Desarrollo de biomarcadores clínicos con resonancia magnética de difusión: de la investigación al diagnóstico.
Clinical biomarkers with Diffusion Magnetic Resonance Imaging: from research tool to diagnosis
Diffusion magnetic resonance (DMRI) is a relatively recent imaging modality based on the nuclear magnetic resonance principle. Unlike conventional MRI, DMRI can quantify in vivo the diffusion of water molecules in the tissues, thus becoming a powerful tool for the study of connectivity inside the brain or the characterization of damaged tissues in different non-brain pathologies. During the last 15 years, DMRI has experienced an spectacular boost, mostly related to the study of the white matter of the brain and becoming one of the key tools in neuroimage. However, despite the huge financial support devoted to quantitative DMRI worldwide, its practical use has been limited to clinical research. The main reason is the great variability shown by the most common quantitative measures related to diffusion due to a strong dependency on the acquisition parameters, the scanner manufacturer and the reconstruction and processing algorithms employed. Because of this, quantitative studies can only be performed using the same scanner and exactly the same protocol. This is the key fact that prevents DMRI from evolving from a research tool to a diagnostic tool or its widespread use in large-scale clinical studies, as results cannot be generalized or compared to those obtained under different conditions.
The aim of the current research project is to find new quantitative measures based on DMRI that are accurate, precise, robust, reproducible and invariant to the acquisition process and to the parameter estimation. This new measures are intended to be used as quantitative imaging biomarkers for diagnosis, treatment planning and multicenter studies. The definition of these imaging biomarkers will rely on a study of the sources of variability and the repeatability of the process of diffusion data acquisition, as well as the analysis of the robustness of the related algorithms and the definition of a proper acquisition protocol.
The proposed biomarkers will be applied to three different cases of use: (1) The study of chronic migraine for diagnostic and treatment planning purposes, using brain diffusion related biomarkers; (2) Hepatic tumor characterization using isotropic diffusion measures in abdominal MRI; and (3) Standardization of protocols for multicenter DMRI studies of Alzheimer's disease.
Resumen:
La resonancia magnética de difusión (DMRI) es una modalidad relativamente reciente de imagen por resonancia magnética (MRI). A diferencia de la MRI convencional la DMRI permite estudiar la conectividad entre áreas en la sustancia blanca del cerebro. En los últimos 15 años, esta modalidad ha tenido un impresionante auge, fundamentalmente en el ámbito de la Neurología y del estudio del cerebro, convirtiéndose en una de las herramientas claves en neuroimagen. Sin embargo, a pesar de la gran financiación que recibe en todo el mundo, el uso de esta técnica se ha visto limitado fundamentalmente al campo de investigación. Esto se debe a la gran variabilidad que presentan las principales medidas utilizadas, debida ésta a la fuerte dependencia con los parámetros de adquisición utilizados, del tipo de escáner y de los algoritmos de reconstrucción. Por ese motivo, los estudios sólo pueden hacerse de manera comparativa con controles adquiridos en la misma máquina con el mismo protocolo, y no pueden ser comparados con umbrales universales. Este hecho resta potencial diagnóstico a las técnicas basadas en DMRI, ya que las medidas utilizadas no son generalizables ni comparables con aquellas obtenidas en otros laboratorios.
El presente proyecto busca la definición de nuevas medidas cuantitativas basadas en DMRI que sean robustas, repetibles e invariantes al proceso de adquisición y estimación de parámetros, con el fin de obtener biomarcadores clínicos. La finalidad última de estos marcadores será la de servir como medidas absolutas y reproducibles, que puedan ser utilizadas para la comparativa de estudios de distintos grupos y, en ultima instancia, como medidas para el diagnóstico. La definición de estos biomarcadores de imagen lleva consigo un estudio previo de las fuentes de variabilidad y repetibilidad en el proceso de generación de datos de difusión, análisis de la robustez de los distintos algoritmos utilizados y la definición de un protocolo de análisis que genere medidas precisas, reproducibles y de utilidad clínica.
Como casos de uso, se aplicará las técnicas desarrolladas a tres casos clínicos distintos: (1) El estudio de migrañas crónicas en el que se emplearán marcadores de difusión cerebrales; (2) la cuantificación de tumores hepáticos utilizando medidas de difusión isótropa en resonancia abdominal; (3) estandarización de protocolos de estudios de Alzheimer basados en DMRI multicentro.