头颈部肿瘤血流动力学的漫射光学测量用于早期预测放化疗结果

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 研究背景

放射治疗是头颈部鳞状细胞癌（HNSCC）的主要治疗方式，可与化疗联合治疗。但往往由于肿瘤状态的不停变化，放疗的效果会随之起伏，所以在治疗期间反复监测个体肿瘤的血流动力学状态可以为治疗结果提供预测信息。但因为没有合适的技术，肿瘤的血流动力学监测并没有被纳入进日常检查。此实验目的在于研究使用近红外方法监测头颈部鳞状肿瘤血流动力学的准确性。
 

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研究方法
 

2.1、实验被试

实验招募了47名有效被试患者，其中男性40人，女性7人，平均年龄57.77岁。根据放疗后一年的结果，病人分为完全缓解组（CR）（所有靶病灶消失）（29人）和不完全缓解组（IR）组（出现远处转移或局部复发）（18人）。
 

2.2、实验过程

在治疗前，大多数患者通过免疫组织化学检查 HPV-16 状态。通过 MRI 或 CT 成像确定临床受累的最大颈部淋巴结作为测量目标，然后量化肿瘤淋巴结体积和位置。光学测量包括在作为基线的治疗前测量和在 7 周的整个治疗期内每周测量（图1）。在每次光学测量之前，使用超声机验证肿瘤节点的位置和大小。

图1. 实验整体流程。
 

2.3、数据采集和处理

使用Imagent (ISS) 进行光学测量。在每次测量之前，Imagent 系统在具有已知光学特性（μa 和 μs0）的实体模型上进行校准。通过将混合光纤探头放置在所选淋巴结的皮肤上连续进行光学测量 （图2）以 0.25 Hz 的采样率持续 3 分钟，然后对前臂屈肌进行 2 分钟的测量，作为比较的对照测量。在测量期间获得的数据被平均，并且平均值被用于代表肿瘤/肌肉光学特性和血流动力学。

图2. 使用混合Imagent/DCS仪器进行光学测量。
 

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实验结果
 

3.1、预测治疗结果的肿瘤血流动力学参数的准确性

在 HPV-16 阳性患者中，[HbO2]提供了第 1 周和第 3 周治疗结果的最佳预测。THC 和 StO2 也显示出对第 3 周治疗结果的中等预测。在 HPV-16 阴性患者中，BFI 和 μs0 分别为第 3 周的治疗结果提供了极好的预测。
 

3.2、HPV-16 阳性和阴性患者肿瘤血流动力学反应和治疗结果的比较

总体而言，除了肿瘤的治疗前基线 [Hb]外，HPV-16 阳性组和阴性组之间的大多数测量光学参数没有显着差异。事后成对测试表明，与 HPV-16 阳性组相比，HPV-16 阴性组在治疗前基线（第 0 周）的肿瘤 [Hb] 水平显着更高。HPV-16阳性组和阴性组在年龄、性别、肿瘤分期、肿瘤淋巴结大小、肿瘤上方皮肤组织厚度等方面无显着差异，但在原发肿瘤部位存在显着差异。在HPV-16阳性肿瘤中观察到的CR频率比HPV-16阴性肿瘤略高。
 

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实验结论

本研究的近红外光学测量显示了在头颈癌患者早期（在治疗的前 3 周内）预测放化疗的前景。由于 HPV-16 状态影响肿瘤对治疗的反应，因此需要根据 HPV-16 状态对患者进行亚组，以提高治疗结果的预测准确性。需要更多的患者来提高数据分析的统计能力，开发集成多个参数的预测模型以进一步提高预测准确性，并找到验证分类器的参数的最佳阈值。此外，预计对放化疗有 IR 的患者可能会被引导到替代疗法（例如，手术切除肿瘤），从而减少与放化疗相关的副作用。基于放化疗期间频繁光学测量的肿瘤特性/血流动力学的动态修改也有望单独优化治疗结果。

Dong, L., Kudrimoti, M., Irwin, D., Chen, L., Kumar, S., Shang, Y., Huang, C., Johnson, E.L., Stevens, S.D., Shelton, B.J. and Yu, G., 2016. Diffuse optical measurements of head and neck tumor hemodynamics for early prediction of chemoradiation therapy outcomes. Journal of biomedical optics, 21(8), p.085004.

DOI: 10 .1117/1.JBO.21.8.085004