Diagnosis and Follow-up of Oncologic and Vascular Pathology of Surgical Interest: The Role of Diagnostic Imaging

Abstract

Diagnostic imaging is pivotal in the clinical and surgical management of patients, notably it is paramount in the decision of surgical option and characterization of vessels. The development of semi-automatic software for the analysis of volumetric radiological images is currently highly investigated because it increases the sensitivity and the diagnostic accuracy of the radiological test. Moreover, these software reduce the inter-observer variability. Notably, the semi-automatic analysis of images shows high potentiality in the diagnosis and staging of tumor from lung and head-neck compartment, as well as for characterization of vessels Advanced lung cancer can be treated by neoadjuvant chemotherapy with the aim of reducing the neoplastic mass and, thereafter, consider therapeutic surgical option. Diagnostic imaging is useful to determine the response to neoadjuvant chemotherapy by means of objective parameters such as quantification of volume decrease even after the first administration. Furthermore, the early diagnosis of lung cancer is fostered by screening by low-dose computed tomography (LDCT). LDCT has high sensitivity (e.g. >50% prevalence of lung nodule) but low sensitivity. To increase specificity, size thresholds were defined (based on diameter and/or volume) as well as parameters to quantify the evolution (e.g. volume doubling time, DVT, and mass doubling time, MDT), with the aim of categorizing nodules with higher likelihood of malignancy. In lung cancer screening by LDCT, semi-automatic software are paramount for optimization of the management algorithm. Oral cancer are diagnosed by clinical assessment and are verified by biopsy, which is relatively easy because of the superficial location of these tumors. Nevertheless, the pre-surgical assessment needs specific characterization of deep infiltration and lymph node involvement. Diagnostic imaging plays a key role in this task. Notably, bone infiltration is paramount for surgical planning. The combination of magnetic resonance imaging (MRI) and computed tomography (CT) provides the optimal diagnostic accuracy that allows maximum reduction of surgical invasiveness and radical treatment. The features of large and small vessels can be described by diagnostic imaging with non-invasive technique, both for panoramic and detailed description. Furthermore, diagnostic imaging is also accurate to assess temporal evolution of vascular features. Subjects with hepatic failure and portal hypertension may show more signs of disease severity, such as early abnormalities of pulmonary vascularization before the onset of portopulmonary hypertension and hepatopulmonary syndrome. The characteristics of small pulmonary arteries before and after liver transplant might represent a prognostic indicator. Notably, the numerousness of small pulmonary arteries can be quantified non-invasively by semi-automatic software by means of geometrical parameters that reflect the anatomical characteristics of arteries. In this thesis, experimental scientific studies will be reported, notably concerning the aforementioned field of interest, with particular discussion of the utility of software for semi-automatic analysis of imaging datasets.

La diagnostica per immagini è un elemento cardine nel management clinico e chirurgico del paziente, in particolare essa è largamente impiegata per la scelta dell’opzione terapeutica in ambito oncologico ed anche per la caratterizzazione dei vasi sanguigni. Lo sviluppo di software semi-automatici per la valutazione delle immagini radiologiche volumetriche è attualmente una branca di elevato interesse, in quanto aumenta la sensibilità e l’accuratezza diagnostica del test radiologico, ed inoltre ha la potenzialità di ridurre la variabilità inter-osservatore. In particolare, l’analisi semi-automatica delle immagini mostra elevate potenzialità per la diagnosi e stadiazione di neoplasie polmonari o del distretto testa-collo, oltreché per la caratterizzazione dei vasi. Neoplasie polmonari avanzate possono giovare di chemioterapia neoadiuvante per la riduzione della massa neoplastica al fine di considerare un intervento chirurgico con intento curativo. In questo ambito, la diagnostica per immagini provvede parametri di misurazione della risposta come la riduzione del volume della massa neoplastica. Inoltre, la diagnosi di tumore polmonare in stadio precoce è stata recentemente proposta tramite screening con tomografia computerizzata ad alta risoluzione e bassa dose radiante (LDCT). La LDCT è una metodica estremamente sensibile per la rilevazione di noduli polmonari (e.g. frequenza > 50%), ma poco specifica. Per aumentarne la specificità, sono state definite delle soglie dimensionali e soprattutto parametri di evolutività (e.g. tempo di raddoppiamento volumetrico , VDT, e tempo di raddoppiamento della massa, MDT) per classificare i noduli polmonari associati a più elevato rischio di malignità ed evitare interventi inutili o potenzialmente dannosi. In ambito di screening di tumore polmonare tramite LDCT, l’utilizzo di software semi-automatici è ritenuto essenziale per l’ottimizzazione dell’algoritmo di management. I tumori del cavo orale vengono diagnosticati tramite valutazione clinica ed accertamento bioptico di facile esecuzione in relazione alla localizzazione superficiale di tali neoplasie. Tuttavia, la stadiazione pre-chirurgica necessita di valutazione della diffusione della neoplasia ai piani anatomici profondi ed ai linfonodi: per tale valutazione, la diagnostica per immagini ha un ruolo insostituibile. In particolare, l’infiltrazione ossea è di importanza primaria per la pianificazione chirurgica. L’utilizzo di uno specifico approccio integrato di risonanza magnetica (alta sensibilità) e tomografia computerizzata (alta specificità) può consentire un’accuratezza diagnostica superiore all’utilizzo individuale di ciascuna metodica, con il vantaggio di ridurre al minimo l’invasività chirurgica e garantire la radicalità dell’intervento. Le caratteristiche di vasi di grandi e piccole dimensioni possono essere descritte dalla diagnostica per immagini con tecnica non invasiva che consente una valutazione sia globale che particolare, oltreché l’evoluzione nel tempo, con tecnica non invasiva. In pazienti sottoposti a trapianto di fegato per insufficienza epatica ed ipertensione portale è necessario considerare segni collaterali di gravità di malattia, come ad esempio anomalie dei vasi polmonari in fase precoce prima della comparsa di ipertensione porto-polmonare o sindrome epatopolmonare. La valutazione dei piccoli vasi arteriosi polmonari prima e dopo intervento di trapianto epatico, può costituire un indicatore prognostico. In particolare, questa valutazione è eseguibile in modo non invasivo tramite segmentazione semi-automatica dei vasi con software che riconosce le arterie grazie a parametri geometrici relativi alle caratteristiche anatomiche. Nella presente tesi verranno riportate le esperienze scientifiche sperimentali negli ambiti sopradescritti, con particolare discussione dell’utilità clinica di software per l’analisi semi-automatica di immagini radiologiche.