4D-MRI para medicina de precisión

La radioterapia para el cáncer ha sido precursora de la medicina personalizada, desarrollando tratamientos individualizados basados ​​en información anatómica específica del paciente. A pesar de los muchos avances en radioterapia durante la última década, que han mejorado de manera efectiva el control tumoral local o loco-regional para muchos pacientes, aún queda mucho por mejorar. Los desafíos para que la radioterapia amplíe aún más la ventana terapéutica en la era de la medicina de precisión son principalmente dos: (a) mejorar aún más la conformidad de la dosis de radiación con el volumen objetivo definido, y (b) adaptar nuevas estrategias biológicas para un tratamiento personalizado. Las imágenes en cuatro dimensiones (4D) y el registro de imágenes deformables (DIR) son herramientas clave en la radioterapia moderna y desempeñan un papel fundamental en muchos avances recientes, incluida la radioterapia 4D, la radioterapia adaptativa y la evaluación del tratamiento. Sin embargo, las tecnologías DIR y de imágenes 4D actuales se enfrentan a desafíos importantes a medida que aumenta el requisito de precisión.

El estándar actual de imágenes 4D en radioterapia es 4D-CT. Sin embargo, tiene dos limitaciones principales que le impiden aplicaciones de radioterapia de precisión: (a) bajo contraste de tejidos blandos. Por lo tanto, 4D-CT no es ideal para aplicaciones abdominales; (b) artefactos de movimiento causados ​​por respiración irregular. Se ha demostrado que los artefactos de movimiento de 4D-CT causan errores en varias aplicaciones de radioterapia, incluida la medición de movimiento, la delineación del volumen objetivo, el cálculo de dosis, el DIR y el cálculo de ventilación pulmonar. 4D-MRI es una tecnología emergente de imágenes 4D para radioterapia. Tiene un contraste de tejidos blandos superior a 4D-CT y, por lo tanto, es excelente para imágenes abdominales. A pesar de muchos avances recientes en 4D-MRI, las implementaciones actuales de 4D-MRI tienen una calidad de imagen inadecuada para la aplicación de radioterapia de precisión debido al menos a una de las siguientes deficiencias: bajas resoluciones temporales y/o espaciales, tiempo de adquisición de imágenes prolongado y contraste subóptimo en la pulmones. Las imágenes 4D-MRI resultantes carecen de suficientes detalles anatómicos para aplicaciones clínicas, lo que puede afectar negativamente el rendimiento de DIR. Las técnicas DIR actuales se centran en la similitud morfológica pero no en la plausibilidad fisiológica de la deformación. Los estudios han demostrado que una mayor similitud morfológica de los datos alineados no siempre implica una mayor precisión de registro. Por lo tanto, son deseables enfoques más sofisticados.

Los investigadores adoptarán un enfoque sistemático para abordar las limitaciones antes mencionadas de las imágenes 4D y el registro de imágenes deformables (DIR) basado en el desarrollo y la fertilización cruzada de dos técnicas principales: 4D-MRI de ultra calidad y DIR híbrido de base fisiológica. Esta investigación consta de dos partes, que comprenden tres objetivos principales:

Parte 1. Desarrollo técnico en sujetos sanos: los investigadores ampliarán su estrategia de secuencia de pulso existente para MRI 3D de ultracalidad para habilitar 4D-MRI de ultracalidad. En comparación con las técnicas 4D-CT y 4D-MRI actuales, la técnica 4D-MRI de ultracalidad propuesta ofrece las siguientes ventajas: (a) alta resolución espacial (isotrópica de 1,5 mm) con ricas características de imagen (p. árboles de vasos) en todo el torso; (b) alta pseudoresolución temporal (>20 fases/ciclo); y (c) (casi) libre de artefactos de movimiento.

• Objetivo 1: Desarrollar una línea de reconstrucción de imágenes y secuencia de pulsos de MRI que genere imágenes que cumplan con estos tres objetivos de diseño.

Parte 2. Evaluación de 4D-MRI en un estudio de paciente: 4D-MRI se comparará con los métodos DIR y 4D-CT existentes. Habrá dos clases de comparaciones, cada una formulada como un objetivo separado:

• Objetivo 2: Comparar el modelado de movimiento basado en 4D-MRI con registro de imagen deformable (DIR) en voluntarios sanos y pacientes con cáncer. Se desarrollará un método de modelado de movimiento mejorado que se adapte a las aplicaciones 4D-MRI de ultracalidad. Los investigadores plantean la hipótesis de que un nuevo método de modelado de movimiento basado en 4D-MRI superará a los actuales algoritmos DIR para la estimación del movimiento respiratorio. Esta hipótesis se probará comparando el nuevo método con cinco algoritmos DIR que incluyen una combinación de software comercial y algoritmos disponibles públicamente.
• Objetivo 3: Comparar 4D-MRI con 4D-CT en pacientes con cáncer de pulmón e hígado. La hipótesis general de este objetivo es que la RM-4D de ultracalidad proporciona una mejor calidad de imagen que la TC-4D para el control del movimiento de la radioterapia en los pulmones y el hígado, especialmente en pacientes con respiración irregular.