Applicazione della radiomica nella diagnosi differenziale tra ameloblastomi e cisti dentigeri

Riassunto

Gli ameloblastomi e le cisti dentigene hanno un aspetto clinico e radiografico identico. Nel nostro studio dimostriamo l'importanza di una attenta considerazione delle caratteristiche radiologiche che possono aiutare nella diagnosi differenziale non invasiva e garantire una gestione appropriata di queste lesioni.

Metodi

Questo è stato uno studio retrospettivo che ha incluso 18 immagini TC di pazienti con neoplasia della mandibola (8 ameloblastomi e 10 cisti dentigene con verifica istopatologica). Ogni lesione è stata segmentata manualmente utilizzando il software 3D Slicer sulle immagini TC, e le caratteristiche testurali sono state estratte utilizzando l'estensione Radiomics di 3D Slicer. È stata eseguita un'analisi statistica.

Risultati

Dopo l'analisi della texture non abbiamo trovato differenze (statisticamente significative) nelle caratteristiche basate sulla forma e nei valori delle statistiche di primo ordine di queste lesioni. Abbiamo trovato differenze statisticamente significative in 13 caratteristiche di secondo ordine delle cisti dentigene e degli ameloblastomi, la maggior parte di esse erano strettamente correlate. È stata eseguita un'analisi di regressione logistica multipla per classificare le caratteristiche e determinare i predittori più significativi. Il modello finale includeva 2 caratteristiche (Cluster shade e IMC 1) e forniva un alto valore predittivo (l'area sotto una ROC=0.93).

Conclusioni

Il nostro studio pilota dimostra una nuova tecnica per la diagnosi differenziale non invasiva delle neoplasie mandibolari basata su caratteristiche di texture estratte dai dati TC.

Introduzione

L'ameloblastoma (AB) e il cisti dentigera (DC) sono entrambe lesioni odontogeniche benigne clinicamente comuni. A causa delle significative differenze nei comportamenti biologici, queste due malattie hanno strategie di trattamento diverse. La gestione chirurgica è l'unico metodo efficace nel trattamento dei tumori odontogenici, ma la scelta del metodo chirurgico efficace è controversa. Il piano di trattamento per l'AB include principalmente l'operazione radicale di resezione parziale dell'osso mandibolare, per il DC – la chirurgia di preservazione della decompressione combinata con curettage. A causa dei diversi principi di trattamento delle due lesioni, è molto importante trovare un metodo di diagnosi differenziale preoperatoria più accurato. La diagnosi differenziale di queste due lesioni è difficile perché condividono molte caratteristiche cliniche e radiografiche. Pertanto, è difficile differenziare queste lesioni radiograficamente, e la diagnosi definitiva si basa solo sull'esame istopatologico. Così, le differenze nei risultati radiografici di queste due lesioni possono svolgere un ruolo importante nella formulazione della diagnosi.

La conversione di immagini mediche digitali in dati ad alta dimensione estraibili è motivata dal concetto che le immagini biomediche contengono informazioni che riflettono la patofisiologia sottostante e che queste relazioni possono essere rivelate tramite analisi quantitative delle immagini. La radiomica è un processo che consente l'estrazione e l'analisi di dati quantitativi da immagini mediche. La radiomica è progettata per sviluppare strumenti di supporto decisionale; pertanto, implica la combinazione di dati radiomici con altre caratteristiche del paziente, se disponibili, per aumentare la potenza dei modelli di supporto decisionale.

Negli ultimi anni, la radiomica è stata utilizzata per la diagnosi del carcinoma nasofaringeo; la previsione della risposta al trattamento nel cancro polmonare non a piccole cellule; per la previsione preoperatoria dell'invasione microvascolare nel carcinoma epatocellulare; per la valutazione non invasiva dell'infiammazione coronarica; nella diagnosi di precisione, nella prognosi e nella pianificazione del trattamento dei carcinomi squamosi della testa e del collo. L'analisi testurale delle immagini negli studi mirava a identificare biomarcatori prognostici dell'imaging della malattia. Tali biomarcatori oggettivi sono prontamente disponibili e hanno il potenziale per migliorare il trattamento personalizzato e la medicina di precisione.

Abbiamo ipotizzato che l'analisi della texture CT possa rilevare differenze sottili del neoplasma mandibolare. Queste informazioni sono necessarie per determinare le corrette tattiche di trattamento.

Lo scopo di questo studio era valutare l'utilità delle caratteristiche di texture CT nel distinguere i neoplasmi mandibolari comuni, cioè l'ameloblastoma (AB) dai cisti dentigeri (DC).

Materiali e metodi

Selezione dei pazienti

Un totale di 35 cartelle cliniche di pazienti con neoplasma mandibolare che si sono presentati presso il dipartimento di chirurgia maxillo-facciale della Prima Università Medica Statale di Pavlov di San Pietroburgo sono state analizzate. I criteri di inclusione per la selezione delle cartelle cliniche erano:

• I casi devono presentare un rapporto dell'esame istopatologico di AB o DC. I campioni sono stati fissati in formalina tamponata al 10%, successivamente sono stati immersi in paraffina e sono stati eseguiti tagli istologici di X micron, dopo colorazione con ematossilina ed eosina, i tagli sono stati esaminati al microscopio ottico Leica.
• Deve esserci una CBCT della mandibola prima del trattamento chirurgico.

I criteri di esclusione erano:

• nessuna conclusione istologica,
• presenza di lesione ricorrente e con cheratocisti odontogena,
• fette di imaging con artefatti gravi.

Abbiamo escluso 17 casi secondo i criteri di esclusione. I restanti 18 pazienti: 10 pazienti con DC (9 uomini, 1 donna; età mediana 45 anni) e 8 pazienti con AB (2 uomini, 6 donne; età mediana, 58 anni) sono stati arruolati in questo studio.

Protocollo di imaging CT

Le esami CT sono stati eseguiti su scanner CT a 64 strati (Toshiba Aquilion 64) con 120 kV, 225 mA e 1 s/rotazione, e le immagini spesse 0,5 mm sono state ricostruite secondo il nostro protocollo clinico istituzionale. Le immagini assiali di 0,5 mm in ricostruzione sono state utilizzate per questa analisi.

Interpretazione delle immagini

Le caratteristiche delle lesioni sono state valutate qualitativamente da un radiologo con 7 anni di esperienza in radiologia orale e maxillofacciale.

Segmentazione delle immagini e analisi della texture

La segmentazione è un passaggio essenziale del flusso di lavoro radiomico, poiché caratteristiche altamente distintive saranno ottenute dalla regione di interesse segmentata che può essere tracciata in un volume; l'accuratezza della segmentazione determinerà le caratteristiche radiomiche che saranno estratte. La lesione è stata contornata manualmente da un radiologo orale e maxillofacciale con 7 anni di esperienza professionale. La segmentazione della lesione è stata eseguita utilizzando 3D Slicer su ciascuna immagine assiale che include la lesione, il setto e l'osso periferico fino a 2 mm dal bordo visibile della formazione.

L'estrazione delle caratteristiche è il passo successivo dopo che la regione di interesse è stata segmentata. È la selezione di informazioni utili per assistere nella caratterizzazione delle immagini radiologiche normali e anormali. Questo passo è il cuore della radiomica. Per estrarre le caratteristiche radiomiche dai volumi segmentati manualmente, è stata utilizzata l'estensione Radiomics di 3D Slicer.

Le caratteristiche estratte erano caratteristiche basate sulla forma (ad es., diametro massimo, area superficiale, volume), caratteristiche di primo ordine (basate su statistiche dell'istogramma), statistiche di secondo ordine e di ordine superiore (basate su matrici di dipendenza spaziale).

Analisi statistica

Data la relativamente piccola quantità di casi, abbiamo scelto metodi non parametrici per l'analisi statistica: la descrizione delle variabili quantitative è stata effettuata con la mediana e l'intervallo interquartile, il test U di Mann-Whitney è stato utilizzato per confrontarle. Il test esatto di Fisher con estensione di Freeman-Halton è stato utilizzato nell'analisi delle tabelle di contingenza.

Risultati

Caratteristiche delle lesioni

Le caratteristiche delle lesioni e dei volumi segmentati inclusi nello studio sono mostrate nella Tabella 1.

La regione mascellare anteriore è stata la posizione più frequentemente riscontrata nei cisti dentigeri e la regione mandibolare posteriore è stata osservata più spesso negli ameloblastomi.

Caratteristiche della texture e analisi statistica

Gli esempi dei volumi segmentati sono mostrati nella Fig. 1.

Le caratteristiche basate sulla forma sono descrittori della dimensione e della forma 3D della regione di interesse. Sono indipendenti dalla distribuzione dell'intensità del livello di grigio della regione di interesse e forniscono una descrizione quantitativa delle caratteristiche geometriche della regione di interesse.

Le caratteristiche delle statistiche di primo ordine considerano la distribuzione dei valori dei singoli voxel ignorando le relazioni spaziali. Le caratteristiche di secondo ordine si basano sulla distribuzione di probabilità congiunta di coppie di voxel, descrivendo l'arrangiamento spaziale dei modelli, a volte impercettibili all'occhio umano. Abbiamo utilizzato la Matrice di Cooccorrenza del Livello di Grigio (GLCM), la Matrice di Lunghezza di Run del Livello di Grigio (GLRLM), la Matrice di Dimensione della Zona del Livello di Grigio (GLSZM), la Matrice di Differenza di Tono di Grigio Vicinante (NGTDM), la Matrice di Dipendenza del Livello di Grigio (GLDM).

Nel nostro studio, abbiamo valutato le caratteristiche di texture delle immagini TC di DC e AB. Dopo l'analisi della texture non abbiamo trovato differenze nelle caratteristiche basate sulla forma e nei valori delle statistiche di primo ordine nei due gruppi. A nostro avviso, questo era previsto, poiché entrambe le formazioni presentano caratteristiche radiografiche simili che possono essere valutate superficialmente durante l'analisi delle immagini di routine.

Abbiamo trovato differenze statisticamente significative in 13 caratteristiche di secondo ordine di DC e AB (Fig. 2).

La tonalità del cluster è una misura della asimmetria e dell'uniformità della GLCM. La prominenza del cluster è una misura della asimmetria e della asimmetria della GLCM. Il contrasto è una misura della variazione locale dell'intensità, favorendo valori lontani dalla diagonale. La varianza della differenza è una misura dell'eterogeneità che attribuisce pesi maggiori a coppie di livelli di intensità differenti che mostrano maggiore deviazione dalla media. La misura informativa di correlazione è una quantificazione della complessità della texture. La varianza di dipendenza è la varianza nella dimensione della dipendenza nell'immagine. L'enfasi sulla grande dipendenza è la distribuzione congiunta di grande dipendenza con valori di livello di grigio più bassi. L'enfasi sulla lunga corsa – una misura della distribuzione delle lunghe lunghezze di corsa, con un valore maggiore indicativo di lunghezze di corsa più lunghe e texture strutturali più grossolane.

La percentuale di corsa è una misura della ruvidità della texture prendendo il rapporto tra il numero di corse e il numero di voxel nella regione di interesse. La varianza della corsa è la varianza nelle corse per le lunghezze di corsa. La varianza del livello di grigio (GLSZM) è la varianza nelle intensità del livello di grigio per le zone. La percentuale di zone è una misura della ruvidità della texture prendendo il rapporto tra il numero di zone e il numero di voxel nella regione di interesse. La complessità è una misura della non uniformità e dei cambiamenti rapidi nei livelli di grigio.

Discussione

Le mascelle sono l'unico sito nel corpo dove l'epitelio può normalmente essere trovato all'interno dell'osso. L'epitelio della lamina dentale è coinvolto nella formazione dello smalto e definisce la forma del dente. Al termine della formazione del dente, resti epiteliali rimangono nelle mascelle. Questi danno origine a una serie di lesioni, comprese le neoplasie, che non dovrebbero presentare problemi di diagnosi quando si vedono associate ai denti, ma possono causare difficoltà in altre situazioni.

Due diversi tipi di lesioni sono stati il campione di questo studio: ameloblastoma e cisti dentigerosa. Questa selezione si basava su 2 fattori: la frequenza e la somiglianza dell'immagine radiografica tra queste lesioni.

Poiché i componenti delle varie lesioni sono intrinsecamente diversi patologicamente, anche le caratteristiche di texture dovrebbero essere diverse.

Gli ameloblastomi sono composti da epitelio e non mostrano induzione dei tessuti duri dentali. Nel tipo convenzionale, l'epitelio può mostrare un pattern follicolare o un pattern plexiforme, ma una miscela di pattern è spesso vista all'interno di un singolo tumore. Il pattern più comune è follicolare, caratterizzato da isole di epitelio con palisade periferica di cellule colonnari allungate con polarità invertita, in quanto i nuclei sono orientati lontano dalla membrana basale. Queste cellule somigliano agli preameloblasti dello sviluppo normale del dente. Centralmente, i follicoli contengono cellule stellate disposte in modo lasco, mostrando una somiglianza con il reticolo stellato del germe dentale.

Il cisti dentigera consiste di rivestimento epiteliale e parete. Rivestimento epiteliale – tipicamente, spesso 2-4 cellule. Cellule appiattite non cheratinizzate con un'interfaccia piatta regolare con la parete sottostante. L'infiammazione porta a caratteristiche identiche a quelle della cisti radicolare. Cambiamenti metaplastici con cellule mucose e ciglia si verificano più comunemente nelle cisti dentigere rispetto ad altri tipi. I campioni infiammati possono anche mostrare iperplasia, occasionalmente con cheratinizzazione. Corpi ialini e persino cellule sebacee possono essere inclusi. Parete – tipicamente, tessuto connettivo fibromixoide non infiammato (simile al follicolo dentale) con abbondante sostanza fondamentale ricca di glicosaminoglicani. Resti epiteliali odontogenici presenti in numero variabile e possono subire calcificazione. Aumento della fibrosi insieme a fessure di colesterolo e deposizione di emosiderina si osservano in cisti infiammate e di lunga data.

Supponiamo che le differenze tra le caratteristiche radiomiche riflettano le differenze nella densità dei raggi X dei componenti delle lesioni.

Conclusione

Il nostro studio pilota dimostra una nuova tecnica per la diagnosi differenziale non invasiva delle neoplasie mandibolari basata su caratteristiche testurali. Questa ricerca potrebbe contribuire all'effettiva implementazione di queste tecniche basate sulla radiomica nella pratica clinica, supportando efficacemente il processo decisionale clinico e promuovendo la medicina di precisione.

Anna V. Lysenko, Andrey I. Yaremenko, Anna A. Zubareva, Alexander V. Shirshin, Aleksandr I. Lуubimov, Elizaveta A. Ivanova

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