Avaruutta miehittävien aivovaurioiden metabolinen karakterisointi (FASTMRSI)

Johdanto - Äskettäin ensimmäinen kaupallisesti saatavilla oleva 7T MR-skanneri, joka on hyväksytty kliiniseen käyttöön, tuli markkinoille. Pääasiallinen motivaatio siirtyä suurempiin kenttävoimakkuuksiin on se, että parempi SNR voidaan saavuttaa lyhyemmässä mittausajassa tai korkeampi spatiaalinen resoluutio voidaan saavuttaa samassa mittausajassa. Korkean kentän MRI:ssä on myös haittoja, mm. huomattavasti korkeampi ominaisabsorptionopeus (SAR), suurempi herkkyyteen liittyvät kuvan vääristymisongelmat ja pidemmät pitkittäisrelaksaatioajat. Kuitenkin siirtyminen korkeampiin kenttiin on erityisen hyödyllistä MR-spektroskopiassa. Tämä johtuu siitä, että parempi signaali-kohinasuhde (SNR) on yhdistetty korkeampaan spektriresoluutioon. Kaksi yleisimmin käytettyä tekniikkaa spektroskopiaan (MRSI) ovat: (i.) suhteellisen hitaat 2D/3D-tekniikat, kuten PRESS- ja semiLASER-pohjaiset tekniikat, ja (ii.) nopeat 3D-kaikutasopohjaiset (EPI) -tekniikat. Vaikka echo planar spectroscopic imaging (EPSI) on Sir Peter Mansfieldin 80-luvun ensimmäisellä puoliskolla käyttöön ottama tekniikka, menetelmää kehitetään edelleen jatkuvasti, ja äskettäin on julkaistu erittäin lupaavia aivokasvainten diagnostiikkaan liittyviä sovelluksia. Tässä yhteydessä on mainittava se tosiasia, että menetelmä voidaan yhdistää spektrieditointiin 2-hydroksiglutaraatin (2HG) havaitsemiseksi glioomapotilailla. 2HG on läsnä vain, jos glioomassa on mutaatioita IDH-geenissä. On osoitettu, että glioomilla, joilla on IDH-mutaatio, on paljon parempi kokonaiseloonjäämisennuste. Aivokasvaimen tyypityksen lisäksi korkearesoluutioinen EPSI-kuvaus mahdollistaa myös kasvaimen infiltraation tutkimisen metabolisten kriteerien avulla. Leikkauksessa potilaiden leikkausta edeltävä 5-aminolevuliinihapon (5-ALA) saanti ennen leikkausta saa pahanlaatuiset glioomakudokset selektiivisesti fluoresoimaan sinisessä valossa ja kasvain itse tulee selvästi näkyviin neurokirurgisen toimenpiteen aikana. Se tosiasia, että 5-ALA-ohjatuilla täysin resektoiduilla glioomapotilailla on merkittävästi pidempi eloonjäämisaika, korostaa tarvetta tietää tarkat kasvaimen rajat.

Tavoitteet – Ehdotetun tutkimuksen päätavoitteet ovat moninaiset:

(i.) Uuden EPSI-pulssisekvenssin kehittäminen hyödyntäen 3D-radiaalisia k-avaruuden näytteenottomenetelmiä, joka keskittyy kestävyyteen w.r.t. potilaan liike, on vankka kemiallisten siirtymien artefaktien suhteen, sisältää mahdollisuuden 2HG-spektrimuokkaukseen, käyttää SAR-vähennettyjä radiotaajuisia (RF) pulsseja ja toimii kokonaiskeräysajoilla, jotka ovat hyväksyttäviä kliiniseen rutiinikäyttöön; (ii.) Uuden sekvenssin vertailu käytettävissä oleviin tavanomaisiin EPSI-tekniikoihin ja semiLASER-pohjaisiin tekniikoihin kliiniseen rutiinikäyttöön vertaamalla sen suorituskykyä 3T:ssä ja 7T:ssä; (iii.) Grafiikkaprosessoriyksikköön (GPU) perustuvan sovitusalgoritmin kehittäminen 3D-radiaalisen EPSI-datan kvantifiointiin perustuen olemassa olevaan tdfdfit-algoritmiin; (iv.) Paikallisesti kehitetyn koneoppimiseen perustuvan automaattisen laadunsuodatusalgoritmin laajentaminen käytettäväksi tutkijoiden uudessa EPSI-datassa; (v.) Kvantitatiivinen tutkimus vaikutuksista spatiaalisten epäyhtenäisten lähetys- ja vastaanottoominaisuuksien osalta kaikille asiaankuuluville metaboliitteille ja tilariippuvaisille signaalin amplitudin korjausmenetelmille (paikallisesti kehitetyn menetelmän laajennus); (vi.) Selektiivisen virityksen täsmällisten vaikutusten tutkiminen J-kytketyissä spinjärjestelmissä ja näiden vaikutusten vertailu 3T:n ja 7T:n välillä; (vii.) Uusittavuustutkimus 20 terveellä vapaaehtoisella mitattuna kahdesti samalla protokollalla (10 kirjattiin kahdesti 7T:ssä ja 10 kirjattiin kahdesti 3T:ssa); (viii.) Parhaiten sopivan EPSI-pulssisekvenssin käyttö ennen leikkausta yhteensä 75 potilaalle. Kaikki potilaat kirjataan sekä 3T että 7T käyttäen vastaavia protokollia; (ix.) Preoperatiivisten, spatiaalisesti erotettujen 3D-EPSI-MRSI-tietojen yhteisrekisteröinti leikkauksen jälkeisen 3D-FLAIR- ja T1c-kuvauksen kanssa villityypin IDH-potilailla, joilla oli täydellinen resektio 5-ALA-ohjattujen neurokirurgisten toimenpiteiden aikana, antaa tietoa siitä, onko MRSI- tekniikat auttavat ennustamaan kasvaimen vaikutuksen alaisen tilavuuden; (x.) Dokumentointi biopsian sijainnista, histologia mahdollistaa paremman korrelaation MR-spektroskooppisten kuvioiden ja histologian välillä.

(xi) CEST:n suorituskyvyn vertailu CMRR-semiLASER MRSI -sekvenssiin w.r.t. gliooman IDH-tyypin ennustetarkkuuteen kahdella tekniikalla.

Metodologia - 3D-radiaalisia k-avaruuden näytteenottomenetelmiä ja rekonstruktiota käyttävän vankan EPSI-sekvenssin toteutus suoritetaan Siemens IDEA -kehittäjäalustoille VE- ja XA-ohjelmistoversioille. Sekvenssiä verrataan suorituskykyyn, joka saavutetaan toisella EPSI-toteutuksella, joka on saatavilla Siemensin kautta, sekä MEGA (MEscher-GArwood) semi-LASERin (Localization by Adiabatic Selective Refocusing) CMRR-toteutukseen 2HG-editointia varten (CMRR Spectroscopy). Paketti, 2012). Vertailusekvenssin EPSI-tietojen kvantifiointi suoritetaan MIDAS-paketilla. Uuden sekvenssin EPSI-tiedot sekä MEGA-puoli-LASER-sekvenssi kvantifioidaan käyttämällä tdfdfit-algoritmin rinnakkaismuotoista GPU-uudelleentoteutusta, joka on saatavilla erillisenä liitännäisenä jMRUI-spektroskopiapaketissa (jMRUI: java magnetic resonance user käyttöliittymä). Leikkausta edeltävien EPSI-tietojen rinnakkaisrekisteröinti leikkauksen jälkeisten rakenteellisten MRI-tietojen kanssa suoritetaan SPM-ohjelmalla (Statistical Parameter Mapping). Muut tilastolliset analyysit ja koneoppimisalgoritmit perustuvat tilastolliseen ohjelmointikieleen "R". CEST-pulssisekvenssit saadaan Siemens-Healthineersin kautta.

Mahdollinen merkitys - (a.) Leikkausta edeltävä tieto IDH-statuksesta mahdollistaa potilaan paremman yksilöllisen neurokirurgisen hoidon; (b.) Metabolisten EPSI-tietojen yhteisrekisteröinti leikkauksen jälkeisten rakenteellisten MR-tietojen kanssa antaa tietoa MRSI-tekniikoiden perushyödyllisyydestä gliooman infiltraatiovyöhykkeiden havaitsemiseksi; (c.) IDH-mutatoituneiden glioomapotilaiden, joilla on tyypillisesti pitkä minimaalisen etenemisen jakso, parannettu seuranta, jota seuraa nopeasti aggressiivinen kasvu ja muutos korkeampaan asteeseen; (d.) Kuvausbiomarkkerin saatavuus kasvaimen uusiutumisen seurantaan olisi suuri edistysaskel kaikille glioomapotilaille.