Μελέτη των ενδοκράνιων όγκων με ανάλυση ιστογράμματος

Abstract

This doctoral thesis, entitled “Histogram-Based Analysis of Intracranial Tumors,” focuses on the use of advanced magnetic resonance imaging (MRI) and radiomics analysis for the non-invasive evaluation and prognostication of intracranial neoplasms, with particular emphasis on glioblastoma (GBM). The research comprises two complementary studies that investigate (a) radiomic predictors of survival, and (b) microstructural and topological reorganizations induced by the tumor in the brain.Study 1 – Survival Outcome Prediction in Glioblastoma: Insights fromMRI Radiomics (Curr Oncol, 2024) The first study assessed the prognostic value of radiomic features extracted from multiparametric diffusion and perfusion MRI for predicting survival in patients with IDH wild-type glioblastoma. The cohort included 49 patients who underwent pre-treatment MRI. Diffusion and perfusion maps were generated, and the tumor was segmented into four subregions: edema, necrotic, enhancing, and non-enhancing solid areas. A total of 1,862 radiomic features (morphological, first-order, and texture features) were extracted from each subregion and imaging map. After removing highly correlated features (r > 0.7) and performing univariate Cox regression, 25 statistically significant features were identified and incorporated into a multivariate Cox model with LASSO regularization. The final model identified smaller necrotic subregion volume, heterogeneous vascularization in the non-enhancing solid area, and tissue disruption within enhancing and edematous regions as significant predictors of poor prognosis. Age emerged as an independent prognostic factor. The model demonstrated satisfactory performance (C-index = 0.66, 95% CI 0.54–0.80, AUC > 0.65 across all time points) following internal and external validation (bootstrapping, hdnom package). This study supports that diffusion- and perfusion-derived radiomic features serve as non-invasive prognostic biomarkers of survival, reflecting the microstructural and vascular heterogeneity of GBM.Study 2 – The impact of glioblastoma on the contralesional hemisphere: Insightsfrom structural connectivity and cortical surface analysis (Neuroradiology, 2025) The second study explored neuroplastic and microstructural changes in the contralesional (opposite) hemisphere of patients with glioblastoma, aiming to elucidate mechanisms of neural reorganization and compensatory connectivity induced by tumor presence. The dataset included MRI scans from 31 newly diagnosed IDH wild-type glioblastoma patients who underwent pre-treatment multiparametric MRI, including diffusion tensor imaging (DTI). White matter tractography and graph-theoretical network models were generated to quantify changes in network topology and microstructure within the contralesional hemisphere. Results revealed that glioblastoma triggers neuroplastic hypertrophy in homologous cortical regions of the contralesional hemisphere, likely representing compensatory functional mechanisms, whereas high-metabolic-demand hub regions exhibited cortical atrophy, possibly due to energy depletion. Tumor-related white matter infiltration appeared to activate alternative contralesional pathways that may support functional recovery but also facilitate tumor cell migration. Correlations between structural alterations, Ki-67 proliferation index, and patient survival suggest that these microstructural changes reflect both tumor aggressiveness and the dynamics of neuroplastic remodeling. Overall ContributionThis dissertation combines two complementary approaches—the radiomic quantification of tumor heterogeneity and the mapping of brain reorganization mechanisms—to provide a comprehensive understanding of glioblastoma. Through the combined use of multiparametric MRI, and advanced statistical and computational modeling, it highlights the complex interplay between tumor biology and neural architecture. The findings demonstrate that radiomic analysis can serve as a reliable non-invasive prognostic tool, while the observed topological alterations represent potential biomarkers of neuroplasticity and tumor behavior. Overall, this work contributes to a deeper understanding of glioblastoma pathophysiology and paves the way for personalized prognostic assessment and therapeutic targeting in neuro-oncology.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή, με τίτλο «Ιστογραμμική Ανάλυση Ενδοκράνιων Όγκων Εγκεφάλου», εστιάζει στη χρήση της μαγνητικής τομογραφίας (MRI– magnetic resonance imaging) για τη μελέτη της αιμάτωσης και των μικροδομικών αλλαγών των ενδοκράνιων νεοπλασμάτων, με έμφαση στο γλοιοβλάστωμα τύπου IDH wild-type (glioblastoma, GBM). Εφαρμόζοντας αφενός ραδιομική ανάλυση (radiomics) σε δεδομένα ακολουθιών διάχυσης και αιμάτωσης και αφετέρου ανάλυση γράφων (graph analysis) σε δεδομένα διάχυσης για τη μελέτη της δομικής συνδεσιμότητας του εγκεφάλου, η παρούσα διατριβή στοχεύει στη μη επεμβατική αξιολόγηση της πρόγνωσης αυτών των νεοπλασμάτων. Το παρόν ερευνητικό έργο αποτελείται από δύο αλληλοσυμπληρούμενες μελέτες, οι οποίες εξετάζουν αφενός την πρόγνωση της επιβίωση με την χρήση της ραδιομικής ανάλυσης και αφετέρου τις μικροδομικές και τοπολογικές μεταβολές που επέρχονται στον εγκέφαλο λόγω της παρουσίας του όγκου. Μελέτη 1 – Ραδιομική ανάλυση για την πρόγνωση της επιβίωσης σε ασθενείς με γλοιοβλάστωμα IDH wild-type (Curr Oncol, 2024) Η παρούσα μελέτη αξιολόγησε τη χρησιμότητα των ραδιομικών χαρακτηριστικών που εξάγονται από πολυπαραμετρικές MRI ακολουθίες διάχυσης και αιμάτωσης για την πρόγνωση επιβίωσης σε ασθενείς με γλοιοβλάστωμα IDH wild-type. Στην μελέτη περιλήφθηκαν 49 ασθενείς που υποβλήθηκαν σε MRI κατά την αρχική διαγνωστική προσπέλαση. Πραγματοποιήθηκαν ακολουθίες: Τ2, FLAIR, 3D-T1, αιμάτωσης (T2* gradient echo, multi-shot EPI) και τανυστή διάχυσης (single-shot spin-echo echo-planar sequence). Από τα δεδομένα διάχυσης και αιμάτωσης δημιουργήθηκαν παραμετρικοί χάρτες (MD, FA, RD, AD, relative CBF, relative CBV και MTT) στους οποίους πραγματοποιήθηκε κατάτμηση του όγκου σε τέσσερις υποπεριοχές: 1) το οίδημα, 2) η νέκρωση, 3) η εμπλουτιζόμενη συμπαγή περιοχή και 4) η μη εμπλουτιζόμενη συμπαγή περιοχή.Ραδιομική ανάλυση πραγματοποιήθηκε στις ακολουθίες 3D-Τ1 και στους παραμετρικούς χάρτες. Σε κάθε ασθενή εξήχθησαν 1862 ραδιομικά χαρακτηριστικά (μορφολογικά, πρώτης και δεύτερης τάξης υφής). Μετά την αφαίρεση χαρακτηριστικών με ισχυρή συσχέτιση (r > 0.7) και τη πραγματοποίηση μονοπαραγοντικής παλινδρόμησης Cox, επιλέχθηκαν 25 στατιστικώς σημαντικά χαρακτηριστικά, τα οποία εντάχθηκαν σε πολυπαραγοντικό μοντέλο Cox με κανονικοποίηση LASSO. Το τελικό προγνωστικό μοντέλο ανέδειξε ως σημαντικούς δείκτες κακής πρόγνωσης την παρουσία μικρής νεκρωτικής περιοχής, την ανόμοιογενή αιμάτωση τόσο στη μη εμπλουτιζόμενη συμπαγή περιοχή όσο και στο οίδημα, και την διαταραχή της φυσιολογικής μικροδομικής αρχιτεκτονικής στις συμπαγείς εμπλουτιζόμενες και στις οιδηματώδεις περιοχές. Η ηλικία αποτέλεσε ανεξάρτητο προγνωστικό δείκτη επιβίωσης, παρουσιάζοντας θετική συσχέτιση με την πιθανότητα θανάτου. Μετά από εσωτερική και εξωτερική επικύρωση (χρησιμοποιώντας τα δεδομένα της μελέτης ή εξωτερικά δεδομένα αντίστοιχα) η απόδοση του μαθηματικού μοντέλου ήταν ικανοποιητική (C-index = 0.66, 95% Δ.Ε. 0.54–0.80, AUC > 0.65 σε όλες τις χρονικές περιόδους). Συμπερασματικά η μελέτη κατέδειξε ότι οι ραδιομικοί δείκτες αιμάτωσης και διάχυσης αποτελούν μη επεμβατικούς προγνωστικούς δείκτες επιβίωσης, αντικατοπτρίζοντας τη μικροδομική και αγγειακή ετερογένεια του GBM. Μελέτη 2 –Διερευνηση της επίδρασης του γλοιοβλαστώματος στο αντίπλευρο ημισφαίριο με βάση τις αλλαγές της δομικής συνδεσιμότητας και της μορφολογίας του φλοιού (Neuroradiology, 2025) Η παρούσα μελέτη διερεύνησε τις μικροδομικές και νευροπλαστικές αλλαγές στο ετερόπλευρο (contralesional) εγκεφαλικό ημισφαίριο ασθενών με γλοιοβλάστωμα, δηλαδή στο ημισφαίριο που απεικονιστικά φαίνεται μορφολογικά ΄΄υγιές΄΄. Στη μελέτη περιλήφθηκαν 31 ασθενείς με γλοιοβλάστωμα IDH wildtype που υποβλήθηκαν σε MRI κατά την αρχική διαγνωστική προσπέλαση. Πραγματοποιήθηκαν ακολουθίες: Τ2, FLAIR, 3D-T1, αιμάτωσης (T2* gradient echo, multi-shot EPI) και τανυστή διάχυσης (single-shot spin-echo echo-planar sequence). Στόχος της μελέτης ήταν η διερεύνηση των μηχανισμών αναδιοργάνωσης της φλοιικής μορφολογίας και της δομικής συνδεσιμότητας του “υγιούς” εγκεφαλικού ημισφαιρίου, οι οποίοι ενδέχεται να επάγονται από την παρουσία νεοπλασματικής εξεργασίας στο αντίπλευρο ημισφαίριο. Από τις δομικές τρισδιάστατες Τ1 ακολουθίες, και με τη χρήση του λογισμικού FreeSurfer, πραγματοποιήθηκε η κατάτμηση και η απεικονιστική ανασύσταση της φαιάς ουσίας. Στη συνέχεια, με τη χρήση του άτλαντα Desikan–Killiany, διενεργήθηκε φλοιϊκή κατάτμηση σε 34 περιοχές ενδιαφέροντος (region of interest-ROI) του ετερόπλευρου ημισφαιρίου. Για τις περιοχές αυτές υπολογίστηκαν οι δείκτες φλοιϊκής επιφάνειας και φλοιϊκού πάχους και συσχετίστηκαν με την επιβίωση και το δείκτη Κi-67. Κατόπιν, για τη μελέτη της δομικής συνδεσιμότητας χρησιμοποιήθηκε η θεωρία των γράφων στα δεδομένα διάχυσης. Οι περιοχές του άτλαντα AAL (Automated Anatomical Labeling) αποτέλεσαν τους κόμβους των εγκεφαλικών δικτύων, ενώ οι ακμές υπολογίστηκαν από τα δεμάτια της λευκής ουσίας που διέρχονταν μέσω των περιοχών αυτών. Στη συνέχεια, ποσοτικοποιήθηκαν οι αλλαγές στην οργάνωση του δικτύου στο ημισφαίριο αντίπλευρα του όγκου, οι οποίες επάγονται από την παρουσία του γλοιοβλαστώματος. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν ότι το γλοιοβλάστωμα προκαλεί νευροπλαστική υπερτροφία σε ομόλογες φλοιώδεις περιοχές του ετερόπλευρου ημισφαιρίου, πιθανώς ως μηχανισμός λειτουργικής αντιστάθμισης, ενώ περιοχές-κόμβοι του ετερόπλευρου ημισφαιρίου με υψηλές μεταβολικές ανάγκες εμφάνισαν φλοιική ατροφία λόγω εξάντλησης ενεργειακών πόρων. Επιπλέον, η διήθηση των δεματίων λευκής ουσίας από τον όγκο φάνηκε να ενεργοποιεί εναλλακτικές συνδετικές διαδρομές εντός του ετερόπλευρου ημισφαιρίου, οι οποίες ενδέχεται να υποστηρίζουν τη λειτουργική αποκατάσταση, αλλά και να διευκολύνουν τη μετανάστευση καρκινικών κυττάρων. Η συσχέτιση των δομικών μεταβολών με τα επίπεδα του δείκτη Ki-67 και με την επιβίωση υποδεικνύει ότι οι παρατηρούμενες μικροδομικές αλλαγές αντικατοπτρίζουν τη βιολογική επιθετικότητα του GBM και τη δυναμική του νευροπλαστικού ανασχηματισμού. Συνολική συμβολή της διατριβής Η διατριβή συνθέτει δύο συμπληρωματικές προσεγγίσεις στη μελέτη του γλοιοβλαστώματος: τη ραδιομική ποσοτικοποίηση της ετερογένειας του όγκου και τη χαρτογράφηση των εγκεφαλικών μηχανισμών αναδιοργάνωσης. Μέσω της συνδυαστικής αξιοποίησης πολυπαραμετρικής MRI, και προηγμένων στατιστικών και μοντέλων μηχανικής μάθησης, αναδεικνύεται η πολύπλοκη αλληλεπίδραση μεταξύ του όγκου και του εγκεφαλικού ιστού. Τα ευρήματα υποστηρίζουν ότι η ραδιομική ανάλυση μπορεί να αποτελέσει αξιόπιστο μη επεμβατικό εργαλείο πρόγνωσης, ενώ οι τοπολογικές μεταβολές που προκαλεί ο όγκος αντικατοπτρίζουν βιοδείκτες της νευροπλαστικής και βιολογικής του συμπεριφοράς. Συνολικά, το έργο ουσιαστικά συμβάλλει στην κατανόηση των παθοφυσιολογικών μηχανισμών του GBM και ανοίγει νέες προοπτικές για εξατομικευμένη πρόγνωση και θεραπευτική στόχευση στη νευροογκολογία.