Development of a tool for perfusion quantification measured using MRI in Oncology

Autor: Antonio BuendíaDirector: Carles Falcón

15 de Septiembre del 2011

DESARROLLO DE UNA HERRAMIENTA PARA LA CUANTIFICACIÓN DE LA PERFUSIÓN MEDIDA POR IRM EN

ONCOLOGÍA CEREBRAL

Máster en Ingeniería Biomédica

Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral

Índice1. Introducción Radioterapia

2. Estudio clínico iniciado

3. Imágenes utilizadas

4. Definición del problema

5. Desarrollo de las aplicaciones

6. Información de radioterapia

7. Módulos de las aplicaciones

8. Condiciones generales

9. Pruebas de funcionamiento

10.Resultados y acciones de mejora

11.Conclusiones


Introducción Radioterapia

Uso controlado y localizado de la radiación ionizante para el tratamiento y control de tumores.

La distribución de la radiación afecta a zonas patológicas y áreas sanas del contorno de las anteriores durante el tratamiento, e incluso posterior a éste.

Volumen tumoral a tratar

Zonas próximas sanas


Introducción Radioterapia

Los efectos prevalecen sobre el tejido tumoral:• Fraccionamiento administrando pequeñas dosis

La capacidad de reparación de daño y regeneración es mayor para los tejidos sanos que el tejido tumoral.

La dosis de radiación administrada provoca efectos en:

• Regeneración de las células tumorales. Se busca que fallen los mecanismos de regeneración celular (control tumoral)

a partir de un determinado nivel de dosis.

• Tejidos sanos desde leves molestias hasta complicaciones importantes si se superan los niveles de dosis.


Estudio clínico iniciado

Estudio clínico: Valoración mediante IRM con técnicas de perfusión de los cambios producidos en el tejido cerebral sano y en el área tumoral a diferentes dosis de irradiación en pacientes con glioblastoma multiforme tratados con intención radical, iniciado en el Hospital clínic por la doctora Izascún Valduvieco.

Propósito del estudio clínico

-Diferenciar a distintas dosis de radiación, los cambios en áreas sanas y en el área tumoral en pacientes con GBM

-Valorar cambios secundarios al tratamiento en áreas con restos tumorales tras cirugía o recidiva tumoral


Las distintas características clave que recogen los cambios producidos por la radiación son medidas y observadas a partir de distintas imágenes.

CT

Axial T1 contraste

Sensible a la rotura de la barrera hematoencefálica por motivos patológicos o consecuencia del tratamiento

Delimita los bordes del tejido tumoral en una primera aproximación diagnóstica

Zona con contorno blanco dónde existe acumulación de contraste

Imágenes utilizadas


Imágenes utilizadas

CBVLa agresividad del tumor viene

expresada por su tasa de creci-

miento y este por la formación

de nuevos vasos

La regeneración tras el

tratamiento, también en relación

a los vasos sanguíneos

Axial FLAIR T2 Identiffica la inflamación consecuencia de la función

osmótica de las células

alterada Permite verificar cambios, o movimientos en la masa tumoral

La presencia de agua es potenciada con esta imagen


Definición del problema

Objetivos del proyectoProblemas-Las aplicaciones de imagen existentes Nopueden incorporar, y analizar la información del planificador de RT junto con otras imágenes de RM

-Es necesario cuantificar de forma precisa las dosis y perfusión medida por IRM en las ROI de estudio

-Incorporar toda la información delplanificador de radioterapia, junto lasimágenes, y procedimientos de procesado necesarios para el estudio clínico iniciado.

-Cuantificar de forma precisa las variablesClave la CBV y la dosis recibida.

-La utilización y fácil adaptación de lasaplicaciones a otros estudios futuros


Desarrollo de las aplicacionesLa implementación práctica de los requerimientos del proyecto se realiza a

través de GIMIAS

-Módulo RTStructReader-Módulo de adaptación mapa de dosis-Módulo ISODOSELINES-Módulo ExtractValues

-Módulo moroi


Información de RT: plan, Dose y Struct

Estructuras (Órganos críticos y zonas a tratar)

Restricciones a considerar

en la distribución de dosis

RT SET STRUCT

Plan (Configuración haces, fraccionamiento tratamiento)

RT PLAN

Distribución de dosis

RT DOSE

La planificación genera una serie de archivos de datos e imágenes, en formato DICOM RT para la transferencia entre distintas plataformas de tratamiento por radioterapia y de análisis de imagen.


Módulo RTstruct

Este módulo extrae la información de los ficheros Dicom de tipo RT Structure, correspondiente a estructuras (OR) e información de interés del archivo RT plan.


Módulo Adaptación de dosis

Crear imagen vacía

de destino

Buscar la slice de referencia

.Abrir y leer imagen posición y factor de

dosis

Extraer información del fichero RT plan

Trasladar valores de dosis de los vóxeles de la slice corregidos

por factor dosis

Actualizar maximo temporal

Primera imagen

Repetir para el resto de imágenes

Las imágenes de dosis 2D se cargan como 3D con el valor de dosis en cada punto en Gy.


Módulo Isodoselines

Mapa de dosis

Repetir para las distintas curvas

-90% Azul-70% Marrón-50% Violeta-30% Rojo-10% VerdeDe la dosis máxima del mapa

El módulo ISODOSELINES dibuja sobre la imagen de dosis las curvas de nivel (isodosis) para los valores 10%, 30%, 50%, 70% y 90% del valor máximo de dosis que existe en el mapa de dosis.


Comparación de los resultados

Comparación de la representación estructuras en GIMIAS (izq) y VODCA (der)

( 11)

Comparación de las líneas de Isodosis en GIMIAS (izq) y VODCA (der)

Resultados:

-Muestran coincidencia en las distintas líneas de isodosis y estructuras .

-Usan técnicas de suavizado distintas, hecho que hace que se observen pequeñas diferencias.


Módulo Extractvalues

Este módulo extrae los valores de los vóxeles en una ROI de las imágenes CBV y dosis, y con ellos calcula estadísticas, histograma , y guarda los datos en fichero para posterior análisis.

ROI De estudio


Módulo moroi

El módulo moroi permite reajustar la posición de una ROI dibujada sobre una imagen de base.

ROI De estudio


-ROI1 en la necrosis tumoral o en la cavidad postquirúrgica-ROI2 en el área de acumulación de contraste -ROI3 en el área con alteración de señal FLAIR y próxima a zona deacumulación con dosis muy altas, e incluido en el CTV(ClinicalTumor Volume).-ROI4 en un área sin alteración de la señalque ha recibido dosis muy altas y está incluido en el PTV(planningtumor volume).-ROI5 de referencia en la sustancia blanca contralateral no irradiada

Tiempo

2 semanas aprox (30 Gy)

4 semanasROI 2

ROI 1

ROI 4ROI 3

Tasa de dosis 2Gy/día

CBV

Dosis

Referido al punto máximo de la distribución

Diferencias según

los OR y la forma

de distribución

Ax T1 C

Ax FLAIR

2 semanas aprox (60 Gy)

Condiciones generales


Pruebas de funcionamiento

A) Procesos de preparación inicial y corregistro de la IRM dentro de cadaGrupo de tiempo

La herramienta puede ser probada de forma continua y completa, a la vez que

se exploran los datos que se disponen inicialmente.



B) Procesos de corregistro de los grupos de IRM de los instantes 60Gy y 4 semanas tomando como base el grupo del instante 30Gy



C) Procesos utilizando los módulos RTstruct, adaptación de dosis,

ISODOSELINES y extract values para poder analizar

NUNUEVOS MÓDULOS CREADOS



Cambios significativos de las ROIS en eltiempo para cada paciente (Test T)

• ROI como una sola unidad definida por elvalor medio regional de los valores de rCBV y dosis.

• Cambio significativo en la media regional del valor de los voxeles en los distintos instantes para cada paciente.

d) Análisis con los datos obtenidosNormalización de la intensidad

- i: Voxel que pertenece al tejido sano ROI5 -N: Número de voxeles en el tejido sano ROI5-j: Voxel que pertenece a la ROI de estudio 1,2,3,4

RESITUAR ROI


Pruebas de funcionamientoTendencias en el comportamiento de losvalores medios regionales de las ROIs entrePacientes en el tiempo

• Valores extraídos de 4 ROIs en 6 pacientes

• Evolución temporal de las rCBV regionales de las ROI entre pacientes, Cualitativamente muestra mucha

variabilidad

• ANOVA con un factor el tiempoLas comparaciones múltiples para distintos instantes de tiempo entre pacientes, no muestran cambios comunes que puedan ser interpretados como significativos respecto lavariación interna entre pacientes

Pruebas de los efectos inter-sujetos

Variable dependiente: rCBV

2,192a 2 1,096 ,255 ,77884,934 1 84,934 19,766 ,000

2,192 2 1,096 ,255 ,77864,455 15 4,297

151,580 1866,647 17

FuenteModelo corregidoIntersecciónTiempoErrorTotalTotal corregida

Suma decuadrados

tipo III glMedia

cuadrática F Significación

R cuadrado = ,033 (R cuadrado corregida = -,096)a.

No significativo


Resultados y acciones de mejoraDe las pruebas anteriores, no se obtiene ninguna clase de conclusión clínica, pero sí quese comprueba el funcionamiento correcto de las aplicaciones y se tiene un mayorConocimiento de los factores que aportan variabilidad.

Entre las distintas causas que producen la variabilidad están :• Las distribuciones de dosis en el PTV no son homogéneas • Factores fisiológicos no controlados propios de los sujetos • Localización espacial y morfología de la lesión

Es posible realizar acciones por software (módulo moroi) para facilitar los análisis y disminuir la variabilidad provocada por el movimiento de la lesión en el tiempo.


Conclusiones Las aplicaciones desarrolladas permiten trabajar simultáneamente

con toda la información referente a radioterapia con IRM, y hacen posiblecuantificar la dosis y el rCBV de manera precisa.

Las aplicaciones desarrolladas están realizadas en una plataforma decódigo libre y quedan de forma permanente para ser extensibles según las necesidades de próximos estudios clínicos.

La verificación de las aplicaciones con software de referencia no muestra diferencias.

El funcionamiento continuo de las herramientas, que ha sido probado a la vez que un análisis exploratorio con los datos disponibles, da información del nivel de variabilidad, sus posibles causas y como actuar.

GRACIAS POR LA ATENCIÓN

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