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.
Il cancro al seno è la causa più comune di cancro tra le donne di tutto il mondo. La diagnosi precoce del cancro al seno ha un ruolo fondamentale nel miglioramento della qualità della vita e la sopravvivenza dei pazienti con cancro mammario. I metodi standard attuali per la diagnosi del cancro al seno sono basati sulla mammografia x-ray e ecografia. La sensibilità e la specificità di queste tecniche, in particolare per individuare le lesioni in seni densi insufficiente, ha stimolato lo sviluppo di altre tecniche, tra cui seno risonanza magnetica (MRI). Contrasto dinamico migliorato (DCE) MRI è stata stabilita come un potente strumento per l'individuazione e la diagnosi del cancro al seno 1,2 ed è spesso facilitata da computer aided diagnosi significa 3. Attualmente è utilizzato per casi particolari, come pazienti ad alto rischio 4, ma non per lo screening di routine, presumibilmente a causa dei costi elevati, la necessità di utilizzare una iniezione di un agente di contrasto, la mancanza di standardizzazione unnd specificità variabili nel differenziare lesioni benigne da quelle maligne che vanno da valori bassi / moderati 5,6 a valori elevati che sono stati ottenuti utilizzando combinato mammografia e DCE-MRI 7,8. Più di recente, la diffusione ponderato MRI e le mappe risultanti di coefficiente di diffusione apparente (ADC) sono stati valutati come metodo complemento DCE-MRI e è stato dimostrato che i valori di ADC possono aiutare a distinguere tra tumori, lesioni benigne e normale tessuto mammario 9,10 . Inoltre, gli studi di petto di diffusione tensore di imaging (DTI) sono stati avviati in volontari sani e pazienti con lesioni mammarie a intensità di campo di 1.5 T 11-15 e 3 T 16-24. La maggior parte di questi studi hanno riportato ADC e anisotropia frazionaria (FA) valori 11,12,14,15,20-23 e trovato questi due parametri per essere riproducibili con i valori di ADC più riproducibili di FA 13,20. I risultati di questi studi hanno indicato che le lesioni maligne presentano bassi valori di ADC come bozzettoared a normali lesioni tessutali e benigne, però, contrastanti risultati sono stati riportati sui valori e capacità diagnostica di FA 11,12,14,20-23. In una serie di 3 T- studi DTI sono stati riportati i valori dei tre autovalori e autovettori tensore nel telaio tessuto mammario pure, ed i risultati sono stati presentati nelle mappe vettore del autovettore principale e mappe parametriche degli autovalori, ADC, FA e un indice di anisotropia massimo 16-19,24. In questi studi, il autovalore diffusione principale e l'anisotropia massima hanno mostrato di fungere da parametri più sensibili indipendenti per l'individuazione e la diagnosi delle lesioni tumorali
Il seno è composto da tessuti fibroglandular e tessuto adiposo. Il tessuto è ulteriormente fibroglandular composto di molti lobi, che sono molto variabili per forma e dimensioni. Ogni microstruttura lobo comprende l'albero funzionale mammaria e lobuli associati che formano il tessuto ghiandolare, e il circostante connettivo-fitessuto fibroso. La maggior parte delle neoplasie mammarie iniziano proliferazione aberrante di cellule epiteliali dei dotti o lobuli, sviluppo carcinoma in situ, che per infiltrazione nel tessuto circostante trasformarsi in carcinoma invasivo. Pertanto, i duttale / lobulare strutture sono un'area fondamentale di ricerca della trasformazione maligna della mammella.
Le caratteristiche strutturali degli alberi duttale stati indagati ex vivo nel 1840 da Sir Astley Cooper con iniezione di cera colorata per i condotti di esemplari mastectomia 25. Recentemente, computer derivato il monitoraggio di interi allattamento alberi duttale è stato raggiunto in pochi petti umani utilizzando campioni mastectomia 26,27. Il lavoro qui presentato dimostra che i parametri ottenuti in vivo imaging del tensore di diffusione forniscono informazioni associate con il tessuto mammario caratteristiche microstrutturali distinte, consentendo anche il rilevamento non invasivo il cancro al seno.
Il pprincipi alla base hysical diffusione seno imaging del tensore si basano sulla capacità di risonanza magnetica per misurare e quantificare la diffusione di acqua anisotropico in ambienti ristretti 28. In generale, diffusione dell'acqua in soluzioni omogenee è libero e isotropo, tuttavia, se il movimento dell'acqua viene interrotta a causa di restrizione pareti impermeabili diffusione diventa anisotropa con un facile diffusione parallela libera alle pareti ed una diffusione lenta ristretto perpendicolari alle pareti ( Figura 1). Diffusione dell'acqua nei tessuti è complessa e dipende caratteristiche strutturali e fisiologiche del intra e compartimenti extracellulari compreso 'dimensioni, cellule' cellule densità, tortuosità extracellulare e scambio di acqua attraverso le membrane, nonché la presenza di reti vascolari e linfatici (Figura 2).
<br /> Figura 1: diffusione gratuita e limitata Schema di una libera diffusione molecola d'acqua (a sinistra) e la diffusione limitata da mura impermeabili (a destra)..
Figura 2: diffusione Complex in un tessuto Schema di diffusione dell'acqua in un sistema cellulare che mostra il movimento delle molecole d'acqua nei compartimenti extracellulari ed intracellulari e scambio di acqua (frecce) tra queste due compartimenti..
A causa delle caratteristiche architettoniche specifiche del seno diffusione delle molecole d'acqua nei condotti mammari e lobuli presentano un particolare esempio di movimento limitato e anisotropo: In parallelo alle pareti dei condotti e lobuli la diffusione è vicina a quella di diffusione libera ma nelle direzioni perpendicolari alle pareti è limitato dalle pareti, composto di duestrati di membrana cellulare e cantina. Di conseguenza la diffusione nel sistema duttale / ghiandolare è relativamente veloce ed anisotropa. D'altra parte, la diffusione nel tessuto fibroso connettivo circostante i condotti è veloce e isotropo a causa dell'elevato contenuto di acqua e bassa densità cellulare in questo tessuto (figure 3 e 4). In presenza di malignità, blocco dei dotti e lobuli dalle cellule tumorali aumenta la tortuosità e limitare il movimento dell'acqua, causando una riduzione dei coefficienti di diffusione in tutte le direzioni e in movimento anisotropo (Figure 3 e 4).
Figura 3: Diffusione in lobuli della mammella Disegno schematico di un taglio attraverso i lobuli e la diffusione di acqua all'interno di una lobulo.. A sinistra: la diffusione di acqua limitata da mura lobuli 'mostrano velocediffusione parallelo alle pareti e diffusione limitata perpendicolari alle pareti. A destra: diffusione in lobuli con cellule tumorali. La diffusione nel compartimento extracellulare è fortemente ostacolata ma simile in tutte le direzioni e, quindi, quasi isotropo.
Figura 4:. Diffusione dell'acqua nel sistema ad albero duttale Sinistra: dotti mammari iniettati con cera colorata, mostrando loro direzione irradiato, e la loro inter-ramificazione 25. Middle: Disegno schematico di un normale albero duttale con vettori che indicano la diffusione all'interno dei condotti (frecce nere) e nel tessuto connettivo (frecce verdi). Destra: Disegno schematico di un albero duttale con due loci di cellule tumorali (viola). Frecce rosse mostrano la diffusione nei tumori.
Questo articolo descrive in dettaglio il metodo di scansione tensore di diffusione e la pralgoritmi ocessing e software di analisi delle serie di dati DTI che hanno permesso la rilevazione malignità seno. Tutti i tumori sono stati confermati da rilievi istopatologici di biopsia mammaria e / o campioni chirurgici. Abbiamo anche descrivono il protocollo di scansione T2 ponderati per ottenere le caratteristiche anatomiche del seno, così come il protocollo di scansione DCE che è servito come un metodo di riferimento per valutare la sensibilità di rilevamento DTI. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Questo lavoro dimostra la capacità di DTI, scandita ad 3 T ad alta risoluzione spaziale (~ 8 mm 3), per misurare in vivo i parametri del tensore di diffusione d'acqua in tutto il tessuto fibroglandular di entrambi i seni. L'insieme di algoritmi e software sviluppati nel corso di questa analisi consentito lo studio delle grandi serie di dati DTI e contemporaneamente visualizzare le mappe di diffusione parametriche dei vari coefficienti di diffusione, λ 1, λ 2, λ 3, indici ADC e anisotropia λ 1 -λ 3, e FA di tutte le sezioni del seno. Questo lavoro sottolinea anche il potenziale dei vari coefficienti di diffusione e indici anisotropia di rilevare e diagnosticare il cancro al seno. I risultati indicavano che il coefficiente di diffusione primaria, λ 1, è il parametro principale per individuare il cancro al seno, con una sostanziale capacità di differenziare maligna da tessuto mammario normale. A indi secondarioparametro dente, con elevata sensibilità, ma una specificità molto inferiore λ 1, è l'indice massimo anisotropia che agisce per confermare il rilevamento da parte del primo coefficiente di diffusione.
I risultati hanno anche dimostrato la capacità di risonanza magnetica per misurare in vivo la diffusione dell'acqua direzionale e quantificare l'anisotropia della diffusione nell'intero duttale / sistema ghiandolare in entrambi i seni. Al fine di garantire un profilo di precisione uniforme delle misure anisotropi 30 diffusione indicazioni gradienti sono stati applicati. La selezione di alta eco-tempo di 120 msec, e l'ottimizzazione della risoluzione spaziale rivelato la limitazione della diffusione dell'acqua nei condotti. La dimensione media dei condotti normali è stata riportata essere di 90 micron, con ~ 70% nell'intervallo di 40-100 micron 36. Secondo l'equazione Einstein lo spostamento di diffusione dell'acqua libera, x = (6DT) 1/2, dove D è il coefficiente di diffusione dell'acqua libero medio e t diffusionetempo. Nel nostro esperimento x è di circa 25 micron, e quindi, solo una frazione di molecole d'acqua duttale sono limitate dalle pareti duttali mammari, portando a valori relativamente bassi FA nella mammella (valori superiori ~ 0,3) rispetto ai valori trovati nella materia bianca del cervello (≥0.5). In Sir Astley Cooper studia 25 è stato rivelato che il tessuto mammario umano è organizzata in lobi separati, ciascuno composto da un albero duttale. Ecografie preliminari di un seno durante l'allattamento 37 sono state tentate, nonché individuazione di strutture duttali sezionali con secondo ordine forma misurazioni 38. Tuttavia, nessun metodo di imaging è riuscito finora rivelando l'intero sistema duttale in entrambi i seni in vivo. L'algoritmo per ottenere l'intero sistema ad albero duttale 3D dai risultati DTI è ancora in fase di sviluppo, ma il vettore mappe esibiscono chiaramente il potenziale per rivelare l'anatomia dettagliata e altamente diversificata degli alberi mammarie. Recentemente un itentativo nitial di un monitoraggio completo 3D del seno in base alle nostre dataset DTI è stato segnalato 39.
Nel corso di questo lavoro limitazioni tecniche sono stati notati a causa di soppressione del grasso inefficiente e distorsioni EPI. Soppressione del grasso è stato raggiunto da una sequenza di saturazione grassi (FAT-SAT), che di solito era efficiente in seno denso. Tuttavia, in seno grassi Spectral Selezione attenuato Inversion Recovery (Spair), che è più efficiente e meno sensibile alla disomogeneità B1, è stato applicato. I protocolli di diffusione basati EPI avuto ulteriori limitazioni dovute a gradiente correnti parassite indotte, B 0 campo disomogeneità e differenze di suscettibilità 40,41. Queste limitazioni sono state minimizzate utilizzando iterativo shimming automatica e manuale dei segnali di acqua e grassi e scegliendo la spaziatura eco più basso possibile. Inoltre, una correzione post-elaborazione di distorsioni geometriche stato occasionalmente applicata come descritto nel protocollo. Generale, Nel caso di seno denso con un forte segnale di acqua è stato possibile superare le limitazioni tecniche; Tuttavia, 5 casi in questo studio con seni altamente grassi non potrebbero essere analizzati a causa delle limitazioni di cui sopra.
In sintesi, sono stati sviluppati un protocollo e di elaborazione delle immagini strumenti per tensore di diffusione seno MRI. Questa metodologia completamente sicuro, veloce, e non invasiva analizza con precisione l'architettura del seno e può facilitare l'individuazione del tumore al seno in clinica. Il coefficiente di diffusione prime, λ 1, e l'indice di anisotropia massima, λ 1 -λ 3, sono stati trovati per servire come due parametri di diffusione indipendenti per il rilevamento del cancro. Studi clinici su pazienti affetti da cancro mammario hanno dimostrato che l'efficienza di rivelazione di questi due parametri è paragonabile a quella di DCE MRI. Così, l'emergere di questo metodo di conoscenza di base dell'architettura seno e di sviluppo del cancro e la sua dipendenza da rivelarecambiamenti significativi quantificabili, così come il suo essere un metodo sicuro e veloce rendono un prezioso strumento per indagare i vari aspetti dello sviluppo che coinvolgono la proliferazione duttale, e per testare l'impatto clinico per lo screening del cancro al seno in larga scala studi prospettici.
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 |