Volumenquantifizierung solider Tumoren in der Mehrzeilen- Spiralcomputertomographie am Beispiel von Lebermetastasen

Abstract

Zielsetzung: Eine präzise und zuverlässige Beschreibung solider Tumoren stellt einen integralen Bestandteil bei der Planung, Durchführung und Auswertung einer Therapie dar. In den letzten Jahren hat das Vorgehen nach RECIST (Response Evaluation Criterias In Solid Tumors) sowohl im Rahmen klinischer Studien und als auch bei der Evaluation einer Individualtherapie eine weite Verbreitung gefunden. Diesem Konzept zufolge wird die Tumorlast anhand des maximalen Diameters einzelner Läsionen berechnet. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Berechnung der Tumorlast durch ein Vorgehen nach den RECIST – Kriterien mit einer Tumorvolumetrie durch verschiedene Segmentationsverfahren bei der Beurteilung solider Tumoren verglichen. In einem experimentellen Teil wurde zunächst an einem Phantommodell exemplarisch der Stellenwert von Bildrekonstruktionsparametern untersucht. Anschließend wurden in einer retrospektiven Untersuchung an einem Kollektiv von Patienten mit gastrointestinalen Primärmalignomen die Reproduzierbarkeiten dieser Vorgehensweisen bei der Bestimmung des Volumens von Lebermetastasen miteinander verglichen. Es erfolgte außerdem eine Verlaufsbeuteilung unter systemischer Therapie durch eine Metastasenvolumetrie sowie durch die RECIST – Kriterien. Material und Methoden: An einem Modell kugelförmiger Präzisionsphantome wurde in einer Hochkontrastsituation (Phantomdurchmesser: 4-30mm) der Einfluss verschiedener Faltungskerne bei 1,25mm Schichtdicke sowie in einer Niedrigkontrastsituation (Phantomdurchmesser: 8-30mm) der Einfluss verschiedener Schichtdicken zwischen 0,625mm und 3,6mm auf das errechnete Volumen untersucht. Die mittleren absoluten Fehler wurden als Ausdruck der Präzision, die mittleren prozentualen Abweichungen der Einzelmessungen vom Mittelwert als Ausdruck der Reproduzierbarkeiten der einzelnen Messverfahren quantifiziert. Anschließend erfolgte bei 50 Patienten (23 Pankreaskarzinomen, 27 Kolonkarzinomen) eine dreifache Beurteilung des Volumens von insgesamt 120 Lebermetastasen. Als Maß für die Reproduzierbarkeit der Messungen wurde die mittlere Standardabweichung bei der Volumenbestimmung für jedes Verfahren separat bestimmt. Bei 30 Patienten wurden 80 Lebermetastasen unter systemischer Therapie im Verlauf (Intervall: 1 – 10 Monate; Median: 3,5 Monate) anhand des Metastasenvolumens und nach RECIST beobachtet. Ergebnisse: Durch die Wahl des Verfahrens konnte sowohl in der Hoch- als auch in der Niedrigkontrastsituation das Ergebnis der Volumenbestimmung der Phantome signifikant beeinflusst werden. In der Hochkontraststudie wurden mittlere absolute Fehler zwischen 4,5% und 11,2% bei einer Volumetrie und zwischen 7,2% und 21,5% beim dem Vorgehen nach RECIST beobachtet. Die mittleren prozentualen Abweichungen der Einzelmessungen lagen bei einer Volumetrie zwischen 4,0% und 14,6%, beim Vorgehen nach RECIST zwischen 6,6% und 17,2%. In der Niedrigkontraststudie betrugen die mittleren absoluten Fehler bei einer Volumetrie zwischen 1,4% und 8,3%, bei dem Vorgehen nach RECIST zwischen 7,6% und 10,2%. Die mittleren prozentualen Abweichungen der Einzelmessungen einer Volumetrie lagen zwischen 3,8% und 12,1%, bei einer Volumenbestimmung anhand des maximalen Diameters zwischen 13,4% und 17,9%. Die Lebermetastasen wiesen Volumina zwischen 0,209cm³ und 58,185cm³ und maximale Durchmesser zwischen 11mm und 65mm auf. Im Vergleich zum maximalen Durchmesser erlaubte eine direkte Quantifizierung des Volumens von Lebermetastasen eine besser reproduzierbarere Bestimmung ihres Volumens. Die Reproduzierbarkeiten beider Vorgehensweisen unterschieden sich signifikant (p < 0,001). Bei 17% bis 21 % der im Verlauf beobachteten Patienten differierte die Bewertung des Krankheitsverlaufes zwischen einer Anwendung der RECIST – Kriterien und einer Volumetrie. Bei einer Verlaufsbeobachtung anhand einer Metastasenvolumetrie wurde bei allen unterschiedlich bewerteten Patienten im Vergleich zu den RECIST – Kriterien ein Krankheitsprogress detektiert. Die Bewertung des Verlaufes unter systemischer Therapie wies zwischen zwei der drei Segmentationsverfahren und einer Klassifikation nach RECIST einen signifikanten Unterschied auf (p<0,05). Schlussfolgerungen: Die Evaluation einer systemischen Therapie wird durch die Wahl des radiologischen Messverfahrens in entscheidender Weise beeinflusst. Durch eine Quantifizierung des Tumorvolumens ist es möglich das Wachstumsverhalten solider Tumoren reliabler zu bewerten und zu einem früheren Zeitpunkt Aussagen über den Erfolg einer systemischen Therapie abzuleiten. Weitere Untersuchungen sind notwendig um über den Stellenwert von Volumetrieverfahren im klinischen Alltag zu entscheiden.

Purpose A precise and reliable assessment of solid tumors is an integral part of the planning, development and evaluation of a systemic therapy. Recently the advancement of RECIST-Criteria is widely adopted in the evaluation of clinical trails as well as in individual therapy procedures. Following RECIST, mean tumor burden is calculated based on the maximal diameter of all target lesions. Aim of this investigation was to compare an assessment of mean tumor load by volumetric measurement, performed by different segmentation algorithms, with an evaluation of tumor response to treatment following RECIST. In an experimental part of the study the value of different reconstruction parameters was analyzed. Subsequently the repeatability of the volume measurement of liver metastases estimated by different reconstruction algorithms was compared retrospectively in a collective of patients with gastrointestinal primary malignant tumors. Finally response to treatment during systemic chemotherapy was evaluated by a volumetric representation of liver metastases and by application of RECIST. Material and Methods In a phantom study different sizes of spherical polyamide nodules were examined in an high contrast (diameter : 4-30mm) and low contrast surrounding (diameter 8-30mm) with 16-slice-multidetector-CT. Different reconstruction algorithms were applied in the high contrast study, different slice thicknesses (between 0.625mm and 3.6mm) in the low contrast study for raw data reconstruction. For the measurement procedures mean percental error and mean percental variances of the singular measurements were assessed for each method separately in terms of precision and repeatability. A total of 50 patients (23 pancreatic, 27 colorectal carcinomas) with 120 liver metastases were examined and the volume of the metastases was determined three times by each method. Mean standard deviation of the volume measurements was quantified for each method as a term of repeatability concerning the method of Bland-Altman. A group of 30 patients with 80 metastases were evaluated during a systemic therapy (follow up interval: 1-10 month, mean: 3.5 month). The classification was accomplished by a volumetric representation of the metastases and by the use of RECIST. Results The segmentation method in the high and low contrast surrounding significantly impaired the result of the volume quantification in the phantom study. In the high contrast study mean absolute errors between 4.5% and 11.7% were found by a volumetry and between 7.2% and 21.5% by the application of RECIST. Mean percental variances of the singular measurements were between 4.6% and 14.6% for a volumetric and between 6.6% and 17.2% for a measurement according to RECIST. The low contrast study showed mean absolute errors for a volumetry between 1.4% and 8.3% and between 7.6% and 10.2% following RECIST. Mean percental errors of the singular measurements were observed between 3.8% and 12.1% for a volume measurement and between 13.4% and 17.9% for a volume calculated with the maximum diameter. Volume of the liver metastases ranged from 0.209cm³ to 58.185cm³ and diameters from 11mm to 65mm (mean 26mm) in the patient study. In comparison to RECIST a segmentation allowed a higher repeatable volume quantification of the liver metastases. Repeatability between three-dimensional methods and RECIST varied significantly (p<0.001). In 17% to 21% of the patients the evaluation of response to treatment showed differences between volumetry and RECIST. In all of those patients a volumetric assessment of response to treatment lead to the detection of a disease progression instead of a stable status. The classification of response to treatment by systemic therapy varied significantly between two of the segmentation procedures and RECIST (p<0.005). Conclusion The evaluation of a systemic therapy could be considerably influenced by the choice of the measurement method. A volumetric assessment of tumor response to treatment allows a more reliable quantification of an increase in tumor burden and therefore the possibility to earlier predicate the result of a systemic therapy. More investigation will be necessary to declare the importance of volumetric methods in the clinical application.