Autor: Antonio Buendía Director: Carles Falcón 15 de Septiembre del 2011   DESARROLLO DE UNA HERRAMIENTA  PARA LA CUANTIFI...
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Development of a tool for perfusion quantification measured using MRI in Oncology

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This project has been developed by Antonio Buendía.
The goal of the project is the quantification of changes in healthy brain tissue and in the tumor area using MRI and perfusion in patients with Glioblastoma Multiforme (GBM). This quantification is measured for different doses of irradiation treated with radical intent. This project has been initiated at the Hospital Clinic by Dr. Izascún Valduvieco.

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    1. 1. Autor: Antonio Buendía Director: Carles Falcón 15 de Septiembre del 2011 DESARROLLO DE UNA HERRAMIENTA PARA LA CUANTIFICACIÓN DE LA PERFUSIÓN MEDIDA POR IRM EN ONCOLOGÍA CEREBRAL Máster en Ingeniería Biomédica
    2. 2. Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral Índice <ul><li>Introducción Radioterapia </li></ul><ul><li>Estudio clínico iniciado </li></ul><ul><li>Imágenes utilizadas </li></ul><ul><li>Definición del problema </li></ul><ul><li>Desarrollo de las aplicaciones </li></ul><ul><li>Información de radioterapia </li></ul><ul><li>Módulos de las aplicaciones </li></ul><ul><li>Condiciones generales </li></ul><ul><li>Pruebas de funcionamiento </li></ul><ul><li>Resultados y acciones de mejora </li></ul><ul><li>Conclusiones </li></ul>
    3. 3. Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral Introducción Radioterapia Uso controlado y localizado de la radiación ionizante para el tratamiento y control de tumores. La distribución de la radiación afecta a zonas patológicas y áreas sanas del contorno de las anteriores durante el tratamiento, e incluso posterior a éste. Volumen tumoral a tratar Zonas próximas sanas
    4. 4. Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral Introducción Radioterapia <ul><li>Los efectos prevalecen sobre el tejido tumoral: </li></ul><ul><li>Fraccionamiento administrando pequeñas dosis </li></ul><ul><li>La capacidad de reparación de daño y regeneración es </li></ul><ul><li>mayor para los tejidos sanos que el tejido tumoral. </li></ul>La dosis de radiación administrada provoca efectos en: <ul><li>Regeneración de las células tumorales . Se busca que fallen los mecanismos de regeneración celular (control tumoral) </li></ul><ul><li>a partir de un determinado nivel de dosis. </li></ul><ul><li>Tejidos sanos desde leves molestias hasta complicaciones importantes si se superan los niveles de dosis. </li></ul>
    5. 5. Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral Estudio clínico iniciado Estudio clínico : V aloración mediante IRM con técnicas de perfusión de los cambios producidos en el tejido cerebral sano y en el área tumoral a diferentes dosis de irradiación en pacientes con glioblastoma multiforme tratados con intención radical , iniciado en el Hospital clínic por la doctora Izascún Valduvieco. Propósito del estudio clínico -Diferenciar a distintas dosis de radiación, los cambios en áreas sanas y en el área tumoral en pacientes con GBM -Valorar cambios secundarios al tratamiento en áreas con restos tumorales tras cirugía o recidiva tumoral
    6. 6. Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral Las distintas características clave que recogen los cambios producidos por la radiación son medidas y observadas a partir de distintas imágenes. <ul><li>CT </li></ul><ul><li>Axial T1 contraste </li></ul>Sensible a la rotura de la barrera hematoence fálica por motivos patológicos o consecuencia del tratamiento Delimita los bordes del tejido tumoral en una primera aproximación diagnóstica Zona con contorno blanco dónde existe acumulación de contraste Imágenes utilizadas
    7. 7. Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral Imágenes utilizadas <ul><li>CBV </li></ul>La agresividad del tumor viene expresada por su tasa de creci- miento y este por la formación de nuevos vasos La regeneración tras el tratamiento, también en relación a los vasos sanguíneos <ul><li>Axial FLAIR T2 </li></ul>Identiffica la inflamación consecuencia de la función osmótica de las células alterada Permite verificar cambios, o movimientos en la masa tumoral La presencia de agua es potenciada con esta imagen
    8. 8. Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral Definición del problema Objetivos del proyecto Problemas -Las aplicaciones de imagen existentes No pueden incorporar, y analizar la información del planificador de RT junto con otras imágenes de RM -Es necesario cuantificar de forma precisa las dosis y perfusión medida por IRM en las ROI de estudio -Incorporar toda la información del planificador de radioterapia, junto las imágenes, y procedimientos de procesado necesarios para el estudio clínico iniciado. -Cuantificar de forma precisa las variables Clave la CBV y la dosis recibida. -La utilización y fácil adaptación de las aplicaciones a otros estudios futuros  
    9. 9. Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral Desarrollo de las aplicaciones La implementación práctica de los requerimientos del proyecto se realiza a través de GIMIAS - Módulo RTStructReader -Módulo de adaptación mapa de dosis -Módulo ISODOSELINES -Módulo ExtractValues -Módulo moroi
    10. 10. Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral Información de RT: plan, Dose y Struct Estructuras (Órganos críticos y zonas a tratar) Restricciones a considerar en la distribución de dosis RT SET STRUCT Plan (Configuración haces, fraccionamiento tratamiento) RT PLAN Distribución de dosis RT DOSE La planificación genera una serie de archivos de datos e imágenes, en formato DICOM RT para la transferencia entre distintas plataformas de tratamiento por radioterapia y de análisis de imagen.
    11. 11. Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral Módulo RTstruct Este módulo extrae la información de los ficheros Dicom de tipo RT Structure, correspondiente a estructuras (OR) e información de interés del archivo RT plan.
    12. 12. Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral Módulo Adaptación de dosis Primera imagen Repetir para el resto de imágenes Las imágenes de dosis 2D se cargan como 3D con el valor de dosis en cada punto en Gy.
    13. 13. Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral Módulo Isodoselines Mapa de dosis Repetir para las distintas curvas   -90% Azul -70% Marrón -50% Violeta -30% Rojo -10% Verde De la dosis máxima del mapa El módulo ISODOSELINES dibuja sobre la imagen de dosis las curvas de nivel (isodosis) para los valores 10%, 30%, 50%, 70% y 90% del valor máximo de dosis que existe en el mapa de dosis.
    14. 14. Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral Comparación de los resultados Comparación de la representación estructuras en GIMIAS (izq) y VODCA (der) ( 11) Comparación de las líneas de Isodosis en GIMIAS (izq) y VODCA (der) Resultados: -Muestran coincidencia en las distintas líneas de isodosis y estructuras . -Usan técnicas de suavizado distintas, hecho que hace que se observen pequeñas diferencias.
    15. 15. Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral Módulo Extractvalues Este módulo extrae los valores de los vóxeles en una ROI de las imágenes CBV y dosis, y con ellos calcula estadísticas, histograma , y guarda los datos en fichero para posterior análisis. ROI De estudio
    16. 16. Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral Módulo moroi El módulo moroi permite reajustar la posición de una ROI dibujada sobre una imagen de base. ROI De estudio
    17. 17. Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral -ROI1 en la necrosis tumoral o en la cavidad postquirúrgica -ROI2 en el área de acumulación de contraste -ROI3 en el área con alteración de señal FLAIR y próxima a zona de acumulación con dosis muy altas, e incluido en el CTV(Clinical Tumor Volume). -ROI4 en un área sin alteración de la señal que ha recibido dosis muy altas y está incluido en el PTV(planning tumor volume). -ROI5 de referencia en la sustancia blanca contralateral no irradiada Tiempo 2 semanas aprox (30 Gy) 4 semanas Tasa de dosis 2Gy/día CBV Dosis Referido al punto máximo de la distribución Diferencias según los OR y la forma de distribución Ax T1 C Ax FLAIR 2 semanas aprox (60 Gy) Condiciones generales ROI 2 ROI 1 ROI 4 ROI 3
    18. 18. Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral Pruebas de funcionamiento A) Procesos de preparación inicial y corregistro de la IRM dentro de cada Grupo de tiempo La herramienta puede ser probada de forma continua y completa, a la vez que se exploran los datos que se disponen inicialmente.
    19. 19. Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral Pruebas de funcionamiento B) Procesos de corregistro de los grupos de IRM de los instantes 60Gy y 4 semanas tomando como base el grupo del instante 30Gy
    20. 20. Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral Pruebas de funcionamiento C) Procesos utilizando los módulos RTstruct, adaptación de dosis, ISODOSELINES y extract values para poder analizar NU NUEVOS MÓDULOS CREADOS
    21. 21. Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral Pruebas de funcionamiento <ul><li>Cambios significativos de las ROIS en el </li></ul><ul><li>tiempo para cada paciente (Test T) </li></ul><ul><li>ROI como una sola unidad definida por el </li></ul><ul><ul><li>valor medio regional de los valores de rCBV y dosis. </li></ul></ul><ul><li>Cambio significativo en la media regional del valor de los voxeles en los distintos instantes para cada paciente. </li></ul>d) Análisis con los datos obtenidos Normalización de la intensidad - i: Voxel que pertenece al tejido sano ROI5 -N: Número de voxeles en el tejido sano ROI5 -j: Voxel que pertenece a la ROI de estudio 1,2,3,4 RESITUAR ROI
    22. 22. Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral Pruebas de funcionamiento <ul><li>Tendencias en el comportamiento de los </li></ul><ul><li>valores medios regionales de las ROIs entre </li></ul><ul><li>Pacientes en el tiempo </li></ul><ul><li>Valores extraídos de 4 ROIs en </li></ul><ul><li>6 pacientes </li></ul><ul><li>Evolución temporal de las rCBV </li></ul><ul><li>regionales de las ROI entre pacientes, </li></ul><ul><li>Cualitativamente muestra mucha variabilidad </li></ul><ul><li>ANOVA con un factor el tiempo </li></ul><ul><ul><li>Las comparaciones múltiples para distintos instantes de tiempo entre pacientes, no muestran cambios comunes que puedan ser interpretados como significativos respecto la </li></ul></ul><ul><ul><li>variación interna entre pacientes </li></ul></ul><ul><li>  </li></ul>No significativo
    23. 23. Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral Resultados y acciones de mejora <ul><li>De las pruebas anteriores, no se obtiene ninguna clase de conclusión clínica, pero sí que </li></ul><ul><li>se comprueba el funcionamiento correcto de las aplicaciones y se tiene un mayor </li></ul><ul><li>Conocimiento de los factores que aportan variabilidad. </li></ul><ul><li>Entre las distintas causas que producen la variabilidad están : </li></ul><ul><li>Las distribuciones de dosis en el PTV no son homogéneas </li></ul><ul><li>Factores fisiológicos no controlados propios de los sujetos </li></ul><ul><li>Localización espacial y morfología de la lesión </li></ul><ul><li>Es posible realizar acciones por software (módulo moroi) para facilitar los análisis y disminuir la variabilidad provocada por el movimiento de la lesión en el tiempo. </li></ul><ul><li>  </li></ul>
    24. 24. Desarrollo de una herramienta de cuantficación de la perfusión medida por IRM en oncología cerebral Conclusiones <ul><li>Las aplicaciones desarrolladas permiten trabajar simultáneamente con toda la información referente a radioterapia con IRM, y hacen posible </li></ul><ul><ul><li>cuantificar la dosis y el rCBV de manera precisa. </li></ul></ul><ul><li>Las aplicaciones desarrolladas están realizadas en una plataforma de </li></ul><ul><ul><li>código libre y quedan de forma permanente para ser extensibles según las necesidades de próximos estudios clínicos. </li></ul></ul><ul><li>La verificación de las aplicaciones con software de referencia no muestra diferencias. </li></ul><ul><li>El funcionamiento continuo de las herramientas, que ha sido probado a la vez que un análisis exploratorio con los datos disponibles, da información del nivel de variabilidad, sus posibles causas y como actuar. </li></ul>
    25. 25. GRACIAS POR LA ATENCIÓN

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