Оптимизированный протокол бипараметрической магнитно-резонансной томографии для диагностики рака предстательной железы

Полный текст

ОБОСНОВАНИЕ

Рак предстательной железы (РПЖ) занимает второе место в структуре заболеваемости злокачественными новообразованиями среди мужчин [1]. Магнитно-резонансная томография (МРТ) является одним из ведущих методов диагностики РПЖ. Впервые рекомендации PI-RADS (Prostate Imaging Reporting and Data System) для оценки результатов мультипараметрической МРТ (мпМРТ) были опубликованы в 2012 г. [2] и обновлены в 2015 г. [3]. Однако система оценки по PI-RADS v.2 была недостаточно совершенной [4], поэтому в 2019 г. появилась новая версия ― PI-RADS v2.1, что позволило упростить оценку и снизить вариабельность интерпретации мпМРТ предстательной железы врачами-рентгенологами [5]. В последние годы интерес к бипараметрической МРТ (бпМРТ) объясняется как более коротким временем сканирования и, соответственно, более низкой себестоимостью исследования, так и возможностью избежать зачастую неоправданного введения контрастного препарата. Динамическое контрастное усиление не всегда играет решающую роль, поскольку используется в случае обнаружения по Т2-взвешенным изображениям (Т2-ВИ) и картам измеряемого коэффициента диффузии (ИКД) гипоинтенсивных образований. Кроме того, применение контрастного препарата имеет ряд побочных эффектов, в том числе увеличивает время сканирования и стоимость исследования [6].

Практика показала, что рекомендации PI-RADS, независимо от конечной цели исследования, не всегда могут быть соблюдены по целому ряду причин: вследствие технических характеристик магнитно-резонансных томографов, особенностей их настройки, индивидуальных пожеланий врачей-рентгенологов и клиницистов отдельных медицинских организаций, сформировавшихся протоколов сканирования для того или иного отделения лучевой диагностики.

Цель исследования ― разработать ускоренный (оптимизированный) протокол бпМРТ для диагностики РПЖ в условиях медицинских организаций Департамента здравоохранения города Москвы (МО ДЗМ), максимально приближённый к рекомендациям PI-RADS v2.1. Такой протокол имеет потенциал для сокращения времени проводимого исследования с целью оптимизации работы отделений. При условии дальнейшего доказательства сопоставимой с мпМРТ диагностической точности ― стандартизировать протоколы сканирования предстательной железы. В перспективе рассматривается внедрение искусственного интеллекта, чтобы использовать разработанные алгоритмы для повышения качества визуализации и оценки результатов МРТ органов малого таза у мужчин.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Первым этапом выполнена оценка действующих протоколов сканирования предстательной железы в МО ДЗМ. Поиск и анализ результатов проводился в Едином радиологическом информационном сервисе автоматизированной Единой медицинской информационной системы г. Москвы (ЕРИС ЕМИАС) на предмет различий в методике сканирования и установленных технических парамет-ров. Метаданные были получены и проанализированы путём их выгрузки из ЕРИС ЕМИАС. Временной интервал, по которому проводился поиск в соответствующих МО, включал 2019–2021 гг. Поисковый запрос включал следующие ключевые слова: «магнитно-резонансная томография органов малого таза», «магнитно-резонансная томография органов малого таза с контрастированием», «мультипараметрическая магнитно-резонансная томография предстательной железы», «бипараметрическая магнитно-резонансная томография предстательной железы». Клинические случаи были выбраны авторами случайным образом.

Далее, так же случайным образом, были выбраны три медицинские организации (МО 1, МО 2, МО 3) с наиболее распространённой моделью МРТ (Excelart Vantage 1,5 Тл, Тошиба, Япония) и при помощи имитирующего предстательную железу фантома [7] настроены оптимизированные протоколы. Качество визуализации оценивалось врачом-рентгенологом со стажем более 10 лет совместно с коллегами, работающими непосредственно на данном аппарате во время сканирования. С точки зрения организации процесса, исследования выполнялись традиционным способом: пациентов располагали в положении лежа на спине, использовали стандартную катушку для тела. Все пациенты прошли необходимую подготовку перед исследованием с целью уменьшения артефактов и наводок.

После формирования протокола, максимально приближённого к требованиям PI-RADS v2.1 [8] и удовлетворяющего врачей-рентгенологов, была выполнена количественная оценка качества визуализации. Для этого рекомендованный Американским обществом рентгенологов (American College of Radiology, ACR) фантом был отсканирован с применением оптимизированного протокола так, как это выполняется в принятой процедуре технического контроля [9] (рис. 1). По полученным аксиальным изображениям фантома рассчитаны параметры качества: неоднородность, нелинейность, разрешающая способность, толщина выделяемого среза.

 

Рис. 1. Оценка качества визуализации: а ― фантом предстательной железы; b ― пациент; c ― фантом Американского общества радиологов (ACR).

 

РЕЗУЛЬТАТЫ

Оценка выполняемых исследований

Решая поставленную задачу, мы столкнулись с тем, что методика сканирования отличается в различных МО ДЗМ. Так, например, в трёх МО набор импульсных последовательностей, помимо необходимых, значительно варьирует, что влияет как на полноту диагностической информации, так и на суммарное время сканирования (табл. 1).

 

Таблица 1. Используемые импульсные последовательности

Импульсная последовательность	МО 1	МО 2	МО 3
T2 ax	+ (3)	+ (4)	+ (4)
T2 cor	+ (3)	+ (3)	-
T2 sag	+ (3)	+ (4)	+ (5)
T1 ax	+ (3)	+ (4)	-
T1 cor	-	-	+ (5)
T1 FS cor	-	-	+ (6)
T2 FS ax	+ (3)	-	+ (4)
T2 FS cor	+ (3)	-	+ (3)
DWI	+ (5)	+ (4)	+ (3)
ADC	+ (5)	+ (4)	+ (3)
Суммарное время сканирования, мин	22	30	40

Примечание. «+» ― наличие, в скобках указана толщина слоя в миллиметрах (мм); «-» ― отсутствие. МО ― медицинская организация.

 

То же актуально и для технических параметров сканирования. В табл. 2 и 3 на примере Т2-ВИ и диффузионно-взвешенных изображений (ДВИ) в аксиальной проекции суммированы метаданные, наглядно отражающие вышеупомянутые различия.

 

Таблица 2. Технические параметры на примере T2-взвешенных изображений, аксиальная проекция

Технические параметры	МО 1	МО 2	МО 3
TR, мс	5851	6006	5082
TE, мс	120	75	75
FOV, см	35×30	30×35	40×30
Matrix	256×256	256×256	512×256
NAQ	1	1	1
Spacing between slices, мм	3,5	4,3	4,4
ETL, мс	23	9	9

Примечание. Здесь и в табл. 3, 4: TR (repetition time) ― время повторения; TE (echo time) ― время эхо; FOV (field of view) ― поле обзора; Matrix ― матрица; NAQ (number of acquisition) ― число сборов данных; Spacing between slices ― расстояние между срезами; ETL (echo train length) ― длина эхо-трейна. МО ― медицинская организация.

 

Таблица 3. Технические параметры на примере диффузионно-взвешенных изображений, аксиальная проекция

Технические параметры	МО 1	МО 2	МО 3
TR, мс	6772	9377	8841
TE, мс	80	80	100
FOV, см	40×32	37×30	30×30
Matrix	128×128	128×192	128×128
NAQ	2	2	2
Spacing between slices, мм	1,75	4,5	6
ETL, мс	56	72	60

 

В результате, получаемые в разных организациях изображения ожидаемо различаются, что показано на рис. 2–4.

 

Рис. 2. Медицинская организация 1 (МО 1): а ― Т2-ВИ, аксиальная проекция (TR 5851, TE 120, FOV 35×30 см, Matrix 256×256); b, c ― ДВИ и ИКД (TR 6772, TE 80, FOV 40×32 см, Matrix 128×128).

Примечание. Здесь и на рис. 3–5: Т2-ВИ ― Т2-взвешенные изображения; ДВИ ― диффузионно-взвешенные изображения; ИКД ― измеряемый коэффициент диффузии. TR (repetition time) ― время повторения; TE (echo time) ― время эхо; FOV (field of view) ― поле обзора; Matrix ― матрица.

 

Рис. 3. Медицинская организация 2 (МО 2). В периферической зоне справа определяется гипоинтенсивная на Т2-ВИ и карте ИКД зона, прилежащая к капсуле (стрелки): а ― Т2-ВИ, аксиальная проекция (TR 6006, TE 75, FOV 30×25 см, Matrix 256×256); b, c ― ДВИ и ИКД (TR 9377, TE 80, FOV 37×30 см, Matrix 128×192).

 

Рис. 4. Медицинская организация 3 (МО 3). В периферической зоне слева определяется гипоинтенсивное на Т2-ВИ и карте ИКД образование (стрелки): а ― Т2-ВИ, аксиальная проекция (TR 5082, TE 75, FOV 40×30 см, Matrix 512×256); b, c ― ДВИ и ИКД (TR 8841, TE 100, FOV 30×30 см, Matrix 128×128).

 

Таким образом, во всех представленных МО ДЗМ соблюдены рекомендуемые PI-RADS v2.1 требования к наличию T2-ВИ в аксиальной и минимум в одной дополнительной (сагиттальной и/или корональной) проекции. Стоит также отметить, что рекомендуемая толщина слоя для Т2-ВИ в аксиальной проекции должна составлять не более 3 мм: в МО 2 и МО 3 она составляет 4 мм (см. рис. 3 и 4). То же актуально и для МО 1: толщина среза ДВИ составляет 5 мм при рекомендованных ≤4 мм (см. рис. 2). Важным фактором является поле обзора: согласно PI-RADS v2.1, для T2-ВИ значения FOV должны составлять 12–20 см, в то время как в МО 1 и МО 3 поле обзора значительно больше ― 30×35 и 40×30 см соответственно (см. рис. 2 и 4). Согласно PI-RADS v2.1, рекомендуемое поле обзора для ДВИ составляет 16–22 cм, в то время как во всех трёх МО данные рекомендации не соблюдены. Факт вариативности показателей FOV и толщины срезов неизбежно оказывает влияние на разрешающую способность и, как следствие, на возможность выявления образований.

Настройка оптимизированного протокола

С технической точки зрения, процедура настройки параметров протокола не отличалась от обычной работы аппликатора (например, при вводе оборудования в эксплуатацию). Однако в данном случае мы ориентировались на параметры, рекомендуемые PI-RADS v2.1. С целью минимизации воздействия факторов МРТ на пациента предварительная настройка параметров выполнялась на фантоме. При этом значения параметров ввиду невозможности точного воспроизведения рекомендаций по техническим причинам выбирались максимально приближёнными к ним и итерационно корректировались для достижения удовлетворительного (с точки зрения врача-рентгенолога) результата. Полученный в результате протокол представлен в табл. 4.

 

Таблица 4. Оптимизированные параметры сканирования

Импульсные последовательности, толщина слоя, мм	Установленные технические параметры		Длительность, мин
Т2 AX (3)	TR, мс	6400	2:25
	TE, мс	126
	FOV, см	20×20
	Matrix	512×512
	NAQ	1
	Spacing, мм	3,3
	ETL, мс	13
Т2 SAG (3)	TR, мс	5000	2:25
	TE, мс	100
	FOV, см	20×20
	Matrix	512×512
	NAQ	1
	Spacing, мм	3,3
	ETL, мс	9
T2 COR (3)	TR, мс	5000	2:25
	TE, мс	100
	FOV, см	20×20
	Matrix	512×512
	NAQ	1
	Spacing, мм	3,3
	ETL, мс	9
DWI (b=1000)	TR, мс	6858	3:25
	TE, мс	100
	FOV, см	30×30
	Matrix	256×256
	NAQ	5
	Spacing, мм	3
	ETL, мс	60
Т1 AX (5)	TR, мс	5,5	0:15
	TE, мс	2,5
	FOV, см	25×27
	Matrix	640×476
	NAQ	1
	Spacing, мм	2,5
Суммарное время сканирования (мин)			10:55

 

Отметим, что Т1-ВИ, согласно PI-RADS, не является обязательной последовательностью для бпМРТ. Её включение в протокол основано на стремлении обеспечить возможность оценки как вторичного поражения лимфатических узлов и костных структур исследуемой области, так и наличия геморрагических изменений в тканях железы и семенных пузырьках. Длительность Т1-ВИ в предложенной конфигурации составила 15 сек, что не оказывает значимого влияния на общее время исследования.

Контроль качества

Традиционным подходом к оценке технического состояния МРТ являются сканирование фантома и расчёт количественных характеристик качества изображения. В данной работе мы использовали стандартную процедуру контроля для разработанного протокола [9]. По полученным изображениям рассчитаны неоднородность яркости, разрешающая способность, нелинейность и измеряемая толщина среза (табл. 5).

 

Таблица 5. Результаты контроля качества изображений

Параметр	Определённое значение			Допустимое значение
	МО 1	МО 2	МО 3
Неоднородность, %	9,44	5,9	4,8	<10
Разрешающая способность, мм	1,0	1,25	1,0	≤1,5
Нелинейность, %	0,1	0,4	0,2	<1
Толщина среза, мм	3,0	3,1	3,0	3±1

Примечание. МО ― медицинская организация.

 

За допустимые значения были приняты характеристики томографа, взятые из документации производителя. Отметим, что часто используемый параметр соотношения сигнала/шума в данном исследовании не определялся из-за отсутствия референтного значения для разработанного протокола.

Клинические изображения

Полученный в результате протокол позволяет обеспечить достаточно высокий уровень качества визуализации. На рис. 5 представлены изображения, полученные с применением оптимизированного протокола. Суммарное время сканирования составило менее 11 мин.

 

Рис. 5. Изображения, полученные с применением ускоренного протокола бипараметрической магнитно-резонансной томографии. Пациент с изменениями предстательной железы, соответствующими PI-RADS 2: а ― Т2-ВИ, аксиальная проекция; b, c ― ДВИ и ИКД.

 

ОБСУЖДЕНИЕ

РПЖ является одной из лидирующих причин смерти среди мужчин. Так, например, в США РПЖ занимает второе место в структуре смертности от онкологических заболеваний [10], в европейских странах ― третье [11]. Несмотря на совершенствование методов диагностики РПЖ и проведение мониторинга простатспецифического антигена, заболеваемость в России остаётся высокой [12]. В настоящий момент к установленным факторам риска относят возраст, расовую (негроидную) принадлежность, а также семейный анамнез: риск развития заболевания выше в случае диагностики РПЖ у ближайших родственников в раннем возрасте или при наличии нескольких родственников с установленным диагнозом [13].

БпМРТ ― протокол сканирования, который включает в себя только T2-ВИ и ДВИ с картами ИКД. Всем пациентам с PI-RADS ≥3, подозрительным на злокачественные образования, принято проводить биопсию [14]. А поскольку такие поражения требуют дальнейшего внимания (основными импульсными последовательностями являются Т2-ВИ и ДВИ), эффект от динамического контрастного усиления может не иметь решающего значения. Таким образом, бпМРТ может быть широко внедрена в клиническую практику. Использование такого протокола в качестве быстрого неинвазивного теста для дальнейшей маршрутизации мужчин, нуждающихся в обследовании, и лиц с низким риском клинически значимого РПЖ представляется возможным.

T. Tamada и соавт. [6] показали, что для выявления клинически значимого РПЖ по PI-RADS v2.1 бпМРТ сопоставима с мпМРТ. Однако стоит отметить, что диаг-ностическая чувствительность была значительно выше при использовании мпМРТ, чем бпМРТ, в то время как специфичность была значительно выше при использовании бпМРТ, чем мпМРТ. Именно поэтому применение бпМРТ с использованием протокола PI-RADS v2.1 поможет избежать ненужных биопсий. В исследовании R.L. Sherrer и соавт. [14] показано, что у пациентов с отрицательными результатами в диагностике клинически значимого РПЖ по бпМРТ не выявлено опухолевой патологии и методом мпМРТ. Справедливости ради стоит отметить, что несмотря на то, что бпМРТ в работе J.P. Zawaideh и соавт. [15] была сопоставима с мпМРТ, при мультипараметрическом исследовании было выявлено меньше образований, классифицированных как PI-RADS 3 (8,3%), чем при бпМРТ (17%), и меньше ложноположительных результатов (11,4 против 18,9%), что и обеспечивает более высокую специфичность (74 против 67%) мпМРТ.

Для адекватной оценки МР-изображений врачом-рентгенологом необходим целый ряд факторов: правильная подготовка пациента, выбор режима сканирования в зависимости от конечной цели исследования, а также выбор оптимальных параметров сканирования. К тому же стоит отметить, что диагностика может быть затруднена (из-за выраженных артефактов от перистальтики кишечника или, например, имплантатов тазобедренных суставов), ввиду чего исследование нельзя будет подвергнуть оценке по PI-RADS по определению. Немаловажную роль играет знание анамнеза пациента. Клинико-лабораторные данные вкупе с анализом МР-изображений дают более полную картину о состоянии пациента.

Говоря об оптимизации работы отделений, вопросы «ускорения» протоколов сканирования предстательной железы поднимаются и в иностранной литературе. M. van der Leest и соавт. [16] предлагают применение протокола, содержащего в себе только T2-ВИ, ДВИ и ИКД для диаг-ностики клинически значимого РПЖ с целью укорочения времени и удешевления исследования. В работе продемонстрированы следующие данные: ненужной биопсии удалось избежать 47% пациентов при использовании ускоренного протокола бпМРТ, при этом обычные протоколы бпМРТ и мпМРТ потребовали проведения биопсии в 49% случаев. Авторы сообщают, что ускоренная бпМРТ может быть выполнена за 8 мин, что позволяет сократить прямые затраты на исследование более чем в два раза (54%) по сравнению с мпМРТ и на 37% по сравнению с обычной бпМРТ. Согласие между экспертами, запланированное исследованием, составило 90% для быстрой и 93% для обычной бпМРТ [16]. В то же время, согласно результатам работы A. Stanzione и соавт. [17], диагностическая точность ускоренного протокола бпМРТ была самой низкой (83%) в отличие от протоколов бпМРТ и мпМРТ (86 и 87% соответственно). Авторы пришли к выводу, что такой протокол неприменим для данной цели, в том числе продемонстрировали результаты, что интерпретация исследований напрямую зависит от опыта врачей-рентгенологов.

R. Engels и соавт. [8] провели масштабный анализ, результатом которого было суммирование минимальных рекомендуемых технических параметров для мпМРТ в виде таблицы, где итоговое время сканирования на бипараметрическом протоколе с использованием томографов 1,5 Тл составило более 13 мин. В нашем исследовании достигнута цель в виде укорочения времени протокола сканирования: так, при использовании рекомендованных PI-RADS v1 импульсных последовательностей для бпМРТ длительность нашего протокола составила 10 мин 40 сек. Нами также предложено использовать дополнительно Т1-ВИ в аксиальной проекции длительностью 15 сек, при этом суммарное время сканирования составляет 10 мин 55 сек.

Разработанный нами протокол является первым этапом работы, посвящённой целесообразности применения МРТ в качестве метода скрининга РПЖ. Для подтверждения этой гипотезы необходимо больше доказательств, что даёт простор будущим исследователям. Представлено всего три клинических случая из трёх различных МО ДЗМ, демонстрирующих разнородность протоколов сканирования предстательной железы. Вместе с тем стоит отметить, что протокол был разработан для одной модели МРТ (Excelart Vantage 1,5 Тл), для которой и были рассчитаны параметры качества. Протокол, безусловно, требует адаптации и тестирования на других моделях томографов с последующей оценкой результатов.

Протокол требует дальнейшего изучения диагностической точности для выявления РПЖ, например, посредством применения текстурного анализа, представляющего собой предмет повышенного интереса в диагностике РПЖ [18], с целью сопоставления с результатами гистопатологических заключений. Следовательно, следующим этапом будет статистическое сравнение исследований, полученных с помощью стандартных для разных МО ДЗМ протоколов сканирования предстательной железы, и оптимизированного протокола.

Протокол следует подвергнуть дальнейшей оценке суммарных временных затрат и экономической целесообразности в целом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наборы импульсных последовательностей напрямую зависят от конечной цели проводимого исследования, индивидуальных пожеланий врачей-рентгенологов и клиницистов отдельных МО. Наличие сформировавшихся, «привычных», протоколов сканирования для того или иного отделения лучевой диагностики как результат отсутствия стандартизированных, унифицированных протоколов представляет собой проблему. Поскольку сканирование, полностью отвечающее рекомендациям PI-RADS v2.1, не всегда возможно в условиях МО ДЗМ для диагностики РПЖ, процедуру в каждой конкретной МО проводят по разным протоколам с использованием набора различных импульсных последовательностей и технических характеристик, что отражается в том числе на времени проведения исследования. Мы предлагаем оптимизированный протокол бпМРТ. Технические характеристики предложенного протокола максимально приближены к стандартам PI-RADS, при этом время сканирования составляет менее 11 мин, что, безусловно, может сыграть роль в оптимизации работы отделений лучевой диагностики в условиях повышенной нагрузки.

Стандартизированный протокол с использованием полученных МР-изображений имеет потенциал для дальнейшего обучения и внедрения искусственного интеллекта в программы обследования органов малого таза у мужчин посредством методов лучевой диагностики.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Источник финансирования. Даная статья подготовлена авторским коллективом в рамках научно-исследовательской работы (№ ЕГИСУ: АААА-А21-121012290079-2) в соответствии с Программой Департамента здравоохранения города Москвы «Научное обеспечение столичного здравоохранения» на 2020–2022 годы.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией). Наибольший вклад распределён следующим образом: Ю.А. Васильев ― концепция и дизайн исследования, настройка предлагаемого протокола сканирования, редактирование и утверждение итогового варианта текста рукописи, консультативная поддержка; Л.Р. Абуладзе — концепция и дизайн исследования, анализ данных, написание текста статьи; Д.С. Семенов ― концепция и дизайн исследования, анализ данных, написание текста статьи, проведение технического аудита; О.Ю. Панина ― редактирование текста рукописи, консультативная поддержка.

ADDINIONAL INFORMATION

Funding source. This article was prepared as part of research (№ ЕГИСУ: АААА-А21-121012290079-2) under the Program of the Moscow Healthcare Department “Scientific Support of the Capital’s Healthcare” for 2020-2022.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Authors' contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work. Yu.A. Vasilev — study design, MRI protocol optimization, manuscript revising, advisory support, L.R. Abuladze — study design, data analysis, manuscript drafting; D.S. Semenov — study design, data analysis, manuscript drafting, technical audit; O.Yu. Panina — manuscript revising, advisory support.

Об авторах

Лия Руслановна Абуладзе

Научно-практический клинический центр диагностики и телемедицинских технологий

Email: l.abuladze@npcmr.ru
ORCID iD: 0000-0001-6745-1672
SPIN-код: 5640-9989
Россия, Москва

Дмитрий Сергеевич Семенов

Научно-практический клинический центр диагностики и телемедицинских технологий

Email: d.semenov@npcmr.ru
ORCID iD: 0000-0002-4293-2514
SPIN-код: 2278-7290
Scopus Author ID: 57213154475
ResearcherId: P-5228-2017
Россия, Москва

Ольга Юрьевна Панина

Научно-практический клинический центр диагностики и телемедицинских технологий; Городская клиническая онкологическая больница №1; Московский государственный медико-стоматологический университет имени А.И. Евдокимова

Email: olgayurpanina@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-8684-775X
SPIN-код: 5504-8136
ResearcherId: AAG-6447-2020
Россия, Москва; Москва; Москва

Юрий Александрович Васильев

Научно-практический клинический центр диагностики и телемедицинских технологий

Автор, ответственный за переписку.
Email: dr.vasilev@me.com
ORCID iD: 0000-0002-0208-5218
SPIN-код: 4458-5608
Россия, Москва

Список литературы

Дополнительные файлы