MR elastography of the breast:
preliminary clinical results

Abstract

Purpose: Imaging of breast tumors and various breast tissues using magnetic resonance (MR) elastography (MRE) to explore the potential of elasticity as a new parameter for the diagnosis of breast lesions. Methods: Low-frequency mechanical waves are transmitted into breast tissue by means of an oscillator. The local characteristics of the mechanical wave are determined by the underlying elastic properties of the tissue. Theses waves can be displayed by means of a motion-sensitive spin-echo MR sequence within the phase of the MR image. Elasticity reconstruction is performed on the basis of 8 “snapshots” of each wave within the three spatial directions. We performed in-vivo measurements in 15 female patients with malignant tumors of the breast, 5 patients with benign breast tumors, and 15 healthy volunteers. Results: Malignant invasive breast tumors documented the highest values of elasticity with a median of 15.9 kPa and a wide range of stiffnesses between 8 and 28 kPa. In contrast, benign breast lesions represented low values of elasticity, which were significantly different from malignant breast tumors (median elasticity: 7.0 kPa; p = 0.0012). This was comparable to the stiffest tissue areas in healthy volunteers (median elasticity 7.0 kPa), whereas breast parenchyma (median: 2.5 kPa) and fatty breast tissue (median: 1.7 kPa) showed the lowest values of elasticity. Two invasive ductal carcinomas had elasticity values of 8 kPa and two stiff parenchyma areas in healthy volunteers had elasticities of 13 and 15 kPa. These lesions could not be differentiated by their elasticity. Conclusion: We conclude that MRE is a promising new imaging modality with the capability to assess the viscoelastic properties of breast tumors and the surrounding tissues. However, from our preliminary results in a small number of patients it is obvious that there is an overlap in the elasticity ranges of soft malignant tumors and stiff benign lesions.

Zusammenfassung

Ziel: Validierung der Darstellungsmöglichkeiten der MR-Elastographie bei Brusttumoren und verschiedenen Brustgewebearten. Methode: Mittels eines Oszillators werden niederfrequente mechanische Schallwellen in das Brustgewebe eingekoppelt. Die lokale Beschaffenheit der Welle wird durch die elastischen Eigenschaften des Gewebes bestimmt. Durch eine bewegungssensitive MR-Spinechosequenz werden die mechanischen Wellen in der Phase des MR-Bildes dargestellt. Die Rekonstruktion der lokalen Elastizitätswerte geschieht auf der Basis von jeweils 8 Messungen der Welle in allen drei Raumrichtungen. Wir untersuchten 15 Patientinnen mit jeweils einem malignen Brusttumor und 5 Patientinnen mit einem benignen Tumor der Brust. Zusätzlich wurden 15 gesunde Probandinnen untersucht. Ergebnisse: Maligne Tumore erreichten die höchsten Elastizitätwerte mit einem Median von 15,9 kPa und einer großen Streuung der Werte (8 - 28 kPa). Im Gegensatz zu malignen Tumoren zeigten benigne Brusttumore eine signifikant niedrigere Elastizität (Median: 7,0 kPa; p = 0,0012). Diese Werte waren vergleichbar mit den härtesten Gewebearealen bei gesunden Probandinnen mit einem Median von 7,0 kPa, wohingegen Brustparenchym (Median: 2,5 kPa) und fetthaltige Gewebeareale (Median: 1,7 kPa) erwartungsgemäß die niedrigsten Elastizitätswerte aufwiesen. Zwei invasiv-duktale Brustkarzinome wiesen mit 8 kPa eine niedrige Elastizität auf, wohingegen zwei Parenchymareale bei gesunden Probandinnen Werte bis zu 15 kPa erreichten. Diese Läsionen konnten anhand ihrer Elastizität nicht differenziert werden. Schlussfolgerung: MRE ist eine neue Art der Bildgebung, die eine Bestimmung der viskoelastischen Eigenschaften von Brusttumoren und dem umgebenden Gewebe ermöglicht. Allerdings zeigt sich an dem bisher untersuchten kleinen Patientenkollektiv eine Überschneidung der Elastizitätsbereiche von weichen malignen Brusttumoren und verhärteten Brustparenchymarealen.

Key words

Breast, elastography - Breast neoplasm, diagnosis - Tissue characterization

Schlüsselwörter

MR-Elastographie - Diagnostik von Brusttumoren - Gewebecharakterisierung

Literatur

• 1 Garra B S, Cespedes E I, Ophir J, Spratt S R, Zuurbier R A, Magnant C M, Pennannen M F. Elastography of breast lesions: Initial clinical results.  Radiology. 1997;  202 79-86
• 2 Muthupillai R, Lomas D J, Rossman P J, Greenleaf J F, Manduca A, Ehman R L. Magnetic resonance elastography by direct visualization of propagating acoustic strain waves.  Science. 1995;  26 1854-1857
• 3 Sinkus R, Lorenzen J, Schrader D, Lorenzen M, Dargatz M, Holz D. High resolution tensor MR-elastography for breast tumor detection.  Phys Med Biol. 2000;  45 1649-1664
• 4 Chenevert T L, Skovoroda A R, O'Donnell M, Emelianov S Y. Elasticity reconstructive imaging by means of stimulated echo MRI.  MRM. 1998;  39 482-490
• 5 Bishop J, Poole G, Leitch M, Plewes D. Magnetic resonance imaging of shear wave propagation in excised tissue.  J Magn Reson Imaging. 1998;  8 1257-1265
• 6 Lorenzen J, Sinkus R, Schrader D, Lorenzen M, Leussler C, Dargatz M, Röschmann P. Imaging of breast tumors using MR-elastography.  Fortschr Röntgenstr. 2001;  173 12-17
• 7 Lawrence A, Rossman P, Mahowald J, Manduca A, Hartmann L, Ehman R. Palpating breast cancer by magnetic resonance elastography. Proc ISMRM 7th Philadelphia; 1999: 525
• 8 Rosen P R, Oberman H A. Tumors of the mammary gland. In: Rosai J, Sobin LH (eds) Atlas of tumor pathology. Washington, D.C.; Armed Forces Institut of Pathology 1993: 1-390
• 9 Sarvazyan A, Goukassian D, Maevsky G. Elasticity imaging as a new modality of medical imaging for cancer detection. Proc. Int. Workshop on Interaction of Ultrasound with Biological media Valenciennes. 1994: 69-81