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.
سرطان الثدي هو السبب الأكثر شيوعا من السرطان بين النساء في جميع أنحاء العالم. الكشف المبكر عن سرطان الثدي له دور حاسم في تحسين نوعية الحياة والبقاء على قيد الحياة لمرضى سرطان الثدي. وتستند هذه الأساليب القياسية الحالية للكشف عن سرطان الثدي على تصوير الثدي بالأشعة السينية والمسح بالموجات فوق الصوتية. حساسية كافية وخصوصية هذه التقنيات، وخاصة للكشف عن الآفات في كثافة الثدي، قد حفز تطوير التقنيات الأخرى بما في ذلك تصوير الثدي بالرنين المغناطيسي (MRI). تعزيز وأنشئت تباين ديناميكية (DCE) MRI كأداة قوية للكشف وتشخيص سرطان الثدي 1،2 وكثيرا ما تيسره بمساعدة الكمبيوتر التشخيص يعني 3. حاليا يتم استخدامه في حالات خاصة، مثل المرضى لمخاطر عالية 4، ولكن ليس للتفتيش الروتيني، ويفترض بسبب التكاليف العالية، والحاجة إلى استخدام حقنة من وكيل النقيض من ذلك، فإن الافتقار إلى التوحيد لالثانية خصوصية متغيرة في التفريق حميدة من الآفات الخبيثة تتراوح بين القيم المنخفضة / المعتدلة 5،6 إلى القيم العالية التي تم الحصول عليها باستخدام التصوير الشعاعي للثدي المشترك وDCE-MRI 7،8. وفي الآونة الأخيرة، نشر ترجيح MRI وما ينتج عنها من خرائط واضح معامل الانتشار (ADC) قد تم تقييمها كوسيلة مكملة لDCE-MRI وتبين أن القيم ADC يمكن أن تساعد في التمييز بين أنواع السرطان، والآفات حميدة وطبيعية أنسجة الثدي 9،10 . وبالإضافة إلى ذلك، بدأت الدراسات من الثدي نشر الموترة التصوير (DTI) على متطوعين أصحاء والمرضى الذين يعانون من آفات الثدي في قوة مجال 1.5 T 11-15 و16-24 3 T. ذكرت معظم هذه الدراسات ADC وتباين كسور (FA) تقدر 11،12،14،15،20-23 وجدت هذه المعلمتين أن تكون قابلة للتكرار مع القيم ADC أكثر استنساخه من الاتحاد الانجليزي 13،20. وأشارت نتائج هذه الدراسات إلى أن الآفات الخبيثة يحمل القيم ADC منخفضة شركاتعرب كورب إلى الأنسجة وحميدة الآفات الطبيعية، ومع ذلك، تم الإبلاغ عن النتائج متضاربة على القيم والقدرة التشخيصية للFA 11،12،14،20-23. في مجموعة من 3 T- الدراسات زارة التجارة والصناعة تم الإبلاغ عن قيم القيم الذاتية موتر ثلاثة والمتجهات الذاتية في إطار نسيج الثدي أيضا، وعرضت النتائج في خرائط متجه من بالمتجه الذاتي الرئيسي والخرائط حدودي من القيم الذاتية، ADC، الاتحاد الانجليزي وتباين القصوى مؤشر 16-19،24. في هذه الدراسات عرضت على القيمة الذاتية نشر الرئيسي وتباين القصوى لتكون بمثابة المعلمات الأكثر حساسية مستقلة للكشف وتشخيص الآفات السرطان
يتكون الثدي من الأنسجة fibroglandular والأنسجة الدهنية. وكذلك تتكون الأنسجة fibroglandular العديد من الفصوص، والتي تختلف اختلافا كبيرا في الحجم والشكل. تتضمن كل الفص المجهرية الشجرة وظيفية الثديية وفصيصات المرتبطة تشكيل الأنسجة الغدية، والمحيطة الضام-فايالأنسجة brous. معظم الأورام الخبيثة الثديية تبدأ من انتشار الشاذة من الخلايا الظهارية في القنوات أو شحمات الآذان، وتطوير سرطان الموقع، الذي تسلل إلى الأنسجة المحيطة بها تتحول إلى سرطان الغازية في. ولذلك، فإن الأقنية / الهياكل مفصص هي منطقة قهرية التحقيق في التحول الخبيث الثدي.
وقد تم التحقيق في الميزات الهيكلية للأشجار الأقنية لأول مرة خارج الحي في عام 1840 من قبل السير آستلي كوبر باستخدام حقن الشمع الملونة للمجاري العينات استئصال الثدي 25. مؤخرا، تم تحقيقه الكمبيوتر المستمدة تتبع من أشجار الأقنية كامل الثدي في عدد قليل من الثديين الإنسان باستخدام عينات استئصال الثدي 26،27. العمل المقدم هنا يظهر أن المعلمات التي حصلت عليها في الجسم الحي نشر التصوير الموتر توفر المعلومات المرتبطة الأنسجة الثديية ميزات المجهرية متميزة، مما يتيح أيضا غير الغازية الكشف عن سرطان الثدي.
عتستند مبادئ hysical الكامنة نشر الثدي تصوير موتر على قدرة التصوير بالرنين المغناطيسي لقياس وتحديد انتشار المياه متباين الخواص في بيئات محدودة 28. وبصفة عامة، نشر المياه في حلول متجانسة مجاني والخواص، ومع ذلك، إذا تم توقف حركة المياه بسبب تقييد بجدران منيعة نشر يصبح متباين الخواص مع نشر بالتوازي مجانا سريع على الجدران ونشر أبطأ المقيد عمودي على الجدران ( الشكل 1). نشر الماء في الأنسجة معقد ويعتمد على السمات الهيكلية والفسيولوجية للداخل وخارج الخلية مقصورات بما في ذلك "الأحجام، والخلايا خلايا الكثافة، تعرج خارج الخلية وتبادل المياه من خلال الأغشية، فضلا عن وجود الأوعية الدموية واللمفاوية شبكات (الشكل 2).
<bص /> الشكل 1: مجانا والمقيدة نشر الرسم التخطيطي لنشر الحرة جزيء الماء (إلى اليسار) ونشر مقيدة جدران منيعة (يمين).
الشكل 2: نشر مجمع في نسيج رسم تخطيطي للنشر المياه في نظام الهاتف الخلوي تظهر حركة جزيئات الماء في مقصورات خارج الخلية والخلايا وتبادل المياه (السهام) بين هذين القسمين.
نظرا لميزات معمارية محددة من الثدي انتشار جزيئات الماء في القنوات الثديية وفصيصات يقدم مثالا معين من تقييد ومتباين الخواص الحركة: وبالتوازي مع جدران قنوات وفصيصات نشر هو قريب من ذلك من انتشار حر ولكن في الاتجاهات عمودي على الجدران يقتصر من قبل الجدران، وتتألف من اثنينطبقات من الخلايا والغشاء القاعدي. ونتيجة لذلك نشر في النظام القنوي / غدي هو سريع نسبيا ومتباين الخواص. من ناحية أخرى، ونشر في الأنسجة الليفية الضامة المحيطة القنوات سريع وموحد الخواص نتيجة لمحتوى الماء العالية وكثافة الخلايا منخفضة في هذه الأنسجة (أرقام 3 و 4). في وجود الورم الخبيث، انسداد قنوات وفصيصات بواسطة الخلايا السرطانية يزيد من تعرج وتقييد حركة المياه، مما تسبب في انخفاض في معاملات نشر في كل الاتجاهات وفي حركة متباين الخواص (الشكل 3 و 4).
الشكل (3): انتشار في فصيصات الثدي رسم تخطيطي لقطع طريق فصيصات ونشر المياه داخل فصيص واحد. اليسار: نشر المياه مقيدة الجدران الفصيصات "تظهر بسرعةنشر بالتوازي مع الجدران ونشرها يقتصر عمودي على الجدران. الحق: نشر في فصيصات مع الخلايا السرطانية. وأعاقت نشر في حجرة خارج الخلية للغاية لكنها متشابهة في كل الاتجاهات، وبالتالي، الخواص تقريبا.
الرقم 4: نشر المياه في نظام شجرة الأقنية اليسار: القنوات الثديية حقن الشمع الملون، والتي تبين الاتجاه يشع بهم، ولهم بين تشعب 25. الأوسط: رسم تخطيطي للشجرة الأقنية طبيعية مع ناقلات مما يدل على انتشار داخل القنوات (الأسهم السوداء) وفي النسيج الضام (الأسهم الخضراء). اليمين: رسم تخطيطي للشجرة الأقنية مع اثنين من مواضع من الخلايا السرطانية (البنفسجية). السهام الحمراء المعرض نشر في السرطان.
وتصف هذه الورقة بالتفصيل طريقة المسح نشر الموترة والعلاقات العامةocessing الخوارزميات وتحليل البرامج من مجموعات البيانات زارة التجارة والصناعة أن تمكين الكشف عن الخباثة الثدي. تم تأكيد جميع السرطانات التي كتبها نتائج التشريح المرضي من خزعة الثدي و / أو العينات الجراحية. نحن أيضا وصف T2 المرجحة بروتوكول المسح الضوئي للحصول على الميزات التشريحية الثدي، وكذلك بروتوكول المسح DCE التي كانت بمثابة الطريقة المرجعية لتقييم حساسية الكشف زارة التجارة والصناعة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
يوضح هذا العمل قدرة زارة التجارة والصناعة، الممسوحة ضوئيا في 3 T في قرار مكانية عالية (~ 8 ملم 3)، لقياس في الجسم الحي المعلمات الموترة نشر الماء في الأنسجة fibroglandular كاملة من كلا الثديين. الفرقة من الخوارزميات والبرمجيات المتقدمة في سياق هذه الدراسة تمكين تحليل مجموعات البيانات الكبيرة وزارة التجارة والصناعة في وقت واحد عرض نشر خرائط حدودي لمختلف معاملات نشر، λ 1، 2 λ، λ 3، ADC وتباين مؤشرات λ 1 -λ 3، واتحاد كرة القدم من جميع شرائح الثدي. ويؤكد هذا العمل أيضا إمكانية لمختلف معاملات نشر ومؤشرات تباين لكشف وتشخيص سرطان الثدي. بينت النتائج أن معامل الانتشار الوزراء، λ 1، هو المعلمة الرئيسية للكشف عن سرطان الثدي، مع قدرة كبيرة للتمييز الخبيث من أنسجة الثدي العادية. وindepen الثانويالمعلمة دنت، مع حساسية عالية ولكن خصوصية أقل بكثير من λ 1، هو مؤشر تباين الحد الأقصى الذي يعمل لتأكيد الكشف من قبل معامل الانتشار الوزراء.
كما أظهرت النتائج قدرة التصوير بالرنين المغناطيسي لقياس في الجسم الحي نشر المياه الاتجاه وتحديد تباين للنشر في الأقنية / نظام غدي كامل في كلا الثديين. من أجل ضمان الدقة الشخصية الموحد للقياسات متباين الخواص 30 نشر الاتجاهات التدرج تم تطبيقها. اختيار عالية صدى وقت من 120 ميللي ثانية، وتعظيم الاستفادة من القرار المكانية وكشفت تقييد انتشار المياه في القنوات. وذكرت تقارير ان متوسط حجم القنوات العادية لتكون 90 ميكرون، مع ~ 70٪ في حدود 40-100 ميكرون 36. وفقا لأينشتاين المعادلة يعني تشريد نشر المياه مجانا، س = (6Dt) 1/2، حيث D هو معامل انتشار المياه مجانا ور نشرالوقت. في تجربتنا x هو ما يقرب من 25 ميكرون، وبالتالي، تقتصر فقط جزء صغير من جزيئات الماء الأقنية التي كتبها الجدران الأقنية اللبنية، مما يؤدي إلى القيم FA منخفضة نسبية في الثدي (القيم العليا ~ 0.3) بالمقارنة مع القيم الموجودة في المادة البيضاء في الدماغ (≥0.5). في السير يدرس آستلي كوبر 25 تم الكشف عن أن يتم تنظيم أنسجة الثدي الإنسان في فصوص منفصلة، تتألف كل منها من شجرة الأقنية. وقد حاول الدراسات الموجات فوق الصوتية الأولية لسرطان الثدي المرضعات 37، وكذلك الكشف عن هياكل الأقنية المقطعية باستخدام قياسات شكل من الدرجة الثانية 38. ومع ذلك، فقد نجح توجد طريقة التصوير يكشف حتى الآن أنظمة الأقنية بأكملها في كلا الثديين في الجسم الحي. خوارزمية للحصول على نظام شجرة الأقنية 3D كامل من نتائج زارة التجارة والصناعة لا تزال قيد التطوير ولكن ناقلات خرائط تظهر بوضوح القدرة على كشف تشريح مفصل ومتنوعة للغاية من الأشجار الثديية. مؤخرا طتم الإبلاغ عن محاولة nitial لتتبع كامل 3D من الثدي على أساس مجموعات البيانات زارة التجارة والصناعة لدينا 39.
في سياق هذا العمل قد لاحظ القيود التقنية بسبب عدم كفاءة قمع الدهون والتشوهات برنامج التحصين الموسع. وقد تحقق قمع الدهون عن طريق سلسلة الدهون التشبع (FAT-SAT) الذي كان كفاءة عادة في كثافة الثدي. ومع ذلك، في الثديين الدهنية الطيفي اختيار الموهن عكس الاسترداد (SPAIR)، والتي هي أكثر كفاءة وأقل حساسية لB1 التجانس، تم تطبيق. كان البروتوكولات نشر برنامج التحصين الموسع القائم قيود إضافية بسبب التدرج التيارات الدوامية المستحثة، B 0 الحقل التجانس والاختلاف قابلية 40،41. تم تصغير هذه القيود باستخدام تكرارية الملئ التلقائي واليدوي على إشارات الماء والدهون واختيار أقل الممكن التباعد صدى. وبالإضافة إلى ذلك، تم تطبيق التصحيح تجهيز آخر من التشوهات الهندسية في بعض الأحيان كما هو موضح في البروتوكول. شامل، في حالة كثافة الثدي مع إشارة المياه قوية كان من الممكن للتغلب على القيود التقنية؛ ومع ذلك، لا يمكن تحليلها 5 حالات في هذه الدراسة مع الثدي الدهنية عالية بسبب القيود المذكورة أعلاه.
وباختصار، تم وضع البروتوكول ومعالجة الصور أدوات لنشر الثدي الموترة التصوير بالرنين المغناطيسي. هذه المنهجية آمنة تماما، السريعة، وموسع يشرح بالضبط العمارة الثدي ويمكن أن تسهل الكشف عن سرطان الثدي في العيادة. معامل رئيس نشرها، λ 1، ومؤشر تباين القصوى، λ 1 -λ 3 تم العثور، لتكون بمثابة معلمتين نشر مستقلة للكشف عن السرطان. وأظهرت الدراسات السريرية لمرضى سرطان الثدي أن كفاءة الكشف مع هذه المعلمتين هي مماثلة لتلك التي DCE MRI. وهكذا، فإن الناشئة من هذا الأسلوب من فهم أساسي للبنية الثدي وتطور مرض السرطان واعتمادها على الكشف عنتغييرات كبيرة قابلة للقياس الكمي، فضلا عن كونها وسيلة آمنة وسريعة تجعل منه أداة قيمة للتحقيق في الجوانب التنموية المختلفة التي تنطوي على انتشار الأقنية، ولاختبار تأثير السريرية من أجل الكشف عن سرطان الثدي في التجارب واسعة النطاق المحتملين.
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 |