Metabolická charakterizace lézí mozku zabírajících prostor (FASTMRSI)

Úvod - Nedávno byl uveden na trh první komerčně dostupný 7T MR-skener, který je schválen pro klinické použití. Hlavní motivací pro přechod na vyšší intenzitu pole je skutečnost, že lze dosáhnout lepšího SNR za kratší dobu akvizice nebo vyšší prostorové rozlišení za stejnou dobu měření. Vysoké pole MRI má také nevýhody, např. podstatně vyšší specifická míra absorpce (SAR), vyšší problémy s deformací obrazu související s náchylností a delší doby podélné relaxace. Přesto je přechod do vyšších oborů pro MR-spektroskopii obzvláště výhodný. To je způsobeno tím, že lepší poměr signálu k šumu (SNR) je kombinován s vyšším spektrálním rozlišením. Dvě nejběžněji používané techniky pro spektroskopické zobrazování (MRSI) jsou: (i.) relativně pomalé 2D/3D techniky jako PRESS a semiLASER techniky a (ii.) rychlé 3D echo planar based (EPI) techniky. Přestože echoplanární spektroskopické zobrazování (EPSI) je technika, kterou zavedl Sir Peter Mansfield v první polovině 80. let, metoda se stále neustále zdokonaluje a v poslední době byly publikovány velmi slibné aplikace související s diagnostikou mozkových nádorů. V této souvislosti je třeba zmínit skutečnost, že metodu lze kombinovat se spektrální úpravou pro detekci 2-hydroxyglutarátu (2HG) u pacientů s gliomem. 2HG je přítomen pouze v případě gliomu, který má mutace v genu IDH. Ukázalo se, že gliomy s mutací IDH mají mnohem lepší prognózu celkového přežití. Kromě typizace mozkových nádorů umožňuje zobrazení EPSI s vysokým rozlišením také vyšetřování infiltrace nádoru pomocí metabolických kritérií. V chirurgii předoperační příjem kyseliny 5-aminolevulové (5-ALA) pacientem před operací selektivně způsobí fluorescenci maligních gliomových tkání pod ozařováním modrým světlem a samotný nádor se během neurochirurgické intervence jasně zviditelní. Skutečnost, že pacienti s kompletně resekovaným gliomem pod vedením 5-ALA mají významně delší dobu přežití, zdůrazňuje nutnost znát přesné hranice nádoru.

Cíle – Hlavní cíle navrhované studie jsou různé:

(i.) Vývoj nové EPSI-pulzní sekvence využívající 3D-radiální k-prostorová vzorkovací schémata, která se zaměřuje na robustnost w.r.t. pohyb pacienta, je robustní s ohledem na artefakty posunu chemického posunu, zahrnuje možnost 2HG-spektrální editace, využívá radiofrekvenční (RF) pulzy se sníženou SAR a pracuje s celkovými dobami akvizice, které jsou přijatelné pro klinické rutinní použití; (ii.) Porovnání nové sekvence s dostupnými konvenčními technikami EPSI a technikami založenými na semiLASERu pro klinické rutinní použití srovnáním její výkonnosti při 3T a 7T; (iii.) Vývoj algoritmu přizpůsobení založeného na grafické procesorové jednotce (GPU) pro kvantifikaci 3D-radiálních EPSI-dat na základě existujícího tdfdfit-algoritmu; (iv.) Rozšíření lokálně vyvinutého algoritmu automatického filtrování kvality založeného na strojovém učení, který bude aplikován na nová EPSI data výzkumných pracovníků; (v.) Kvantitativní zkoumání efektu prostorových nerovnoměrných vlastností vysílání a příjmu pro všechny relevantní metabolity a schémata korekce amplitudy signálu v závislosti na prostoru (rozšíření místně vyvinuté metody); (vi.) Zkoumání přesných účinků selektivní excitace na J-spojené spinové systémy a srovnání těchto účinků mezi 3T a 7T; (vii.) Studie reprodukovatelnosti na 20 zdravých dobrovolnících měřených dvakrát stejným protokolem (10 zaznamenaných dvakrát v 7T a 10 zaznamenaných dvakrát ve 3T); (viii.) Předoperační aplikace nejvhodnější EPSI-pulzní sekvence u celkem 75 pacientů. Všichni pacienti budou zaznamenáváni ve 3T stejně jako v 7T pomocí ekvivalentních protokolů; (ix.) Současná registrace předoperačních, prostorově rozlišených 3D-EPSI-MRSI dat s pooperačním 3D-FLAIR a T1c zobrazením u pacientů s IDH divokého typu s kompletní resekcí během 5-ALA řízených neurochirurgických intervencí poskytne informace o tom, zda MRSI- techniky jsou užitečné k predikci objemu ovlivněného nádorem; (x.) Dokumentace místa biopsie, histologie pro umožnění lepší korelace mezi MR-spektroskopickými obrazci a histologií.

(xi) Porovnání výkonnosti CEST versus CMRR-semiLASER MRSI sekvence w.r.t. na přesnost predikce IDH typu gliomu pomocí dvou technologií.

Metodologie - Implementace robustní EPSI sekvence, která využívá 3D-radiální k-prostor vzorkovací schémata a rekonstrukce bude provedena na vývojářských platformách Siemens IDEA pro verze softwaru VE a XA. Sekvence bude porovnána s výkonem získaným s jinou implementací EPSI, dostupnou prostřednictvím společnosti Siemens, a také s implementací CMRR semi-LASER (Localization by Adiabatic SElective Refocusing) MEGA (MEscher-Garwood) pro 2HG-editaci (CMRR Spectroscopy Balíček, 2012). Kvantifikace EPSI-dat referenční sekvence bude provedena pomocí balíčku MIDAS. EPSI-data nové sekvence i MEGA-semi-LASER sekvence budou kvantifikovány pomocí paralelizované GPU-re-implementace algoritmu tdfdfit-algorithmu zpřístupněného jako samostatný plugin v rámci jMRUI-spectroscopy package (jMRUI: java magnetic resonance user rozhraní). Souběžná registrace předoperačních EPSI dat s pooperačními strukturálními MRI daty bude provedena pomocí programu SPM (Statistical Parameter Mapping). Další statistická analýza a algoritmy strojového učení budou založeny na statistickém programovacím jazyce "R". Pulzní sekvence CEST budou získávány prostřednictvím Siemens-Healthineers.

Potenciální význam - (a.) Předoperační znalost stavu IDH umožní lepší individuální neurochirurgickou léčbu pacienta; (b.) Společná registrace metabolických EPSI dat s pooperačními strukturálními MR daty poskytne informace o základní užitečnosti technik MRSI pro detekci zón infiltrace gliomu; (c.) Zlepšené sledování pacientů s gliomem s mutací IDH, kteří mají typicky dlouhé období minimální progrese, po které rychle následuje agresivní růst a transformace do vyššího stupně; (d.) Dostupnost zobrazovacího biomarkeru pro sledování recidivy nádoru by byla velkým pokrokem pro všechny pacienty s gliomem.