Monitoring of Tumor Oxygenation Changes in Head-and-Neck Carcinoma Patients Breathing a Hyperoxic Hypercapnic Gas Mixture with a Noninvasive MRI Technique

Purpose:

To implement and evaluate a noninvasive functional MRI technique for measuring tumor tissue oxygenation changes in head-and-neck carcinoma patients.

Patients and Methods:

Tissue oxygenation changes were determined quantitatively in 13 patients with head-and-neck cancer. The MR examinations were performed on a clinical MR scanner at 1.5 T. Different breathing gases (air, 2% CO₂ and 98% O₂, 100% oxygen) were administered to induce oxygenation changes. A multigradient echo sequence was used for quantification of the apparent transverse relaxation time T2*.

Results:

Pixel-by-pixel analysis of the T2* values in tumors showed a shift toward higher values corresponding to oxygenation increase and correlated with a median shift toward positive values in the ΔT2* fraction under carbogen and oxygen breathing in most but not all patients. A slightly pronounced T2* increase breathing oxygen compared with 2% CO₂/98% O₂ was found. Furthermore, a statistically significant difference in the heterogeneity of oxygenation changes induced by oxygen or 2% CO₂/ 98% O₂ breathing was seen.

Conclusion:

Measurement of oxygenation changes in head-and-neck tumor patients is feasible by the presented MRI technique. Tumor oxygenation and oxygenation changes were heterogeneous among the investigated patients. To the authors’ knowledge, they are the first to describe a statistically significant difference in the heterogeneity of oxygenation changes induced by oxygen or 2% CO₂/98% O₂ breathing using a noninvasive MRI technique.

Ziel:

Entwicklung und Evaluierung einer nichtinvasiven funktionellen MRT-Technik zur Messung von Tumoroxygenierungsänderungen bei Patienten mit Kopf-Hals-Tumoren.

Patienten und Methodik:

Änderungen der Gewebeoxygenierung wurden bei 13 Patienten mit Kopf-Hals-Karzinomen quantitativ gemessen. Die MR-Untersuchungen wurden an einem klinischen MR-Gerät bei 1,5 T durchgeführt. Um Oxygenierungsänderungen zu verursachen, wurden verschiedene Atemgase (Raumluft, 2% CO₂ und 98% O₂, 100% Sauerstoff) verabreicht. Eine Multigradientenechosequenz wurde zur Quantifizierung der Relaxationszeit T2* verwendet.

Ergebnisse:

Die Pixel-für-Pixel-Analyse der T2*-Werte in den Tumoren zeigte eine Verschiebung zu höheren Werten, die mit einer verbesserten Oxygenierung korrespondierte und mit einer Verschiebung des Medians zu positiven Werten in der ΔT2*-Fraktion bei 2% CO₂/98% O₂- und Sauerstoffatmung bei den meisten, jedoch nicht allen Patienten korrelierte. Es fand sich ein geringgradig verstärkter T2*-Anstieg bei Sauerstoffatmung im Vergleich zur 2% CO₂/98% O₂-Atmung. Ferner zeigte sich ein statistisch signifikanter Unterschied in der Heterogenität der durch Sauerstoff- oder 2% CO₂/98% O₂-Atmung hervorgerufenen Oxygenierungsänderungen.

Schlussfolgerung:

Die dargestellte MRT-Technik eignet sich zur Messung von Oxygenierungsänderungen bei Patienten mit Kopf-Hals-Tumoren. Bei den untersuchten Patienten waren die Tumoroxygenierung und Oxygenierungsänderungen heterogen. Soweit den Autoren bekannt ist, beschreiben sie als Erste einen statistisch signifikanten Unterschied in der durch Sauerstoff- oder 2% CO₂/98% O₂-Atmung hervorgerufenen Heterogenität von Oxygenierungsänderungen durch Anwendung einer nichtinvasiven MRT-Methode.