CC BY
81
Раздел - лучевая диагностика
Диффузионно-взвешенная магнитно-резонансная томография в оценке химио-лучевого лечения метастатического поражения костных структур
Сергеев Н.И., Котляров П.М., Солодкий В.А.
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Российский научный центр рентгенорадиологии" Министерства здравоохранения Российской Федерации
Диффузионно-взвешенная магнитно-резонансная томография в оценке химио-лучевого лечения метастатического поражения костных структур
Сергеев Н.И., Котляров П.М., Солодкий В.А.
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Российский научный центр рентгенорадиологии" Министерства здравоохранения Российской Федерации
Авторы:
Сергеев Николай Иванович - к.м.н., ведущий научный сотрудник научно-исследовательского отдела новых технологий и семиотики лучевой диагностики заболеваний органов и систем ФГБУ «Российский научный центр Рентгенорадиологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации.
Котляров Петр Михайлович - д.м.н., профессор, заведующий научно-исследовательского отдела новых технологий и семиотики лучевой диагностики заболеваний органов и систем ФГБУ «Российский научный центр Рентгенорадиологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации.
Солодкий Владимир Алексеевич - член-корреспондент РАН, профессор, директор ФГБУ «Российский научный центр Рентгенорадиологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации.
Аннотация
Проанализированы данные стандартной и диффузионно-взвешенной магнитно-резонансной томографии 65 пациентов с диагнозом метастатическое поражение костей при верифицированных злокачественных новообразованиях различной локализации. Проведена оценка результатов химио-лучевого лечения метастатического поражения костей с использованием диффузионно-взвешенных изображений, полученные данные сопоставлены с изменениями клинической картины больных. Ключевые слова: МРТ, ДВИ, метастазы в кости, онкология
Diffusion-weighted magnetic resonance imaging (DW MRI) in the evaluation of chemo-radiation treatment of metastatic lesions of bone structures
I. Sergeyev, P. Kotlyarov, V. Solodkiy.
Federal state budgetary institution "Russian Scientific Center of Roentgenoradiology" of the
Ministry of Healthcare of the Russian Federation (RSCRR)
Abstract
The analysis of standard and diffusion-weighted magnetic resonance imaging (DW MRI) of 65 patients with a diagnosis of bone metastases with verified malignant tumors of various localization. The estimation results of chemo-radiotherapy for metastatic bone lesions using diffusion-weighted imaging, the data were compared with the clinical changes in patients. Keywords: DW MRI, bone metastases, cancer.
Введение
Магнитно- резонансная томография является одним из наиболее эффективных методов прямой визуализации костного мозга (Сергеев и др., 2012; Lecouvet, 2016). Продолжающееся технологическое развитие обуславливает появление новых
технологий и подходов в рамках уже известного метода, требующих проведение дополнительных обследований. Так, одной из перспективных методик является диффузионно-взвешенная магнитно-резонансная томография, позволяющая визуализировать и измерять случайное (броуновское) движение молекул воды (Карельская, Кармазановский, 2010; Wu et al., 2011). Интенсивность сигнала на диффузионно-взвешенных изображениях (ДВИ) отражает условную скорость перемещения молекул воды в межклеточном и во внутриклеточном пространствах, а также между ними. Когда броуновское движение молекул воды относительно не ограничено во всех направлениях, диффузия является изотропной (т.е. аналогичной окружающим тканям, не видимой на изображениях). Если возникает ограничение диффузии в одном или нескольких направлениях, движение воды становится анизотропно. Практически все патологические процессы в организме так или иначе влияют на клетки и их мембраны, вызывая деформацию, сдавление, набухание, химическое взаимодействие молекул воды и др. , что приводит к изменению проницаемости клеточных мембран и вызывает изменение степени или коэффициента диффузии молекул воды. Существенным преимуществом диффузионно-взвешенных исследований является возможность получения не только качественной информации, что в терминах шкалы относительности означает более яркий сигнал от участков (тканей), с ограниченной диффузией, но и количественной. Это обусловлено возможностью вычисления измеряемого коэффициента диффузии (ИКД) (apparent diffusion coefficient, ADC), характеризующегося средним квадратом расстояния, которое проходят молекулы
воды за единицу времени. Этот общий принцип методики обеспечивает широкие возможности ДВИ в клинической, в том числе онкологической практике, т.к. может быть применен практически в любой анатомической локализации, а также обладает высокой чувствительностью при выявлении мягкотканных новообразований (Kim et al., 2008; Li et al., 2009). Эффективность противоопухолевого специализированного лечения зависит в немалой степени от возможности наиболее точно и на раннем этапе достоверно определить результат проводимой терапии, что позволяет корректировать ее план. Наличие метастатического поражения костных структур, в отсутствие метастазов в паренхиматозные органы, характеризуется сравнительно низкой летальностью, однако качество жизни таких пациентов может быть существенно снижено. Однако особенности строения и развития онкологических процессов в костной ткани не позволяют экстраполировать абсолютно те же принципы и подходы, которые применяются для диагностики и оценки результатов лечения мягкотканых новообразований.
Цель исследования. Определить возможности диффузионно-взвешенной МРТ в оценке результатов химио-лучевого лечения метастатического поражения костей.
Задачи исследования
1. Получить исходную (до лечения) картину метастатического поражения костей по данным ДВ-МРТ в зависимости от вида поражения.
2. Оценить происходящие изменения в костных метастазах под воздействием химио-лучевого лечения по данным мпМРТ в рамках регресса, прогрессирования и стабилизации онкологического процесса.
Материал и методы
В ФГБУ «Российский научный центр Рентгенорадиологии» МЗ РФ были обследованы 65 больных с диагнозом метастатическое поражение позвоночника, костей таза при первичных морфологически верифицированных злокачественных новообразованиях различной локализации. С учетом множественности поражения общее количество костных метастазов (очагов наблюдения) составило 211 с минимальным размером от 10 мм и более. Кроме того, у этой же группы больных проанализированы данные ДВИ 126 очаговых изменений неметастатического характера. Все пациенты получали сопроводительную терапию бисфосфонатами, а также, в зависимости от вида первичной опухоли, различные виды химио-лучевого лечения как по отдельности, так и в сочетании методов. Период наблюдения больных составил не менее 12 месяцев. Достоверность полученных результатов обусловлена корреляцией с размерами первичной опухоли и лимфатических узлов, уровнем онкомаркеров, а также клиническими проявлениями в виде уровня болевого синдрома, оцениваемого по 10 бальной шкале.
Магнитно-резонансная томография проводилась на высокопольном томографе «Atlas Excelart» с напряженностью магнитного поля 1,5 тесла с использованием стандартных Т1ВИ, Т2ВИ, STIR- последовательностей, а также выполнением диффузионно-взвешенной МРТ (DWI) в сагиттальных и аксиальных плоскостях с коэффициентом диффузии в диапазоне b= 0, 400, 800 для позвоночника, и более широким диапазоном для костей таза, b= 0, 500, 1000.
Результаты
Проведенное исследование показало, что для метастатического поражения остеолитического типа характерен гиперинтенсивный сигнал от костного мозга в STIR,
Т2ВИ и гипоинтенсивный - в Т1ВИ, что определялось в 87 наблюдениях(41,2%). Остеобластический тип поражения характеризовался сниженным сигналом в Т2ВИ и в Т1ВИ, что определилось в 41 наблюдении (19,5%). Смешанный вариант поражения, с наличием гетерогенного МР-сигнала в Т2ВИ и STIR, определялся в 83 случаях (39,3%). При распространении процесса на окружающие ткани также имеет место гиперинтенсивный сигнал от злокачественной ткани, что наблюдалось у 27 больных. Для получения максимально достоверной и объективной информации о диагностической ценности DWI, мы провели сравнительный анализ данных стандартной МРТ и диффузионно-взвешенной МРТ в различных отделах костно-суставной системы (шейный, грудной, поясничный отделы позвоночника, кости таза) (Рис. 1).
А) Б) В) Г)
Рисунок 1. Магнитно-резонансная томография, метастатическое поражение грудного отдела позвоночника, сагиттальная проекция. А) STIR - определяется тотальное поражение Th4, очаговые изменения различного диаметра в телах Th6, 7, 8. Б) -Т1ВИ- множественные очаговые изменения гипоинтенсивного характера. В) - ДВИ с коэффициентом диффузии b=800 на фоне гипоинтенсивного фона неизменной диффузии, в телах соответствующих позвонков отчетливо определяются гиперинтенсивные очаги изменённой диффузии. Г) - ADC-построение, позволяющее измерять коэффициент диффузии в количественном выражении
Как показал анализ, основным качественным критерием являлась интенсивность МР-сигнала в очагах поражения на томограммах с высокими значениями b-фактора (8001000). Установлено, что метастатическое поражение имеет высокую интенсивность МР-сигнала на томограммах с низким и высоким значением b-фактора. При сопоставлении данных диффузии и стандартных режимов МРТ при исследовании различных отделов позвоночника, было установлено совпадение выявленных в режиме FatSat и Т1ВИ метастатических очагов с участками повышенного сигнала на диффузионно-взвешенных изображениях во всех наблюдениях. Кроме того, по данным ДВИ были определенны еще 19 гиперинтенсивных очагов, из них 9% мелкого диаметра (3-7 мм), плохо диагностируемые в режиме STIR и Т1ВИ и практически невидимые в режиме Т2ВИ. Злокачественная природа выявленных изменений была подтверждена дальнейшим наблюдением.
Количественная оценка диффузионно-взвешенных изображений основывается на анализе измеряемого коэффициента диффузии (ИКД) по данным ADC- построений (apparent diffusion coefficient map). Обработаны данные 211 очагов наблюдения у 65 больных с метастатическим поражением костных структур, из которых у 52 больных также имелось в костях 126 очаговых изменений неметастатической природы. Результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1. Значения измеряемого коэффициента диффузии для костных метастазов и не
специфических изменений в костях
ИКД Патология Значение ИКД Мин/макс Стандартное отклонение
Костные метастазы, 211 0,87 х 10-3 - 2,17 х 10-3 0,19 -0,07 х 10-3
Неспецифические изменения, 126 0,37 х 10-3 - 1,26 х 10-3 >2,5 х 10-3 0,31 х 10-3
Полученные результаты позволили предположить парадоксально высокую степень диффузии в очагах метастатического поражения, находящуюся, с учетом стандартного отклонения, в пределах 0,7 - 2,1 х 10- . Эти данные были подтверждены двумя следующими наблюдениями. Так, значения ИКД в неизменном костном мозге, по результатам исследования 30 неизменных участков, имели существенно более низкие показатели, находящиеся в пределах 0,1 - 0,4 х 10- в зависимости от процентного содержания «красного» и «желтого» костного мозга. Значения же ИКД в 112 очагах наблюдения неметастатической природы не превышали 0,75 х 10- , при стандартном отклонении 0,11 х 10- , а в 14 очагах были отмечены наоборот, чрезвычайно высокие значения ИКД выше 2,5 х 10- , что, например, соответствовало анеризмальной костной кисте (6 наблюдений) и др. Также подтверждаются данные об уменьшении интенсивности сигнала от участков с меньшей степенью ограничения диффузии, характерных для неспецифических изменений, при повышении значений ^фактора. Кроме того, были выявлены различия ИКД в зависимости от типа метастаза: наиболее высокие значения соответствовали остеолитическому типу поражения, относительно сниженные — остеобластическому, и наиболее низкие наблюдались в экстраоссальных мягкотканных компонентах.
Как показало исследование, оценка динамики измеряемого коэффициента диффузии также должна иметь дифференцированный подход в зависимости от характера поражения. Так, парадоксально высокие значения ИКД (больше 1,2 х 10- ) в костных очагах с преобладанием литического механизма развития, в результате положительного эффекта проводимого химио-лучевого лечения, имеют тенденцию к снижению, что наблюдалось в 57 очагах. Это объясняется появлением фрагментов остеосклероза, имеющего более высокую клеточную плотность и, соответственно, более низкую скорость диффузии. Прогрессирование онкологического процесса приводит к повышению степени
межклеточной диффузии за счет нарастания процессов костной деструкции, что определялось в 18 наблюдениях. В 6 наблюдениях значения ИКД изменялись в пределах 15%, что, на наш взгляд, с учетом изначальной неоднородности структуры, не может служить достоверным признаком направленности динамики лечения и расценивалось как стабилизация процесса, или, при отсутствии изменений клинических данных - без эффекта от лечения.
В свою очередь, в остеобластических очагах с изначально относительно низкими значениями ИКД (0,8 - 1,2 х 10" ) в ранний период положительного эффекта лечения может наблюдаться даже некоторое увеличение ИКД в пределах 0,1 - 0,3 за счет частичной резорбции очага, что определялось в 19 наблюдениях. Однако в дальнейшем во всех наблюдениях при положительном эффекте (суммарно 32 очага) отмечалось снижение уровня ИКД до 0,3 - 0, 7 х 10" в зависимости от исходных значений. Это можно объяснить уменьшением на определенном этапе эффективности действующего терапевтического агента (в том числе, активности остеокластов), в результате чего происходит формирование более плотной зоны остеосклероза, со сниженным уровнем диффузии, по отношению к активной пролиферации остеобластов при метастатическом процессе.
При оценке постерапевтических изменений мягкотканых экстраоссальных компонентов определяется повышение значений ИКД, по аналогии с внекостными метастазами в паренхиматозных органах, что было зарегистрировано в 21 наблюдении. Это объясняется уменьшением плотности опухолевой ткани, уменьшением объема патологической клеточной массы под воздействием лечения, появлением участков распада, кист, и как следствие, повышением скорости диффузии (Рис. 2).
А 07.10.2015 , Б ' 07.10.2015 Ч :/
В 07.10.2015 Ни' 1,1 х (10-3) Г С -- 17.11.2015 > - Гц 1,9 х (10-3)
Рисунок 2. Пациентка Б., 1948 г.р. с диагнозом аденокарцинома прямой кишки, состояние после комбинированного лечения, прогрессирование - метастаз в крестец. При магнитно-резонансной томографии на Т2ВИ определяется деструкция крестца с наличием мягкотканого компонента больших размеров (А), что подтверждается данными МСКТ (Б). На диффузионно-взвешенных изображениях ИКД до лечения составляет 1,1 х 10- (В), в течение первого месяца после лучевой терапии на область метастаза отмечается повышение ИКД до 1,9 х 10- (Г)
Также на основании 50 измерений был сделан важный вывод о снижении измеряемого коэффициента диффузии до 0,1-0,3 х 10- в неизмененных позвонках под воздействием химио-лучевого лечения. Это обусловлено угнетением кроветворной функции красного костного мозга с последующей конверсией его в «желтый» костный мозг, имеющий низкую степень диффузии за счет преобладания жирового компонента. В 19 наблюдениях(38%) был также отмечен и обратный процесс - под воздействием гемопоэтических факторов роста, по окончанию цикла лечения, происходило частичное или полное восстановление функции костного мозга с повышением ИКД в неизмененных позвонках до 0,3 -0,5 х 10- . И хотя интенсивность сигнала от позвонков менялась незначительно, тем не менее, это обстоятельство необходимо учитывать при оценке
результатов химио-лучевого лечения по данным ДВИ, чтобы избежать некорректных результатов.
Обсуждение
На основании анализа метастатических и неспецифических изменений можно предположить, что для вторичных изменений не характерны чрезвычайно высокие значения ИКД (более 2,5 х
10 ), которые были отмечены в 6 наблюдениях (аневризматическая костная киста). Это можно объяснить наличием определённой клеточной плотности в метастазах, отсутствие которой в истинно жидкостных образованиях не препятствует высокой диффузионной способности молекул воды. Кроме того, следует отметить, наличие, так называемой, «пограничной зоны» значений ИКД, находящейся приблизительно в диапазоне 0,7-1,1 х 10" , для которой характерны как метастатические так и неонкологические изменения костных структур, что может вызывать трудности в первичной диагностике.
В связи с этим следует отметить важное отличие полученных данных в отношении костных структур от аналогичных результатов по исследованию ИКД в паренхиматозных органах и лимфатических узлах - в них указывается на однозначное снижение измеряемого коэффициента диффузии при наличии опухолевой ткани (БагаЬаБсЬ й а1., 2015). Полученные данные коррелируют с последними работами европейских и других зарубежных радиологов, и хотя точного объяснения данному факту пока нет, имеется аналогичное предположение, что это связано с изначально низкой степенью диффузии в костях (до 0,4 х
10-3)
и обусловлено структурной организацией костной ткани (Яе§1пеШ й а1., 2016). Тем не менее, при наличии экстраоссального мягкотканого компонента показатели диффузии в них находятся на относительно низком уровне и в целом соответствуют значениям ИКД в метастазах паренхиматозных органов.
Наибольшую сложность интерпретации данных ДВИ-МРТ вызывает оценка результатов лечения при смешанном типе поражения. Это обусловлено высокой степенью неоднородности внутренней структуры метастаза, и изменение ИКД в значительной степени зависит от изначального преобладания того или иного компонента. В соответствии с этим положением мы считаем, что для более достоверного определения эффекта лечения в таких очагах поражения степень изменения значений ИКД не может быть меньше 20-25%.
Выводы
Проведенное исследование показало, что диффузионно-взвешенные изображения позволяют повысить выявляемость метастатического поражения костных структур в сравнении со стандартными МР-последовательностями до 9%. Измеряемый коэффициент диффузии является важным диагностическим инструментом в дифференциальной диагностике очаговых образований костей, однако низкая разрешающая способность ДВ-изображений и пограничная зона значений (0,7-1,1 х
10-3) не позволяют исключить необходимость выполнения стандартных МР-последовательностей. При интерпретации результатов химио-лучевого лечения метастатического поражения костей наибольшую эффективность диффузионно-взвешенная МРТ демонстрирует в оценке костных очагов преимущественно литического характера и вне костных мягкотканых компонентов за счет возможности достоверного измерения коэффициента диффузии.
Список литературы
1. Карельская Н.А, Кармазановский Г.Г. Диффузионно-взвешенная магнитно-резонансная томография всего тела. Хирургия. Журнал им. Н.И. Пирогова. 2010. № 8. С. 57-61.
2. Сергеев Н.И., Котляров П.М., Солодкий В.А., Близнюков О. П. Метастатическое поражение костей при раке молочной железы по данным высокопольной магнитно-резонансной томографии. тник РНЦРР. 2012. Выпуск12ЦКЪ: http://vestnik.rncrr.ru/vestnik/v12/papers/serg_v12.htm (дата обращения 30.08.2016).
3. Barabasch A., Kraemer N.A., Ciritsis A., et al. Diagnostic accuracy of diffusion-weighted magnetic resonance imaging versus positron emission tomography/computed tomography for early response assessment of liver metastases to Y90-radioembolization. Invest Radiol. 2015. V. 50. No. 6. P. 409-415.
4. Kim J.K., Kim K.A., Park B. W., et al. Feasibility of diffusion-weighted imaging in the differentiation of metastatic from nonmetastatic lymph nodes: early experience. Magn Reson Imaging. 2008. V. 28. P. 714-719.
5. LecouvetF.E. Whole-Body MR Imaging: Musculoskeletal Applications. Radiology. 2016. V. 279. No. 2. P. 345-365.
6. Li C., Liu Z.S., Du X.M., et al. Clinical value of whole-body magnetic resonance diffusion weighted imaging on detection of malignant metastases. Chin Med Sci J. 2009. V. 24. No. 2. P. 112-116.
7. Reginelli A., Silvestro G., Fontanella G., Sangiovanni A. Validation of DWI in assessment of radiotreated bone metastases in elderly patients. Int J Surg. 2016. pii: S1743-9191(16)30176-5. doi: 10.1016/j.ijsu.2016.06.018. [Epub ahead of print].
8. Wu L.M., Gu H. Y., Zheng J., et al. Diagnostic value of whole-body magnetic resonance imaging for bone metastases: a systematic review and meta-analysis. J Magn Reson Imaging. 2011. V. 34. No. 1. P. 128-135.
