Clinical Effectiveness of Strain Elastography Combined with Lymphosonography for Mandibular Lymph Node Assessment in Patients with Head and Neck Cancer Dogs

Abstract

Determining lymph node metastasis in tumor patients is important in assessing the staging and therapeutic plan. Multiple imaging techniques have been used to evaluate lymph nodes of cancer patient. However, there are overlapping results between benign and malignant lymph nodes as well as cumbersome techniques. Therefore, noninvasive, simple, and accurate imaging techniques are required for pre-surgical assessment of patients with head and neck cancers. Recently, lymphosonography and ultrasound elastography have been utilized to evaluate lymph nodes. Lymphosonography aids cytology/biopsy procedures or lymph node status through visualization of the lymphatic system. Strain elastography also provides diagnostic information, as metastatic nodes have greater stiffness than normal lymph nodes. However, the clinical usefulness of sonoelastography and lymphosonography has not yet been demonstrated in dogs. Therefore, the objectives of this study were to determine the normal reference ranges of mandibular lymph nodes on strain elastography for qualitative and semi-quantitative analysis (Chapter I), and to evaluate lymph nodes after injection of perflubutane microbubbles for lymphosonography (Chapter II) in clinically healthy dogs, and to evaluate the clinical applications of both methods on patient with head/neck cancer (Chapter III). In Chapter I, 45 clinically healthy dogs were enrolled. Ultrasonographic elastographic images were evaluated qualitatively (elastographic pattern) and semi-quantitatively (mean hue histogram and stiffness area ratios). Elastographic patterns were classified into grades 1 to 4, according to the percentage of high elasticity by visualization. The mean hue histogram was defined as the mean pixel color values within the lymph node. Stiffness area ratios were determined by the stiff area, and the two criteria were evaluated using a computer program (Image J®). Clinically healthy mandibular lymph nodes exhibited predominantly red and green colors. Upon elastographic pattern evaluation, all lymph nodes were graded 1 or 2 (1.23 ± 0.42, mean ± SD). The mean hue histogram values were 80.96 ± 8.29. The stiffness area ratios were 0.03 ± 0.02. The mean hue histogram, stiffness area ratio and elastographic pattern exhibited no correlation with age and showed moderate to excellent repeatability and reproducibility. In Chapter II, 11 clinically healthy dogs were enrolled. The lymphosonographic images were evaluated quantitatively (the visualization of lymphatic vessels/lymph nodes (LN), contrast transit time and contrast enhancement intensity using Image J®) and qualitatively (enhancement pattern). On lymphosonography, the afferent lymphatic vessels (8/11) were hyperechoic linear structures leading from the injection site. The measured median (range) was 1.2 (0.7-1.8) mm, and these vessels could be readily traced to their mandibular LN (11/11). Normal lymphatic vessels were visualized within five mins post-injection, while the mandibular LN were identified after simultaneous enhancement with lymphatic vessels that lasted 10 mins post-injection. The median values of contrast enhancement intensity were 64.53 (range: 24.81-128.43). Capsular or completely filled enhancement was observed in clinically healthy LNs. Lymphosonography can be used to detect lymphatic drainage pathways. In Chapter III, the above two methods were applied to patients with head/ neck cancer. Twenty-one lymph nodes (non-metastatic LN; n=8, metastatic LN; n=13) and eleven dogs (non-metastatic dogs; n=5, metastatic dogs; n=6) were enrolled for strain elastography and lymphosonography, respectively. On strain elastography, clinically healthy (45/45) and non-metastatic(1/8) LN showed a homogeneous green color (soft), but metastatic LNs (12/13) tended to have a heterogenous blue color (stiffer). There were significant differences in the qualitative and quantitative strain elastographic criteria between the metastatic nodes and clinically healthy or non-metastatic nodes (p<0.05). Receiver operating characteristic curve (ROC) analyses revealed that cutoff values for the prediction of malignancy were 92.26 for the mean hue histogram (sensitivity: 100%, specificity: 92%), and 0.17 for stiffness area ratios (sensitivity: 86%, specificity of 100%). For lymphosonography, clinically healthy (11/11) and non-metastatic LN (4/5) showed a homogenous enhancement pattern with centripetal filling, whereas all metastatic LNs (6/6) showed a focal or complete filling defect. There was a significant difference in the qualitative and quantitative criteria for lymphosonographic contrast enhancement pattern (p<0.05). In addition, these two combined evaluations showed the highest AUC of 0.999 (95% CI, 0.999-1.000) compared to strain elastography or lymphosonography alone. Higher tissue stiffness and filling defects of metastatic lymph nodes might be associated with altered tissue composition and structure. For metastatic lymph nodes, the cortex was damaged and thickened with proliferation as well as cornification of cancer cells. These alterations may produce keratin/fibrin or destroy the small lymphatic vessels. In conclusion, qualitative and semi-quantitative evaluations of strain elastography have the potential to predicting lymph node malignancy, and filling defects in lymphosonography highly indicates malignancy. However, when using strain elastography or lymphosonography alone, there were false positive or false negative findings. Therefore, the combination of lymphosonography and strain elastography could be more useful for predicting malignancy of lymph nodes.

종양 환자에서 림프절 전이 여부는 환자의 병기 진단 및 치료 계획 수립에 있어 중요하여 그간 다양한 종류의 영상 검사를 통한 평가 방법이 논의되었다. 하지만 대부분 양성과 악성의 기준이 모호한 결과를 보여 세포/조직 검사 전 간단하게 시행할 수 있는 새로운 림프절 평가 방법이 필요하다. 최근 새로운 림프절 평가 방법으로 초음파 조영 검사와 탄성 초음파 검사가 고안되었다. 초음파 조영 검사는 실질 조직 내 조영제를 주입하여 림프계통을 영상화 하고, 탄성 초음파는 일반적인 종양 세포의 경도가 높아짐을 영상학적으로 시각화 한 방법으로, 수의에서 이 두가지 방법을 이용한 경부 림프절 평가의 진단적 가치에 대해 명확하게 보고되지 않았다. 따라서 본 실험의 목적은 임상적으로 건강한 개에서 정량 및 정성적인 분석을 통한 초음파 탄성 검사 (제 1장) 및 초음파 림프 조영 검사 (제 2장)의 정상 영상 특징을 확인하고, 이를 두경부 종양 환자에 적용하여 각 방법의 유용성을 알아보는 것이다 (제 3장). 제 1장에서는 총 45마리의 임상적으로 건강한 개체에서, 초음파 탄성 영상을 정성 및 정량적으로 분석하였다. 정성적인 방법은 탄성영상 패턴 (림프절 내 단단한 부분이 차지하는 범위를 1에서 4점으로 나누어 평가)을 분석하고 정량적인 방법은 평균 휴 히스토그램 값 (mean hue histogram value: 전체 림프절 내 평균 pixel 값)과 강성도 면적 범위율 (stiffness area ratio)을 Image J 프로그램을 통해 분석하였다. 정상 하악 림프절은 초음파 탄성 영상에서 주로 적색에서 녹색으로 표현되며, 탄성 패턴은 1점 혹은 2점으로 평가 (1.23 ± 0.42, 평균 ± 표준편차) 되었다. 평균 휴 히스토그램 (80.96 ± 8.29), 강성도 면적 범위율 (0.03 ± 0.02) 및 탄성 패턴은 개체의 나이와 상관관계를 보이지 않으며, 관찰자 간/ 관측자 내 일치도는 중등도 이상 확인되었다. 제 2장에서는 총 11마리의 임상적으로 건강한 개체에서, 초음파 림프 조영 영상을 정성 및 정량적으로 분석하였다. 정성적인 방법은 조영 증강 패턴 (전체 조영, 껍질 조영, 부분 충진 결손, 완전 충진 결손)을, 정량적인 방법은 림프절/림프관의 영상화 여부 및 조영제 이행 시간 (조영제 주입 후 림프관/림프절이 영상화 되는데까지 걸리는 시간), 조영 증강 정도 (Image J)를 평가하였다. 구강 점막 내로 조영제 (Sonazoid®) 1ml 주입 후 정상 수입 림프관은 조영제 주입 후 5분, 하악 림프절은 수입 림프관과 동시에 영상화 되어 10분째까지 영상화가 지속되었다. 수입 림프관은 고에코의 관상 구조 (직경: 1.2 mm) 로 확인되며, 이는 동 방향의 하악 림프절로 연결되고 하악 림프절 중간값 조영 증강 정도는 64.53 (범위: 24.81-128.43)으로 껍질성 혹은 전반적인 균일한 조영증강을 보였다. 초음파 림프 조영 검사는 정상 개체의 림프 순환 (수입 림프관, 하악 림프절)을 실시간으로 영상화 할 수 있는 장점이 확인되었다. 제 3장에서는 두경부 종양 환자에서 초음파 탄성 검사 (21개 림프절, 비 전이=8개, 전이=13개)과 초음파 림프 조영 검사 (11마리, 비 전이=5마리, 전이=6마리)을 적용하여 임상적으로 건강한 개체 (초음파 탄성 검사: 45마리, 초음파 림프 조영: 11마리)와 비교 분석하였다. 초음파 탄성 검사에서 임상적으로 건강한 개체 (45/45)와 비 전이성 (1/8) 하악 림프절은 균일한 녹색 양상을 보였으나, 전이성 (12/13) 하악 림프절은 이질적이고 청색 양상으로 확인되었다. 또한 전이성 림프절은 임상적으로 건강한 개체와 비 전이성 하악 림프절과 비교하여 정성적인 기준과 정량적인 기준 모두 통계적으로 유의한 차이를 보였고, 악성 림프절 예측값은 평균 휴 히스토그램은 92.26 (민감도: 100%, 특이도 92%), 강성도 면적 범위율은 0.17 (민감도: 85%, 특이도 100%)로 계산되었다. 초음파 림프 조영 검사에서 임상적으로 건강한 개체 (11/11)와 비 전이성 (4/5) 하악 림프절은 균일한 구심성의 조영 증강을 보였으나, 전이성 하악 림프절의 경우 국소적인 (3/6) 혹은 전체적인 (3/6) 조영제 충진 결손을 보였으며 전이성 림프절은 임상적으로 건강한 개체와 비 전이성 하악 림프절과 비교하여 정성적인 기준과 정량적인 기준 모두 통계적으로 유의한 차이를 나타냈다. 또한 각 검사의 단일 수행 보다는 혼합 방법 분석이 가장 높은 곡선 아래 면적 값을 보였다. 이는 림프절 전이 시 림프계통 변화 (림프계 혈관 신생으로 인한 림프절 실질 내 케라틴, 섬유소 등의 증가) 및 림프절 피질 내 직접적인 전이성 조직 침습으로 인해 탄성도가 감소 (강성도 증가) 및 조영 검사에서의 충진 결손으로 나타난 것으로 판단된다. 결론적으로, 정성 및 정량적인 초음파 탄성 검사 및 초음파 조영 검사는 악성 림프절 선행 평가에 유용하며, 초음파 탄성 검사에서의 강성도 증가 및 초음파 림프절 조영 검사 후 조영제 충진 결손은 전이성 림프절을 의심할 수 있는 소견이다. 다만, 초음파 탄성 혹은 초음파 림프절 조영 단독 검사 시 위 양성 혹은 위 음성 진단 가능성이 있는 바 두 가지 검사의 혼합 방법이 추천된다.