4D-MRI per la medicina di precisione

La radioterapia per il cancro è stata un precursore della medicina personalizzata, sviluppando trattamenti personalizzati basati su informazioni anatomiche specifiche del paziente. Nonostante i numerosi progressi della radioterapia nell'ultimo decennio, che hanno effettivamente migliorato il controllo del tumore locale o loco-regionale per molti pazienti, rimane ancora un sostanziale margine di miglioramento. Le sfide per la radioterapia per ampliare ulteriormente la finestra terapeutica nell'era della medicina di precisione sono principalmente duplici: (a) migliorare ulteriormente la conformità della dose di radiazioni al volume target definito e (b) adattare nuove strategie biologiche per il trattamento personalizzato. L'imaging quadridimensionale (4D) e la registrazione dell'immagine deformabile (DIR) sono strumenti chiave nella radioterapia moderna, svolgendo ruoli critici in molti recenti progressi, tra cui la radioterapia 4D, la radioterapia adattativa e la valutazione del trattamento. Tuttavia, le attuali tecnologie di imaging 4D e DIR stanno affrontando sfide significative con l'aumentare dei requisiti di precisione.

L'attuale standard dell'imaging 4D in radioterapia è la TC 4D. Tuttavia, presenta due limitazioni principali che gli impediscono applicazioni di radioterapia di precisione: (a) basso contrasto dei tessuti molli. 4D-CT non è quindi ideale per applicazioni addominali; (b) artefatti da movimento causati da respirazione irregolare. È stato dimostrato che gli artefatti da movimento 4D-CT causano errori in varie applicazioni di radioterapia, tra cui la misurazione del movimento, la delineazione del volume target, il calcolo della dose, la DIR e il calcolo della ventilazione polmonare. 4D-MRI è una tecnologia di imaging 4D emergente per la radioterapia. Ha un contrasto superiore dei tessuti molli rispetto alla 4D-CT ed è quindi eccellente per l'imaging addominale. Nonostante molti recenti progressi nella 4D-MRI, le attuali implementazioni della 4D-MRI hanno una qualità dell'immagine inadeguata per l'applicazione della radioterapia di precisione a causa di almeno una delle seguenti carenze: basse risoluzioni temporali e/o spaziali, tempo di acquisizione dell'immagine lungo e contrasto non ottimale nel polmoni. Le risultanti immagini 4D-MRI mancano di dettagli anatomici sufficienti per le applicazioni cliniche, il che può influire negativamente sulle prestazioni del DIR. Le attuali tecniche DIR si concentrano sulla somiglianza morfologica ma non sulla plausibilità fisiologica della deformazione. Gli studi hanno dimostrato che una maggiore somiglianza morfologica dei dati allineati non implica sempre una maggiore precisione di registrazione. Pertanto, sono auspicabili approcci più sofisticati.

Gli investigatori adotteranno un approccio sistematico per affrontare i suddetti limiti dell'imaging 4D e della registrazione dell'immagine deformabile (DIR) sulla base dello sviluppo e della fertilizzazione incrociata di due tecniche principali: 4D-MRI di altissima qualità e DIR ibrido su base fisiologica. Ci sono due parti di questa ricerca, comprendenti tre obiettivi principali:

Parte 1. Sviluppo tecnico in soggetti sani: i ricercatori estenderanno la loro strategia di sequenza di impulsi esistente per la risonanza magnetica 3D di altissima qualità per consentire la risonanza magnetica 4D di altissima qualità. Rispetto alle tecniche 4D-CT e alle attuali tecniche 4D-MRI, la tecnica 4D-MRI di altissima qualità proposta offre i seguenti vantaggi: (a) elevata risoluzione spaziale (1,5 mm isotropo) con ricche caratteristiche dell'immagine (ad es. alberi vascolari) in tutto il busto; (b) alta pseudo-risoluzione temporale (>20 fasi/ciclo); e (c) (quasi) privo di artefatti da movimento.

• Obiettivo 1: sviluppare una sequenza di impulsi MRI e una pipeline di ricostruzione delle immagini che generi immagini che soddisfino questi tre obiettivi di progettazione.

Parte 2. Valutazione della 4D-MRI in uno studio del paziente: la 4D-MRI sarà confrontata con i metodi esistenti DIR e 4D-CT. Ci saranno due classi di confronto, ciascuna formulata come un obiettivo separato:

• Obiettivo 2: Confrontare la modellazione del movimento basata su 4D-MRI con la registrazione dell'immagine deformabile (DIR) in volontari sani e malati di cancro. Verrà sviluppato un metodo di modellazione del movimento migliorato su misura per le applicazioni 4D-MRI di altissima qualità. I ricercatori ipotizzano che un nuovo metodo di modellazione del movimento basato su 4D-MRI supererà gli attuali algoritmi DIR per la stima del movimento respiratorio. Questa ipotesi verrà testata confrontando il nuovo metodo con cinque algoritmi DIR che includono un mix di software commerciale e algoritmi disponibili al pubblico.
• Obiettivo 3: confrontare la 4D-MRI con la 4D-TC nei pazienti con cancro al polmone e al fegato. L'ipotesi generale di questo obiettivo è che la 4D-MRI di altissima qualità fornisca una migliore qualità dell'immagine rispetto alla 4D-CT per la gestione del movimento della radioterapia nei polmoni e nel fegato, specialmente nei pazienti con respirazione irregolare.