Quantitative Susceptibility Mapping for Measuring Super-Paramagnetic Iron Oxide Concentrations in Lymph Nodes

Loading...
Thumbnail Image

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Publisher

Abstract

Background The sentinel lymph node is the first site to which breast cancer typically spreads. Methods to evaluate whether cancer has spread often entail the use of ionizing radiation. An alternative, non-ionizing method involves injecting the patient with super-paramagnetic iron oxide (SPIO), which accumulates in the sentinel nodes and can be detected using a probe. The accumulation of particles in lymph nodes is also visible on T2*-weighted magnetic resonance imaging (MRI), however none of these approaches provide quantitative information about SPIO concentration. With an image processing technique called quantitative susceptibility mapping (QSM), the content of specific elements can be measured. This is an established method for imaging of the brain. The aim of this study was to investigate the feasibility of using QSM on MR images of the sentinel node to gauge its iron concentration. Method The study was divided into two parts. The first part was creating a QSM pipeline adapted for images of the sentinel node, using already established algorithms developed for imaging of the brain. This was done by a literature review on available methods and trying possible candidates on patient images. The second part was creating a phantom containing vials with varying concentrations of SPIO. The phantom was scanned in an MRI system with vials both parallel and orthogonal to the magnetic field B0. Applying the QSM pipeline on images of the phantom, the relationship between iron concentration and susceptibility value was displayed. The function was then used to calculate the iron concentrations of the patient data. Results The best algorithms that were found were SEGUE for phase unwrapping, VSHARP for background field removal and MEDI for dipole inversion. These produced adequate susceptibility maps, with greater precision at lower susceptibilities and some distortion at higher susceptibilities. The susceptibility values of the phantom showed a relationship linearly increasing with iron concentration for 0-200 μg/ml, but for higher iron concentrations, the susceptibility values did not conform to the trend. The trend was more prominent in the images where the vials were orthogonal to B0. The concentrations of the patients were high and had very large standard deviations. Conclusions The QSM method used in this work is better suited for lower concentrations of iron and could not yield stable results for the high concentrations in the patient data. Further research is needed to find a way to ensure statistical stability for calculating the concentrations in the sentinel node. The phantom worked as intended, in delivering a description of the relationship between iron concentration and susceptibility value. There is much room for improvement regarding the procedure of creating the phantom as well as the method for creating the QSM maps, thereby enabling more precise estimates of SPIO concentrations in patient lymph nodes.

Description

Bakgrund Portvaktskörteln är den första platsen som bröstcancer vanligtvis sprids till. Metoder för att bedöma om cancer har spritts medför ofta användning av joniserande strålning. En alternativ, icke-joniserande metod involverar att injicera patienten med superparamagnetisk järnoxid (SPIO), som ansamlas i portvaktskörtlar och kan detekteras med en prob. Ansamling av partiklar i lymfnoden är också synliga i T2*-viktad magnetresonanstomografi (MR), men ingen av dessa ansatser ger kvantitativ information om SPIO-koncentrationen. Med en bildprocesseringsteknik som kallas kvantitativ susceptibilitetskartläggning (QSM), kan innehållet av specifika ämnen mätas. Detta är en etablerad metod för bildtagning av hjärnan. Målet med denna studie var att undersöka genomförbarheten av att använda QSM på MR-bilder av portvaktskörteln för att uppskatta järnkoncentrationen. Metod Studien delades i två delar. Den första delen bestod av att skapa en QSM-pipeline anpassad för bilder på portvaktskörteln med hjälp av redan etablerade algoritmer utvecklade för bilder på hjärnan. Detta gjordes genom en litteraturstudie på befintliga metoder och genom att prova möjliga kandidater på patientbilder. Den andra delen var att skapa ett fantom med vialer med olika koncentrationer av SPIO. Fantomet skannades i en MR-kamera med vialerna både parallella och vinkelräta mot magnetfältet B0. QSM-pipelinen tillämpades på bilder av fantomet och sambandet mellan järnkoncentration och susceptibilitetstal visades. Funktionen användes sedan för att beräkna järnkoncentrationen i patientdatan. Resultat De bästa algoritmerna som hittades var SEGUE för fas-uppveckling, VSHARP för bakgrundsfältsborttagande och MEDI för dipolinversion. Dessa producerade dugliga susceptibilitetskartor, med större precision vid låga susceptibiliteter och en del distorsion vid högre susceptibiliteter. Susceptibilitetsvärdena i fantomet visade ett samband som ökade linjärt med järnkoncentrationen för 0-200 μg/ml, men för högre järnkoncentration höll sig inte susceptibilitetsvärdena till trenden. Trenden var mer framträdande i bilderna där vialerna stod vinkelrät mot B0. Patienternas koncentrationer var höga och hade mycket stora standardavvikelser. Slutsatser QSM-metoden i denna studie är bättre lämpad för lägre järnkoncentrationer och kunde inte ge stabila resultat för de höga koncentrationerna i patientdatan. Ytterligare forskning behövs för att ta fram ett sätt att säkerställa statistisk stabilitet för att beräkna koncentrationen i portvaktskörteln. Fantomet fungerade som avsett, och gav ett samband mellan järnkoncentration och susceptibilitetstal. Det finns gott om utrymme för förbättringar gällande skapandet av fantomet och metoden för att skapa QSM-kartor, och därmed försäkra mer precisa uppskattningar av SPIO-koncentrationer i lymfnoder hos patienter.

Keywords

Lymph node, MRI, quantitative susceptibility mapping, super-paramagnetic iron oxide, phantom

Citation

ISBN

Articles

Department

Defence location

Endorsement

Review

Supplemented By

Referenced By