4D-MRI til præcisionsmedicin

Strålebehandling for kræft har været en forløber for personlig medicin, der udvikler individualiserede behandlinger baseret på patientspecifik anatomisk information. På trods af mange fremskridt inden for strålebehandling i løbet af det sidste årti, som effektivt har forbedret lokal eller loko-regional tumorkontrol for mange patienter, er der stadig plads til forbedring. Udfordringerne for strålebehandling for yderligere at udvide det terapeutiske vindue i præcisionsmedicinens æra er hovedsagelig to-fold: (a) yderligere forbedre strålingsdosisoverensstemmelsen til det definerede målvolumen og (b) tilpasse nye biologiske strategier til personlig behandling. Firedimensionel (4D) billeddannelse og deformerbar billedregistrering (DIR) er nøgleværktøjer i moderne stråleterapi, og spiller en afgørende rolle i mange nyere fremskridt, herunder 4D-strålebehandling, adaptiv strålebehandling og behandlingsvurdering. De nuværende 4D-billeddannelses- og DIR-teknologier står dog over for betydelige udfordringer, efterhånden som kravet til præcision stiger.

Den nuværende standard for 4D-billeddannelse i strålebehandling er 4D-CT. Det har dog to væsentlige begrænsninger, der forhindrer det i præcisionsstrålebehandlingsapplikationer: (a) lav bløddelskontrast. 4D-CT er derfor ikke ideel til abdominale applikationer; (b) bevægelsesartefakter forårsaget af uregelmæssig vejrtrækning. 4D-CT bevægelsesartefakter har vist sig at forårsage fejl i forskellige strålebehandlingsapplikationer, herunder bevægelsesmåling, målvolumenafgrænsning, dosisberegning, DIR og lungeventilationsberegning. 4D-MRI er en spirende 4D-billeddannelsesteknologi til strålebehandling. Den har overlegen blødvævskontrast til 4D-CT og er derfor fremragende til abdominal billeddannelse. På trods af mange nyere fremskridt inden for 4D-MRI har nuværende 4D-MRI-implementeringer utilstrækkelig billedkvalitet til præcisionsstrålebehandlingsapplikation på grund af mindst én af følgende mangler: lav tids- og/eller rumlig opløsning, lang billedoptagelsestid og suboptimal kontrast i lunger. Resulterende 4D-MRI-billeder mangler tilstrækkelige anatomiske detaljer til kliniske applikationer, hvilket kan påvirke ydeevnen af ​​DIR negativt. Nuværende DIR-teknikker fokuserer på morfologisk lighed, men ikke på deformationens fysiologiske plausibilitet. Undersøgelser har vist, at en øget morfologisk lighed mellem de tilpassede data ikke altid indebærer øget registreringsnøjagtighed. Derfor er mere sofistikerede tilgange ønskelige.

Efterforskerne vil tage en systematisk tilgang til at adressere de førnævnte begrænsninger af 4D-billeddannelse og deformerbar billedregistrering (DIR) baseret på udvikling og krydsbefrugtning af to hovedteknikker: ultrakvalitets 4D-MRI og fysiologisk-baseret hybrid DIR. Der er to dele af denne forskning, der omfatter tre hovedformål:

Del 1. Teknisk udvikling hos raske forsøgspersoner: Efterforskerne vil udvide deres eksisterende pulssekvensstrategi for 3D-MR af ultrakvalitet for at muliggøre 4D-MRI af ultrakvalitet. Sammenlignet med 4D-CT og nuværende 4D-MRI-teknikker tilbyder den foreslåede ultrakvalitets 4D-MRI-teknik følgende fordele: (a) høj rumlig opløsning (1,5 mm isotrop) med rige billedfunktioner (f.eks. kartræer) i hele torsoen; (b) høj tidsmæssig pseudo-opløsning (>20 faser/cyklus); og (c) (næsten) fri for bevægelsesartefakter.

• Mål 1: Udvikle en MRI-pulssekvens og billedrekonstruktionspipeline, der genererer billeder, der opfylder disse tre designmål.

Del 2. Evaluering af 4D-MRI i et patientstudie: 4D-MRI vil blive sammenlignet med eksisterende DIR og 4D-CT metoder. Der vil være to klasser af sammenligninger, hver formuleret som et separat mål:

• Mål 2: Sammenlign bevægelsesmodellering baseret på 4D-MRI med deformerbar billedregistrering (DIR) hos raske frivillige og cancerpatienter. En forbedret bevægelsesmodelleringsmetode vil blive udviklet, der er skræddersyet til 4D-MRI-applikationer af ultrakvalitet. Efterforskerne antager, at en ny bevægelsesmodelleringsmetode baseret på 4D-MRI vil overgå de nuværende DIR-algoritmer til estimering af respiratorisk bevægelse. Denne hypotese vil blive testet ved at sammenligne den nye metode med fem DIR-algoritmer, som omfatter en blanding af kommerciel software og offentligt tilgængelige algoritmer.
• Mål 3: Sammenlign 4D-MRI med 4D-CT hos lunge- og leverkræftpatienter. Den overordnede hypotese for dette mål er, at ultrakvalitets 4D-MRI giver bedre billedkvalitet end 4D-CT til bevægelsesstyring af strålebehandling i lungerne og leveren, især hos patienter med uregelmæssig vejrtrækning.