Rekonstrukcija električne prevodnosti tkiv s tehnikami magnetne resonance (2019-2022)

Rekonstrukcija električne prevodnosti tkiv s tehnikami magnetne resonance (2019-2022)
Vodja: doc. dr. Matej Kranjc, Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani
Partner: /
Financiranje: ARRS – Javna agencija za raziskovalno dejavnost RS
Šifra: J2-1733

 

Projekt financira Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije (ARRS).

Članica Univerze v Ljubljani

Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko

Šifra
J2-1733
Naziv projekta
Rekonstrukcija električne prevodnosti tkiv s tehnikami magnetne resonance
Obdobje
01.07.2019 - 30.06.2022
Letni obseg
1,3 FTE
Vodja

Doc. dr. Matej Kranjc

Veda
Tehnika - Sistemi in kibernetika
Sodelujoče RO
Vsebinski opis projekta

Električne lastnosti bioloških tkiv so zanimive že več kot stoletje, saj določajo pot električnega toka skozi telo in so zato pomembne pri analizi širokega spektra biomedicinskih aplikacij. V zadnjih letih je elektroporacija ena izmed naprednejših in uspešnejših aplikacij uporabe elektromagnetnih polj. Pri elektroporaciji izpostavimo biološko celico pulznim električnim poljem, kar povzroči povečano prepustnost celične membrane. Za čim ustreznejšo izpostavljenost tkiva električnemu polju uporabljamo načrtovanje zdravljenja elektroporacijskih terapij, ki ima velik potencial pri klinični uporabi elektroporacije. Vendar pa je njegova uporaba trenutno omejena zaradi netočnih vrednosti električnih lastnosti zdravljenih tkiv, zlasti v tumorskem tkivu, ki je sestavljen iz različnih struktur, kot so nekroza in viabilne tumorske celice, z različnimi vrednosti prevodnosti. V literaturi lahko najdemo različne pristope določanja porazdelitve prevodnosti tumorjev, vendar ima vsaka od njih svoje slabosti; slaba prostorska ločljivost v primeru električnoimpedančne tomografije (EIT), zahteva po injiciranju električnega toka v primeru magnetnoresonančne električnoimpedančne tomografije (MREIT) in omejitev na vrednosti prevodnosti pri visokih frekvencah v primeru tomografije električnih lastnosti (Electrical Properties Tomography – EPT). Študije, ki se ukvarjajo s preučevanjem impedanc bioloških tkiv, so torej še vedno postavljene pred izziv merjenja porazdelitve električne prevodnosti pri nizkih frekvencah in z zadostno prostorsko ločljivosto ter brez injiciranja toka. Trenutno se s tem izzivom najbolje spopada tehnika slikanja tenzorja prevodnosti (Conductivity Tensor Imaging – CTI), ki je tudi predmet raziskave predlaganega projekta.

Cilj tega projekta je implementirati in validirati CTI tehniko za merjenje tenzorja električne prevodnosti pri nizkih frekvencah z uporabo magnetnoresonančnih (MR) tehnik. Nedavno je bilo dokazano, da CTI omogoča rekonstrukcijo tenzorja električne prevodnosti z uporabo MR skenerja in brez injiciranja električnega toka ter brez uporabe dodatne strojne opreme. Ta nova tehnika bi se lahko uporabila za merjenje porazdelitve električne prevodnosti tkiv za številne numerične modele, ki se uporabljajo pri načrtovanju zdravljenja aplikacij elektroporacije in tudi v drugih medicinskih aplikacijah, ki uporabljajo elektromagnetna polja. Izboljšani načrti zdravljenja, z izmerjeno električno prevodnostjo tkiv zdravljenega pacienta, bodo omogočili boljše predvidevanje rezultatov zdravljenja, ki bo zato varnejše in učinkovitejše. Kljub temu je treba tehniko CTI, pred implementacijo v načrtovanje zdravljenja, dodatno ovrednotiti. Zato bomo v okviru predlaganega raziskovalnega projekta v štirih delovnih sklopih (DS) tehniko CTI temeljito raziskali in skrbno preučili posamezne komponente tehnike s pomočjo različnih poskusov slikanja na fantomih, ex vivo in in vivo bioloških tkivih z uporabo različnih MR skenerjev.

Sestava projektne skupine

Link na SICRIS bo dodan, ko bo projekt objavljen na SICRIS-u.

Faze projekta in njihova realizacija

Cilj projekta je preverba tehnike slikanja tenzorja prevodnosti (Conductivity Tensor Imaging – CTI) s preučevanjem njenih komponent, tj. tomografije električnih lastnosti (Electrical Properties Tomography – EPT) v DS 1 in difuzijsko obteženega slikanja (Diffusion Weighted Magnetic Resonance Imaging – DW-MRI) v DS 2, s pomočjo različnih poskusov slikanja fantomov in bioloških tkiv. Po uspešni validaciji obeh komponent bomo implementirali CTI in ovrednotili zmožnost prikazovanja heterogene električne prevodnosti tumorjev v različnih časovnih obdobjih in na človeških tkivih iz kliničnih MR slik (DS 3). Ker je tehnika CTI še nepoznana, bomo posebno pozornost posvetili diseminaciji rezultatov projekta znanstveni skupnosti preko različnih komunikacijskih kanalov (DS 4).

V delovnem sklopu 1 (DS 1) se bomo osredotočili na merjenje porazdelitve električne prevodnosti pri Larmorjevi frekvenci v fantomih z uporabo tomografije električnih lastnosti (Electrical Properties Tomography – EPT). Najprej bomo implementirali ustrezno slikovno zaporedje za EPT na dveh MR skenerjih, vsak z različno Larmorjevo frekvenco, kar nam bo omogočilo, da dobimo porazdelitev električne prevodnosti pri dveh različnih frekvencah (100 in 400 MHz). Z ustreznimi numeričnimi algoritmi in podatki iz MR skenerja bomo nato lahko rekonstruirali električno prevodnost slikovnih fantomov pri Larmorjevi frekvenci. V drugem delu DS 1 bomo ovrednotili EPT na dveh različnih fantomih, preprostih fantomih iz agarja in fantomih s celično strukturo, ter primerjali rezultate s pričakovano vrednostjo prevodnosti.

Difuzijsko obteženo magnetnoresonančno slikanje (Diffusion Weighted Magnetic Resonance Imaging – DW-MRI) temelji na merjenju oslabitve signala, ki je povezana z naključnim toplotnim gibanjem vodnih molekul v prisotnosti gradientov magnetnega polja. Na ta način lahko dobimo številne parametre, ki odražajo translacijsko mobilnost molekul vode v tkivih. V visoko organiziranih, vendar asimetričnih strukturah lahko na mobilnost vodnih molekul vpliva prisotnost različnih ovir na način, ki je odvisen od smeri. Takšne primere srečamo v tkivu bele možganine in tudi steblu nekaterih rastlin, kot so šparglji zaradi prisotnosti vlaknastih komponent, kjer je difuzija vodnih molekul med vlakni veliko bolj omejena kot vzdolž vlaken. V delovnem sklopu 2 (DS 2) bomo najprej izvedli DW-MRI na obeh MR skenerjih in nato ovrednotili njegovo učinkovitost na rastlinah špargljev in mišjih možganih ex vivo.

V delovnem sklopu 3 bomo vzpostavili tehniko slikanja tenzorja prevodnosti (Conductivity Tensor Imaging – CTI) za rekonstrukcijo porazdelitve električne prevodnosti v tkivih. CTI uporablja slikovno zaporedje za merjenje B1 (razvito v DS 1) za rekonstrukcijo prevodnosti pri visokih frekvencah, ki jo določajo vsebine v zunajceličnem in znotrajceličnem prostoru tkiva, ter difuzijsko slikanje z večjim številom difuzijsko obteženih b-vrednosti (razvito v DS 2) za odvzem učinka zunajceličnega prostora in vključitev smernih lastnosti. Najprej bomo razvili algoritem CTI in ga nato ovrednotili na fantomih s celično strukturo, sestavljenih iz orjaških unilamelarnih veziklov. Po uspešni validaciji bomo začeli s slikanjem tkiv in vivo. Najprej bomo slikali porazdelitev prevodnosti skeletne mišice miši, nato tumorja miši, da bi ovrednotili zmožnost CTI tehnike prikazovanja heterogene električne prevodnosti tumorjev v različnih časovnih obdobjih. V zadnjem delu DS 3 bomo ovrednotili algoritem CTI na slikah, pridobljenih s kliničnim MR skenerjem.

V okviru delovnega sklopa 4 (DS 4) bomo dosežene rezultate projekta predstavili zainteresirani znanstveni skupnosti. Ker je tehnika slikanja električne prevodnosti s CTI še ne poznana, bomo posebno pozornost namenili uporabi različnih komunikacijskih kanalov, kot so znanstvene revije in konference. Za namen izmenjave strokovnega znanja povezanega s CTI, bomo pripravili laboratorijsko vajo v okviru mednarodne znanstvene delavnice in podiplomske šole Electroporation based Technologies and Treatment.

Bibliografske reference

Link na SICRIS bo dodan, ko bo projekt objavljen na SICRIS-u.