Malignidad a simple vista:

Resta de imágenes para visualizar cáncer en una mamografía

ME Brandan a)

, Y Villaseñor b)

, L Benítez Bribiesca c), F Trujillo

d), H Pérez-Ponce

a),

JP Cruz-Bastida a)

, P Sánchez-Suárez c), HA Galván

b), E Bargalló

b) e I Rosado-Méndez

a)

a)

Instituto de Física, Universidad Nacional Autónoma de México, Coyoacán 04511 DF b)

Instituto Nacional de Cancerología, Tlalpan 14080 DF c) Hospital de Oncología, Centro Médico Nacional Siglo XXI IMSS, 06720 DF

d) Hospital Regional de Alta Especialidad, Oaxaca, 71256 OAX

Resumen. Este proyecto de investigación multidisciplinario en física médica

busca mejorar la visualización de lesiones en una mamografía digital,

observando la presencia de un medio de contraste en la región sospechosa.

Después de la inyección de un medio de contraste (consistente en una

molécula triyodada) se espera que la captación de éste en el tejido mamario,

visible en la mamografía, sea un indicador de la formación de nuevos vasos

sanguíneos y/o linfáticos (angiogénesis) como respuesta al desarrollo de un

tumor maligno. La imagen vascular de la neoplasia se obtiene al restar

imágenes primarias tomadas en tiempos diferentes (por ejemplo, antes y

después de la administración del yodo a la paciente) o al restar imágenes

primarias adquiridas con rayos-X de diferente energía. El objetivo del estudio

es correlacionar la presencia de neo-vasculatura sanguínea y linfática con la

benignidad/malignidad de la lesión. También se busca cuantificar la captación

de yodo para poderla correlacionar con la presencia de angiogénesis. Los

primeros resultados de un estudio clínico de 18 pacientes sugieren una

correlación positiva entre la formación de nuevos vasos y la malignidad de la

lesión.

I. Introducción

Gracias a la disponibilidad de detectores digitales en los sistemas de imaginología clínica

actuales es posible realizar resta de imágenes digitales de un mismo objeto, adquiridas bajo

condiciones diferentes, para obtener una imagen resultante que enfatice alguna característica

de interés. En el diagnóstico médico por imágenes se emplean medios de contraste

apropiados para que su presencia se vea realzada en la imagen que resulta de la sustracción,

brindando así información anatómica o funcional sobre el órgano de interés. Estas técnicas,

aplicadas a las imágenes digitales de mamografía, se conocen como CEDM (por sus siglas en

inglés, contrast-enhanced digital mammography) [1].

Una modalidad de CEDM se basa en la diferencia temporal entre una primera imagen

(obtenida antes de aplicar el medio de contraste) y la segunda imagen (adquirida después de

administrar el MC). Los trabajos de Diekmann y sus colaboradores [2, 3] son ejemplos de esta

modalidad, conocida como CEDM temporal. Una estrategia alternativa se basa en el uso de

espectros de rayos-X diferentes para cada una de las imágenes. Los trabajos de Lewin y cols.

[4] y de Dromain y cols. [5] ilustran esta modalidad, llamada CEDM de energía-dual.

En ambas modalidades se espera eliminar de la imagen resultante el fondo estructurado del

tejido mamario, para que aparezca solamente la distribución espacial del medio de contraste.

La base física de la resta temporal es – simplemente -- la presencia/ausencia del medio de

contraste en una y otra imagen, ya que el resto del objeto es idéntico para ambas imágenes. La

resta por energía dual se basa en la dependencia no-lineal de los coeficientes de atenuación de

los rayos-X con la energía, que permite anular en la resta la presencia de un elemento (el

tejido glandular) mientras permanecen los otros, aumentado así el contraste. Generalmente, el

medio de contraste es una solución de yodo.

Los trabajos citados han demostrado la factibilidad de la CEDM, generalmente usando

equipos mastográficos modificados ad-hoc por la empresa fabricante, con el fin de optimizar

el espectro de rayos x para aumentar el contraste del yodo en la imagen resultante. Nuestro

grupo ha estudiado la optimización de parámetros radiológicos para ambas modalidades de

resta y su combinación, usando equipos comerciales no-modificados, posibles de encontrar en

un servicio de salud común [6,7]. En particular, hemos estudiado las posibilidades que

ofrecen los modelos Senographe de GE, cuyos tubos de rayos X permiten generar espectros

de rayos X hasta con 49 kV de voltaje de operación, considerablemente más alto que los 25-

30 kV habituales para un estudio de mamografía.

La presencia del medio de contraste en la región de una lesión sospechosa se debe a

angiogénesis, la formación de nuevos vasos sanguíneos y linfáticos, requeridos por la

creciente necesidad de nutrientes y oxígeno de las células malignas. Estos vasos son

inmaduros y altamente permeables, y permiten la fuga de la solución de yodo en la región

tumoral. Estudios independientes usando MC en otras técnicas imagenológicas, como son

imágenes de resonancia magnética y de tomografía computarizada, reportan aumento de la

información diagnóstica de las imágenes al observar, en imágenes restadas de la mama, una

curva dinámica de captación y eliminación del MC de la región de interés. En general, los

tumores malignos captan el MC más rápido y en un grado mayor que el tejido normal o las

lesiones benignas.

Este proyecto de investigación, en que colaboran el Instituto de Física UNAM, el Instituto

Nacional de Cancerología INCan, el Hospital de Oncología del CMN Siglo XXI IMSS, y el

Hospital Regional de Alta Especialidad de Oaxaca, tiene como objetivo principal obtener

indicadores cuantitativos en las imágenes restadas que sean indicadores de la presencia de

angiogénesis y, por lo tanto, de la malignidad/benignidad de la lesión. Sus metas son

correlacionar la presencia de neo-vasculatura sanguínea y linfática medida en una muestra

quirúrgica de la lesión con la benignidad/malignidad de la lesión, y optimizar el

procedimiento de la resta de imágenes para obtener valores con significado cuantitativo. Este

documento reporta resultados preliminares.

II. Métodos

A. Adquisición de las imágenes

El protocolo de investigación fue aprobado por el Comité de Investigación y Ética del INCan.

Sus elementos principales son la selección de pacientes con masas sospechosas detectadas y

clasificadas como BIRADS 4 o 5 y programadas para cirugía (incluyendo mastectomía o

excisión local); estas pacientes son informadas e invitadas a participar. Se estima que 20

pacientes en el protocolo permitirán establecer las correlaciones esperadas.

Para cada paciente se adquiere una secuencia de imágenes bajo una compresión ligera de la

mama, usando un mastógrafo Senographe DS (opción FineView deshabilitada). Esta

secuencia está conformada por dos imágenes máscara (sin medio de contraste), una tomada a

baja energía (BE) y la otra a alta energía (AE). Se inyectan 100 mL de medio de contraste por

vía intravenosa, en ese momento se inicia el control del tiempo transcurrido, y luego se

adquieren 4 imágenes de alta energía (AEMC) con el medio de contraste circulando, en los

tiempos 1, 2, 3 y 5 minutos después de la inyección.

La dosis glandular promedio total recibida por las pacientes es menor que 6 mGy. Este valor

es equivalente a dos veces el valor límite permitido para una imagen en un procedimiento de

tamizaje (realizado a población abierta de pacientes asintomáticas). Ya que las pacientes a

quienes se aplicaría el procedimiento propuesto muestran indicios de una lesión sospechosa

de malignidad, se considera que el beneficio esperado de la información diagnóstica agregada

justifica la exposición adicional.

B. Procesamiento de las imágenes

Las imágenes se procesan usando el código ImageJ. Se evalúan dos opciones de resta. En la

modalidad energía-dual temporal, DET, a cada una de las imágenes con medio de contraste

AEMC se le resta la máscara BE con una relación de sustracción logarítmica pesada,

IDET = ln(AEMC) – ln(BE). El “factor de peso” es el cociente de los valores promedio de

pixel para el tejido glandular sano determinados en regiones de interés establecidas por el

radiólogo. Antes de restarlas, las imágenes se han auto-normalizado con respecto de su tejido

adiposo. La resta descrita por la relación DET produce valores promedio de pixel muy

cercanos a cero para el tejido glandular, que es lo esperado. La linealidad entre el espesor

másico de yodo y el valor de pixel del yodo en la imagen restada fue confirmada en nuestro

trabajo previo con maniquíes [6].

En la modalidad energía única temporal, SET, se realiza una simple resta logarítmica entre las

imágenes de alta energía, restando la máscara de las adquiridas con medio de contraste, de

acuerdo con ISET = ln(AEMC) – ln(AE).

Para la modalidad DET calculamos el contraste C entre la región que posiblemente contiene

el yodo y el tejido glandular circundante como la diferencia entre el valor medio del pixel en

la lesión (determinada por el radiólogo antes del procesamiento) y el valor en el tejido

glandular. Para la modalidad SET simplemente se calcula la diferencia logarítmica de pixeles

en la región de interés con relación al valor de la misma región en la imagen máscara.

C. Análisis inmunohistoquímico de las biopsias

Se usan anticuerpos altamente específicos para marcar vasos sanguíneos (Anti-CD105E9) y

vasos linfáticos (Anti podoplanina) en cortes de 4 micras de especímenes quirúrgicos

embebidos en parafina. Se cuenta el número de microvasos en cinco campos a 400 X de

mangnificación y se obtiene el promedio para vasos sanguíneos y linfáticos por separado.

III. Resultados preliminares

Hasta la fecha, un total de 18 pacientes han entrado al protocolo. En 4 de los procedimientos

la adquisición de las imágenes no se pudo apegar al protocolo, por lo que no se cuenta con

análisis de imágenes. Las biopsias de las 18 pacientes (6 benignas y 12 malignas) fueron

sometidas al análisis inmunohistoquímico.

La Figura 1 ilustra el proceso de resta de las imágenes. De izquierda a derecha se observan las

imágenes máscara a las dos energías, una de las imágenes con medio de contraste, y el

resultado de la resta para ambas modalidades. En las imágenes restadas se puede observar una

zona blanca en que el contraste se ha enfatizado por el proceso de resta. Esto corresponde a la

presencia del yodo en la región de lesión identificada por el radiólogo.

La Figura 2 muestra las curvas de captación de yodo (es decir, el contraste en la región de la

lesión como función del tiempo transcurrido desde la inyección del medio de contraste) para

tres pacientes. Las curvas corresponden a la modalidad de energía-dual DET. Pueden

observarse tres patrones diferentes: captación creciente con saturación de la cantidad de yodo

Lesion

Adipose

Glandular

LE mask

Single energy subtraction

Dual energy subtraction

HE + CM

HE mask

Figura 1. Imágenes y regiones de interés para una paciente. Las imágenes máscara se obtienen antes de

aplicar el medio de contraste. La imagen central con medio de contraste corresponde a 3 minutos después de

la inyección. Los puntos blancos son marcadores radio-opacos colocados sobre la mama para alinear las

imágenes antes de iniciar el procesamiento.

Lesión

Adipososo

Glandular

Máscara BE (baja energía)

Resta

modalidad SET

Resta modalidad DET

AE + medio de contraste

Máscara AE (alta energía)

Figura 2. Curvas de captación de yodo (valores del cambio de contraste en unidades arbitrarias)

para tres pacientes. Las incertidumbres de la evaluación del contraste son similares a los valores

medidos en el caso de baja captación.

para tiempos superiores a 3 minutos (patrón de tipo 3, según la nomenclatura de Dromain

[5]); captación rápida seguida por una desaparición lenta del medio de contraste (curva tipo 1,

según [5]) y muy baja (consistente con nula) captación.

La Figura 3 muestra los valores promedio de la densidad de vasos sanguíneos y linfáticos para

las 18 pacientes. Puede observarse que la cantidad de vasos sanguíneos es unas 2.5 veces

mayor para pacientes con cáncer que para lesiones benignas. En el caso de neo-vascularidad

linfática, las lesiones malignas presentan 3 veces más vasos que las lesiones benignas. Tanto

las lesiones benignas como malignas muestran nuevos vasos.

IV Discusión y conclusiones preliminares

Los resultados presentados demuestran, usando marcadores específicos de angiogénesis para

vasos sanguíneos y linfáticos, una correlación positiva entre la densidad microscópica de

nuevos vasos y la benignidad/malignidad de la lesión.

Los resultados del análisis de la resta de imágenes son aún preliminares. Se observan los

mismos patrones de curva de captación reportados independientemente, pero la evaluación del

contraste, y la buscada correlación con la formación de microvasos, se enfrenta a desafíos de

tipo metodológico para su cuantificación. En particular, la dependencia del método de la

BloodLymphatic

Benign

Cancer

52.6

33.3

22.1

10.90

20

40

60

Microvessel

density (au)

Figura 3. Valor promedio de densidad de microvasos sanguíneos y linfáticos, clasificado según

el diagnóstico patológico de lesión benigna o maligna (cáncer). La desviación estándar de cada

promedio es aproximadamente de 3.4 y 7.4 unidades para benigno y cáncer, respectivamente.

identificación de regiones de interés por el radiólogo previo al análisis introduce dependencia

del profesional que realiza la identificación. Además, hemos observado que los resultados

numéricos del contraste son sensibles a la circulación del yodo en regiones sanas de la

glándula mamaria. Se puede comentar que ninguno de los trabajos previos sobre CEDM ha

ofrecido resultados cuantitativos para el énfasis del contraste, limitándose a describir el tipo

de curva de captación y las condiciones para una alta o baja visibilidad. Estamos trabajando

en una nueva formulación del método de cálculo que permita obtener información

cuantitativa.

V Agradecimientos

Agradecemos el apoyo entusiasta del Departamento de Rayos X del INCan. Este trabajo es

financiado parcialmente por CONACYT SALUD-2009-01-112374 y PAPIIT-UNAM

IN102610. JPCB agradece beca del CONACYT para cursar la Maestría en Ciencias (Física

Médica).

Referencias

1. C Dromain y cols., Contrast-enhanced digital mammography. Eur J Radiol 69 (2009) 34-

42.

2. F Diekmann y cols., Use of iodine-based contrast medium in digital full-field

mammography. Initial experience, Forstschr Rontgenstr 175 (2003) 342-345.

3. F Diekmann y cols, Evaluation of contrast-enhanced digital mammography. Eur J Radiol

78 (2011) 112-121.

4. JM Lewin y cols, Dual-energy contrast-enhanced digital subtraction mammography:

Feasibility. Radiol 229 (2003) 261-268.

5. C Dromain y cols, Dual-energy constrast-enhanced digital mammography: initial clinical

studies. Eur Radiol 21 (2011) 565-574.

6. IM Rosado-Méndez y cols, Analytical optimization of digital subtraction mammography

with contrast medium using a commercial unit. Med Phys 35 (2008) 5544-5557.

7. B Palma y cols, Phantom study to evaluate contrast-medium-enhanced digital subtraction

mammography with a full-field indirect-detection system. Med Phy. 37 (2010) 577-589.