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.
O câncer de mama é a causa mais comum de câncer entre as mulheres em todo o mundo. A detecção precoce do câncer de mama tem um papel fundamental na melhoria da qualidade de vida e sobrevida dos pacientes com câncer de mama. Os atuais métodos de referência para a detecção do câncer de mama são baseados em mamografia de raios-x e ultra-sonografia. A insuficiente sensibilidade e especificidade destas técnicas, particularmente para a detecção de lesões nas mamas densas, estimulou o desenvolvimento de outras técnicas, incluindo imagiologia de ressonância magnética da mama (MRI). Contraste dinâmico melhorado (DCE) MRI foi estabelecida como uma poderosa ferramenta para a detecção e diagnóstico de câncer de mama 1,2 e é frequentemente facilitado pela computer aided diagnóstico significa 3. Actualmente é utilizado para casos especiais, tais como pacientes de alto risco 4, mas não para o rastreio de rotina, presumivelmente devido aos custos elevados, a necessidade de utilizar uma injecção de um agente de contraste, a falta de uma normalizaçãond a especificidade variável na diferenciação das lesões benignas e malignas que vão de valores baixos / moderados 5,6 para valores altos que foram obtidos através da mamografia combinada e DCE-MRI 7,8. Mais recentemente, a difusão ponderada MRI e os mapas resultantes do coeficiente de difusão aparente (ADC) foram avaliadas como um método complementar para DCE-MRI e demonstrou-se que os valores de ADC podem ajudar a distinguir entre tipos de câncer, lesões benignas e do tecido mamário normal 9,10 . Além disso, estudos de tensor de difusão de imagens de mama (DTI) foram iniciadas em voluntários e pacientes com lesões mamárias saudáveis em força de campo de 1.5 T e 15/11, de 3 de T 16-24. A maioria desses estudos relataram ADC e anisotropia fracionada (FA) valoriza 11,12,14,15,20-23 e encontrei esses dois parâmetros para ser reprodutível com valores de ADC mais reprodutíveis do que FA 13,20. Os resultados destes estudos indicaram que lesões malignas apresentam valores baixos como ADC compared de lesões teciduais e benignos normais, no entanto, os resultados conflitantes foram notificados sobre os valores e capacidade de diagnóstico de FA 11,12,14,20-23. Em um conjunto de 3 T- estudos DTI os valores dos três valores próprios e vectores próprios tensor no quadro tecido mamário foram relatados, bem como, e os resultados foram apresentados em mapas vetoriais do eigenvector principal e mapas paramétricos dos valores próprios, ADC, FA e uma anisotropia máxima índice 16-19,24. Nestes estudos, o valor próprio de difusão principal e a anisotropia máxima foram mostrados para servir como os parâmetros independentes mais sensíveis para a detecção e diagnóstico de lesões cancerosas
A mama é composta de tecido fibroglandular e tecido adiposo. O tecido fibroglandular é ainda composto por vários lóbulos, que são altamente variáveis em tamanho e forma. Cada microestrutura lobo inclui a árvore funcional mamária e lóbulos associados que formam o tecido glandular, e torno conjuntivo-fitecido fibroso. A maioria das malignidades mamárias começar por uma proliferação aberrante de células epiteliais nos ductos ou lóbulos, o desenvolvimento de carcinoma in situ, o que, por infiltração nos tecidos circundantes a transformar em carcinoma invasivo. Portanto, os ductal / estruturas lobulares são uma área fundamental de investigação de transformação maligna de mama.
As características estruturais das árvores ductais foi inicialmente investigada ex vivo em 1840 por Sir Astley Cooper utilizando injecção de cera colorida para as condutas de espécimes de mastectomia 25. Recentemente, computador derivado de rastreamento de árvores ductal toda a mama tem sido alcançado em poucos seios humanos utilizando espécimes mastectomia 26,27. O trabalho aqui apresentado mostra que os parâmetros obtidos por in vivo de imagem por tensor de difusão de informação associados com o tecido mamário aspectos microestruturais distintas, possibilitando também a detecção do câncer de mama não-invasivo.
O pprincípios subjacentes hysical difusão mama tensor imaging são baseados na capacidade de ressonância magnética para medir e quantificar a difusão de água anisotrópica em ambientes restritos 28. Em geral, a difusão de água em soluções homogéneas é livre e isotrópicas, no entanto, se o movimento da água é interrompida por causa de restrição por paredes impermeáveis à difusão anisotrópica torna-se com uma rápida difusão livre paralelo às paredes e uma difusão mais lenta restrita perpendicular às paredes ( A Figura 1). A difusão de água nos tecidos é complexo e depende das características estruturais e fisiológicas da intra e extracelulares incluindo compartimentos 'tamanhos das células, as células de densidade, tortuosidade extracelular e troca de água através de membranas, bem como da presença de vasos linfáticos e redes (Figura 2).
<br /> Figura 1: difusão gratuito e restrito Desenho esquemático de um livre difusão molécula de água (à esquerda) e difusão restrita por paredes impermeáveis (direita)..
Figura 2: Complexo de difusão em um tecido desenho esquemático de difusão de água em um sistema celular que mostra o movimento das moléculas de água em compartimentos extracelulares e intracelulares e troca de água (setas) entre estes dois compartimentos..
Devido às características arquitetônicas específicas da mama a difusão de moléculas de água nos ductos e lóbulos mamários apresentar um exemplo particular de circulação restrita e anisotrópica: Em paralelo às paredes dos ductos e lóbulos da difusão é próximo ao de difusão livre, mas nas direcções perpendiculares às paredes que é restringida pelas paredes, compostas por duas cadeiascamadas de membrana celular e cave. Por conseguinte, a difusão do sistema ductal / glandular é relativamente rápido e anisotrópico. Por outro lado, a difusão no tecido fibroso circundante das condutas é rápido e isotrópica como resultado do teor de água de alta e baixa densidade celular neste tecido (Figura 3 e 4). Na presença de malignidade, o bloqueio das condutas e lóbulos por células cancerosas e aumenta a tortuosidade restrição do movimento da água, causando uma redução dos coeficientes de difusão em todas as direcções e no movimento anisotrópica (Figura 3 e 4).
Figura 3: Difusão em lóbulos mamários Desenho esquemático de um corte através dos lóbulos e a difusão de água dentro de um lóbulo.. Esquerda: difusão da água restringido por paredes dos lóbulos mostrando rápidodifusão paralelo às paredes e de difusão restrita perpendicular às paredes. Direita: difusão em lóbulos com células cancerosas. A difusão no compartimento extracelular é altamente impedida, mas semelhante em todos os sentidos e, consequentemente, quase isotrópica.
Figura 4:. Difusão de água no sistema de árvore ductal Esquerda: ductos mamários injetados com cera colorida, mostrando sua direção irradiada, e sua inter-ramificação 25. Meio: Desenho esquemático de um dutal normais com vectores que indicam a difusão no interior das condutas (setas pretas) e no tecido conjuntivo (setas verdes). Direita: Desenho esquemático de uma árvore ductal com dois loci de células cancerosas (roxo). As setas vermelhas apresentam a difusão nos cancros.
Este artigo descreve em detalhes o método de varredura por tensor de difusão e o processing algoritmos e análise dos conjuntos de dados DTI que permitiram detectar neoplasia maligna de mama software. Todos os tipos de câncer foram confirmados por exames histopatológicos de biópsia de mama e / ou peças cirúrgicas. Descrevemos também o protocolo de digitalização T2 ponderada para a obtenção das características anatômicas da mama, bem como o protocolo de digitalização DCE que serviu como um método de referência para avaliar a sensibilidade de detecção DTI. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Este trabalho demonstra a capacidade do DTI, a varredura em 3 T em alta resolução espacial (~ 8 milímetros 3), para medir in vivo os parâmetros de tensor de difusão da água em todo o tecido fibroglandular de ambas as mamas. O conjunto de algoritmos e software desenvolvidos no decorrer deste estudo permitiu análise dos grandes conjuntos de dados DTI e, simultaneamente, visualizar os mapas paramétricos de difusão dos vários coeficientes de difusão, λ 1, λ 2, λ 3, ADC e anisotropia índices λ 1 -λ 3, e FA de todas as fatias de peito. Este trabalho também enfatiza o potencial dos vários coeficientes de difusão e índices de anisotropia para detectar e diagnosticar o câncer de mama. Os resultados indicaram que o coeficiente de difusão privilegiada, λ 1, é o principal parâmetro para a detecção de câncer de mama, com uma capacidade substancial para diferenciar maligna do tecido mamário normal. A indepen secundárioparâmetro dente, com elevada sensibilidade, mas especificidade muito mais baixa do que λ 1, é o máximo do índice da anisotropia que actua de modo a confirmar a detecção por o coeficiente de difusão principal.
Os resultados também demonstraram a capacidade de MRI para medir in vivo a difusão de água direccional e quantificar a anisotropia da difusão em todo o / sistema glandular ductal em ambas as mamas. A fim de assegurar um perfil uniforme de precisão das medições de difusão anisotrópica 30 instruções de gradiente foram aplicados. A selecção de alta-tempo de eco de 120 ms, e a optimização da resolução espacial revelou a restrição da difusão de água nas condutas. O tamanho médio das condutas normais foi relatado como sendo de 90 mm, com ~ 70% na gama de 40-100 mm 36. De acordo com a equação de Einstein o deslocamento de difusão de água livre, x = (6DT) 1/2, onde D é o coeficiente de difusão de água livre e T significa a difusãotempo. Na nossa experiência x é de cerca de 25 um, e, por conseguinte, apenas uma fracção das moléculas de água são ductal limitada pelas paredes do dueto mamário, levando a valores relativamente baixos de FA na mama (valores superiores ~ 0,3) em comparação com os valores encontrados na substância branca do cérebro (≥0.5). Em Sir Astley Cooper estuda 25 revelou-se que o tecido da mama humano está organizado em lóbulos distintos, cada um deles composto de uma árvore ductal. Estudos preliminares de um ultra-som da mama em lactação 37 foram testadas, bem como a detecção de estruturas ductais seccionais utilizando medições de forma 38 de segunda ordem. No entanto, nenhum método de imagem conseguiu revelar, até agora, todo o sistema ductal em ambas as mamas em vivo. O algoritmo para a obtenção de todo o sistema dutal 3D a partir dos resultados DTI ainda está em desenvolvimento, mas o vector mapeia exibem claramente o potencial de revelar a anatomia detalhada e altamente diversificada das árvores mamárias. Recentemente, um initial tentativa de um rastreamento 3D completa da mama com base em nossos bancos de dados DTI foi relatada 39.
No decorrer deste trabalho limitações técnicas têm sido notado devido à supressão de gordura ineficiente e distorções do PAV. Supressão de gordura foi alcançado por uma sequência de saturação da gordura (FAT-SAT), que normalmente era eficiente em mamas densas. No entanto, em seios gordos espectral Selecção atenuada Inversion Recovery (SPAIR), que é mais eficiente e menos sensível à falta de homogeneidade B1, foi aplicado. Os protocolos de difusão baseados EPI tinha limitações adicionais devido a um gradiente de correntes de Foucault induzidas, B 0 campo heterogeneidade e diferenças de susceptibilidade 40,41. Estas limitações foram minimizados pelo uso shimming automática e manual interativo sobre os sinais de água e gordura e escolher o espaçamento eco possível inferior. Além disso, a correcção pós-processamento de distorções geométricas ocasionalmente foi aplicado tal como descrito no protocolo. Global, No caso de mamas densas com um sinal forte de água, foi possível superar as limitações técnicas; no entanto, 5 casos neste estudo, com seios altamente gordurosos não puderam ser analisados devido às limitações acima.
Em resumo, um protocolo de processamento de imagem e ferramentas para a difusão de mama tensor MRI têm sido desenvolvidos. Esta metodologia completamente seguro, rápido, não invasivo e disseca precisamente arquitetura de mama e pode facilitar a detecção de câncer de mama na clínica. O coeficiente de difusão principal, λ 1, e do índice da anisotropia máxima, λ 1 -λ 3, foram encontrados para servir de dois parâmetros de difusão independentes para detectar o cancro. Os estudos clínicos de pacientes com cancro da mama mostraram que a eficiência de detecção com estes dois parâmetros é comparável à de DCE MRI. Assim, o surgimento deste método de compreensão básica da arquitetura de mama e de desenvolvimento de câncer e sua dependência de revelandomudanças significativas quantificáveis, bem como que seja um método seguro e rápido torná-lo uma ferramenta valiosa para investigar vários aspectos do desenvolvimento envolvendo a proliferação ductal, e para testar o seu impacto clínico para o rastreio do cancro da mama em grandes potenciais ensaios 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 |