Fiziksel biyobelirteçlerin kantitatif MR tabanlı görüntülenmesi

Künye

Proje no	18HLT05
Kısa adı	QUIERO
Program	EMPIR, 2018 çağrısı (Sağlık)
Süre	Haziran 2019 – Kasım 2022 (42 ay)
Koordinatör	Luca Zilberti, INRIM (İtalya)

Neden gerekliydi?

MRI, Avrupa’da yılda 30 milyonu aşan çekimle klinik pratiğin en önemli görüntüleme araçlarından biri. Ancak standart MR sonuçları nitel kalır: bir uzmanın görsel yorumuna dayanır, farklı zamanlarda ve farklı merkezlerde elde edilen sonuçları karşılaştırmak zordur ve görüntü hastalığın doğası hakkında doğrudan bilgi vermez.

Elektriksel Özellik Tomografisi (EPT), dokuların elektriksel iletkenliğini ve geçirgenliğini MR verisinden hesaplar. Manyetik Rezonans Parmak İzi (MRF) ise tek bir hızlı çekimle T₁ ve T₂ gibi birden fazla doku parametresini birlikte ölçer. Bu iki teknik, gözlemciden gözlemciye değişen yorumları ortadan kaldırma, biyopsi gibi girişimsel işlemlere duyulan ihtiyacı azaltma ve hastalıkları erken yakalama potansiyeli taşıyor. Fakat proje başladığında güvenilirlikleri sistematik olarak ölçülmemişti; klinik kullanım için hekimlerin bu sonuçlara ne kadar güvenebileceğini bilmesi gerekiyordu.

Hedefler

1. EPT ve MRF için sayısal algoritmalar geliştirmek, uygulamak ve performanslarını karakterize etmek.
2. Bu teknikleri beyin iskemisi ve kalp hastalıkları gibi “yüksek etkili” klinik durumlarda kullanılabilir hâle getirmek; kalpte hareket kaynaklı artefaktları bastırmak.
3. İnsan dokusunun elektriksel ve durulma özelliklerini taklit eden heterojen fantomlar geliştirip doğruluğu kontrollü deneylerle değerlendirmek (hedef belirsizlik EPT için %20, MRF için %10).
4. Gerçek klinik koşullarda kişiler arası ve kişi içi fizyolojik değişkenliği ve hastalık tespiti için en küçük eşik değerleri belirlemek; bilgisayar destekli tanı yaklaşımları geliştirmek.
5. Geliştirilen teknolojinin akredite laboratuvarlar, MR üreticileri, teknik komiteler ve hastaneler tarafından benimsenmesini kolaylaştırmak.

Sonuçlar

Açık kaynak algoritmalar

EPT yöntemleri, INRIM tarafından geliştirilen açık kaynaklı C++ kütüphanesi EPTlib’de toplandı. EPTlib, EPT algoritmalarının ilk kez herkese açık uygulamalarını sundu; içinde Helmholtz-EPT, Convection-Reaction EPT ve gradient-EPT yöntemleri, bir kullanım kılavuzu ve sentetik MR verisi üreten b1map-sim aracı yer alıyor. MRF tarafında klasik sözlük tabanlı yöntemlerin yanında, doku parametrelerini doğrudan ham MR verisinden (k-uzayı) kestiren yeni bir yöntem ve sonuçları belirsizliğiyle birlikte veren Bayesçi bir yaklaşım geliştirildi.

Algoritmalar gerçekçi elektromanyetik ve Bloch simülasyonlarına dayanan sanal deneylerle karşılaştırıldı ve en iyi çalışma koşulları belirlendi. Yan bir sonuç olarak EPT’nin MR çekimi sırasında kişiye özgü radyofrekans maruziyetinin (SAR) hesaplanmasında önemli bir rol oynayabileceği gösterildi.

Beyin ve kalp için uyarlama

Beyin için yaklaşık 150 sağlıklı ve 200 hastalıklı sanal insan modelinden oluşan bir popülasyon oluşturuldu. İki farklı EPT yönteminin uyuştuğu noktaları esas alan bir son işleme yaklaşımı, beyaz maddedeki lezyonları sanal modellerin büyük bölümünde tespit etmeyi sağladı. MRF’yi kalpte kullanabilmek için kalp atışı ve solunum hareketini modelleyen bir simülasyon ortamı açık kaynak olarak yayımlandı ve bir hareket düzeltme yöntemi geliştirildi. Optimize edilen kalp MRF protokolü T₁’de (5,6 ± 3,4) %, T₂’de (8,3 ± 8,4) % bağıl hataya ulaştı. Fibrozlu kalp kası modellerinde MRF tabanlı sınıflandırma, AUC = 0,992 değerine ulaştı (klinikte yararlı kabul edilen eşik 0,8).

Doku taklit eden fantomlar

INRIM, PTB, TUD ve TÜBİTAK’ın üzerinde uzlaştığı bir protokolle beyaz ve gri maddeyi taklit eden malzemeler hazırlandı. T₁ için GdCl₃, iletkenlik için NaCl, geçirgenlik için PVP ve gliserol, mantar oluşumuna karşı NaN₃ kullanıldı. Basit silindirik fantomlardan 3B yazıcıyla basılmış kalıplardan üretilen insan beyni biçimli fantomlara kadar birkaç kuşak fantom üretildi. TU Dresden, yumuşak malzemeler için düşük maliyetli yeni bir 3B yazıcı tasarladı ve gri madde, beyaz madde ile beyin omurilik sıvısını içeren üç fazlı bir beyin fantomu bastı.

Malzemelerin durulma süreleri MR tarayıcılarında ve NMR spektrometrelerinde ölçüldü; TÜBİTAK’ın 1,4 T NMR spektrometresiyle yaptığı T₁ ve T₂ ölçümleri beklenen değerlerle tutarlı çıktı. Masaüstü NMR ile izlenen durulma süreleri üç yılı aşkın sürede %2’den az değişti; dielektrik özellikler iki yıldan uzun süre ölçüm belirsizliği içinde kaldı.

Klinik çalışmalar

• Beyin: Çoğu beyaz madde hastalığı olan çocuklardan oluşan 53 hasta ve 32 sağlıklı gönüllüyle 1,5 T ve 7 T’da toplam 100 çekim yapıldı. MRF ile ölçülen T₁’den iletkenlik hesaplayan yeni bir EPT yöntemiyle, yaş etkisi düzeltildikten sonra beyaz madde iletkenliğinde +34,3 mS/m’lik bir artışın hastalığı %95 güven düzeyinde işaret ettiği belirlendi.
• Kalp: Hipertrofik kardiyomiyopati, kas distrofisi ve ciddi aort darlığı olan 15 hasta ile 4 sağlıklı gönüllü tarandı. Kalp kasında T₁’in 1478 ms’nin üzerinde ya da 1062 ms’nin altında, T₂’nin 52 ms’nin üzerinde ya da 16 ms’nin altında olmasının bu hastalıkları güvenilir biçimde gösterdiği bulundu.
• Tekrarlanabilirlik: Sekiz merkezde 12 sağlıklı gönüllüyle yapılan çalışma, 3B MRF ölçümlerinin gri ve beyaz maddede yüksek tekrarlanabilirlik ve yeniden üretilebilirlik sağladığını gösterdi; veriler Zenodo’da açık olarak paylaşıldı.

Etki

Proje süresince 13 açık erişimli makale yayımlandı ve bilimsel toplantılarda 45 sunum (altısı davetli) yapıldı. EPTlib’i tanıtan çalışma ISMRM 2021’de Magna Cum Laude ödülü aldı ve kütüphane ISMRM Elektromanyetik Doku Özellikleri Çalışma Grubu tarafından internette erişilebilen ilk EPT paketi olarak tanındı. Konsorsiyum GE, Philips ve Siemens ile iş birliği yaptı; fantomların dielektrik ve durulma özelliklerinin karakterizasyonunda edinilen deneyim INRIM, PTB ve TÜBİTAK’ın bu alanda ölçüm hizmeti sunmasının önünü açtı. EPT tabanlı kişiye özgü SAR hesabı, MR güvenliği standardı IEC 60601-2-33’ten sorumlu komiteyle paylaşıldı; EIBALL, QIBA ve ISMRM düzenli olarak bilgilendirildi.

Ortaklar

• Ulusal metroloji enstitüleri: INRIM (İtalya, koordinatör), PTB (Almanya), LNE (Fransa), LGC (Birleşik Krallık), TÜBİTAK UME (Türkiye), IMBiH (Bosna-Hersek)
• Diğer ortaklar: Charité – Universitätsmedizin Berlin (Almanya), Fondazione Stella Maris (İtalya), TU Dresden (Almanya), Torino Üniversitesi (İtalya), Ljubljana Üniversitesi (Slovenya)

Seçilmiş yayınlar

• Arduino, A. (2021). EPTlib: An open-source extensible collection of electric properties tomography techniques. Applied Sciences. doi:10.3390/app11073237
• Buonincontri, G. ve ark. (2021). Three dimensional MRF obtains highly repeatable and reproducible multi-parametric estimations in the healthy human brain at 1.5T and 3T. NeuroImage. doi:10.1016/j.neuroimage.2020.117573
• Metzner, S. ve ark. (2021). Bayesian uncertainty quantification for magnetic resonance fingerprinting. Physics in Medicine and Biology. doi:10.1088/1361-6560/abeae7
• Kilian, D. ve ark. (2022). 3D extrusion printing of biphasic anthropomorphic brain phantoms mimicking MR relaxation times based on alginate-agarose-carrageenan blends. ACS Applied Materials & Interfaces. doi:10.1021/acsami.2c12872
• Hufnagel, S. ve ark. (2022). 3D model-based super-resolution motion-corrected cardiac T1 mapping. Physics in Medicine and Biology. doi:10.1088/1361-6560/ac9c40
• Martinez, J. ve ark. (2023). Evaluation and correction of B1+-based brain subject-specific SAR maps using electrical properties tomography. IEEE Journal of Electromagnetics, RF, and Microwaves in Medicine and Biology. doi:10.1109/JERM.2023.3236153
• Gatefait, C. ve ark. (2023). Optimisation of data acquisition towards continuous cardiac magnetic resonance fingerprinting applications. Physica Medica. doi:10.1016/j.ejmp.2022.102514
• Arduino, A. ve ark. (2023). Repeatability and reproducibility uncertainty in magnetic resonance-based electric properties tomography of a homogeneous phantom. Tomography. doi:10.3390/tomography9010034

Tüm liste: EURAMET yayın deposu

Bağlantılar

• EURAMET proje sayfası
• Proje web sitesi
• EPTlib · GitHub
• Projeyi tanıtan video (YouTube)
• MRF tekrarlanabilirlik veri seti (Zenodo)