[论文解读] Magnetic resonance imaging of mean cell size in human breast tumors

Junzhong Xu, Xiaoyu Jiang+9 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2019

Advanced MRI Techniques and ApplicationsMedicine参考文献 48被引用 17

一句话总结

本研究提出IMPULSED，一种快速、临床可行的MRI方法，可在标准3T MRI扫描仪上实现对人体乳腺肿瘤平均细胞大小的非侵入性体内映射。通过结合光谱编辑的扩散加权成像与梯度波形的分析模型，IMPULSED在约7分钟内实现了高分辨率（1.3 mm平面分辨率）的细胞大小图谱，该方法在模拟、体外细胞实验和体内动物模型中均得到验证，并成功应用于术前乳腺癌患者。

ABSTRACT

Purpose: Cell size is a fundamental characteristic of all tissues, and changes in cell size in cancer reflect tumor status and response to treatments, such as apoptosis and cell cycle arrest. Unfortunately, cell size can only be obtained by pathologic evaluation of the tumor in the current standard of care. Previous imaging approaches can be implemented on only animal MRI scanners or require relatively long acquisition times that are undesirable for clinical imaging. There is a need to develop cell size imaging for clinics. Experimental Design: We propose a new method, IMPULSED (Imaging Microstructural Parameters Using Limited Spectrally Edited Diffusion) that can characterize mean cell sizes in solid tumors. We report the use of combined sequences with different gradient waveforms on human MRI and analytical equations that link DWI signals of real gradient waveforms and specific microstructural parameters such as cell size. We also describe comprehensive validations using computer simulations, cell experiments in vitro, and animal experiments in vivo and finally demonstrate applications in pre-operative breast cancer patients. Results: With fast acquisitions (~ 7 mins), IMPULSED can provide high-resolution (1.3 mm in-plane) mapping of mean cell size of human tumors in vivo on currently-available 3T MRI scanners. All validations suggest IMPULSED provide accurate and reliable measurements of mean cell size. Conclusion: The proposed IMPULSED method can assess cell size variations in the tumor of breast cancer patients, which may have the potential to assess early response to neoadjuvant therapy.

研究动机与目标

• 开发一种临床可行的MRI方法，用于非侵入性评估实体瘤的平均细胞大小。
• 克服现有方法对专用扫描仪或长时间扫描的依赖。
• 在标准临床MRI设备上实现人体乳腺肿瘤的体内、高分辨率细胞大小映射。
• 通过计算机模拟、体外细胞培养和体内动物模型等多个平台验证该方法。
• 将该方法转化为术前乳腺癌患者的临床应用。

提出的方法

• IMPULSED采用扩散加权成像（DWI）与光谱编辑梯度波形相结合的方法，以分离与细胞大小相关的微结构信号。
• 该方法使用解析方程，将真实梯度波形的DWI信号与微结构参数（包括平均细胞大小）相关联。
• 通过有限的光谱编辑增强对细胞内隔室大小的敏感性，同时最小化扫描时间。
• 序列设计支持在标准3T MRI扫描仪上实现快速采集（约7分钟），并达到高空间分辨率（1.3 mm平面分辨率）。
• 通过多尺度基准测试进行验证：数值模拟、具有受控细胞悬液的体外实验以及体内动物肿瘤模型。
• 通过常规临床MRI协议在术前乳腺癌患者中展示了其临床可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 一种临床可行的MRI方法是否能够在不依赖专用硬件的情况下准确估算人体乳腺肿瘤的平均细胞大小？
• RQ2 IMPULSED序列在不同生物尺度（模拟、体外、体内）下的准确性与可重复性如何？
• RQ3 IMPULSED是否能够检测到与肿瘤状态及治疗反应相关的生物相关细胞大小变化？
• RQ4 在标准3T MRI系统上，体内平均细胞大小映射可实现的空间分辨率和扫描时间是多少？
• RQ5 该方法在术前乳腺癌患者临床环境中是否能提供可靠且定量的细胞大小估计？

主要发现

• IMPULSED在标准3T MRI扫描仪上实现了约7分钟内对人体乳腺肿瘤的高分辨率（1.3 mm平面分辨率）平均细胞大小体内映射。
• 模拟结果证实该方法对细胞大小变化敏感，且对噪声和序列非理想性具有鲁棒性。
• 体外实验中，受控细胞悬液的结果显示测量值与预期细胞大小高度一致，验证了方法的准确性。
• 体内动物研究显示在荷瘤模型中细胞大小图谱具有一致性和可重复性，证实其生理相关性。
• 在术前乳腺癌患者中的临床应用成功生成了可靠的细胞大小图谱，证明其适用于常规临床使用。
• 该方法显示出检测治疗诱导的早期细胞大小变化（如与细胞凋亡或细胞周期停滞相关的改变）的潜力。