Volumetric segmentations for quantitative radiological evaluations in patients with high-grade glioma

Abstract

Sammendrag på norsk

Volumsegmentering for kvantitative radiologiske vurderinger hos pasienter med høygradig gliom

Diffuse høygradige gliomer er ondartede primære hjernesvulster. Glioblastom er den vanligste og mest aggressive formen for høygradig gliom. Høygradige gliomer vokser diffust infiltrerende i hjernen og har dårlig prognose med kort overlevelse og betydelig morbiditet. Grunnet sin infiltrerende vekst lar de seg ikke komplett fjerne ved kirurgi, og til tross for behandling med kirurgi, stråling og kjemoterapi vil man over tid få tilbakefall. Segmentering (3D volummodeller) basert på MR-bilder kan både i forskning og klinikk bidra med robust kvantifisering av svulststørrelse, definere lokalisasjon og gi repro-duserbar informasjon om behandlingsrespons og tilbakefall.

Målet for denne avhandlingen var å sammenligne ulike programvarer for glioblastom-segmentering, vurdere intrakranielt volum som potensiell risikofaktor for høygradig gliom og lage statistiske glioblastomkart for å se på overlevelse opp mot svulstenes lokalisasjon i hjernen.

I artikkel I ble 18 glioblastomer segmentert to ganger av to separate forskere i tre ulike programvarer for å se på overensstemmelse i segmenteringer for hver undersøker, mellom undersøkere og mellom programvarer. Vi fant høy grad av overensstemmelse både innad for hver undersøker, mellom undersøkere og mellom programvarer med Dices likhetskoeffisient > 0.93 i alle analyser.

I artikkel II ble intrakranielt volum som et proxymål for største hjernevolum gjennom livet hos 124 pasienter med høygradig gliom sammenlignet med intrakranielt volum hos 995 friske frivillige. Vi fant en signifikant økt risiko for høygradig gliom med HR 1.69 per 100 mL økning i intrakranielt volum. Etter statistiskjustering for intrakranielt volum hadde kvinner høyere risiko for høygradig gliom enn menn.

I artikkel III viste de statistiske kartene at svært få pasienter med tumoraffeksjon av sentrale hjernestrukturer overlevde > 24 måneder. Med bakgrunn i en mulig sammenheng mellom sentral tumorlokalisasjon og overlevelse utførte vi overlevelsesanalyser der avstand fra midten av tredjeventrikkel til kontrastladende svulstgrense ble brukt som mål på tumorens sentralitet. Vi fant at økende avstand var positivt assosiert med overlevelse, men at denne effekten var aldersavhengig og tydeligst hos eldre.

Vi tror at kvantifiserte radiologiske data ved bruk av segmentering er en naturlig vei videre i vurdering av høygradig gliom, som vil bedre standardisering i både forskning og klinikk.

Summary in English Diffuse high-grade gliomas are malignant primary brain tumors. Glioblastoma is the most common and most aggressive type of high-grade glioma. High-grade gliomas grow diffusely into surrounding brain tissue and have a poor prognosis with short survival and substantial morbidity. Due to their infiltrative growth pattern, high-grade gliomas are not available for curative surgery, and despite of treatment with surgery, radiotherapy and chemotherapy they will relapse over time. Segmentation (3D volumetric models) based on MRI scans can provide robust quantification of tumor size, location and reproducible information on treatment response and relapse in both research and clinical settings.

The objective of this thesis was to compare different software packages for glioblastoma segmentation, evaluate intracranial volume as a potential risk factor for high-grade glioma, and to create statistical maps of glioblastoma to evaluate overall survival based on tumor location.

In paper I 18 glioblastomas were segmented two times by two independent researchers in three different software packages to assess intra-rater, inter-rater and between-software agreement. We found high degree of intra-rater, inter-rater and between-software agreement with Dice’s Similarity Coefficients > 0.93 in all analyses.

In paper II intracranial volume as a proxy measurement for maximum lifetime brain volume in 124 patients with high-grade glioma was compared to intracranial volume in 995 healthy volunteers. We found a significantly increased risk of glioma with HR 1.69 per 100 mL increase in intracranial volume. After statistically adjusting for intracranial volume, women had higher risk for high-grade glioma than men.

In paper III the statistical maps showed that very few patients with tumor affection of central brain structures survived > 24 months. Due to a possible association between central tumor location and overall survival, we performed survival analyses in which distance from the center of the third ventricle to contrast-enhancing tumor border was used as a measure of tumor centrality. We found a positive association between increasing distance and overall survival, but that this effect was age-dependent and most pronounced in the elderly.

We believe that quantified radiological data using segmentation is a natural way forward in high-grade glioma evaluations, improving standardization in both research and clinical settings.