Evaluation of liver tumor perfusion by intraarterial transcatheter magnetic resonance angiography during transarterial chemoembolization in patients with hepatocellular carcinoma : Preclinical instrument validation in vascular models and clinical study

Abstract

Background

Endovascular interventions in magnetic resonance (MR) offer potential benefits like lack of ionizing radiation, three-dimensional (3D) imaging or soft tissue contrast, compared to other techniques. The main hurdle in performing MR interventions is the lack of appropriate devices. Regular guidewires (GWs) and catheters cause conductivity and potential radiofrequency (RF) heating due to their metallic components. Consequently, they are considered MR unsafe. In the preclinical phase of the study (part 1) we evaluated potentially MR compatible interventional devices in vascular phantoms at 1.5 Tesla (T). Our aim was to study their future application during transarterial chemoembolization (TACE) complemented with intraarterial (i.a.) transcatheter MR angiography (part 2). The usefulness of i.a. transcatheter MR angiography during TACE was evaluated.

Materials und Methods

Part 1: Several experiments with 13 catheters on two different vasculars models were conducted. The occurrence of susceptibility artifacts was evaluated in three gradient echo (GE) sequences and one turbo spin echo (TSE) sequence. MR compatible prototypes of GWs were tested for artifact size and RF heating in vascular models as well as in human cadaver. Devices qualified as MR compatible were used during the clinical part of the study. Part 2: Overall, 27 patients with hepatocellular carcinoma (HCC) underwent 62 TACE procedures combined with i.a. transcatheter MR angiography. Prior to embolization a catheter was guided by X-ray fluoroscopy into the HCC supplying artery. Contrast-enhanced i.a. transcatheter MR angiography (10 ml Gadolinium-DOTA 5.0% Dotarem, Guerbet, France) was performed in arterial, portalvenous and late venous phase using either three- dimensional fast low angle shot (FLASH 3D) or volume interpolated breath hold (VIBE) sequences (Siemens Magnetom Aera 1.5T) to study tumor perfusion. The images were evaluated qualitatively by two radiologists. Quantitative evaluation was performed using the

region of interest (ROI) analysis. Signal and contrast to noise ratios (SNR and CNR) for FLASH 3D and VIBE sequences were compared by Mann-Whitney test.

Results

Part 1: Several 4 and 5 French (F) catheters with hydrophilic coating (Terumo, Tokyo, Japan) caused no artifacts in applied sequences and were employed during the clinical part of the study. MR compatible GWs were by the time of our experiments in the preclinical phase of research and their use in patients was not permitted. Part 2: I.a. transcatheter MR angiography confirmed correct catheter positioning in 53/62 (85%) procedures. Additional collateral tumor vascularization was detected in six cases. New lesions were identified in four patients during this procedure. Quantitative analysis of SNR in tumor demonstrated that the VIBE sequence (arterial: median 36.96 [range: 9.92 - 91.54], portalvenous: 28.59 [10.48 - 83.89] and late venous: 24.37 [10.21 - 72.28]) is superior to the FLASH 3D (arterial: 21.36 [7.79 - 50.11], portalvenous: 20.25 [5.50 - 57.87] and late venous

phase: 16.19 [5.83 - 51.03], p values: 0.02, 0.01 and 0.002 respectively). The comparison of CNR yielded no significant differences (all p > 0.05).

Conclusion

Catheters with hydrophilic coating are safe when used at 1.5 T MR field during endovascular procedures. I.a. transcatheter MR angiography during TACE enables visualization of the catheter position and may prevent erroneous/insufficient tumor embolization. VIBE-sequence achieves a superior SNR but not CNR as compared to FLASH 3D.

Hintergrund Magnetresonanztomographie (MR)-gesteuerte endovaskuläre Interventionen bieten aufgrund des Fehlens ionisierender Strahlung, der Möglichkeit einer dreidimensionalen (3D) Bildakquisition und eines ausgezeichneten Weichteilkontrasts, zahlreiche Vorteile gegenüber der konventionellen Röntgenfluoroskopie. Das aktuell größte Hindernis bei der Durchführung endovaskulärer MR Interventionen ist der Mangel an geeigneten Instrumenten. Kommerziell erhältliche metallische Führungsdrähte und Katheter sind aufgrund ihrer Leitfähigkeit im MR Feld und ihrer potentiellen Radiofrequenz (RF) Erhitzung als MR-unsicher einzustufen. In der präklinischen Phase unserer Studie (Teil 1) wurden daher verschiedene interventionelle Instrumente an drei vaskulären Phantomen in einem 1,5 Tesla (T) MR Feld evaluiert zwecks der zukünftigen Anwendung zur intraarteriellen (i.a.) transkatheter MR-Angiographie während einer transarteriellen Chemoembolisation (TACE) (Teil 2). Eine anatomisch unerwartete arterielle Tumorversorgung kann im Rahmen einer TACE zur fehlgeleiteten Chemotherapie und unzureichender Behandlung des Tumors führen. Ziel der Studie war die Evaluation der zusätzlich zur TACE durchgeführten i.a. MR-Angiographie im Hinblick auf einen diagnostischen und auch therapeutischen Gewinn. Material und Methoden Teil 1: Das Auftreten von Suszeptibilitätsartefakten in drei Gradientenechosequenzen (GE) und einer Turbo-Spin-Echo-Sequenz wurde für 13 Katheter an zwei verschiedenen vaskulären Modellen ausgewertet. Zudem wurden zwei MR-kompatible Prototypen von Führungsdrähten auf Suszeptibilitätsartefakte und RF-Erhitzung in vaskulären Modellen sowie in menschlichen Kadavern getestet. Die als MR-tauglich eingestuften Instrumente wurden im Rahmen des klinischen Teils der Studie angewendet. Teil 2: Bei 27 Patienten wurden 62 TACE mit i.a. transkatheter MR-Angiographie kombiniert durchgeführt. Zunächst wurde der Katheter unter Fluoroskopiekontrolle in die Tumor versorgende Arterie gesteuert. Kontrastgestützte i.a. transkatheter MR-Angiographie (10 ml Gadolinium-DOTA 5.0% Dotarem, Guerbet, Frankreich) wurde in der arteriellen, portalvenösen und spätvenösen Phase durchgeführt. Hierfür wurden zwei GE Sequenzen (FLASH 3D, VIBE, Siemens Magnetom Aera 1,5T) eingesetzt um die Tumorperfusion zu evaluieren. Die Bilder wurden qualitativ durch zwei Radiologen ausgewertet. Die quantitative Auswertung erfolgte über die „region of interest“ (ROI) Analyse. Signal- und Kontrast- Rausch-Verhältnis (SNR- und CNR) für FLASH 3D und VIBE Sequenzen wurden mit dem Mann-Whitney-Test verglichen. Ergebnisse Teil 1: Gleitbeschichtete 4 und 5 French (F) Katheter (Terumo, Tokio, Japan) verursachten keine Artefakte in den gewählten Sequenzen und wurden während des klinischen Teils der Studie benutzt. MR-kompatible Führungsdrähte waren zum Zeitpunkt der Experimente in der präklinischen Phase noch nicht zur Verwendung am Menschen zugelassen. Teil 2: Die i.a. transkatheter MR-Angiographie bestätigte die korrekte Katheterpositionierung in 53/62 (85%) Interventionen und führte zur Katheterrepositionierung in drei Fällen. Eine zusätzliche arterielle Tumorversorgung wurde in sechs Fällen nachgewiesen. Neue Herde wurden in vier Fällen identifiziert. Die quantitative Analyse der SNR im Tumor ergab eine Überlegenheit der VIBE Sequenz (arterielle Phase: Median 36,96 [Minimum 9,92 - Maximum 91,54], portalvenöse Phase: 28,59 [10,48 - 83,89], spätvenöse Phase: 24,37 [10,21 - 72,28]) gegenüber der FLASH 3D Sequenz (arterielle Phase: 21,36 [7,79 - 50,11], portalvenöse Phase: 20,25 [5,50 - 57,87], spätvenöse Phase: 16,19 [5,83 - 51,03], p-Werte: 0,02, 0,01 und 0,002). Der Vergleich der CNR ergab keine signifikanten Unterschiede (alle p > 0,05). Schlussfolgerung Gleitbeschichtete Katheter (Terumo, Tokyo, Japan) sind in der von uns genutzten MR- Umgebung MR-kompatibel und sind als sicher während endovaskulärer Verfahren

einzustufen. Die i.a. transkatheter MR-Angiographie bei TACE ermöglicht die Visualisierung der Kathetersposition und hilft eine fehlerhafte oder unzureichende Tumorembolisation zu verhindern. Die VIBE Sequenz erzielt eine höhere SNR aber keine verbesserte CNR verglichen mit der FLASH 3D Sequenz.