Εφαρμογή και βελτιστοποίηση εξειδικευμένων τεχνικών λειτουργικής και μοριακής απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού

Abstract

The development of advanced MRI techniques has made a significant contribution to the field of medical imaging, as they enabled a holistic understanding of various processes and pathologies observed in the human body, leading in that way to a more accurate and comprehensive medical diagnosis. Over the years, and given the ever-increasing need for better quality and resolution of the obtained MRI images, advanced MRI techniques have gradually evolved to improve image quality. The aim of this PhD thesis was the application and optimization of the advanced MRI techniques, namely, functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI), Diffusion Weighted Imaging (DWI) and Dynamic Contrast Enhanced Magnetic Resonance Imaging (DCE-MRI). Three different studies were performed in the context of this PhD thesis. The first study aimed to address static magnetic field B0 inhomogeneities by developing an integrated shimming technique, combining linear and high-order shimming, to optimize fMRI of the spinal cord. This study was carried out in collaboration with the Centre for Neuroimaging Sciences at King's College London. Measuring the temporal signal-to-noise ratio (tSNR) before and after the application of the shimming technique resulted to an increase of 189% in the mean tSNR value along the spinal cord (C3-C7). Subsequently, the same method was applied using a reduced field of view (FOV) to improve spatial resolution, showing a 12% decrease of the mean tSNR value in the cervical spinal cord. Overall, our shimming technique significantly reduced local signal loss and increased tSNR along the cervical spinal cord, improving image quality and, thus, optimizing fMRI of the human spinal cord. The second study aimed to investigate the use of radiomic analysis with Ensemble Learning methods, as a way to optimize advanced DWI and DCE-MRI techniques, in order to assist clinical differential diagnosis and particularly the differentiation between benign and malignant breast tumors. Multi-parametric breast MRI data (DWI, DCE and T2-w) were included in the study, and the performance of four different classification models based on the following algorithms (Adaptive Boosting (AdaBoosting), Gradient Boosting (GB), Extreme Gradient Boosting (XGBoost) and Light Gradient Boosting Machine (LightGBM)) was evaluated. According to the results, the most important radiomic features for breast cancer differentiation were five and associated with tumor shape in DCE-MRI and DWI images. Εvaluating the efficiency of the above classification models, the XGBoost and LGBM models achieved the highest AUC scores (0.95 and 0.94, respectively). Therefore, the optimized data analysis of DWI and DCE-MRI techniques using radiomics, and more specifically by incorporating Ensemble Learning methods, increased the available (quantitative) diagnostic information, contributing to improved accuracy of the diagnostic outcome and assisting differential diagnosis of breast cancer. The third study aimed to optimize the DCE-MRI technique through the development of innovative and efficient contrast agents based on spin crossover (SCO) iron nanoparticles (NPs). The synthesis of the contrast agents were performed in collaboration with the Department of Chemistry, University of Patras, while T1 and T2 relaxation times, r1 and r2 relaxivities and their possible temperature dependence, were investigated in a group of four contrast agents (NPs1, NPs2, NPs3 and NPs4) under four different temperatures, 20o, 30o, 40o and 50o C. These four contrast agents resulted from a larger group of 17 samples and considered the most efficient. According to the results, SCO NPs perform less as T1 contrast agents, however, their r2 relaxivity is very satisfactory. In particular, NPs3 and NPs4 had the highest efficiency, 2.86 and 2.93 mM-1 s-1 respectively (at 50o C), while higher r2 values were associated with higher temperatures for all four contrast agents. Therefore, the novel SCO iron nanoparticle based contrast agents could be an alternative to conventional T2 contrast agents based on gadolinium, and given the critical role of contrast agents in dynamic MR imaging, they can optimize the DCE-MRI technique and its diagnostic outcome. Considering the results and conclusions of all individual studies, it is concluded that both fMRI, DWI and DCE-MRI techniques were applied and optimized to a significant extent by following three different approaches to improve their performance in the context of this PhD thesis.

Η ανάπτυξη των εξελιγμένων τεχνικών Απεικόνισης Μαγνητικού Συντονισμού (MRI) έχει συμβάλλει σημαντικά στον τομέα της ιατρικής απεικόνισης, προσφέροντας συλλογικά πιο ακριβείς και ολοκληρωμένες ιατρικές διαγνώσεις, καθώς επιτρέπει την ολιστική κατανόηση διαφόρων διεργασιών και παθολογιών που παρατηρούνται στο ανθρώπινο σώμα. Με την πάροδο των ετών, και τις διαρκώς αυξανόμενες απαιτήσεις στην ποιότητα και την ανάλυση των λαμβανόμενων MRI εικόνων, οι τεχνικές αυτές έχουν σταδιακά εξελιχθεί, σε μια προσπάθεια βελτίωσης του απεικονιστικού αποτελέσματος. Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η εφαρμογή και βελτιστοποίηση των εξελιγμένων MRI τεχνικών και συγκεκριμένα, της λειτουργικής Απεικόνισης Μαγνητικού Συντονισμού (fMRI), της Απεικόνισης Διάχυσης (DWI) και της Δυναμικής Απεικόνισης Μαγνητικού Συντονισμού Ενισχυμένης Αντίθεσης (DCE-MRI). Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκαν τρεις επιμέρους μελέτες.Η πρώτη μελέτη είχε ως σκοπό την αντιμετώπιση των ανομοιογενειών του στατικού μαγνητικού πεδίου Β0, μέσω της ανάπτυξης μιας ολοκληρωμένης τεχνικής εξομάλυνσης των ανομοιογενειών του μαγνητικού πεδίου (shimming), η οποία συνδύαζε το γραμμικό shimming και το shimming υψηλής-τάξης, για τη βελτιστοποίηση της fMRI απεικόνισης του νωτιαίου μυελού και πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με το Κέντρο Νευροαπεικόνισης του King’s College London. Τα αποτελέσματα της μέτρησης του χρονικού λόγου σήματος προς θόρυβο (tSNR) πριν και μετά την εφαρμογή της τεχνικής shimming, έδειξαν αύξηση τη μέση τιμής του κατά μήκος του νωτιαίου μυελού (Α3-Α7) σε ποσοστό 189%. Εν συνεχεία, η ίδια μέθοδος εφαρμόστηκε σε μειωμένο πεδίο σάρωσης (FOV) για τη βελτίωση της χωρικής διακριτικής ικανότητας, παρατηρώντας μείωση 12% στη μέση τιμή του tSNR στην αυχενική μοίρα. Συνολικά, η τεχνική shimming που αναπτύχθηκε, μειώνει σημαντικά την τοπική απώλεια σήματος και αυξάνει το tSNR κατά μήκος της αυχενικής μοίρας, αυξάνοντας την ποιότητα της εικόνας και βελτιστοποιώντας έτσι την fMRI απεικόνιση του ανθρώπινου νωτιαίου μυελού. Η δεύτερη μελέτη είχε ως σκοπό τη διερεύνηση της χρήσης ραδιομικής ανάλυσης με μεθόδους Ensemble Learning, ως τρόπο βελτιστοποίησης των εξελιγμένων τεχνικών DWI και DCE-MRI, για την υποβοήθηση της διαφοροποίησης διάγνωσης και συγκεκριμένα τη διαφοροποίηση μεταξύ καλοηθών και κακοηθών όγκων του μαστού. Στη μελέτη συμπεριλήφθηκαν δεδομένα πολυπαραμετρικής εξέτασης MRI μαστού (DWI, DCE και Τ2-w), ενώ αξιολογήθηκε η απόδοση τεσσάρων μοντέλων ταξινόμησης που βασιζόταν στους αλγόριθμους Adaptive Boosting (AdaBoost), Gradient Boosting (GB), Extreme Gradient Boosting (XGBoost) και Light Gradient Boosting Machine (LightGBM). Το αποτέλεσμα της επιλογής των πιο σημαντικών ραδιομικών χαρακτηριστικών για τη διαφοροποίηση του καρκίνου του μαστού ανέδειξε πέντε χαρακτηριστικά που σχετίζονταν με το σχήμα του όγκου στις DCE-MRI και τις DWI εικόνες. Από την αξιολόγηση της αποδοτικότητας των μοντέλων ταξινόμησης, τα μοντέλα XGBoost και LGBM παρουσίασαν τις υψηλότερες τιμές AUC (0.95 και 0.94, αντίστοιχα). Συνεπώς, η βελτιστοποιημένη προσέγγιση ανάλυσης δεδομένων των DWI και DCE-MRI εξελιγμένων τεχνικών με χρήση radiomics, και συγκεκριμένα με την ενσωμάτωση μεθόδων Ensemble Learning, αυξάνει τη διαθέσιμη (ποσοτική) διαγνωστική πληροφορία, συμβάλλοντάς στη βελτίωση της ακρίβειας του διαγνωστικού αποτελέσματος και στην υποβοήθηση της διαφορικής διάγνωσης του καρκίνου του μαστού. Η τρίτη μελέτη είχε ως σκοπό τη βελτιστοποίηση της DCE-MRI τεχνικής μέσω της δημιουργίας καινοτόμων και αποδοτικών σκιαγραφικών παραγόντων βασισμένων σε SCO νανοσωματίδια σιδήρου. Η σύνθεση των σκιαγραφικών πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με το Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου Πατρών, ενώ μελετήθηκαν οι χρόνοι χαλάρωσης (T1, Τ2), η αποδοτικότητα (r1, r2) και η θερμοκρασιακή της εξάρτηση, των τεσσάρων αποδοτικότερων σκιαγραφικών ουσιών (NPs1, NPs2, NPs3 και NPs4) από ένα αρχικό δείγμα 17 σκιαγραφικών, για τέσσερις διαφορετικές θερμοκρασίες 20ο, 30ο, 40ο και 50ο C. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των μετρήσεων, τα σκιαγραφικά αυτά αποδίδουν λιγότερο ως Τ1 ενισχυτές αντίθεσης, ωστόσο, η Τ2 αποδοτικότητάς τους (r2) είναι πολύ ικανοποιητική. Συγκεκριμένα, τα δείγματα NPs3 και NPs4 παρουσίασαν την υψηλότερη απόδοση, 2.86 και 2.93 mM-1s-1 αντίστοιχα (στους 50ο C), ενώ η τιμή της r2 παρουσίασε θερμοκρασιακή εξάρτηση και για τα τέσσερα σκιαγραφικά (αύξηση της r2 με αύξηση της θερμοκρασίας). Ως εκ τούτου, τα νέα σκιαγραφικά βασισμένα σε SCO νανοσωματίδια σιδήρου δύναται να αποτελέσουν εναλλακτική επιλογή έναντι των συμβατικών Τ2 σκιαγραφικών με βάση το γαδολίνιο, ενώ δεδομένου του καθοριστικού ρόλου των σκιαγραφικών μέσων στη δυναμική Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού, μπορούν να βελτιστοποιήσουν την DCE-MRI τεχνική και κατ’ επέκταση το διαγνωστικό της αποτέλεσμα. Λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα των τριών επιμέρους μελετών, συμπεραίνεται ότι τόσο η fMRI, όσο και η DWI και DCE-MRI τεχνικές εφαρμόστηκαν και βελτιστοποιήθηκαν σε σημαντικό βαθμό ακολουθώντας τρεις διαφορετικές βελτιωτικές προσεγγίσεις στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής.