Automatisierte Quantifizierung der Lipiodolverteilung zur Vorhersage der therapeutischen Wirksamkeit der transarteriellen Chemoembolisation bei Leberkrebs

Abstract

Purpose: The guideline-approved conventional transarterial chemoembolization (cTACE) is a locoregional therapy form for patients with liver cancer that uses the radiopaque, microembolic drug-carrier Lipiodol. This study shows automated image analysis techniques that identify and characterize different densities and patterns of Lipiodol deposition on 24h post-cTACE computed tomography (CT) to use Lipiodol as imaging biomarker for therapeutic efficacy of cTACE.

Methods: This was a retrospective analysis of prospective clinical trial data (NCT01877187, NCT02753881) that analyzed 65 treatment naive lesions of 42 patients with hepatocellular carcinoma, intrahepatic cholangiocarcinoma and metastases from ocular melanoma and neuroendocrine tumors, treated with cTACE from 2012-2018. Using Hounsfield Unit (HU) cut-off values, the presence and density of Lipiodol deposition on 24h CT scans was characterized. Different Lipiodol deposition patterns within a volumetric tumor mask were identified according to the features homogeneity, sparsity, rim deposition and peripheral deposition of Lipiodol. After 3D image registration the Lipiodol deposition was correlated with the enhancing tumor volume (ETV), which is taking up contrast agent, on preprocedural (baseline) and one month follow-up magnetic resonance imaging (MRI), using Wilcoxon signed-rank test, Mann-Whitney U test, Kruskal Wallis test, Spearman's rank correlation, and linear regression. A p-value of <0.05 was considered statistically significant.

Result: Cut-off values of 87 HU, 155 HU, and 241 HU separated areas of low, mid, and high density Lipiodol on 24h CT. ETV on baseline MRI was significantly correlated with Lipiodol deposition on 24h CT (p<0.0001). Tumor regions where Lipiodol was present tended to devascularize more on follow-up MRI than areas without Lipiodol (p=0.0475). Accordingly, ETV decrease in tumor areas with low, mid and high density Lipiodol compared to areas without Lipiodol was -0.87% ± -15.98 (p=0.3393), -9.32% ± -22.20 (p=0.0066) and -17.91% ± -23.42 (mean ± standard deviation, p=0.0003), respectively. Additionally, lesions showing homogeneous deposition (p=0.0006), non-sparse deposition (p<0.0001), rim deposition within sparse tumors (p=0.045), and peripheral deposition (p<0.0001) showed increased tumor devascularization on follow-up MRI, indicating improved tumor response.

Conclusion: This study shows that an automated, volumetric, threshold-based image analysis of different densities and patterns of Lipiodol deposition on 24h CT is feasible. The correlation with tumor response on follow-up imaging supports the prognostic value of Lipiodol as imaging biomarker for liver cancer patients who are treated with cTACE.

Ziel: Die konventionelle transarterielle Chemoembolisation (cTACE) ist eine leitliniengerechte, lokoregionäre Therapieoption bei Leberkrebs, die den röntgendichten, mikroembolischen Wirkstoffträger Lipiodol nutzt. Diese Studie zeigt automatisierte, quantitative und musterbasierte Bildanalysetechniken, um Lipiodol als radiologischen Biomarker für die therapeutische Effektivität der cTACE auf 24h-post-cTACE Computertomographie (CT)-Bildern zu nutzen.

Methodik: In einer retrospektiven Analyse prospektiv gesammelter Daten (NCT01877187, NCT02753881) wurden 65 therapienaive Leberläsionen von 42 Patienten mit hepatozellulären Karzinomen, intrahepatischen Cholangiokarzinomen, Metastasen des Aderhautmelanoms und neuroendokriner Tumore analysiert, die 2012-2018 mit cTACE behandelt wurden. Mithilfe von Hounsfield Unit (HU)-Schwellenwerten wurden Präsenz und Dichte von Lipiodol auf CT-Bildern 24h nach cTACE beurteilt. In einer volumetrischen Tumormaske wurden verschiedene Lipiodolmuster anhand der Merkmale Homogenität, Spärlichkeit, Ablagerung im Randbereich und in der Peripherie detektiert und evaluiert. Die Lipiodolverteilung wurde nach 3D-Bildregistrierung mit Magnetresonanztomographie (MRT)-Bildern vor (Baseline) und einen Monat nach (Follow-up) cTACE mit dem Kontrastmittel-aufnehmenden (enhancing) Tumorvolumen (ETV) korreliert. Hierfür wurden der Mann-Whitney-U-Test, Kruskal-Wallis-Test, Wilcoxon-Vorzeichenrangtest, die Spearman-Rangkorrelation und lineare Regression verwendet. Ein p-Wert <0,05 galt als statistisch signifikant.

Ergebnis: Auf den CT-Bildern wurden 87 HU, 155 HU und 241 HU als Schwellenwerte identifiziert, um Areale mit niedriger, mittlerer und hoher Lipiodoldichte zu unterscheiden. Das ETV auf den Baseline-MRT-Bildern korrelierte signifikant mit der Lipiodoldeposition auf der 24h -CT (p<0,0001). Zudem wiesen Tumorareale mit Lipiodol auf der Follow-up-MRT ein geringeres ETV im Sinne einer stärkeren Devaskularisation auf als Areale ohne Lipiodoldeposition (p=0.0475). In Arealen mit Lipiodol niedriger, mittlerer und hoher Dichte lag im Vergleich zu Gebieten ohne Lipiodol eine Reduktion des ETVs um jeweils -0,87%±-15,98 (p=0,3393), -9,32%±-22,20 (p=0,0066) und -17,91%±-23,42 (p=0,0003) vor. Läsionen mit homogener (p=0,0006) und nicht-spärlicher Deposition (p<0,0001), Randdeposition in Tumoren mit spärlicher Ablagerung (p=0,045) und Tumore mit peripherer Lipiodoldeposition (p<0,0001) zeigten in der Follow-up-Bildgebung eine stärkere Devaskularisation, die als verbessertes radiologisches Tumoransprechen zu werten ist.

Fazit: Diese Studie zeigt eine automatisierte, volumetrische, schwellenwertbasierte Bildanalysetechnik, um verschiedene Dichten und Verteilungsmuster von Lipiodol auf der CT 24h nach cTACE zu analysieren. Die starke Korrelation der Lipiodolverteilung mit der Devaskularisation bestätigt den prognostischen Wert von Lipiodol als frühen radiologischen Marker für das Tumoransprechen von Leberkrebspatienten nach cTACE.