Ποσοτική εκτίμηση μελετών αιματικής διήθησης με πρωτόκολλα απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού (MRI) και υπολογιστικής τομογραφίας (CT) χαμηλής ακτινικής επιβάρυνσης

Abstract

One of the most vital parameters of biological tissues is the blood flow. The growth and the functionality of many organs are related directly with their blood supply. Many diseases are related with the increase or the decrease of the blood flow compared to the physiological values as well with the architecture of the blood vessel network. For this reason, the development of non-invasive tools for the measurement of blood flow is of crucial significance. Firstly, in this work pharmacokinetic models, according to the literature, were developed for the extraction of quantitative and semi-quantitative perfusion parameters for every imaging technique (perfusion MRI, Diffusion Weighted Imaging, perfusion CT). A first aim of this thesis is the study of the possible correlation between perfusion related parameters coming from perfusion MRI and Diffusion MRI with the ultimate goal to reduce the number of perfusion examinations requiring intra-venous injection of gadolinium based contrast agent. Secondly, despite a worldwide effort to standardize imaging bio-markers involving major cancer organizations, significant variability of MR-based imaging biomarker across sites still hampers their clinical translation calling for more research in the field. To this end, the second clinical question covered in this thesis is to study quantitative and semi-quantitative approaches for perfusion biomarkers are compared in MRI data from three different cancer types. In particular, Ktrans a widely used but often variable across sites candidate biomarker is compared to a semi-quantitative perfusion MRI imaging biomarker (Wash-in WIN) in patients involving three cancer types: breast, head and neck and soft tissue sarcoma. Finally, the third goal of this thesis is to investigate the possibility to introduce lower dose protocols by decreasing the image data sampling rate and the tube current during brain CT perfusion studies on stroke patients without affecing the diagnostic efficiency of the produced perfusion parametric maps.

Μία από τις ζωτικής σημασίας παραμέτρους, όλων των βιολογικών ιστών είναι η ροή του αίματος. Η ανάπτυξη και η λειτουργία πολλών οργάνων συνδέεται άμεσα με την παροχή αίματος σε αυτά. Πολλές ασθένειες σχετίζονται με την αύξηση ή την μείωση της ροής του αίματος σε σύγκριση με τις φυσιολογικές τιμές καθώς και με την αρχιτεκτονική του δικτύου των αιμοφόρων αγγείων. Για τον λόγο αυτό η ανάπτυξη και η επαλήθευση μη-επεμβατικών εργαλείων για την μέτρηση της ροής του αίματος είναι μεγάλης σημασίας. Για το σκοπό αυτό η εργασία αυτή ασχολείται με πολυτροπικές τεχνικές ποσοτικοποίησης της αιμάτωσης, βιοδείκτες, την σχέση μεταξύ τους και την ανάπτυξη ενός υπολογιστικού πλαισίου χαμηλότερης ακτινικής επιβάρυνσης για την εξέταση αιματικής διήθησης υπολογιστικής τομογραφίας. Σε αυτή την εργασία, αρχικά θα αναπτύχθηκαν φαρμακοκινητικά μοντέλα της βιβλιογραφίας για την εξαγωγή ημιποσοτικών καθώς και ποσοτικών παραμέτρων αιμάτωσης για κάθε τεχνική απεικόνισης (perfusion MRI, Diffusion Weighted Imaging, perfusion CT). Πρώτος στόχος της εργασίας αυτής είναι η μελέτη της πιθανής συσχέτισης παραμέτρων αιμάτωσης προερχόμενες από εξετάσεις μαγνητικού συντονισμού αιματικής διήθησης και διάχυσης με απώτερο σκοπό την μείωση του αριθμού των εξετάσεων αιματικής διήθησης που απαιτούν την ενδοφλέβια ένεση σκιαγραφικής ουσίας με βάση το γαδολίνιο. Δεύτερον, παρά την παγκόσμια προσπάθεια της τυποποίησης των απεικονιστικών βιοδεικτών με την συμμετοχή μεγάλων οργανισμών κατά του καρκίνου, η μεγάλη μεταβλητότητα των απεικονιστικών βιοδεικτών μαγνητικού συντονισμού ανά απεικονιστικό κέντρο εμποδίζει την μετάβαση τους στην κλινική πράξη καλώντας περεταίρω έρευνα σε αυτό το πεδίο. Για το σκοπό αυτό το δεύτερο κλινικό ερώτημα που καλύπτεται σε αυτή την εργασία είναι η μελέτη ποσοτικών και ημι-ποσοτικών τεχνικών για τους απεικονιστικούς βιοδείκτες αιμάτωσης μέσω μαγνητκού συντονισμού σε διαφορετικού είδους καρκίνου. Πιο συγκεκριμένα η ευρέως γνωστή παράμετρος Ktrans η οποία παρουσιάζει μεγάλη μεταβλητότητα ανά απεικονιστικό κέντρο, συγκρίνεται με έναν ημι-ποσοτικό βιοδείκτη (Wash-in WIN) σε ασθενείς με καρκίνο του μαστού και του λαιμού καθώς και με ασθενείς με όγκους μαλακών μορίων με στόχο να προταθεί ένας εναλακτικός βιοδείκτης με παρόμοια διαγνωστική αξία.Τελικά, ο τρίτος στόχος αυτής της εργασίας είναι να προτείνει μια μεθοδολογία η οποία θα επιτρέψει την μείωση της ακτινικής επιβάρυνσης κατά την εξέταση αιματικής διήθησης υπολογιστικής τομογραφίας εγκεφάλου. Έτσι, παρουσιάζεται ένας συνδυασμός υποδειγματοληψίας στα χρονικά δεδομένα της εξέτασης μαζί με την τεχνητή προσθήκη θορύβου προσομοιώνοντας στα χαμηλότερα mAs με τελικό στόχο οι ποσοτικοί παραμετρικοί χάρτες να διατηρούν την διαγνωστική τους αξία.