Application of Diffusion-Weighted Magnetic Resonance Imaging in Ductal Breast Carcinoma

Abstract

Diffusion-weighted imaging (DWI) is a novel magnetic resonance imaging (MRI) technique sensitive to Brownian motion. With the use of diffusion-sensitizing gradient pulses DWI enables the detection of microscopic diffusion of water molecules in biological tissues. Diffusion state for different voxels can be calculated from DW images with different diffusion weightings, resulting a quantitative apparent diffusion coefficient (ADC) map. Different tissues restrict diffusion in different ways, which makes DWI sensitive for alterations in movement of water molecules in normal versus abnormal tissue. So far DWI has been used clinically mainly for imaging brain disorders but applications on oncology are also promising. Breast cancer imaging is one potential application for DW imaging. The ADC values of malign breast lesions are usually lower than those of benign lesions, which makes DWI a potential tool for differentiating lesion types. DWI has multiple advantages over conventional contrast-enhanced MRI, for example it is cheaper and faster than DCE-MRI and to top it all it increases the sensitivity of breast lesion characterization.

In this Master of Science thesis 45 patients with 48 ductal carcinoma and 8 benign lesions were examined through four different studies: comparison of mean ADC values of benign and malign breast lesions, repeatability of ADC measurements, correlation between ADC values and Signal-to-Noise ratio and effect of lesions size to the ADC values. The statistical significance of the results was analyzed with statistical tests with SPSS software.

The normalized mean ADC values for benign lesions was found 0.80 ± 0.23 x10-3 mm2/s and for malign lesions 0.63 ± 0.20 x10-3 mm2/s and they were found significantly different. The cutoff value for malign lesions was determined 0.83 x10-3 mm2/s with sensitivity of 83.3% and specificity of 37.3%. The measurement method showed excellent repeatability (ICC 0.94), especially with big lesions. ADC and SNR values did not have significant correlation. These results were promising and they give a basis for further studies, like for studies with larger sample size and with several different malign lesion types. In the future the cutoff value of malign and benign lesions could be used as guidance tool for doctors in breast lesion characterization.

Diffuusio-painotettu magneettikuvantaminen (Diffusion-Weighted Imaging, DWI) on uudenlainen lääketieteellinen kuvantamismenetelmä, joka perustuu vesimolekyylien Brownian liikkeeseen. DWI-tekniikka käyttää erityisiä herkistyspulsseja mitatessaan vesimolekyylien diffuusiota biologisissa kudoksissa. Diffuusion voimakkuutta eri kuva-alkioissa voidaan kuvata näennäisdiffuusiovakioilla (Apparent Diffusion Coefficient, ADC), joista voidaan muodostaa ADC-karttoja. ADC-kartat ovat lääketieteellisiä kuvia, joiden muodostamiseen käytetään kahta tai useampaa eri herkistyspulsseilla saatua diffuusiopainotettua kuvaa. Eri kudokset rajoittavat vesimolekyylien diffuusiota eri tavoin, mikä tekee DWI-tekniikasta herkän kudosten rakenne-eroille. Toistaiseksi DWI-tekniikan kliinisenä käyttökohteena ovat olleen erilaiset aivojen sairaudet. Menetelmällä on myös sovelluskohteita onkologiassa, erityisesti rintasyövän kuvantamisessa. Malignien kasvaimien ADC arvot ovat yleensä matalampia kuin vastaavat benignien kasvaimien arvot. DW-kuvantamisella on monia etuja tavalliseen varjoaine-magneettikuvantamiseen verrattuna: DWI on edullisempi ja nopeampi ja lisäksi se parantaa magneettikuvantamisen sensitiivisyyttä rintasyöpätyypin karakterisoinnissa.

Tämän diplomityön aineisto koostui 45 rintasyöpäpotilaasta, joilla oli yhteensä 48 malignia ja 8 benigniä kasvainta. Työssä suoritettiin seuraavat kokeet: benignien ja malignien kasvaimien ADC-keskiarvojen vertailu, ADC-mittausten toistettavuus, signaali-kohinasuhteen (SNR) ja ADC-arvojen välinen korrelaatio sekä kasvaimen koon vaikutus ADC-arvoihin. Tulosten tilastollista merkitsevyyttä analysoitiin SPSS-ohjelmalla.

Benignien kasvaimien normalisoiduksi ADC-arvoksi saatiin 0.80±0.23 x10-3 mm2/s ja malignien vastaavasti 0.63±0.20 x10-3 mm2/s ja ne todettiin eroavan tilastollisesti merkittävästi toisistaan. Malignien kasvaimien raja-arvoksi määritettiin 0.83 x10-3 mm2/s, jolloin sensitiivisyys oli 83.3% ja spesifisyys 37.3%. ADC-arvojen mittausmenetelmä osoitti eriomaista toistettavuutta (ICC 0.94), erityisesti suurien kasvaimien tapauksessa. ADC- ja SNR-arvojen välillä ei havaittu korrelaatiota. Tulokset olivat lupaavia, joten lisätutkimukset ovat perusteltuja. Esimerkiksi tutkimukset suuremmalla aineistolla ja eri rintasyöpätyyppien kanssa olisivat mielenkiintoisia. Tulevaisuudessa malignien ja benignien kasvaimien ADC-raja-arvoa voidaan käyttää radiologien työkaluna rintasyövän karakterisoinnissa.