MRI Radiomic Analysis of IMRT-Induced Bladder Wall Changes in Prostate Cancer Patients: A Relationship with Radiation Dose and Toxicity

AbstractBackgroundThe main purpose of this study was to assess the structural changes in the bladder wall of prostate cancer patients treated with intensity-modulated radiation therapy using magnetic resonance imaging texture features analysis and to correlate image texture changes with radiation dose and urinary toxicity.MethodsEthical clearance was granted to enroll 33 patients into this study who were treated with intensity-modulated radiation therapy for prostate cancer. All patients underwent two magnetic resonance imagings before and after radiation therapy (RT). A total of 274 radiomic features were extracted from MR-T2W–weighted images. Wilcoxon singed rank-test was performed to assess significance of the change in mean radiomic features post-RT relative to pre-RT values. The relationship between radiation dose and feature changes was assessed and depicted. Cystitis was recorded as urinary toxicity. Area under receiver operating characteristic curve of a logistic regression–based classifier was used to find correlation between radiomic features with significant changes and radiation toxicity.ResultsThirty-three bladder walls were analyzed, with 11 patients developing grade ≥2 urinary toxicity. We showed that radiomic features may predict radiation toxicity and features including S5.0SumVarnc, S2.2SumVarnc, S1.0AngScMom, S0.4SumAverg, and S5. _5InvDfMom with area under receiver operating characteristic curve 0.75, 0.69, 0.65, 0.63, and 0.62 had highest correlation with toxicity, respectively. The results showed that most of the radiomic features were changed with radiation dose.ConclusionFeature changes have a good correlation with radiation dose and radiation-induced urinary toxicity. These radiomic features can be identified as being potentially important imaging biomarkers and also assessing mechanisms of radiation-induced bladder injuries.RésuméContexteLe but premier de cette étude était d'évaluer les changements structurels dans la paroi de la vessie chez les patients atteints d'un cancer de la prostate (PCa) traités par radiothérapie avec modulation d'intensité (IMRT) en utilisant l'analyse des caractéristiques de texture par imagerie par résonance magnétique (IRM) et d'établir une corrélation entre les changements de texture dans les images, la dose de rayonnement et la toxicité urinaire.MéthodologieLe comité d'éthique de la recherche a donné son accord pour inscrire à cette étude 33 patients traités pour PCa par IMRT. Tous les patients ont eu deux IRM, avant et après la radiothérapie. Au total, 274 caractéristiques radiomiques ont été extraites des images pondérées MR-T2W. Un test Wilcoxon Signed Rank a été fait pour évaluer la signification du changement dans les caractéristiques radiomiques moyennes après la RT par rapport aux valeurs avant la RT. La relation entre la dose de rayonnement et les changements dans les caractéristiques a été évaluée et illustrée. La cystite a été utilisée comme toxicité urinaire. L'aire sous la courbe de fonction d'efficacité du récepteur d'un classificateur (AUC) basé sur une régression logistique a été utilisée pour déterminer la corrélation entre les caractéristiques radiomiques présentant des changements significatifs et la toxicité du rayonnement.RésultatsTrente-trois parois de vessies ont été analysées, et 11 patients ont développé une toxicité urinaire de grade ≥2. Nous avons démontré que les caractéristiques radiomiques pouvaient permettre de prédire la toxicité et les caractéristiques du rayonnement, incluant S5.0SumVarnc, S2.2SumVarnc, S1.0AngScMom, S0.4SumAverg et S5. _5InvDfMom avec AUC 0,75, 0,69, 0,65, 0,63 et 0,62 présentaient respectivement la plus forte corrélation avec la toxicité. Les résultats démontrent que la plupart des caractéristiques radiomiques ont été modifiées avec la dose de rayonnement.ConclusionLes changements dans les caractéristiques présentent une bonne corrélation avec la dose de rayonnement et la toxicité urinaire induite par le rayonnement. Ces caractéristiques radiomiques peuvent être identifiées comme biomarqueurs d'imagerie potentiellement importants et comme mécanismes d'évaluation des blessures à la vessie induites par le rayonnement.