4D-MRI a precíziós orvostudományhoz

A rák sugárterápiája a személyre szabott orvoslás előfutára volt, és a betegspecifikus anatómiai információk alapján személyre szabott kezeléseket fejlesztett ki. Annak ellenére, hogy az elmúlt évtizedben számos előrelépés történt a sugárterápiában, amelyek hatékonyan javították sok beteg lokális vagy lokális regionális daganatkontrollját, továbbra is van még mit javítani. A sugárterápiával szembeni kihívások a precíziós medicina korszakában a terápiás ablak további kiszélesítése tekintetében főként kettősek: (a) tovább javítják a sugárdózis-konformitást a meghatározott céltérfogathoz, és (b) új biológiai stratégiákat adaptálnak a személyre szabott kezeléshez. A négydimenziós (4D) képalkotás és a deformálható képregisztráció (DIR) a modern sugárterápia kulcsfontosságú eszközei, amelyek kritikus szerepet játszanak számos közelmúltbeli fejlesztésben, beleértve a 4D sugárterápiát, az adaptív sugárterápiát és a kezelés értékelését. A jelenlegi 4D-s képalkotási és DIR-technológiák azonban jelentős kihívásokkal néznek szembe, mivel a precizitás iránti igény növekszik.

A sugárterápiában a 4D képalkotás jelenlegi szabványa a 4D-CT. Két fő korlátja van azonban, amelyek megakadályozzák a precíziós sugárterápiás alkalmazásokban: (a) alacsony lágyszövet-kontraszt. A 4D-CT ezért nem ideális hasi alkalmazásokhoz; b) szabálytalan légzés által okozott mozgási műtermékek. Kimutatták, hogy a 4D-CT mozgási műtermékek hibákat okoznak különböző sugárterápiás alkalmazásokban, beleértve a mozgásméréseket, a céltérfogat-határolást, a dózisszámítást, a DIR-t és a tüdőlélegeztetés számítását. A 4D-MRI egy feltörekvő 4D képalkotó technológia a sugárterápiában. Kiváló lágyszövet-kontrasztja van, mint a 4D-CT, ezért kiválóan alkalmas hasi képalkotásra. A 4D-MRI közelmúltbeli fejlődése ellenére a jelenlegi 4D-MRI-megvalósítások képminősége nem megfelelő a precíziós sugárterápiás alkalmazásokhoz a következő hiányosságok legalább egyike miatt: alacsony időbeli és/vagy térbeli felbontás, hosszú képfelvételi idő és szuboptimális kontraszt tüdő. Az eredményül kapott 4D-MRI képek nem tartalmaznak elegendő anatómiai részleteket a klinikai alkalmazásokhoz, ami hátrányosan befolyásolhatja a DIR teljesítményét. A jelenlegi DIR technikák a morfológiai hasonlóságra összpontosítanak, de nem a deformáció fiziológiai elfogadhatóságára. Tanulmányok kimutatták, hogy az összehangolt adatok megnövekedett morfológiai hasonlósága nem mindig jelenti a megnövekedett regisztrációs pontosságot. Ezért kifinomultabb megközelítések kívánatosak.

A kutatók szisztematikus megközelítést alkalmaznak a 4D-s képalkotás és a deformálható képregisztráció (DIR) fent említett korlátainak kezelésére, két fő technika kifejlesztése és keresztezése alapján: az ultraminőségű 4D-MRI és a fiziológiás alapú hibrid DIR. Ennek a kutatásnak két része van, amelyek három fő célkitűzést tartalmaznak:

1. rész. Technikai fejlesztés egészséges alanyoknál: A vizsgálók kiterjesztik meglévő impulzusszekvencia-stratégiájukat az ultraminőségű 3D MRI-re, hogy lehetővé tegyék az ultraminőségű 4D-MRI-t. A 4D-CT és a jelenlegi 4D-MRI technikákkal összehasonlítva a javasolt ultraminőségű 4D-MRI technika a következő előnyöket kínálja: (a) nagy térbeli felbontás (1,5 mm izotróp) gazdag képi jellemzőkkel (pl. edényfák) az egész törzsben; b) nagy időbeli pszeudofelbontás (>20 fázis/ciklus); és (c) (majdnem) mozgási műtermékektől mentes.

• 1. célkitűzés: Olyan MRI impulzusszekvencia és képrekonstrukciós folyamat kifejlesztése, amely e három tervezési célnak megfelelő képeket állít elő.

2. rész. A 4D-MRI értékelése egy betegvizsgálatban: A 4D-MRI-t összehasonlítják a meglévő DIR és 4D-CT módszerekkel. Az összehasonlításoknak két osztálya lesz, mindegyik külön célként fogalmazódik meg:

• 2. cél: Hasonlítsa össze a 4D-MRI-n alapuló mozgásmodellezést a deformálható képregisztrációval (DIR) egészséges önkéntesekben és rákos betegekben. Továbbfejlesztett mozgásmodellezési módszert fognak kifejleszteni, amelyet az ultraminőségű 4D-MRI alkalmazásokhoz szabnak. A kutatók azt feltételezik, hogy a 4D-MRI-n alapuló új mozgásmodellezési módszer felülmúlja a jelenlegi DIR-algoritmusokat a légzési mozgások becslésére. Ezt a hipotézist úgy teszteljük, hogy az új módszert öt DIR-algoritmushoz hasonlítjuk, amelyek kereskedelmi szoftverek és nyilvánosan elérhető algoritmusok keverékét tartalmazzák.
• 3. célkitűzés: Hasonlítsa össze a 4D-MRI-t a 4D-CT-vel tüdő- és májrákos betegeknél. Ennek a célkitűzésnek az általános hipotézise az, hogy az ultra-minőségű 4D-MRI jobb képminőséget biztosít, mint a 4D-CT a tüdő és a máj sugárkezelésének mozgáskezelésében, különösen a szabálytalan légzésben szenvedő betegeknél.