4D-MRI pro přesnou medicínu

Radioterapie rakoviny byla předchůdcem personalizované medicíny, vyvíjející individualizovanou léčbu založenou na anatomických informacích specifických pro pacienta. Navzdory mnoha pokrokům v radioterapii za poslední desetiletí, které u mnoha pacientů účinně zlepšily lokální nebo lokoregionální kontrolu nádorů, zůstává značný prostor pro zlepšení. Výzvy pro radioterapii k dalšímu rozšíření terapeutického okna v éře přesné medicíny jsou především dvojí: (a) dále zlepšit shodu dávky záření na definovaný cílový objem a (b) přizpůsobit nové biologické strategie pro personalizovanou léčbu. Čtyřrozměrné (4D) zobrazování a deformovatelná registrace obrazu (DIR) jsou klíčovými nástroji moderní radioterapie, které hrají zásadní roli v mnoha nedávných pokrokech, včetně 4D radioterapie, adaptivní radioterapie a hodnocení léčby. Současné technologie 4D zobrazování a DIR však čelí značným výzvám, protože požadavky na přesnost rostou.

Současným standardem 4D zobrazování v radioterapii je 4D-CT. Má však dvě hlavní omezení, která mu brání v aplikacích přesné radioterapie: (a) nízký kontrast měkkých tkání. 4D-CT proto není ideální pro břišní aplikace; b) pohybové artefakty způsobené nepravidelným dýcháním. Ukázalo se, že pohybové artefakty 4D-CT způsobují chyby v různých radioterapeutických aplikacích, včetně měření pohybu, vymezení cílového objemu, výpočtu dávky, DIR a výpočtu plicní ventilace. 4D-MRI je nově vznikající 4D zobrazovací technologie pro radioterapii. Má vynikající kontrast měkkých tkání než 4D-CT a je proto vynikající pro zobrazování břicha. Navzdory mnoha nedávným pokrokům ve 4D-MRI mají současné implementace 4D-MRI nedostatečnou kvalitu obrazu pro aplikaci přesné radioterapie kvůli alespoň jednomu z následujících nedostatků: nízké časové a/nebo prostorové rozlišení, dlouhá doba pořízení obrazu a suboptimální kontrast v plíce. Výsledné snímky 4D-MRI postrádají dostatečné anatomické detaily pro klinické aplikace, což může nepříznivě ovlivnit výkon DIR. Současné techniky DIR se zaměřují na morfologickou podobnost, ale ne na fyziologickou věrohodnost deformace. Studie ukázaly, že zvýšená morfologická podobnost srovnaných dat neznamená vždy zvýšenou přesnost registrace. Proto jsou žádoucí sofistikovanější přístupy.

Vyšetřovatelé zaujmou systematický přístup k řešení výše uvedených omezení 4D zobrazování a registrace deformovatelného obrazu (DIR) na základě vývoje a vzájemného oplodnění dvou hlavních technik: ultrakvalitní 4D-MRI a hybridní DIR na fyziologickém základě. Tento výzkum má dvě části se třemi hlavními cíli:

Část 1. Technický vývoj u zdravých subjektů: Výzkumníci rozšíří svou stávající strategii pulzní sekvence pro ultra-kvalitní 3D MRI, aby umožnili ultra-kvalitní 4D-MRI. Ve srovnání s 4D-CT a současnými technikami 4D-MRI nabízí navrhovaná ultrakvalitní technika 4D-MRI následující výhody: (a) vysoké prostorové rozlišení (1,5 mm izotropní) s bohatými obrazovými vlastnostmi (např. cévní stromy) v celém trupu; (b) vysoké dočasné pseudorozlišení (>20 fází/cyklus); a (c) (téměř) bez pohybových artefaktů.

• Cíl 1: Vyvinout sekvenci pulzů MRI a rekonstrukci obrazu, která generuje snímky splňující tyto tři cíle návrhu.

Část 2. Hodnocení 4D-MRI v pacientské studii: 4D-MRI bude porovnána se stávajícími metodami DIR a 4D-CT. Budou existovat dvě třídy srovnání, z nichž každá bude formulována jako samostatný cíl:

• Cíl 2: Porovnat modelování pohybu založené na 4D-MRI s deformovatelnou registrací obrazu (DIR) u zdravých dobrovolníků a pacientů s rakovinou. Bude vyvinuta vylepšená metoda modelování pohybu, která bude přizpůsobena ultrakvalitním aplikacím 4D-MRI. Vyšetřovatelé předpokládají, že nová metoda modelování pohybu založená na 4D-MRI překoná současné DIR algoritmy pro odhad respiračního pohybu. Tato hypotéza bude testována porovnáním nové metody s pěti algoritmy DIR, které zahrnují kombinaci komerčního softwaru a veřejně dostupných algoritmů.
• Cíl 3: Porovnat 4D-MRI s 4D-CT u pacientů s rakovinou plic a jater. Celková hypotéza tohoto cíle je, že ultrakvalitní 4D-MRI poskytuje lepší kvalitu obrazu než 4D-CT pro pohybové řízení radioterapie v plicích a játrech, zejména u pacientů s nepravidelným dýcháním.