte Diffusion Schematische Darstellung eines Wassermoleküls freie Diffusion (links) und die Diffusion durch undurchlässige Wände (rechts) beschränkt..
Abbildung 2: Komplexe Diffusion in einem Gewebe Schemazeichnung Wasserdiffusion in einem zellularen System, das Wassermoleküle Bewegung in den extrazellulären und intrazellulären Kompartimenten und Wasseraustausch (Pfeile) zwischen diesen beiden Kammern..
Aufgrund der spezifischen Architektur des Brust die Diffusion von Wassermolekülen in den Milchgängen und Läppchen stellen ein spezielles Beispiel beschränkt ist und anisotrope Bewegung: Parallel zu den Wänden der Kanäle und Läppchen die Diffusion in der Nähe der der freien Diffusion, sondern in den Richtungen senkrecht zu den Wänden ist es durch die Wände begrenzt, von zwei zusammenSchichten von Zelle und Basalmembran. Folglich ist die Diffusion in der duktalen / Drüsensystems relativ schnell ist und anisotrop. Andererseits ist die Diffusion in der Umgebung der Leitungen Bindefasergewebe schnell und isotropen infolge des hohen Wassergehalt und einer niedrigen Zelldichte in diesem Gewebe (3 und 4). In Gegenwart von Malignität, Verstopfung der Leitungen und Läppchen von Krebszellen erhöht die Tortuosität und Einschränkung der Bewegung des Wassers, was eine Verringerung der Diffusionskoeffizienten in allen Richtungen und in der anisotropen Bewegung (Abbildung 3 und 4).
Abbildung 3: Diffusion in die Mutter Läppchen Schematische Darstellung eines Schnitts durch den Läppchen und der Wasserdiffusion im Inneren eines Lobulus.. Links: Diffusion von Wasser durch die Läppchen "Mauern, die schnell eingeschränktDiffusions parallel zu den Wänden und eingeschränkte Diffusion senkrecht zu den Wänden. Rechts: Diffusion in Läppchen mit Krebszellen. Die Diffusion in der extrazellulären Kammer ist stark behindert, aber ähnlich in allen Richtungen, und daher nahezu isotrop.
Abb. 4: Wasserdiffusion im duktalen Baumsystem Links: Milchgänge mit farbigem Wachs eingespritzt wird, die ihre Richtung abgestrahlte und ihre inter Verzweigung 25. Mitte: Schematische Darstellung eines normalen Duktus Baum mit Vektoren, die die Diffusion im Innern der Kanäle (schwarze Pfeile) und im Bindegewebe (grüne Pfeile). Rechts: Schematische Darstellung eines duktalen Baum mit zwei Loci von Krebszellen (violett). Rote Pfeile zeigen die Diffusion in den Krebsarten.
Dieses Papier beschreibt im Detail die Diffusions-Tensor-Scan-Methode und die prmitteltech Algorithmen und Software Analyse der DTI Datenmengen, die Erkennung Brust Malignität aktiviert. Alle Krebserkrankungen wurden durch Histopathologie Ergebnisse der Brustbiopsie und / oder chirurgischen Proben bestätigt. Wir beschreiben auch die T2 gewichtet Scanprotokoll für den Erhalt der Brust anatomische Merkmale sowie die DCE Scan-Protokoll, das als Referenzmethode zur Bewertung der DTI Nachweisempfindlichkeit serviert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Diese Arbeit zeigt die Fähigkeit von DTI, mit hoher räumlicher Auflösung (~ 8 mm 3), in vivo zu messen die Wasser Diffusions-Tensor-Parameter im gesamten fibroglandular Gewebe beider Brüste gescannt bei 3 T. Das Ensemble von Algorithmen und Software im Verlauf dieser Studie konnten Analyse der große DTI Datensätze entwickelt und gleichzeitig die Diffusionsparameterkarten der verschiedenen Diffusionskoeffizienten λ 1, λ 2, λ 3 zu sehen, ADC und Anisotropie Indizes λ 1 -λ 3 und FA aller Bruststreifen. Diese Arbeit geht auch das Potential der verschiedenen Diffusionskoeffizienten und Anisotropie Indizes zu erkennen und zu diagnostizieren Brustkrebs. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass die Hauptdiffusionskoeffizient, λ 1 ist der Hauptparameter für die Erkennung von Brustkrebs, die ein wesentliches Fähigkeit von normalem Brustgewebe differen bösartig. Eine Sekundär unabdent Parameter mit hoher Empfindlichkeit, aber viel niedriger Spezifität als λ 1 ist, die maximale Anisotropie Index, der die Erfassung durch die prime Diffusionskoeffizient bestätigen wirkt.
Die Ergebnisse zeigten auch die Fähigkeit der MRI in vivo Messung der gerichteten Diffusion von Wasser und Quantifizierung der Anisotropie der Diffusion in der gesamten duktalen / Drüsensystem in beiden Brüsten. Um eine gleichbleibende Präzision Profil der anisotrope Messungen 30 Diffusionsgradient Richtungen zu gewährleisten wurden angewendet. Die Auswahl von hochEchoZeit von 120 ms und die Optimierung der räumlichen Auflösung ergab die Beschränkung der Diffusion von Wasser in den Kanälen. Die durchschnittliche Größe der Normalkanäle berichtet wurde, 90 & mgr; m im Bereich von 40-100 & mgr; m 36 ist, mit ~ 70%. Nach Einsteins Gleichung die mittlere Verschiebung der freien Wasserdiffusion, x = (6DT) 1/2, wobei D für den freien Wasserdiffusionskoeffizienten und t die DiffusionsZeit. In unserem Experiment x ist etwa 25 & mgr; m, und daher wird nur ein Bruchteil der duktalen Wassermoleküle von den Brustmilchgangwände begrenzt, die zu den relativ niedrigen FA Werte in der Brust (Oberwerte ~ 0,3) im Vergleich zu den Werten gefunden in der weißen Substanz des Gehirns (≥0.5). In A. Cooper studiert 25 bekannt wurde, dass die menschliche Brustgewebe in einzelne Lappen organisiert, die jeweils aus einem duktalen Baum zusammen. Vorläufige Ultraschall-Untersuchungen eines laktierenden Brust 37 versucht wurden, sowie Erkennung von Schnittgangstrukturen mit zweiter Ordnung Formmessungen 38. Es wurde jedoch keine bildgebende Methode gelang es bis jetzt hat man den gesamten duktalen Systeme in beiden Brüsten in vivo. Der Algorithmus für den Erhalt der gesamten 3D-duktale Baumsystem von den DTI Ergebnisse noch in der Entwicklung, aber der Vektor-Karten deutlich zeigen das Potenzial, die detaillierte und breit diversifizierter Anatomie der Brust Bäume zu offenbaren. Vor kurzem wurde ein initial Versuch einer vollständigen 3D-Tracking der Brust auf der Grundlage unserer DTI Datensätzen wurde 39 ausgewiesen.
Im Zuge dieser Arbeiten wurden technische Beschränkungen aufgrund ineffizienter Fettunterdrückung und EPI Verzerrungen bemerkt worden. Fettunterdrückung wurde von einer Fettsättigung Sequenz (FAT-TV), die in der Regel in dichtem Brustgewebe effizient war erreicht. Jedoch in Fett Brüste Spektralauswahl Attenuated Inversion Recovery (SPAIR), die effizienter ist und weniger von B1 Inhomogenität ist, aufgetragen. Die EPI basiert Diffusions Protokolle mussten zusätzliche Einschränkungen durch induzierte Wirbelströme Gradienten, B0 Inhomogenität und Suszeptibilitätsunterschiede 40,41. Diese Beschränkungen wurden mit iterativen automatische und manuelle Shim auf die Wasser und Fett-Signale und die Wahl der unteren möglich Echoabstand minimiert. Darüber hinaus wurde eine Nachbearbeitung Korrektur geometrischer Verzerrungen gelegentlich angewendet, wie im Protokoll beschrieben. Insgesamt, Im Falle von dichtem Brustgewebe mit einem starken Wassersignal es möglich, die technischen Einschränkungen zu überwinden war; jedoch konnte 5 Fälle in dieser Studie mit hochFett Brüste nicht auf die obigen Einschränkungen analysiert werden.
Zusammenfassend, ein Protokoll und einen Bildverarbeitungswerkzeuge für Brust Diffusionstensors MRI entwickelt. Diese völlig sichere, schnelle und nicht-invasive Methode genau seziert Brust Architektur und Erkennung von Brustkrebs in der Klinik zu erleichtern. Die prime Diffusionskoeffizienten λ 1, und die maximale Anisotropie-Index λ 1 -λ 3 wurden in Form von zwei unabhängigen Diffusionsparameter für die Krebserkennung dienen. Klinische Studien von Brustkrebs-Patienten zeigten, daß die Detektionseffizienz mit diesen beiden Parametern ist vergleichbar mit der DCE MRI. Somit wird die Schwellen dieser Methode aus grundlegendes Verständnis der Brust Architektur und der Krebsentstehung und die Abhängigkeit von enthülltquantifizierbare wesentliche Änderungen sowie seine ein sicheres und schnelles Verfahren machen es ein wertvolles Instrument für die Untersuchung von verschiedenen Entwicklungsaspekte duktale Proliferation, die, und zur Prüfung ihrer klinischen Auswirkungen für Brustkrebs-Screening in großem Maßstab prospektiven Studien.
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 |