PET/MRI vid utvärdering av orofaryngeal skivepitelcancer (PETMROPSCC)

Introduktion och studiemål:

Huvud- och halscancer (HNC) fortsätter att vara ett betydande hälsoproblem i Taiwan och orofaryngeal skivepitelcancer (SCC) är den vanliga subtypen. Med hänsyn till organkonservering under de senaste åren är samtidig kemoradiation den huvudsakliga behandlingsmodaliteten för orofaryngeal SCC. Därför är noggranna tumöranatomiska och biologiska utvärderingar berättigade för förbehandlingsplanering, efterbehandlingsövervakning och prognosbestämning. Endoskopi med biopsi fungerar som de viktigaste diagnostiska verktygen hos patienter med orofaryngeal SCC. Medan datortomografi (CT) och magnetisk resonanstomografi (MRI) vanligtvis används för att utvärdera tumöromfattningen av HNC, är MRI mer föredraget i det orofaryngeala området på grund av dess höga kontrastupplösning, särskilt för att detektera perineural invasion. Helkropps-MRT är nu möjligt och därmed kan HNC-status på avlägsna platser utvärderas i en enda undersökningssession. FDG-positronemissionstomografi/CT (PET/CT) är en annan vanlig bildbehandlingsmodalitet för att utvärdera HNC.

Enligt utredarnas erfarenhet av patienter med huvud- och halscancer har MRT och PET/CT olika fördelar gentemot varandra och kan komplettera varandra. Vid utvärdering av primär tumörstatus kan den höga spatial- och kontrastupplösningen av MRI avgränsa tumörutbredningen från omgivande normal vävnad i den komplexa anatomiska huvud- och halsregionen, medan avgränsning av FDG-positiv vävnad av PET kan hjälpa till att differentiera tumörtillväxt från omgivande icke-cancerös vävnad. , särskilt i bestrålad bädd. Vid utvärdering av regional nodalstatus är MRT överlägsen PET/CT när det gäller att detektera retrofaryngeal eller cystisk nekrotisk metastatisk adenopati, medan PET/CT överträffar MRT när det gäller att detektera metastaser i subcentimeternoder. Den kombinerade användningen av MRT och PET kan tydligt visa mönstren för nodal spridning.[7]. När det gäller utvärderingen av de avlägsna platserna är MRI av hela kroppen bättre för att upptäcka metastaserande lesioner i organ med höga metaboliska egenskaper såsom hjärna, lever eller mjälte, medan PET/CT är överlägsen när det gäller att upptäcka dessa metastaserande lesioner i de böjda, platta benen och andra primär tarmtumör såsom matstrupscancer eller tjocktarmscancer.

För närvarande blir diffusionsvägd MR-avbildning (DWI) och dynamisk kontrastförstärkt perfusionsviktad avbildning (DCE-PWI) kliniskt möjliga för att bedöma de funktionella aspekterna av HNC. Den kvantifierade parametern för DWI-sekvensen är skenbar diffusionskoefficient (ADC) som relaterar till cellularitet. DCE-PWI tillhandahåller volymöverföringshastighetskonstanten (Ktrans), det relativa extravaskulära extracellulära utrymmet (Ve) och den relativa vaskulära plasmavolymen (Vp) såväl som utflödeshastighetskonstanten (Kep). Dessa funktionella MRI-tekniker kan ge biologisk information, såsom cellularitet, angiogenes och permeabilitet. Å andra sidan kan PET tillhandahålla sina metaboliska kvantifierade parametrar: standardiserat upptagsvärde (SUV) som återspeglar glukosmetabolism, metabolisk tumörvolym (MTV) som återspeglar tumörbördan och total lesionsglykolys (TLG) som integrerar både glukosmetabolism och tumörbelastning . Dessa MRI och PET funktionella parametrar verkar lovande för att förutsäga chemoradiation svar och prognos för HNC. I våra tidigare studier av orofaryngeala eller hypofaryngeala SCC-patienter var Ktrans av den primära tumören den enda avbildningsparametern associerad med lokal kontroll, medan ADC- och Ve-värdena för de metastaserande noderna i halsen var oberoende prognostiska faktorer för nackkontroll. Den maximala SUV för de regionala lymfkörtlarna var signifikant associerad med förekomsten av fjärrmetastaser. TLG var signifikant associerade med total överlevnad.

Integrerad PET/MRI är en ny bildteknik som introduceras i den kliniska praktiken. Kombinationen av PET och MRI i en enda hybridskanner är lovande. Initial data visar att PET/MRI fungerade positivt för HNC. Den visade god diagnostisk förmåga liknande PET/CT och kan fungera som ett legitimt alternativ till PET/CT i den kliniska upparbetningen av patienter med HNC. De uppmätta metabola förhållandena PET/MRI visade utmärkt överensstämmelse med de på standard PET/CT. PET/MRI som inkorporerade Dixon-sekvensen för dämpningskorrigering gav liknande SUV-värden jämfört med PET/CT. Icke desto mindre var de flesta studier begränsade i antal fall eller så analyserades ingen speciell tumörenhet specifikt, vilket något försvagade deras styrka i form av bevis -baserad medicin. Dessutom har det prediktiva värdet av PET/MRI i behandlingsresultat av HNC inte rapporterats. En prospektiv studie av PET/MRI i en stor kohort av patienter med specifikt tumörursprung och enhetligt behandlingsprotokoll skulle komplettera dessa banbrytande ansträngningar för att fullt ut validera den kliniska användbarheten av det nya integrerade systemet.

Nyligen har integrerad PET/MRI-skanner (Biograph mMR, Siemens) installerats på vårt sjukhus. I denna skanner är PET-detektorerna helt integrerade i 3 Tesla MR-systemet med en enda portal, vilket möjliggör samtidig insamling av både PET- och MR-data. Innan dess omfattande praktiska användning bör dess kliniska användbarhet uttryckligen definieras. I detta forskningsprojekt kommer utredarna att undersöka våra 150 patienter med orofaryngeal SCC som utsatts för kemoradiation med FDG-PET/MRI. Icke kontrasterande CT kommer också att utföras samma dag. Utredarna har följande syften:

Syfte 1: att fastställa hela kroppens stadieindelning/återställning MRT och PET/CT har olika fördelar jämfört med varandra, och visuell korrelation av dessa separata avbildningsmodaliteter kan ge en något högre diagnostisk förmåga. Vissa lesioner kanske inte matchar varandra väl på grund av olika undersökningsdatum och olika placering. Därför anser forskarna att tumörengagemang bör göras mer exakt med PET/MRI-avbildning som samtidigt förvärvats, vilket leder till mer exakt tumörstadieindelning/omplacering, och i sin tur till mer exakt behandlingsplanering och bättre behandlingsresultat. Data för integrerad PET/MRI för stadieindelning/återställning av hela kroppen på orofaryngeal SCC är dock fortfarande otillgängliga för närvarande. I detta prospektiva projekt syftar utredarna till att fastställa genomförbarheten och den kliniska effekten av integrerad PET/MRI i tumörstadieindelning och återställning av orofaryngeal SCC

Syfte 2. att förutsäga behandlingssvar och prognos Funktionella MRI-parametrar och FDG-PET/CT-parametrar kan kvantifieras och har använts för att förutsäga respons på kemoradiation i HNC. Varierande resultat hade emellertid erhållits, främst på grund av olika tumörursprung, provstorlekar, metoder och behandlingsprotokoll. En annan viktig störande faktor är att MRT och PET/CT gjordes vid olika tidsintervall. Eftersom integrerad PET/MRI kan tillhandahålla samtidiga PET- och MR-funktionella data som möjliggör direkt jämförelse i de utvalda områdena av intresse, och bör därför vara mer exakta och mer reproducerbara. De prediktiva värdena för samtidiga funktionella PET/MRI-tekniker i orofaryngeal SCC har dock inte rapporterats förrän nu. Å andra sidan kan DWI med intravoxel inkoherent rörelse (IVIM)-teknik kvantifiera både molekylär diffusion och mikrocirkulation i kapillärnätverket som kan vara användbart för att förutsäga tumör kemoradiosensitivitet, medan DWI med kurtosis (biexponentiell eller icke-Gaussisk anpassning) modellering har dokumenterats för att ge en bättre passning av in vivo-vattenmolekyldiffusionen än vad som gör med monoexponentiell modellering[32]. I detta forskningsprojekt lade utredarna till funktionella MRI-sekvenser som delar av PET/MRI-procedurer, inklusive DCE-PWI såväl som dedikerad DWI som kan ge monoexponentiell DWI, IVIM och Kurtosis-data. Vi strävar efter att erhålla MRT- och PET-funktionella resultat på integrerade PET/MRI-system i den enda avbildningssessionen i patientkohorten av orofaryngeal SCC som behandlas enhetligt med kemoradiation. Utredarna förväntade sig att de prediktiva värdena för de olika funktionella parametrarna för integrerad PET/MRI kan belysas tydligare.

Syfte 3. att bestämma nödvändigheten av icke-kontrast CT. Ett av problemen med att ersätta CT-delen av PET/CT med MRT är förmågan hos MRI att avbilda och differentiera lungknölar, medan den vanligaste platsen för avlägsna metastaser av HNC är lungan. Enligt utredarnas tidigare studie kan CT-komponenten i integrerad PET/CT förbättra inte bara specificiteten utan också känsligheten hos FDG-PET-data. Dessutom hjälper CT också till att minska PET-falskpositiva fynd vid förkalkad mediastinal nodalsjukdom, såsom antrakos. Men å andra sidan visade utredarnas tidigare studier detekteringsfrekvensen av lungmetastaser med 3,0-T MRI med halv Fourier förvärvande enkelskott turbo spin-eko (HASTE), volumetrisk interpolerad andningshållningsundersökning (VIBE) och korta τ-inversionsåtervinningssekvenser (STIR) liknade de för PET/CT. En nyligen genomförd studie har visat att radiell VIBE friandande MRI med samtidigt inhämtade PET-data har hög känslighet vid detektering av knölar med en diameter på minst 0,5 cm, men har begränsad känslighet för detektion av små eller icke-FDG-ivriga knölar. . Med tanke på de begränsade data om PET/MR för att upptäcka elakartad lesion i lungorna, strävar forskarna efter att prospektivt validera prestandan för våra integrerade PET/MRI-protokollsekvenser för lungskador genom att lägga till icke-kontrastförstärkt CT för jämförelse.

Material och metoder:

I detta treåriga prospektiva projekt kommer totalt 160 patienter med histologiskt bevisad orofaryngeal SCC som utsatts för kemoradiation att inkluderas. Uteslutningskriterier inkluderar tidigare elakartad huvud- eller halstumör, en andra elakartad tumör, fjärrmetastaser, kontraindikationer för MRT (njurinsufficiens, cochleaimplantat, placering av pacemaker eller intrakraniell aneurysmal ferromagnetiska klipp) och serumglukosnivå >200 mg/dl. Före förbehandling kommer varje inskriven patient att genomgå PET/MRI och detaljerad klinisk undersökning, inklusive humant papillomvirustest. Deltagarna kommer också att genomgå lågdos CT på bröstet samma dag före PET/MRT. Under efterbehandlingsperioden kommer baslinje-MRT för hela kroppen att erhållas 3 månader efter kemoradiation. Därefter kommer patienterna sedan att följas upp även med alternativ CT och helkropps-MR var sjätte månad. Om tumörrecidiv bekräftas eller starkt misstänkt kommer PET/MRT också att utföras för tumörre-stadieindelning.

Treårig planering. Tillräckligt antal fall och uppföljningstid är väsentliga för statistisk analys och utfallsbestämning av orofaryngeal SCC behandlad med kemoradiation. Utredarna planerar att genomföra denna studie om 3 år. Under det första året kommer arbetet med detta projekt under det första året att: (1) designa databankskategorierna; (2) ställ in arbetsflödet och optimera avbildningsprotokollen; (3) bestämma den diagnostiska förmågan hos MRT-komponent, PET-komponent, integrerad PET/MRI i tumörstadieindelning; (4) fastställa eventuellt mer diagnostiskt värde av icke-kontrast-CT i integrerad PET/MRI, och (5) studera det tidiga behandlingssvaret och mönstren för kvarvarande tumör.

Under det andra året kommer utredarna att fortsätta till det första årets arbete och vidare inkludera följande arbeten: (1) för att fastställa förekomst och prediktorer för behandlingssvikt av orofaryngeal SCC, och (2) att studera mönstren för behandlingssvar och tidigt återfall.

Under det tredje året kommer utredarna att fortsätta att göra tidigare arbete och kommer också (1) att få tillräcklig provstorlek för att utföra statistisk analys av sambandet mellan avbildningsparametrarna och patientresultaten, (2) uppnå omfattande avbildning om mönster av tumörrecidiv och förändringar/komplikationer efter behandling, (3) undersöka i vilken utsträckning biologiska avbildningsparametrar kan påverka resultatet och patientvalet för kemoradiation, (4) analysera noggrannheten, fallgropar och kostnadseffektiviteten för PET/MRT enbart och PET/MRT med icke-kontrast-CT vid utvärdering av hos patienter med orofaryngeal SCC.

PET/MRI-protokoll PET/MRI-data kommer att inhämtas på den integrerade PET/MRI-skannern (Biograph mMR, Siemens Healthcare, Erlangen, Tyskland), som samlar in PET- och MR-data samtidigt med en 3.0-T-magnet. Undersökningsprotokollet kommer att kombinera en helkroppsskanning med en dedikerad undersökning av huvud- och halsområdet (tabell 1). Alla patienter fastar i 6 timmar före skanningen. 50-70 minuter efter injektion av 370 MBq FDG kommer patienten att placeras på PET/MRI-skannerbädden. Efter snabbvy T1-viktad MR-lokaliseringssekvens för scoutavbildning och Dixon VIBE-sekvens för dämpningskorrigering, kommer en PET-skanning av hela kroppen att utföras i 5 sänglägen för att täcka från huvudet till det proximala låret, med en insamlingstid på 4 min per sängläge. Samtidigt kommer helkropps-MR-bildinsamling att utföras för motsvarande 5 sängpositioner med den axiella HASTE-sekvensen och koronala STIR-sekvensen samt det sagittala T1-viktade Turbo-ryggradsekot (TSE) och STIR-sekvensen.

Efteråt kommer regionala PET- och MRI-bilder att utföras samtidigt. Regional PET kommer att utföras med en förvärvstid på 10 minuter, medan en dedikerad MRI av huvud- och halsregionen kommer att förvärvas i de axiella och koronala projektionerna med T1-vägd TSE-sekvens och T2-vägd TSE-sekvens med fettmättnad. Axial DWI kommer att utföras med användning av en spin-eko-eko-planarteknik med ett enda skott med modifierat Stejskal-Tanner diffusionsgradient pulserande schema. Totalt 10 b-värden kommer att användas för rekonstruktion av IVIM och kurtosavbildning, vilka är: 0, 20, 40, 80, 100, 200, 400, 800, 1200, 1500 sek/mm2.

DCE-PWI vid huvud- och halsregionen kommer att förvärvas genom att använda en 3D T1-vägd spoilt gradient-ekosekvens. En rumslig mättnadsplatta kommer att implanteras underlägsen den förvärvade regionen för att minimera inflödeseffekten från halspulsådrorna. Före administrering av kontrastmedel kommer värden för longitudinell avslappningstid (T10) vid baslinjen att beräknas från bild som tagits med olika vändningsvinklar (4°, 8°, 15° och 25°). Sedan kommer den dynamiska serien att förvärvas med samma sekvens med en 15° flipvinkel, efter intravenös administrering av paramagnetiskt kontrastmedel vid 3 ml/s. Därefter kommer dedikerad regional MRT att erhållas med T1-vägd TSE-sekvens med fettmättnad i de axiella och koronala projektionerna. Slutligen kommer helkroppsaxial VIBE med fettmättnad att utföras. Den totala insamlingstiden är cirka 42 minuter, och den genomsnittliga tiden i rummet för PET/MR kommer att vara cirka 60 minuter.

Icke-förstärkt lågdos-CT Spiral lågdos-CT utan kontrastmaterialförstärkning kommer att utföras före PET/MRT samma undersökningsdag. Förvärvsparametrar inkluderar toppspänning på 120 kVp, mAs på 50, kollimering på 64x0,5 mm och rekonstruktionsintervall på 3 mm.

Dataanalys och bestämning av resultat Läsare är medvetna om att patienter har orofaryngeal SCC, och de kommer att bli blinda för resultaten från andra studier och PET/MR-data. PET-, MRI- och lung-CT-bilderna kommer först att tolkas oberoende. Alla bilder kommer sedan att granskas tillsammans och jämföras. En checklista över olika fördelningar av tumörförlängning, nodal spridning och fjärrmetastaser kommer att registreras. De kliniska resultaten och avbildningsfynden kommer att diskuteras gemensamt av forskargruppen för huvud- och hals. Endoskopisk biopsi, ultraljudsguidad finnålsaspiration eller CT-vägd biopsi kommer att utföras vid eventuella lesioner som misstänks för malignitet om möjligt. Om biopsi av den intressanta lesionen inte är genomförbar eller ger ett negativt resultat, kommer noggrann klinisk uppföljning och bilduppföljning att genomföras. Alla patienter kommer att följas upp i minst 12 månader.

De kliniska och funktionella bilddata kommer att samlas in och analyseras för att förutsäga behandlingssvar och prognos. För diffusions-MRI kommer områden av intresse att placeras manuellt på lesionerna på ADC-kartan för att omfatta så mycket av det solida tumörområdet som möjligt. Signalintensiteterna som mäts på bilderna som erhållits vid olika b-värden S(b) kommer att anpassas numeriskt mot modellen, S(b)=S0 e-b*ADC, där S0 och Sb är signalintensiteter vid olika b-värden, För IVIM-avbildning , kan sambandet mellan signalintensiteter och b-värden uttryckas med ekvationen: Sb/S0 = (1-f )．exp(-bD) + f．exp[-b( D + D＊)] där f är en mikrovaskulär volymfraktion som representerar fraktionen av diffusionen kopplad till mikrocirkulationen, D representerar ren diffusionskoefficient och D* är perfusionsrelaterad inkoherent mikrocirkulation. För DKI kan förhållandet mellan signalintensiteter och b-värden uttryckas med ekvationen: ln[S(b)] = ln[S(0)] - b x Dapp + 1/6b2 x Dapp2 x Kapp där S är signalen intensitet (godtyckliga enheter), b är b-värdet (s/mm2), Dapp är den skenbara diffusionskoefficienten (10-3 mm2/s), och Kapp är den skenbara kurtos-koefficienten som anger avvikelsen från en Gauss-fördelning. Utredarna kommer också att utföra monoexponentiell anpassning genom att använda Kapp=0 i ekvationen, vilket ger ADCmono. För DCE-PWI MRI kommer förändringen i kontrastmedelskoncentration över tiden, Ct(t), att bestämmas i varje voxel i tumören, och den kompartmentala spårämneskinetiska modellen kommer att appliceras på varje voxel genom att använda en arteriell ingångsfunktion, Cp(t), mätt i varje individ: Ct (t)=VpCp(t) + Ktrans ∫0t Cp (t' ) exp(Ktrans(t-t') /Ve )dt' där t' är tiden (i minuter) som en integrationsvariabel, och Cp(t') är koncentrationen av kontrastmedel i blodplasman som en funktion av tiden. För PET-avbildningsparametrar kommer SUV och MTV för målskadorna att mätas från dämpningskorrigerade 18F-FDG PET-bilder genom att rita gränserna som dras tillräckligt stora för att inkludera lesionerna. En SUV-tröskel på 2,5 kommer att användas för att avgränsa MTV:n. TLG beräknas som produkten av medel-SUV:n och MTV:n.

Statistisk analys

Med hjälp av histologiska fynd eller uppföljningsdata efter 12 månader som referensstandard kommer olika bildbehandlingsresultat att klassificeras som sant-positiva, sant-negativa, falskt-positiva eller falskt-negativa. Den diagnostiska noggrannheten för MRT-komponent, PET-komponent, integrerad PET/MRI, enbart bröst-CT och PET/MRI plus bröst-CT kommer att beräknas och jämföras med McNemar-testet. Deras respektive diagnostiska prestanda kommer att bestämmas med områdena under kurvan för mottagarens funktion. För utvärdering av behandlingssvar och prognosförutsägelse kommer logistiska regressionsanalyser att användas för att identifiera sambandet mellan kliniska och avbildningsfunktionella variabler. Kontroll- och överlevnadsgraden kommer att plottas med hjälp av Kaplan-Meier-metoden. Skillnader i positiva och negativa resultat kommer att bestämmas med log-rank test. Alla prognostiska variabler som identifieras genom univariat analys kommer att läggas in i den multivariata modellen med hjälp av Cox proportionella riskmodell. Spearmans rangkorrelationskoefficient kommer att användas för att undersöka korrelationerna mellan variablerna. P-värden < 0,05 anses vara statistiskt signifikanta.