4D-MRI para Medicina de Precisão

A radioterapia para câncer tem sido um precursor da medicina personalizada, desenvolvendo tratamentos individualizados com base em informações anatômicas específicas do paciente. Apesar dos muitos avanços na radioterapia na última década, que melhoraram efetivamente o controle local ou locorregional do tumor para muitos pacientes, ainda há espaço substancial para melhorias. Os desafios da radioterapia para ampliar ainda mais a janela terapêutica na era da medicina de precisão são principalmente dois: (a) melhorar ainda mais a conformidade da dose de radiação com o volume alvo definido e (b) adaptar novas estratégias biológicas para tratamento personalizado. A imagem quadridimensional (4D) e o registro de imagem deformável (DIR) são ferramentas essenciais na radioterapia moderna, desempenhando papéis críticos em muitos avanços recentes, incluindo radioterapia 4D, radioterapia adaptativa e avaliação de tratamento. No entanto, as atuais tecnologias de imagem 4D e DIR estão enfrentando desafios significativos à medida que aumenta a exigência de precisão.

O padrão atual de imagem 4D em radioterapia é 4D-CT. No entanto, tem duas limitações principais que o impedem de aplicações de radioterapia de precisão: (a) baixo contraste de tecidos moles. A 4D-CT, portanto, não é ideal para aplicações abdominais; (b) artefatos de movimento causados ​​por respiração irregular. Foi demonstrado que os artefatos de movimento 4D-CT causam erros em várias aplicações de radioterapia, incluindo medição de movimento, delineamento de volume alvo, cálculo de dose, DIR e cálculo de ventilação pulmonar. 4D-MRI é uma tecnologia emergente de imagem 4D para radioterapia. Possui contraste de tecido mole superior ao 4D-CT e, portanto, é excelente para imagens abdominais. Apesar de muitos avanços recentes em 4D-MRI, as implementações atuais de 4D-MRI têm qualidade de imagem inadequada para aplicação de radioterapia de precisão devido a pelo menos uma das seguintes deficiências: baixa resolução temporal e/ou espacial, longo tempo de aquisição de imagem e contraste abaixo do ideal no pulmões. As imagens 4D-MRI resultantes carecem de detalhes anatômicos suficientes para aplicações clínicas, o que pode afetar adversamente o desempenho do DIR. As técnicas atuais de DIR focam na similaridade morfológica, mas não na plausibilidade fisiológica da deformação. Estudos têm mostrado que uma maior similaridade morfológica dos dados alinhados nem sempre implica maior precisão de registro. Portanto, abordagens mais sofisticadas são desejáveis.

Os investigadores adotarão uma abordagem sistemática para abordar as limitações acima mencionadas de imagens 4D e registro de imagens deformáveis ​​(DIR) com base no desenvolvimento e fertilização cruzada de duas técnicas principais: 4D-MRI de ultra qualidade e DIR híbrido de base fisiológica. Esta pesquisa é dividida em duas partes, compreendendo três objetivos principais:

Parte 1. Desenvolvimento técnico em indivíduos saudáveis: Os investigadores irão estender sua estratégia de sequência de pulso existente para MRI 3D de ultra qualidade para permitir 4D-MRI de ultra qualidade. Em comparação com as técnicas atuais de 4D-CT e 4D-MRI, a técnica de ultra-qualidade 4D-MRI proposta oferece as seguintes vantagens: (a) alta resolução espacial (1,5 mm isotrópico) com recursos de imagem ricos (por exemplo, árvores de embarcações) em todo o tronco; (b) alta pseudo-resolução temporal (>20 fases/ciclo); e (c) (quase) livre de artefatos de movimento.

• Objetivo 1: Desenvolver uma sequência de pulsos de MRI e um pipeline de reconstrução de imagem que gere imagens que atendam a esses três objetivos de projeto.

Parte 2. Avaliação de 4D-MRI em um estudo de paciente: 4D-MRI será comparada com os métodos DIR e 4D-CT existentes. Haverá duas classes de comparações, cada uma formulada como um objetivo separado:

• Objetivo 2: Comparar a modelagem de movimento baseada em 4D-MRI com registro de imagem deformável (DIR) em voluntários saudáveis ​​e pacientes com câncer. Será desenvolvido um método de modelagem de movimento aprimorado que é adaptado para aplicações 4D-MRI de ultra qualidade. Os pesquisadores levantam a hipótese de que um novo método de modelagem de movimento baseado em 4D-MRI superará os algoritmos DIR atuais para estimativa de movimento respiratório. Esta hipótese será testada comparando o novo método com cinco algoritmos DIR que incluem uma mistura de software comercial e algoritmos disponíveis publicamente.
• Objetivo 3: Comparar 4D-MRI com 4D-CT em pacientes com câncer de pulmão e fígado. A hipótese geral deste objetivo é que a 4D-MRI de ultra qualidade fornece melhor qualidade de imagem do que a 4D-CT para o gerenciamento de movimento da radioterapia nos pulmões e no fígado, especialmente em pacientes com respiração irregular.