Clinical Applications of Multimodal Magnetic Resonance Imaging

Abstract

Det brede spekteret av magnetisk resonans tomografi (MR) teknikker som nå er tilgjengelig for forskning og klinisk bruk har åpnet for studier der flere ulike avbildningsmodaliteter kombineres. Dette arbeidet presenterer fire studier der flere MR teknikker og MR-deriverte parametre kombineres for å undersøke konkrete kliniske spørsmål.

Kontrastforsterket (CE) bilder muliggjør å identifisere nedbrutte karvegger i hjernen. Ved hjelp av dynamisk susceptibilitet kontrast (DSC) avbilding er det mulig å estimere parametre som gir informasjon om mikrovaskulaturen i vevet. Dynamisk kontrastforsterket (DCE) MR er følsom for tidsvariasjon i kontrastmiddelkonsentrasjonen i vevet når kontrastmiddelet blir tatt opp og deretter vasket ut. Denne prosessen kan analyseres for å kvantifisere permeabilitetet i karveggene og andelen ekstravaskulær-ekstracellulære rom i vevet totalt. Diffusjonsvektet avbilding (DWI) er avhenging av de tilfeldige bevegelsene av vannmolekyler i vevet, som kan være relatert til strukturelle forandringer. Diffusjonstensor avbilding (DTI) kan brukes til å undersøke mikrostruktur av hvit substans og blodoksygen- nivå-avhengig funksjonell MRI (BOLD fMRI) er i stand til å fange opp forandringer i den lokale oksygenforsyning i hjernen (som er kjent for å være koblet til variasjoner i den nevrale aktiviteten). Høy-oppløsning T1-vektet bilder og T2-vektet bilder er egnet til å karakterisere anatomiske strukturer og visse patologiske prosesser.

I et utvalg av glioma pasienter ble statistisk informasjon fra distribusjonen av CE og DSC parametre i en region av interesse (ROI) som omfattet svulstene vurdert og sammenlignet med hensyn til prediktiv verdi. En indikator for tilstedeværelse av lekkasje gjennom karveggene var den beste prediktor for tumor grad og overlevelse.

I brystkreft pasienter som gjennomgikk neoadjuvant kjemoterapi var forandringen i den lengste tumordiameteren etter 1 syklus med terapi den beste prediktor for behandlingsrespons. Den overgikk både DCE og DWI parametrene. I tillegg ble test-retest reliabilitet for DWI målingene estimert.

En uendret hemodynamiske respons funksjon ble funnet i synshjernebarken i en gruppe traumatisk hjerneskade pasienter ved bruk av fMRI, til tross for skade i hvit substans i synsstrålingen som målt med DTI.

Segmenteringsverktøy er verdifulle for strukturelle analyser i studier av aldring, utvikling, Alzheimers sykdom, kirurgisk planlegging eller medikament testing blant annet. Vi validerte en algoritme for automatisert inndeling av strukturer i hjernen som er egnet for analyse med ulike MR avbildingssekvenser, og utviklet dette til å omfatte analyse av multispektrale bilder. I tillegg ble det beregnet test-retest reliabilitet for T1- og T2-vektet bildepar. Utførelsen av algoritmen var god, men ennå ikke på nivå med den vanlige stateof- the-art-metoden. Bruken av multispektrale MR bilder forbedret reliabilitet for noen, men ikke for alle strukturerene sammenliknet med bruk av unispektrale bilder. Retningslinjer for fremtidige forbedringer i algoritmen ble foreslått.

Denne avhandlingen har vist hvordan multimodal avbildning kan brukes klinisk fra det å velge parametere for prediksjon av tumor type, overlevelse og respons på behandling, etablere sammenhenger mellom struktur og funksjon og bedre anatomisk klassifisering.

The broad spectrum of magnetic resonance imaging (MRI) techniques that has become available for research and clinical use in the last few years has opened the field for studies resorting to several image modalities. This work presents four studies where multiple MRI modalities or MRI-derived parameters are combined to investigate specific clinical questions.

Contrast enhanced (CE) scans enable identification of disrupted vessel walls in the brain. By means of dynamic susceptibility contrast (DSC) imaging, it is possible to estimate parameters that are related to hemodynamic tissue properties. Dynamic contrast enhanced (DCE) MRI is sensitive to temporal variations of the contrast agent concentration in the tissue as it is taken up by it and subsequently washed out; the dynamics of this process can be analyzed in order to quantify the permeability of the vessels and fraction of extravascular-extracellular space. Diffusion weighted imaging (DWI) depends on the diffusion of water molecules in tissue, which may be related to structural changes. Diffusion tensor imaging (DTI) can be used to probe white matter microstructure. BOLD fMRI is able to capture alterations in the local supply of oxygen in the brain (which is known to be coupled to variations in neural activity). High resolution 1 T -weighted images and 2 T -weighted images are suitable to characterize anatomical features and certain pathological traits.

In a sample of glioma patients, parameters derived from the values of CE and DSC acquisitions in a region-of-interest (ROI) encompassing the tumors were assessed and compared with respect to their predictive performance regarding tumor grade and patient survival. An indicator of presence of leakage through the vessel walls was the best predictor of both grade and survival.

In breast cancer patients undergoing neoadjuvant chemotherapy, a change in the longest tumor diameter after one cycle of treatment was the best predictor of response to the therapy, outperforming DCE and DWI ROI statistics. Test-retest reliability of the DWI measurements was also established.

An unaltered hemodynamic response function was observed in visual cortex in a group of traumatic brain injury patients using fMRI, in spite of abnormalities in the white matter of the optic radiation detectable with DTI.

Segmentation tools are valuable for morphological analyses in studies of aging, development, Alzheimer's disease, surgical planning or drug testing, among other applications. We validated an algorithm for automated parcellation of brain structures that is suited for the analysis of a range of imaging sequences, developed its extension to make it applicable to multispectral images, and estimated its test-retest reliability on 1 T -weighted and 2 T -weighted pairs of images. The performance of the algorithm was good but not yet at the level of a state-of-the-art method, and the use of multispectral images improved reliability for some but not all of the structures compared to the use of unispectral images. Guidelines for future improvements of the algorithm were set.

This work has demonstrated the use of multimodal imaging for clinical applications from the perspective of selecting parameters for prediction of tumor grade, survival and treatment response, establishing relationships between structure and function and improving anatomical classification.