The contribution of MRI functional imaging techniques in patients with intrapelvic malignancies

Abstract

The clinical value of MRI in assessing a variety of pelvic diseases, owing to its superior contrast resolution and soft tissue differentiation, reflecting multiple pathologic conditions, has been established [1,2]. T1- and T2-weighted spin-echo imaging are vital for routine pelvic MRI, but new ultrafast techniques have broadened its applications. To enhance imaging detail and diagnostic precision, new techniques like diffusion-weighted imaging (DWI) and dynamic contrast enhanced imaging (DCE-MRI) have been added to pelvic imaging protocols, especially for assessing malignancy [1-3].Diffusion-weighted imaging (DWI) can provide tissue contrast based on differences in molecular diffusion, resulting in demonstrating abnormal signals in pathologic, tumorous foci in pelvic tissues. It also makes possible the quantitative evaluation of the apparent diffusion coefficient (ADC), a parameter which may be useful for distinguishing malignant from benign tissues, assessing tumor aggressiveness and monitoring therapeutic outcome. DCE-MRI with the use of paramagnetic contrast media can improve tumor detection and local staging, evaluate tumor microvasculature and dynamics and thus, provide quantitative information about perfusion of the tumor, which may be useful for both monitoring therapeutic effects and predicting therapeutic outcome [2,4]. We aim to review recent advances, key roles, and clinical uses of functional MR imaging in pelvic cancers, focusing on DWMRI and its application to endometrial and rectal cancer. In the current writing we employed two-fold analysis focusing a. on using quantitative MRI techniques using diffusion modeling to assess tumor grade in endometrial cancer patients and b. on radiomics analysis and machine learning to develop an AI model predicting tumor response in locally advanced rectal cancer patients undergoing neoadjuvant chemoradiotherapy.

Ο κλινικός ρόλος της απεικόνισης με Μαγνητική Τομογραφία (MRI) σε μία πληθώρα πυελικών νοσημάτων και κυρίως πυελικών νεοπλασιών έχει ήδη τεκμηριωθεί, λόγω της εξαιρετικά υψηλής χωρικής διακριτικής ικανότητας και της διάκρισης μεταξύ των ιστών που προσφέρει η MRI. Ο καρκίνος του ενδομητρίου που αποτελεί τον δεύτερο πιο συχνό γυναικολογικό καρκίνο παγκοσμίως, έχει ιδιαίτερο κλινικό ενδιαφέρον, όχι μόνο λόγω της σημαντικής αύξησης της συχνότητάς του εξαιτίας του αυξανόμενου ποσοστού παχυσαρκίας (μεταξύ άλλων επιβαρυντικών παραγόντων όπως ηλικιακών και ορμονικών), αλλά και λόγω των αυξανόμενων ποσοστών θνητότητας, όπως αναδεικνύεται από σύγχρονες μελέτες. Πρόσφατες, μοντέρνες απεικονιστικές μέθοδοι της Μαγνητικής Τομογραφίας, όπως το μοντέλο IVIM που βασίζεται στο φαινόμενο μοριακής διάχυσης DWI , παρέχει πληροφορίες για χαρακτηριστικά όπως η αιματική διήθηση (perfusion) και η μοριακή διάχυση των ιστών (diffusion), ουσιαστικά διαχωρίζοντας τα δύο αυτά φαινόμενα που είναι αποτέλεσμα της κινητικότητας των μορίων του νερού στους ιστούς , τα οποία είναι αυτά που δημιουργούν το ‘σήμα ‘ της μοριακής διάχυσης , το οποίο γίνεται αντιληπτό από εμάς. Έτσι επεκτείνεται το παραδοσιακό μοντέλο της μοριακής διάχυσης που γνωρίζουμε, που βασίζεται σε μονοεκθετικό μοντέλο Gaussian (κανονικής) κατανομής, σε non- Gaussian μοντέλο μοριακής διάχυσης, παρέχοντας μετρήσεις που αναπαριστούν την ετερογένεια των ιστών σε μικροσκοπικό επίπεδο. Συνεπώς, η μοντέρνα MRI απεικόνιση με τη χρήση των προαναφερόμενων μοντέλων, μπορεί να βοηθήσει στο διαχωρισμό καλοήθων- κακοήθων αλλοιώσεων, στον προσδιορισμό της επιθετικότητας του όγκου και στην πρόγνωση του θεραπευτικού αποτελέσματος. Η παρουσίαση αυτή επικεντρώνεται στην ανάδειξη ενός μη επεμβατικού απεικονιστικού μοντέλου, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση των καρκίνων της ελάσσονος πυέλου ( ενδεικτικά για τον καρκίνο του ενδομητρίου), και το οποίο χρησιμοποιεί τις βασικές αρχές της μοριακής διάχυσης (DWI) για να ‘μετρήσει’ χαρακτηριστικά της δομής των ιστών σε μικροσκοπικό επίπεδο , χωρίς χρήση ενδοφλέβιας σκιαγραφικής ουσίας , παρέχοντας έτσι υψηλότερης ειδικότητας διαγνωστική πληροφορία από τις ‘παραδοσιακές τεχνικές’ λειτουργικής απεικόνισης μέσω ‘συμβατικών ‘ ακολουθιών. Αξίζει να σημειωθεί ότι , η διεθνής βιβλιογραφία στην οποία βασίστηκε αυτή η παρουσίαση **, περιλαμβάνει μελέτες με διαφορετικό σχεδιασμό, πληθυσμό μελέτης και πρωτόκολλα απεικόνισης, κάτι που καθιστά σχετικά δύσκολη την σύγκριση των αποτελεσμάτων μεταξύ των διαφόρων μελετών. Ο καρκίνος του ενδομητρίου αποτελεί μία νεοπλασία που περιλαμβάνει ποικίλους ιστολογικούς τύπους χαμηλής και υψηλής διαφοροποίησης , με διαφορετική κλινική πορεία. Επιπλέον, ο οργανισμός International Federation of Gynecology and Obstetrics (FIGO) προχώρησε σε επικαιροποίηση του συστήματος σταδιοποίησης του καρκίνου του ενδομητρίου (2023 update) (που παλαιότερα επικεντρωνόταν κυρίως σε χειρουργική σταδιοποίηση με ανάδειξη των ανατομικών σχέσεων και της επέκτασής του καρκίνου εντός και εκτός μήτρας). Η επικαιροποίηση αυτή είχε στόχο να ταξινομήσει ομάδες ασθενών διαφορετικού κινδύνου (stratification), συνεκτιμώντας τους προγνωστικούς παράγοντες κινδύνου και της βιολογικής συμπεριφοράς των διαφορετικών ιστολογικών υποτύπων. Για τους παραπάνω λόγους, ο ρόλος της λειτουργικής απεικόνισης με MRI είναι πλέον προβεβλημένος, ενώ η μελέτη αυτή συνεισφέρει σημαντικά στα νέα δεδομένα σταδιοποίησης του καρκίνου του ενδομητρίου κατά FIGO. Eίναι γνωστό ότι η MRI είναι η πιο σημαντική απεικονιστική μέθοδος για την εκτίμηση προγνωστικών παραγόντων του καρκίνου του ενδομητρίου, σχετικά με την εντόπιση και επέκταση εντός και εκτός της μήτρας. Η τεχνική της μοριακής διάχυσης (DWI), στην οποία αναφέρεται η μελέτη αυτή, είναι μια καλά τεκμηριωμένη λειτουργική απεικονιστική μέθοδος, που παρέχει ποιοτική, αλλά και ποσοτική πληροφορία σχετικά με την κυτταροβρίθεια και τη δομή του νεόπλαστου ιστού, με τη χρήση του συντελεστή μοριακής διάχυσης (ADC), χωρίς τη χρήση ενδοφλέβια χορηγούμενων σκιαγραφικών, παραμαγνητικών ουσιών. Όμως οι τιμές του ADC αντικατοπτρίζουν τόσο την αληθή μοριακή διάχυση των μορίων του νερού στους ιστούς (true water diffusion) και ταυτόχρονα την μικροαγγειακή αιματική διήθηση (microvascular perfusion) που συνεισφέρει στην μοριακή διάχυση των μορίων του νερού στους ιστούς , γεγονός που μπορεί να προκαλέσει σύγχυση ως προς την αληθή τιμή του ADC, ειδικά σε αγγειοβριθείς καρκινικούς ιστούς, όπως επιθετικοί ιστολογικοί τύποι του καρκίνου του ενδομητρίου (δηλαδή ψευδώς υψηλότερες τιμές ADC, που θα μπορούσαν να προσανατολίσουν ψευδώς σε καλοήθεις αλλοιώσεις του ενδομητρίου). Το μοντέλο IVIM που πραγματεύεται η μελέτη αυτή, ακριβώς επιλύει αυτόν τον περιορισμό του κλασσικού, μονοεκθετικού μοντέλου (monoexponential ADC model), διαχωρίζοντας την αληθή μοριακή διάχυση ‘’D’’ από τις σχετιζόμενες με την αιματική διήθηση παραμέτρους , τον συντελεστή αιματικής διήθησης (perfusion fraction)‘’f’’ , και τον συντελεστή ψευδοδιάχυσης (pseudodiffusion coefficient) ‘’D*’’, επιτρέποντας ακριβέστερη εκτίμηση της κυτταροβρίθειας και αγγειοβρίθειας των ιστών. Αυτός ο διαχωρισμός μπορεί να επιτρέψει την εκτίμηση μεταξύ όγκων υψηλής και χαμηλής διαφοροποίησης (grade) και να παρέχει λεπτομερέστερη εικόνα της βιολογίας και επιθετικότητας των όγκων ( tumor aggressiveness). Στη διεθνή βιβλιογραφία, υπάρχουν πολύ λίγες μελέτες που έχουν χρησιμοποιήσει τη λειτουργική απεικόνιση με την τεχνική της μοριακής διάχυσης DWI -IVIM με χρήση πολλαπλών b- τιμών, με ιστογραφική ανάλυση (histogram analysis) των μετρήσεων των μοντέλων μοριακής διάχυσης για την προεγχειρητική εκτίμηση της διαφοροποίησης του καρκίνου του ενδομητρίου (tumor grade). Η ιστογραφική ανάλυση (histogram analysis) αποτελεί ένα δυναμικό, μη επεμβατικό εργαλείο για την προεγχειρητική εκτίμηση της διαφοροποίησης του ενδομητρικού καρκίνου, καθώς ποσοτικοποιεί την ετερογένεια του καρκινικού ιστού με τη χρήση εκατοστημορίων ‘percentiles ‘. Η υψηλή ή χαμηλή διαφοροποίηση του ενδομητρικού καρκίνου μπορεί να έχει υψηλή κλινική επίπτωση στην αρχική προεγχειρητική σταδιοποίηση και κατά συνέπεια, στο θεραπευτικό σχεδιασμό των γυναικών με καρκίνο του ενδομητρίου. Στην προοπτική αυτή μελέτη μας, η υπόθεση εργασίας ήταν ότι οι παράμετροι του μοντέλου μοριακής διάχυσης IVIM με τη χρήση ιστογραφικής ανάλυσης (histogram analysis) μπορούν να βοηθήσουν στην προεγχειρητική πρόγνωση του βαθμού διαφοροποίησης του ενδομητρικού καρκίνου και συνεπώς προοπτικά, να βοηθήσουν ενδεχομένως στην κατάταξη των ασθενών σε διαφορετικές ομάδες κινδύνου και στην εξατομίκευση της θεραπευτικής απόφασης.(** Η πρωτότυπη μελέτη η οποία παρουσιάζεται ,δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Diagnostics 2022, 12, 692. https://doi.org/10.3390/diagnostics12030692, 5-Year Impact Factor: 3.3).