Spectrophotometer and ultrasound ev

Spectrophotometer and ultrasound evaluation of late toxicity following breast-cancer radiotherapy
Abstract
Purpose: Radiation-induced normal-tissue toxicities are common, complex, and distressing side effects that affect 90% of patients receiving breast-cancer radiotherapy and 40% of patients post radiotherapy. In this study, the authors investigated the use of spectrophotometry and ultrasound to quantitatively measure radiation-induced skin discoloration and subcutaneous-tissue fibrosis. The study’s purpose is to determine whether skin discoloration correlates with the development of fibrosis in breast-cancer radiotherapy.Methods : Eighteen breast-cancer patients were enrolled in our initial study. All patients were previously treated with a standard course of radiation, and the median follow-up time was 22 months. The treated and untreated breasts were scanned with a spectrophotometer and an ultrasound. Two spectrophotometer parameters—melanin and erythema indices—were used to quantitatively assess skin discoloration. Two ultrasound parameters—skin thickness and Pearson coefficient of the hypodermis—were used to quantitatively assess severity of fibrosis. These measurements were correlated with clinical assessments (RTOG late morbidity scores).Results: Significant measurement differences between the treated and contralateral breasts were observed among all patients: 27.3% mean increase in skin thickness (p < 0.001), 34.1% mean decrease in Pearson coefficient (p < 0.001), 27.3% mean increase in melanin (p < 0.001), and 22.6% mean increase in erythema (p < 0.001). All parameters except skin thickness correlated with RTOG scores. A moderate correlation exists between melanin and erythema; however, spectrophotometer parameters do not correlate with ultrasound parameters.Conclusions: Spectrophotometry and quantitative ultrasound are objective tools that assess radiation-induced tissue injury. Spectrophotometer parameters did not correlate with those of quantitative ultrasound suggesting that skin discoloration cannot be used as a marker for subcutaneous fibrosis. These tools may prove useful for the reduction of radiation morbidities and improvement of patient quality of life.
Keywords: radiation toxicity, breast cancer, spectrophotometer, ultrasound
INTRODUCTION
For the majority of women with breast cancer, radiation therapy is an essential component of treatment that reduces risk of local recurrence as well as improves breast preservation and survival. However, radiation-induced normal-tissue toxicities are common, complex, and distressing. Acute toxicity develops within days to weeks after treatment affecting over 90% of women who receive breast-cancer radiotherapy.1 Late toxicity may occur months to years later affecting 30% to 40% of postirradiation patients.2, 3, 4, 5, 6 Although not as prevalent as acute, late toxicities are particularly concerning due to their persistent, and often permanent, manifestations.
Radiation Therapy Oncology Group (RTOG) established a late radiation morbidity scoring scheme and categorized late toxicities into two types: skin toxicity and subcutaneous toxicity (Table TABLE I.).7, 8, 9 Based on clinical exam findings, physicians assigned a grade from 0 (absent) to 4 (severe). Skin toxicity is primarily evaluated by visual inspection based on changes in color (usually melanin), while subcutaneous-tissue toxicity is primarily evaluated by palpation. One serious problem of this grading scheme is the inherent subjectivity of qualifying changes as “slight” (grade 1), “moderate” (grade 2), or “marked/severe” (grade 3). Furthermore, such assessments do not provide sufficient information to characterize the pathophysiology of tissue change.

Table 1
Radiation Therapy Oncology Group (RTOG) late radiation morbidity scoring scheme.
Due to the limited capabilities of standard toxicity assessments, the natural history and biological mechanisms of radiation toxicities are still not completely understood. One question that remains is whether skin toxicity correlates with subcutaneous-tissue toxicity. To address this, we investigated two objective assessment tools: narrow band spectrophotometry and quantitative ultrasound.
The narrow band spectrophotometer measures skin injury through melanin and erythema indices.10 Pigmentation change is a common side effect of irradiation. Melanin and erythema indices are markers of skin discoloration. Melanin is the major pigment synthesized within membrane-bound melanosomes at the basal layer of the epidermis. Erythema describes redness of the skin resulting from the dilation of capillaries. Erythema may suggest the development of telangiectasias, which is another common radiation toxicity of the skin.
Our quantitative ultrasound technique measures changes in subcutaneous injury through skin thickness and Pearson coefficient.11, 12, 13, 14 Skin thickening is a well-known response to radiation that may be measured by the distance between the radio-frequency (RF) echo from the skin’s surface and from that of the hypodermis. Radiation-induced damage to the basal layer of dermal cells results in a blurred and irregular dermal-hypodermal interface on B-mode ultrasound images. To this end, we calculated the Pearson correlation coefficient of envelop signals of the adjacent scan lines along the dermal-hypodermal interface in order to quantify its integrity. All measurements were validated through comparison with clinical assessment.
In summary, the purposes of this study were: (1) to investigate the combined use of spectrophotometry and quantitative ultrasound for radiation-induced late toxicity assessment; (2) to determine whether radiation-induced skin discoloration may be used as a marker for subcutaneous-tissue fibrosis in breast-cancer radiotherapy.
METHODS
Patient scanning
Eighteen breast cancer patients, who had previously received breast conservation therapy (lumpectomy and breast irradiation) for early-stage unilateral breast cancer, were enrolled in an Institutional Review Board approved study (Table TABLE II.). Prior to enrollment, all patients had received a standard course of radiation: 50.0 to 50.4 Gy (1.8-2.0 Gy/fraction) delivered to the treated breast using a pair of parallel and opposed tangential 6-MV beams, followed by an electron boost of 10.0 to 16.0 Gy delivered to the lumpectomy site. The location of the prescribed dose was two-thirds of the perpendicular distance from the skin surface to the posterior border of the tangent field, at mid-separation on the central axis slice. Wedges were used to maintain the maximum dose within 7% of the prescription. Each patient received one quantitative imaging study during her regular follow-up visit. The time interval between treatment completion and follow-up scan ranged from 6 to 92 months (median of 22 months).

Table 2
Patient related characteristics.
All patients received spectrophotometer and ultrasound studies, each requiring approximately 5 minutes. The patients were first scanned in supine position with spectrophotometer, Mexameter MX (Courage + Khazaka Electronic GmbH, Germany). Spectrophotometer scans were acquired at the 12:00, 3:00, 6:00, and 9:00 positions on the treated and contralateral breasts (Fig. (Fig.1).1). Spectrophotometer measurements were repeated three times and averaged for greater reliability. The patients were then scanned with clinical ultrasound, Sonix RP (Ultrasonix Medical Corporation, BC, Canada). A linear array probe was employed to acquire B-mode images and RF echo signals at a 6-MHz center frequency. All ultrasound data were acquired using the same setting: 10 MHz frequency, 1.25 cm focal length, 4 cm depth, 72% gain, and 80 dB dynamic range. The scans were similarly taken at the 12:00 (upper), 3:00 (medial right breast/lateral left breast), 6:00 (lower), and 9:00 (lateral right breast/medial left breast) positions on the treated and contralateral breasts (Fig. (Fig.2,2, reproduction of a figure in Ref. 11). The spectrophotometer and ultrasound data were stored and analyzed offline.

Figure 1
Diagram showing (a) the Mexameter MX with circular probe of 0.5 cm diameter and 0.2 cm2 surface area, and (b) the location of Mexameter breast scans.

Figure 2
Diagram showing (a) the orientation of the ultrasound probe, and (b) the locations of the breast ultrasound scans.
Quantitative toxicity assessment
Mexameter MX measures melanin and erythema based on the diffuse remittance spectrometry principle. The spectrophotometer probe emits light of three wavelengths: 568 nm (green light), 660 nm (red light), and 880 nm (infrared light). Melanin index is calculated from the intensity of red light absorption and infrared light reflection, according to the equation
Melanin index=log10(infrared signalRed signal)
(1)
Similarly, the erythema index is based on blood pigment absorption of green light and reflection of red light, related by the equation
Erythema index=log10(Red signalGreen signal)
(2)
Measurements from the upper, medial, lower, and lateral locations were averaged for each spectrophotometer parameter to reflect overall skin characteristics of the entire breast.
We have validated our quantitative ultrasound technology in the assessment of normal-tissue toxicity in a previous study.12, 13 Ultrasound parameters were computed from RF data using in-house matlab software. Skin thickness was determined from the product of the ultrasound wave propagation speed in breast tissue, and the time interval between RF signal interaction between the epidermis and hypodermis. Skin thickness is represented by the expression
Skin thickness=vM2fs,
(3)
where v is the speed of sound, M is the sample points of the skin, and ƒs is the ultrasound sampling frequency. The speed of sound in the human skin is 1640 m/s.15 In this study, the skin surfaces were contoured in all patients by one observer. We have demonstrated the reliability of inter-observer and intra-observer skin deli

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

การประเมินความเป็นพิษล่าช้าต่อการฉายแสงมะเร็งเต้านมเครื่องทดสอบกรดด่างและอัลตร้าซาวด์บทคัดย่อวัตถุประสงค์: toxicities เนื้อเยื่อปกติทำให้เกิดรังสีมีผลข้างเคียงทั่วไป ซับซ้อน และเศร้าที่ 90% ของผู้ป่วยที่ได้รับการฉายแสงมะเร็งเต้านมและ 40% ของผู้ป่วยฉายแสงลง ในการศึกษานี้ ผู้เขียนตรวจสอบการใช้ spectrophotometry และอัลตร้าซาวด์ quantitatively วัดกระรังสีเกิดผิวและเนื้อเยื่อใต้ fibrosis วัตถุประสงค์ของการศึกษาคือ กำหนดว่าผิวเปลี่ยนสีสัมพันธ์กับกับการพัฒนาของ fibrosis ในฉายแสงมะเร็งเต้านมวิธีการ: ผู้ป่วยมะเร็งเต้านมสิบแปดถูกลงทะเบียนในการศึกษาเบื้องต้นของเรา ผู้ป่วยทั้งหมดก่อนหน้านี้ได้รักษา ด้วยหลักสูตรมาตรฐานของรังสี และเวลาติดตามมัธยฐาน 22 เดือนนั้น หน้าอกไม่ถูกรักษา และบำบัดถูกสแกนด้วยเครื่องทดสอบกรดด่างการอุลตร้าซาวด์ พารามิเตอร์เครื่องทดสอบกรดด่างสอง — ดัชนีเมลานินและ erythema — ใช้ quantitatively ประเมินผิวหนังเปลี่ยนสี พารามิเตอร์ซาวด์สอง — ผิวความหนาและเพียร์สันสัมประสิทธิ์ของ hypodermis ยัง — ใช้เพื่อประเมินความรุนแรงของ fibrosis quantitatively วัดเหล่านี้ถูก correlated กับประเมินทางคลินิก (RTOG ปลาย morbidity คะแนน)ผลลัพธ์: สุภัคสำคัญวัดความแตกต่างระหว่างการบำบัด และ contralateral หน้าอกในผู้ป่วยทั้งหมด: 27.3% เฉลี่ยเพิ่มขึ้นความหนาของผิวหนัง (p < 0.001), ลดสัมประสิทธิ์เพียร์สัน (p < 0.001) เฉลี่ย 34.1%, 27.3% เฉลี่ยเพิ่มเมลานิน (p < 0.001), และเฉลี่ย 22.6% เพิ่ม erythema (p < 0.001) พารามิเตอร์ทั้งหมดยกเว้นผิวหนา correlated กับ RTOG คะแนน ความสัมพันธ์ปานกลางอยู่ระหว่างเมลานินและ erythema อย่างไรก็ตาม เครื่องทดสอบกรดด่างพารามิเตอร์ไม่เชื่อมโยงกับพารามิเตอร์ซาวด์บทสรุป: Spectrophotometry และอัลตร้าซาวด์เชิงปริมาณเป็นเครื่องมือวัตถุประสงค์ที่ประเมินการบาดเจ็บของเนื้อเยื่อที่เกิดจากรังสี พารามิเตอร์เครื่องทดสอบกรดด่างได้ไม่เชื่อมโยงกับอัลตร้าซาวด์เชิงปริมาณแนะนำที่ กระผิวไม่สามารถใช้เป็นเครื่องหมายสำหรับ fibrosis ใต้ เครื่องมือเหล่านี้อาจพิสูจน์ประโยชน์สำหรับการลดรังสีตัวและปรับปรุงคุณภาพชีวิตของผู้ป่วยคำสำคัญ: ความเป็นพิษของรังสี มะเร็งเต้านม เครื่องทดสอบกรดด่าง เครื่องอัลตราซาวด์แนะนำสำหรับส่วนใหญ่ของผู้หญิงที่มีมะเร็งเต้านม การรักษาด้วยรังสีเป็นส่วนประกอบสำคัญของการรักษาที่ช่วยลดความเสี่ยงของการเกิดขึ้นในท้องถิ่น ตลอดจนการปรับปรุงอนุรักษ์เต้านมและการอยู่รอด อย่างไรก็ตาม toxicities เนื้อเยื่อปกติทำให้เกิดรังสีคือทั่วไป ซับซ้อน และเศร้า ความเป็นพิษเฉียบพลันพัฒนาภายในวันสัปดาห์หลังจากรักษาผลกว่า 90% ของผู้หญิงที่ได้รับความเป็นพิษปลาย radiotherapy.1 มะเร็งเต้านมอาจเกิดเดือนปีภายหลังผล 30% ถึง 40% ของ postirradiation patients.2, 3, 4, 5, 6 แต่ไม่ได้แพร่หลายเป็นเฉียบพลัน ปลาย toxicities concerning อย่างยิ่งเนื่องจากลักษณะของพวกเขาแบบถาวร และมักจะ ถาวรรังสีบำบัดมะเร็งวิทยากลุ่ม (RTOG) ก่อตั้ง morbidity รังสีปลายที่แผนการให้คะแนน และแบ่ง toxicities ปลายเป็นสองชนิด: ผิวหนังเป็นพิษและความเป็นพิษใต้ (ตารางตารางผม)7, 8, 9 ตามผลการวิจัยทางคลินิกสอบ แพทย์กำหนดเกรดเป็น 0 (ขาด) ถึง 4 (รุนแรง) ส่วนใหญ่มีประเมินความเป็นพิษของผิว โดยตรวจสอบภาพตามการเปลี่ยนแปลงสี (ปกติเมลานิน), ในขณะที่เนื้อเยื่อใต้ส่วนใหญ่มีประเมินความเป็นพิษ โดย palpation ปัญหาร้ายแรงหนึ่งของแผนงานนี้จัดเกรดเป็น subjectivity โดยธรรมชาติของการคัดเลือกการเปลี่ยนแปลงเป็น "เล็กน้อย" (เกรด 1), "ปานกลาง" (ชั้น 2), หรือ "การทำเครื่องหมาย/อย่างรุนแรง" (ชั้น 3) นอกจากนี้ ประเมินผลดังกล่าวไม่ให้ข้อมูลเพียงพอลักษณะ pathophysiology ของการเปลี่ยนแปลงของเนื้อเยื่อ ตารางที่ 1รังสีบำบัดมะเร็งวิทยากลุ่ม (RTOG) ปลายรังสี morbidity คะแนนโครงร่างเนื่องจากความจำกัดของการประเมินผลความเป็นพิษมาตรฐาน ประวัติศาสตร์ธรรมชาติและกลไกทางชีวภาพของรังสี toxicities จะยังไม่เข้าใจ หนึ่งคำถามที่ยังคงอยู่คือว่าผิวความเป็นพิษคู่กับความเป็นพิษของเนื้อเยื่อใต้ ที่อยู่นี้ เราตรวจสอบเครื่องมือประเมินวัตถุประสงค์ 2: แคบวง spectrophotometry และอัลตร้าซาวด์เชิงปริมาณวัดเครื่องทดสอบกรดด่างวงแคบผิวบาดเจ็บผ่านเมลานิน และ erythema indices.10 ผิวคล้ำเปลี่ยนแปลงจะมีผลข้างเคียงทั่วไปของวิธีการฉายรังสี เครื่องหมายของการเปลี่ยนสีผิวเมลานินและ erythema ดัชนีได้ เมลานินคือ เม็ดสีสำคัญที่สังเคราะห์ melanosomes ผูกกับเมมเบรนที่โรคชั้นของหนังกำพร้าอยู่ภายใน Erythema อธิบายแดงของผิวหนังที่เกิดจาก dilation ของเส้นเลือดฝอย Erythema อาจแนะนำการพัฒนาของ telangiectasias ซึ่งมีความเป็นพิษรังสีทั่วไปอื่นของผิวหนังเทคนิคเชิงปริมาณซาวด์ของเราวัดการเปลี่ยนแปลงในการบาดเจ็บที่ใต้ผิวหนังหนาและ Pearson coefficient.11, 12, 13, 14 ผิวหนาเป็นการตอบสนองที่รู้จักกับรังสีที่อาจวัด โดยระยะห่างระหว่างสะท้อนความถี่วิทยุ (RF) จากพื้นผิวของผิวหนัง และของ hypodermis ยัง ความเสียหายที่เกิดจากรังสีชั้นโรคของเซลล์ผิวหนังที่เกิดการอินเตอร์เฟซประมาณ hypodermal มัว และผิดปกติในรูปภาพ B-โหมดอัลตร้าซาวด์ เพื่อการนี้ เราคำนวณสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์เพียร์สันของสัญญาณ envelop บรรทัดติดกับแกนตามอินเทอร์เฟซประมาณ hypodermal เพื่อกำหนดปริมาณความสมบูรณ์ของ ประเมินทั้งหมดถูกตรวจสอบ โดยเปรียบเทียบกับการประเมินทางคลินิกในสรุป วัตถุประสงค์ของการศึกษานี้มี: (1) การตรวจสอบการใช้รวม spectrophotometry และอัลตร้าซาวด์เชิงปริมาณสำหรับเกิดรังสีปลายความเป็นพิษประเมิน (2) การกำหนดว่า กระผิวที่เกิดจากรังสีอาจจะใช้เป็นเครื่องหมายสำหรับเนื้อเยื่อใต้ fibrosis ในฉายแสงมะเร็งเต้านมวิธีการผู้ป่วยที่สแกนสิบแปดเต้านมโรคมะเร็ง ผู้ ป่วยก่อนหน้านี้ได้รับการรักษาอนุรักษ์เต้านม (lumpectomy และเต้านมวิธีการฉายรังสี) สำหรับมะเร็งระยะแรก ๆ ฝ่ายเต้านม ได้ลงทะเบียนสถาบันคณะกรรมการอนุมัติศึกษา (ตารางตาราง II) ก่อนที่จะลงทะเบียน ผู้ป่วยทั้งหมดได้รับมาตรฐานหลักสูตรของรังสี: 50.0-50.4 Gy (1.8-2.0 Gy/เศษ) ส่งไปเต้านมบำบัดใช้คู่ขนาน และข้ามคาน 6 MV tangential ตาม ด้วยการเพิ่มอิเล็กตรอนของ Gy 10.0-16.0 ส่งไป lumpectomy ตำแหน่งของยาที่กำหนดเป็นสองในสามของระยะทางตั้งฉากจากพื้นผิวขอบหลังของฟิลด์สัมผัส ที่แยกกลางบนชิ้นแกนกลาง Wedges ถูกใช้ในการรักษาปริมาณรังสีสูงสุดภายใน 7% ของยาที่ ผู้ป่วยแต่ละได้รับหนึ่งศึกษาเกี่ยวกับภาพเชิงปริมาณระหว่างการเยือนของเธอติดตามปกติ ช่วงเวลาระหว่างเสร็จสิ้นการรักษาและติดตามผลการสแกนอยู่ในช่วงตั้งแต่ 6 เดือน 92 (มัธยฐาน 22 เดือน) ตารางที่ 2ผู้ป่วยที่เกี่ยวข้องกับลักษณะผู้ป่วยทั้งหมดรับการศึกษาเครื่องทดสอบกรดด่างและอัลตร้าซาวด์ แต่ละที่ต้องการประมาณ 5 นาที ผู้ป่วยก่อนถูกสแกนใน supine ตำแหน่งกับเครื่องทดสอบกรดด่าง Mexameter MX (กล้า + Khazaka อิเล็กทรอนิกส์ GmbH เยอรมนี) สแกนเครื่องทดสอบกรดด่างได้ตลอดจนการ 12:00, 3:00, 6:00 และ 9:00 ตำแหน่งในการบำบัด และ contralateral หน้าอกกิน (Fig.1).1) เครื่องทดสอบกรดด่างวัดได้ซ้ำสามครั้ง และ averaged สำหรับความน่าเชื่อถือมากขึ้น ผู้ป่วยได้แล้วสแกน ด้วยอัลตร้าซาวด์ทางคลินิก Sonix RP (Ultrasonix แพทย์ คอร์ปอเรชั่น BC แคนาดา) โพรบแถวลำดับเชิงเส้นถูกจ้างเพื่อซื้อภาพโหมด B และ RF สะท้อนสัญญาณที่ความถี่ศูนย์ 6 MHz อัลตร้าซาวด์ข้อมูลทั้งหมดได้รับมาโดยใช้การตั้งค่าเดียวกัน: 10 MHz ความถี่ 1.25 ซม.ความยาวโฟกัส ลึก 4 ซม. 72% กำไร และช่วง 80 dB สแกนรับถ่ายที่ 12:00 (ด้านบน), 3:00 (ด้านใกล้กลางขวาเต้านม/ด้านข้างซ้ายเต้านม), 6:00 (ล่าง), และตำแหน่ง 9:00 (เต้านมซ้ายด้านข้างขวาเต้านม/ด้านใกล้กลาง) ในการบำบัด และ contralateral หน้าอกกิน (Fig.2,2 การทำซ้ำของตัวเลขในการอ้างอิง 11) เครื่องทดสอบกรดด่างและอัลตร้าซาวด์ข้อมูลถูกจัดเก็บ และวิเคราะห์แบบออฟไลน์ รูปที่ 1ไดอะแกรมแสดง Mexameter MX (ก)โพรบแบบวงกลมเส้นผ่าศูนย์กลาง 0.5 เซนติเมตร และพื้นที่ผิว cm2 0.2 และ (ข) ตำแหน่งของเต้านม Mexameter สแกน รูปที่ 2ไดอะแกรมแสดง (ก) การวางแนวของโพรบซาวด์ และ (ข) ตำแหน่งของแกนอัลตร้าซาวด์เต้านมการประเมินเชิงปริมาณความเป็นพิษMexameter MX วัดเมลานินและ erythema ยึดหลัก spectrometry กระจายชำระเงินผ่านธนาคาร โพรบเครื่องทดสอบกรดด่าง emits แสงความยาวคลื่นที่สาม: 568 nm (แสงสีเขียว), 660 nm (แสงสีแดง), และ 880 nm (แสงอินฟราเรด) ความเข้มของการดูดซับแสงสีแดงและอินฟราเรดสะท้อนแสง ตามสมการคำนวณดัชนีเมลานิน เมลานินดัชนี = log10 (สัญญาณอินฟราเรด signalRed)(1)ในทำนองเดียวกัน erythema ดัชนีตามเลือดรงควัตถุดูดซึมแสงสีเขียวและการสะท้อนของแสงสีแดง ที่เกี่ยวข้องตามสมการ ดัชนี erythema = log10 (signalGreen แดงสัญญาณ)(2)วัดจากด้านบน ด้านใกล้กลาง ต่ำ และสถานด้านข้างมี averaged สำหรับพารามิเตอร์แต่ละเครื่องทดสอบกรดด่างผิวรวมถึงลักษณะของเต้านมทั้งหมดเรามีการตรวจสอบของเราเทคโนโลยีอัลตร้าซาวด์เชิงปริมาณในการประเมินความเป็นพิษของเนื้อเยื่อปกติใน study.12 ก่อนหน้านี้ 13 ซาวด์พารามิเตอร์ถูกคำนวณจากข้อมูล RF โดยใช้ซอฟต์แวร์ matlab ในบ้าน ความหนาของผิวหนังที่ถูกกำหนดจากผลคูณของความเร็วการแพร่กระจายคลื่นอัลตร้าซาวด์ในเนื้อเยื่อเต้านม และช่วงเวลาระหว่างการโต้ตอบสัญญาณ RF ระหว่างหนังกำพร้าและ hypodermis ความหนาของผิวหนังจะแสดงนิพจน์ ผิวหนา = vM2fs(3)ที่ v คือ ความเร็วของเสียง M เป็นจุดตัวอย่างของผิวหนัง และ ƒs เป็นความถี่ในการสุ่มตัวอย่างซาวด์ M/s.15 พัก 1640 ในการศึกษานี้เป็นอัตราเร็วของเสียงในผิวหนังมนุษย์ พื้นผิวถูก contoured ในผู้ป่วยทั้งหมด โดยแหล่งหนึ่ง เราได้แสดงความน่าเชื่อถือระหว่างนักการและเดลี่สกินอินทรานักการ

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

Spectrophotometer and ultrasound evaluation of late toxicity following breast-cancer radiotherapy
Abstract
Purpose: Radiation-induced normal-tissue toxicities are common, complex, and distressing side effects that affect 90% of patients receiving breast-cancer radiotherapy and 40% of patients post radiotherapy. In this study, the authors investigated the use of spectrophotometry and ultrasound to quantitatively measure radiation-induced skin discoloration and subcutaneous-tissue fibrosis. The study’s purpose is to determine whether skin discoloration correlates with the development of fibrosis in breast-cancer radiotherapy.Methods : Eighteen breast-cancer patients were enrolled in our initial study. All patients were previously treated with a standard course of radiation, and the median follow-up time was 22 months. The treated and untreated breasts were scanned with a spectrophotometer and an ultrasound. Two spectrophotometer parameters—melanin and erythema indices—were used to quantitatively assess skin discoloration. Two ultrasound parameters—skin thickness and Pearson coefficient of the hypodermis—were used to quantitatively assess severity of fibrosis. These measurements were correlated with clinical assessments (RTOG late morbidity scores).Results: Significant measurement differences between the treated and contralateral breasts were observed among all patients: 27.3% mean increase in skin thickness (p < 0.001), 34.1% mean decrease in Pearson coefficient (p < 0.001), 27.3% mean increase in melanin (p < 0.001), and 22.6% mean increase in erythema (p < 0.001). All parameters except skin thickness correlated with RTOG scores. A moderate correlation exists between melanin and erythema; however, spectrophotometer parameters do not correlate with ultrasound parameters.Conclusions: Spectrophotometry and quantitative ultrasound are objective tools that assess radiation-induced tissue injury. Spectrophotometer parameters did not correlate with those of quantitative ultrasound suggesting that skin discoloration cannot be used as a marker for subcutaneous fibrosis. These tools may prove useful for the reduction of radiation morbidities and improvement of patient quality of life.
Keywords: radiation toxicity, breast cancer, spectrophotometer, ultrasound
INTRODUCTION
For the majority of women with breast cancer, radiation therapy is an essential component of treatment that reduces risk of local recurrence as well as improves breast preservation and survival.อย่างไรก็ตาม radiation-induced เนื้อเยื่อปกติ ความเป็นพิษทั่วไป ซับซ้อน และน่าวิตก ความเป็นพิษเฉียบพลันพัฒนาภายในวันสัปดาห์หลังจากการรักษาที่มีผลต่อกว่า 90% ของผู้หญิงที่ได้รับรังสีรักษามะเร็งเต้านม 1 พิษสายอาจเกิดขึ้นเดือนปีต่อมามีผล 30% ถึง 40% ของผู้ป่วย postirradiation . 2 , 3 , 4 , 5 , 6 แต่ไม่เป็นที่แพร่หลาย อย่างเฉียบพลัน late toxicities are particularly concerning due to their persistent, and often permanent, manifestations.
Radiation Therapy Oncology Group (RTOG) established a late radiation morbidity scoring scheme and categorized late toxicities into two types: skin toxicity and subcutaneous toxicity (Table TABLE I.).7, 8, 9 Based on clinical exam findings, physicians assigned a grade from 0 (absent) to 4 (severe). Skin toxicity is primarily evaluated by visual inspection based on changes in color (usually melanin), while subcutaneous-tissue toxicity is primarily evaluated by palpation. One serious problem of this grading scheme is the inherent subjectivity of qualifying changes as “slight” (grade 1), “moderate” (grade 2),หรือ " เครื่องหมาย / รุนแรง " ( ป. 3 ) นอกจากนี้ การประเมินดังกล่าวไม่ได้ให้ข้อมูลที่เพียงพอเพื่ออธิบายพยาธิสรีรวิทยาของการเปลี่ยนแปลงเนื้อเยื่อ โต๊ะ

1
รังสีรักษามะเร็งกลุ่ม ( rtog ) สายรังสีการให้คะแนนโครงการ .
เนื่องจากความสามารถ จำกัด ในการประเมินความเป็นพิษของมาตรฐานประวัติศาสตร์ธรรมชาติและกลไกทางชีวภาพของความเป็นพิษรังสียังไม่ค่อยเข้าใจ คำถามเดียวที่ยังคงอยู่คือว่ามีความเป็นพิษกับพิษผิวหนัง เนื้อเยื่อใต้ผิวหนัง ไปที่อยู่นี้เราใช้สองเครื่องมือการประเมินวัตถุประสงค์ : วิธีอัลตราซาวนด์
วงแคบเชิงปริมาณThe narrow band spectrophotometer measures skin injury through melanin and erythema indices.10 Pigmentation change is a common side effect of irradiation. Melanin and erythema indices are markers of skin discoloration. Melanin is the major pigment synthesized within membrane-bound melanosomes at the basal layer of the epidermis. Erythema describes redness of the skin resulting from the dilation of capillaries. Erythema may suggest the development of telangiectasias, which is another common radiation toxicity of the skin.
Our quantitative ultrasound technique measures changes in subcutaneous injury through skin thickness and Pearson coefficient.11, 12, 13,14 ผิวหนังหนาคือการตอบสนองที่รู้จักกันดีกับรังสีที่อาจจะวัดจากระยะห่างระหว่างความถี่วิทยุ ( RF ) สะท้อนจากพื้นผิวของผิวหนัง และจากที่ของ hypodermis . รังสีทำลายเซลล์ผิวหนังชั้นฐานของผลลัพธ์ในรางผิดปกติ ซึ่ง hypodermal อินเตอร์เฟซภาพอัลตราซาวน์โหมด . จบเรื่องนี้ we calculated the Pearson correlation coefficient of envelop signals of the adjacent scan lines along the dermal-hypodermal interface in order to quantify its integrity. All measurements were validated through comparison with clinical assessment.
In summary, the purposes of this study were: (1) to investigate the combined use of spectrophotometry and quantitative ultrasound for radiation-induced late toxicity assessment; (2) to determine whether radiation-induced skin discoloration may be used as a marker for subcutaneous-tissue fibrosis in breast-cancer radiotherapy.
METHODS
Patient scanning
Eighteen breast cancer patients, who had previously received breast conservation therapy (lumpectomy and breast irradiation) for early-stage unilateral breast cancer, were enrolled in an Institutional Review Board approved study (Table TABLE II.). Prior to enrollment, all patients had received a standard course of radiation: 50.0 to 50.4 Gy (1.8-2.0 Gy/fraction) delivered to the treated breast using a pair of parallel and opposed tangential 6-MV beams, followed by an electron boost of 10.0 to 16.0 Gy delivered to the lumpectomy site. The location of the prescribed dose was two-thirds of the perpendicular distance from the skin surface to the posterior border of the tangent field, at mid-separation on the central axis slice. Wedges were used to maintain the maximum dose within 7% of the prescription. Each patient received one quantitative imaging study during her regular follow-up visit. The time interval between treatment completion and follow-up scan ranged from 6 to 92 months (median of 22 months).

Table 2
Patient related characteristics.
All patients received spectrophotometer and ultrasound studies,แต่ละตัวประมาณ 5 นาที ผู้ป่วยแรกสแกนในท่ากับ Spectrophotometer mexameter MX ( ความกล้าหาญ khazaka อิเล็กทรอนิกส์ GmbH , Germany ) สแกนเครื่องได้มาที่ 12 : 00 ตอนบ่ายสาม ที่ 6 และ 9 ตำแหน่งในการรักษาและหน้าอกรูปขนาดย่อ ( ภาพ ( ” ) 1 )วัด Spectrophotometer เป็นเวลาสามครั้ง และเฉลี่ยสำหรับความน่าเชื่อถือมากกว่ากัน ผู้ป่วยแล้วสแกนด้วย Ultrasound คลินิก SONIX RP ( บริษัท ultrasonix ทางการแพทย์ก่อนคริสต์ศักราช , แคนาดา ) ตรวจสอบอาร์เรย์เชิงเส้นเป็นลูกจ้างที่จะได้รับภาพโหมด RF และสะท้อนสัญญาณที่ 6-mhz ศูนย์ความถี่ ข้อมูลซาวด์ทั้งหมดได้มาโดยใช้การตั้งค่าเดียวกัน : 10 MHz ความถี่ 125 cm ความยาวโฟกัส 4 ซม. ความลึก 72 % ได้ 80 dB และช่วงไดนามิค . ภาพสแกนอยู่ในทํานองเดียวกัน ถ่ายที่ 12 : 00 ( บน ) , 3 ( medial ขวาอกด้านข้าง อกซ้าย ) , 6 ( ล่าง ) และ 9 ( ข้างขวาหน้าอก / อยู่ตรงกลางอกซ้าย ) ตำแหน่งในการรักษาและหน้าอกรูปขนาดย่อ ( ภาพ ( fig.2,2 การสืบพันธุ์ของรูปในอ้างอิงที่ 11 ) The spectrophotometer and ultrasound data were stored and analyzed offline.

Figure 1
Diagram showing (a) the Mexameter MX with circular probe of 0.5 cm diameter and 0.2 cm2 surface area, and (b) the location of Mexameter breast scans.

Figure 2
Diagram showing (a) the orientation of the ultrasound probe, and (b) the locations of the breast ultrasound scans.
Quantitative toxicity assessment
Mexameter MX measures melanin and erythema based on the diffuse remittance spectrometry principle. The spectrophotometer probe emits light of three wavelengths: 568 nm (green light), 660 nm (red light), and 880 nm (infrared light). Melanin index is calculated from the intensity of red light absorption and infrared light reflection, according to the equation
LN ดัชนี = เมลานิน ( สัญญาณอินฟราเรด ( 1 ) signalred )

ส่วนดัชนีแดงยึดดูดซับเลือด สี เขียวอ่อน และการสะท้อนของแสง สีแดง ที่เกี่ยวข้อง โดยสมการ
erythema ดัชนี = LN ( สัญญาณ signalgreen สีแดง )

( 2 ) วัดจาก medial , ล่าง , บนและสถานที่ที่มีกำลังเฉลี่ยสำหรับแต่ละพารามิเตอร์เครื่องสะท้อนให้เห็นถึงลักษณะโดยรวมของผิวหนังเต้านมทั้งหมด .
เราได้ตรวจสอบอัลตราซาวนด์เทคโนโลยีเชิงปริมาณของเราในการประเมินความเป็นพิษของเนื้อเยื่อปกติใน study.12 ก่อนหน้านี้ 13 ค่าอัลตร้าซาวด์ถูกคำนวณจากข้อมูล RF ใช้ซอฟต์แวร์ Matlab ในบ้าน Skin thickness was determined from the product of the ultrasound wave propagation speed in breast tissue, and the time interval between RF signal interaction between the epidermis and hypodermis. Skin thickness is represented by the expression
Skin thickness=vM2fs,
(3)
where v is the speed of sound, M is the sample points of the skin, and ƒs is the ultrasound sampling frequency. The speed of sound in the human skin is 1640 m/s.15 In this study, the skin surfaces were contoured in all patients by one observer. We have demonstrated the reliability of inter-observer and intra-observer skin deli