Development of a tool for perfusion quantification measured using MRI in Oncology
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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
Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral
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
Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral
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.
Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral
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
Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral
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
Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral
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
Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral
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 una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral
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
Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral
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.
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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.
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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.
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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.
Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral
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.
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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
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Módulo moroi
El módulo moroi permite reajustar la posición de una ROI dibujada sobre una imagen de base.
ROI De estudio
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-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
Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral
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.
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Pruebas de funcionamiento
B) Procesos de corregistro de los grupos de IRM de los instantes 60Gy y 4 semanas tomando como base el grupo del instante 30Gy
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Pruebas de funcionamiento
C) Procesos utilizando los módulos RTstruct, adaptación de dosis,
ISODOSELINES y extract values para poder analizar
NUNUEVOS MÓDULOS CREADOS
Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral
Pruebas de funcionamiento
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
Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral
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
Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral
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.
Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral
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