Εφαρμογή και βελτιστοποίηση εξειδικευμένων τεχνικών λειτουργικής και μοριακής απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού
Authors: Τσιβάκα Δήμητρα 
Published: January 2024

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.