4D-MRI tarkkuuslääketieteessä

Syövän sädehoito on ollut yksilöllisen lääketieteen edelläkävijä, joka on kehittänyt yksilöllisiä hoitoja potilaskohtaisiin anatomisiin tietoihin perustuen. Huolimatta monista viime vuosikymmenen sädehoidon edistysaskeleista, jotka ovat tehokkaasti parantaneet monien potilaiden paikallista tai paikallista tuumorin hallintaa, parantamisen varaa on edelleen. Sädehoidon haasteet terapeuttisen ikkunan laajentamiseksi edelleen tarkkuuslääketieteen aikakaudella ovat pääosin kaksijakoisia: (a) parantaa edelleen säteilyannoksen mukaisuutta määritellylle tavoitetilavuudelle ja (b) mukauttaa uusia biologisia strategioita yksilölliseen hoitoon. Neliulotteinen (4D) kuvantaminen ja muotoutuvan kuvan rekisteröinti (DIR) ovat keskeisiä työkaluja nykyaikaisessa sädehoidossa, ja niillä on ratkaiseva rooli monissa viimeaikaisissa edistysaskeleissa, mukaan lukien 4D-sädehoito, adaptiivinen sädehoito ja hoidon arviointi. Nykyiset 4D-kuvantamis- ja DIR-tekniikat kohtaavat kuitenkin merkittäviä haasteita tarkkuusvaatimuksen kasvaessa.

Nykyinen 4D-kuvantamisen standardi sädehoidossa on 4D-CT. Sillä on kuitenkin kaksi suurta rajoitusta, jotka estävät sitä käyttämästä tarkkoja sädehoitosovelluksia: (a) alhainen pehmytkudoskontrasti. Siksi 4D-CT ei ole ihanteellinen vatsaonteloon. b) epäsäännöllisen hengityksen aiheuttamat liikeartefaktit. 4D-CT-liikeartefaktien on osoitettu aiheuttavan virheitä erilaisissa sädehoitosovelluksissa, mukaan lukien liikkeen mittaaminen, kohdetilavuuden rajaaminen, annoslaskelma, DIR ja keuhkojen ventilaation laskeminen. 4D-MRI on nouseva 4D-kuvaustekniikka sädehoitoon. Sillä on ylivertainen pehmytkudoskontrasti 4D-CT:hen verrattuna ja siksi se on erinomainen vatsan alueen kuvantamiseen. Huolimatta monista viimeaikaisista edistysaskeleista 4D-MRI:ssä, nykyisten 4D-MRI-toteutusten kuvanlaatu on riittämätön tarkkuussädehoitosovelluksiin johtuen ainakin yhdestä seuraavista puutteista: alhainen ajallinen ja/tai spatiaalinen resoluutio, pitkä kuvanottoaika ja alioptimaalinen kontrasti keuhkoihin. Tuloksena olevista 4D-MRI-kuvista puuttuu riittävästi anatomisia yksityiskohtia kliinisiin sovelluksiin, mikä voi vaikuttaa haitallisesti DIR:n suorituskykyyn. Nykyiset DIR-tekniikat keskittyvät morfologiseen samanlaisuuteen, mutta eivät muodonmuutoksen fysiologiseen uskottavuuteen. Tutkimukset ovat osoittaneet, että kohdistettujen tietojen lisääntynyt morfologinen samankaltaisuus ei aina tarkoita lisääntynyttä rekisteröintitarkkuutta. Siksi kehittyneemmät lähestymistavat ovat toivottavia.

Tutkijat ottavat systemaattisen lähestymistavan puuttuakseen edellä mainittuihin 4D-kuvantamisen ja muotoutuvien kuvien rekisteröinnin (DIR) rajoituksiin perustuen kahden suuren tekniikan kehittämiseen ja ristiinhedelmöitykseen: ultralaadukkaan 4D-MRI:n ja fysiologiseen pohjautuvaan hybridi-DIR:iin. Tässä tutkimuksessa on kaksi osaa, jotka sisältävät kolme päätavoitetta:

Osa 1. Tekninen kehitys terveillä koehenkilöillä: Tutkijat laajentavat nykyistä pulssisekvenssistrategiaansa ultralaadukkaalle 3D-MRI:lle mahdollistamaan ultralaadukkaan 4D-MRI:n. Verrattuna 4D-CT- ja nykyisiin 4D-MRI-tekniikoihin ehdotettu ultralaadukas 4D-MRI-tekniikka tarjoaa seuraavat edut: (a) korkea spatiaalinen resoluutio (1,5 mm isotrooppinen) ja runsaasti kuvaominaisuuksia (esim. aluspuut) koko vartalossa; (b) korkea ajallinen pseudoresoluutio (>20 vaihetta/sykli); ja (c) (melkein) vapaat liikeartefakteista.

• Tavoite 1: Kehitä MRI-pulssisekvenssi ja kuvan rekonstruktioputkisto, joka tuottaa kuvia, jotka täyttävät nämä kolme suunnittelutavoitetta.

Osa 2. 4D-MRI:n arviointi potilastutkimuksessa: 4D-MRI:tä verrataan olemassa oleviin DIR- ja 4D-CT-menetelmiin. Vertailuja on kaksi, joista jokainen on muotoiltu erilliseksi tavoitteeksi:

• Tavoite 2: Vertaa 4D-MRI:hen perustuvaa liikemallinnusta deformoituvan kuvan rekisteröintiin (DIR) terveillä vapaaehtoisilla ja syöpäpotilailla. Kehitetään parannettu liikemallinnusmenetelmä, joka on räätälöity huippulaadukkaisiin 4D-MRI-sovelluksiin. Tutkijat olettavat, että uusi 4D-MRI:hen perustuva liikemallinnusmenetelmä ylittää nykyiset DIR-algoritmit hengitysliikkeen arvioinnissa. Tätä hypoteesia testataan vertaamalla uutta menetelmää viiteen DIR-algoritmiin, jotka sisältävät yhdistelmän kaupallisia ohjelmistoja ja julkisesti saatavilla olevia algoritmeja.
• Tavoite 3: Vertaa 4D-MRI:tä 4D-CT:hen keuhko- ja maksasyöpäpotilailla. Tämän tavoitteen yleinen hypoteesi on, että ultralaadukas 4D-MRI tarjoaa paremman kuvanlaadun kuin 4D-CT keuhkojen ja maksan sädehoidon liikehallinnassa, erityisesti potilailla, joilla on epäsäännöllinen hengitys.