Semi-automatic evaluation of lymph nodes in patients with rectal neoplasms with diffusion weighted MRI

Abstract

Background and purpose
Several studies have shown that surgery with pre- or post-operative adjuvant radiotherapy reduces the local recurrence rate in rectal cancer patients. Preoperative evaluation of lymph node involvement is difficult but important for assessing the benefit of radiotherapy. Radiologists usually assess lymph node sizes and shapes to determine nodal involvement, but it can be difficult to distinguish between normal and involved nodes. Apparent diffusion coefficients (ADC) of lymph nodes obtained from diffusion weighted MRI (DWI) can also be used when estimating nodal involvement, with malignant nodes tending to have more impeded diffusion. Manual assessment and delineation of lymph nodes is error prone, may be subject to inter- and intra-observer variability and may be time-consuming. The use of a semi-automatic segmentation techniques can reduce inter- and intra-observer variability and give a more exact segmentation in a shorter time. There is however no segmentation technique that works well in all situations. The purpose of this work was to evaluate several techniques and develop a program for semi-automatic 3D segmentation of lymph nodes in diffusion weighted MR images and evaluation of lymph node sizes and ADC values.

Materials and methods
A program for evaluation of different 2D segmentation techniques on lymph nodes was written in MATLAB. The segmentation techniques were evaluated on lymph nodes in whole body DWI images acquired on a 1:5 T MRI scanner. Thereafter, a program was developed for segmentation of lymph nodes in three dimensions. The program used a 3D spiral scanning technique to transform image intensities in the 3D images into a 2D image. The surface of the lymph node was then identified in the transformed 2D image using an active contour-like iterative algorithm. The surface was then transformed back into a volume of interest (VOI) in the 3D data. The resulting VOIs were used to extract mean ADC values and volumes of the lymph nodes. Finally, two radiologists used the program to delineate pelvic lymph nodes in 4 patients before and after neo-adjuvant chemoradiotherapy.

Results
A total of 35 lymph nodes were marked by the radiologists and 32 of these were successfully delineated by the program. The total volume of all lymph nodes was 12:1 mL before and 9:96 mL after treatment. The average reduction in volume per lymph node was 100 uL, not significantly different from zero, (p = 0:065). The average ADC decreased with 99 10-6 mm2 s-1, not significantly different from zero, (p = 0:084).

Conclusions
Preliminary results indicated that the 3D spiral scanning algorithm is capable of 3D segmentation of lymph nodes in the abdomen. Data obtained by radiologists when testing the primary program indicated that lymph node volumes and ADC values decrease after chemoradiotherapy, although more patients are required to draw a definite conclusion.

Popular Abstract (Swedish)

Efter prostatacancer, bröstcancer och hudcancer är cancer i tjocktarm och ändtarm tillsammans den fjärde vanligaste typen av cancer i Sverige med omkring 11% av alla cancerfall. Förekomsten av tjock och- ändtarmscancer varierar i världen och den högsta förekomsten av denna välfärdssjukdom finns i USA, Europa, Australien och Nya Zeeland. De lägsta incidenserna finns i utvecklingsländerna. Relativt få unga drabbas av tjock och-ändtarmscancer. Av de som drabbas är 75% över 65 år och enbart 5% under 50 år. Ungefär lika många män som kvinnor drabbas av tjocktarmscancer och vid ändtarmscancer drabbas män något mer än kvinnor. Cancer i tjocktarm och ändtarm behandlas huvudsakligen med kirurgi. Inför kirurgi görs en bedömning om all tumör kan avlägsnas eller om det finns risk för att delar av cancern blir kvar i kroppen. Om all cancer inte kan avlägsnas med enbart kirurgi kan man strålbehandla tumören för att senare avlägsna all cancer med kirurgi. Vid tidig diagnos av cancern brukar risken att cancer ska finnas kvar i kroppen efter kirurgi vara så liten att förbehandling med strålbehandling är en onödig överbehandling. Vid en mera avancerad cancer kan en kort strålbehandling inför kirurgi vara önskvärd då studier har visat att detta leder till en minskad andel canceråterfall. Vid bedömningen av cancerns omfattning ser man på hur tumören har växt, om cancer har spridit sig till lymfkörtlar, samt om det finns avlägsna metastaser. Genom att bedöma cancerns stadium i dessa tre aspekter tillsammans med ytterligare faktorer kan man avgöra hur cancern optimalt behandlas. När det gäller tumören fungerar de metoder som finns idag bra, men för att bedöma om cancern har spridit sig till lymfkörtlar så behövs bättre metoder. I nuläget bedöms lymfkörtlar genom att radiologer granskar snittbilder av lymfkörtlarna tagna med exempelvis en magnetkamera. Vid bedömningen av lymfkörtlarna används kriterier såsom storlek och form för att avgöra om cancer har spridit sig till dem. Problemet med en sådan bedömning är att det kan vara svårt att skilja lymfkörtlar som förstorats på grund av cancer från lymfkörtlar som förstorats av inflammation.

Ett möjligt alternativ för att granska lymfkörtlar är att avbilda vattenmolekylernas rörelsefrihet i kroppen med hjälp av en magnetkamera. I sådana bilder tenderar lymfkörtlar med cancer att ha en lägre rörelsefrihet för vattenmolekylerna än friska lymfkörtlar. För att mäta vattenmolekylernas rörelsefrihet i lymfkörtlarna behöver de ritas ut i bilderna, vilket innebär att de pixlar som tillhör lymfkörtlarna i bilderna måste anges. Att rita ut lymfkörtlar för hand är emellertid tidskrävande, särskilt om lymfkörtlarna syns i flera snittbilder, och det som ritats ut variera beroende på personen som ritat. Ett alternativ till att rita och bedöma lymfkörtlar för hand är att låta ett datorprogram rita ut lymfkörtlarna. Ett sådant program kan rita ut lymfkörtlar som syns i flera snittbilder snabbt och det som ritas ut beror inte på personen som använder programmet. I detta examensarbete testades många olika algoritmer för att automatiskt rita ut lymfkörtlar. Ett datorprogram baserat på den bästa algoritmen utvecklades sedan för att rita ut lymfkörtlar och mäta storlek och vattnets rörelsefrihet. Tanken är att detta program senare ska användas i en klinisk studie för att undersöka om storlek på lymfkörtlar och rörelsefrihet hos vattenmolekyler kan användas för att avgöra om körtlarna innehåller cancerceller.

• author: Roth, Daniel
• supervisor: Sven Månsson; Peter Leander; Lisa Hörberg
• organization: Medical Physics Programme; Medical Radiation Physics, Lund
• course: MSFT01 20151
• year: 2016
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Medicine and Health Sciences
• language: English
• id: 8871327
• date added to LUP: 2016-04-20 12:09:19
• date last changed: 2017-01-09 16:29:54