Способ прогнозирования вероятности выявления рака предстательной железы у мужчин на основе МРТ-радиомики Российский патент 2025 года по МПК A61B8/08 A61B6/03 

Область техники

Изобретение относится к области медицины, а именно к лучевой диагностике (магнитно-резонансной томографии), урологии и онкологии, и может быть использовано для оценки вероятности выявления рака предстательной железы у мужчин при первичной диагностике патологии предстательной железы.

Уровень техники

По данным Российского Центра информационных технологий и эпидемиологических исследований в области онкологии рак предстательной железы (РПЖ) занимает 1 место в структуре онкологической заболеваемости среди мужского населения Российской Федерации по состоянию на 2022 год и составляет 15,1%. За последние 10 лет наблюдается значительный рост показателя заболеваемости РПЖ в мире и в Российской Федерации, так за последние 10 лет прирост РПЖ в РФ составил 17,2% [Под ред. А.Д. Каприна, В.В. Старинского, А.О. Шахзадовой, Злокачественные новообразования в России в 2021 году (заболеваемость и смертность) - М.: МНИОИ им. П.А. Герцена - филиал ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России, - 2022. - ил. - 252 с.].

За 2021 г. в Российской Федерации от злокачественных новообразований умерло 278 992 человека, при этом рак предстательной железы стал причиной смерти в 8,6% среди всех умерших от злокачественных новообразований мужчин, и занимает третье место после рака трахеи, бронхов, легких (25%) и опухолей желудка (10,1%). При этом в структуре смертности рак предстательной железы выходит на второе место у мужчин в возрастной группе 70 лет и старше. В последние 10 лет смертность от РПЖ в Российской федерации выросла на 23,87% (при сравнении «грубых» показатели на 100 тыс. населения) и составляет 19 случаев на 100000 населения (15,9 случаев на 100000 в 2011 году) [Под ред. А.Д. Каприна, В.В. Старинского, А.О. Шахзадовой, Злокачественные новообразования в России в 2021 году (заболеваемость и смертность) - М.: МНИОИ им. П.А. Герцена - филиал ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России, - 2022. - ил. - 252 с.].

Эта тенденция вызывает особую тревогу и ставит РПЖ в ряд наиболее важных социальных проблем современности.

Симптомы рака предстательной железы могут включать затрудненное мочеиспускание, частое мочеиспускание, боль или дискомфорт во время мочеиспускания, кровь в моче или сперме, а также боль в нижней части спины, бедрах. Однако эти симптомы могут быть вызваны и другими состояниями, поэтому важное внимание следует уделить постановке правильного диагноза.

В национальных клинических рекомендациях по раку предстательной железы рекомендуется комплекс физикальных, лабораторных и инструментальных диагностических мероприятий для установления диагноза и стадирования местного процесса: пальцевое ректальное исследование (ПРИ), определение сывороточного простатспецифического антигена (ПСА), трансректальное ультразвуковое исследование (ТРУЗИ) с системной биопсией, мультипараметрическая магнитно-резонансная томография (МРТ), компьютерная томография [Клинические рекомендации по раку предстательной железы 2020 г. http://medradiology.moscow/d/1364488/d/no46_2018_recist_11.pdf].

Точность диагностики РПЖ с использованием физикальных диагностических мероприятий (пальцевое ректальное исследование - ПРИ) низкая, т.к. имеет ряд недостатков: выявление РПЖ на поздних стадиях и сложности в дифференциальной диагностике с другими патологическими процессами в органе и прилежащих тканях. Сочетанное применение ПРИ и лабораторных методов (сывороточный простатспецифический антиген - ПСА), позволило повысить прогностичность положительного результата. В настоящее время введены возрастные критерии в определении дискриминационных уровней ПСА для РПЖ. Также показано, что снижение дискриминационного уровня ПСА приводит к «ненужным» биопсиям и увеличению диагностики клинически незначимого рака.

Трансректальное ультразвуковое исследование является доступным и эффективным методом диагностики. Однако точность и специфичность метода не позволяют отказаться от уточняющих методов. По данным ряда исследований чувствительность энергетического доплеровского исследования составила 94,7%, а специфичность - 77,1% (93 и 42,8% соответственно - при изолированном использовании ультразвукового исследования) [Sauvain J.L., Palascak Р., Bourscheid D. et al. Power Doppler and 3D vascular sonography of intraprostatic blood supply: assessment criteria and value for the diagnostic and clinical staging of prostatic cancer. Prog Urol. 2000; 10 (2): 237-245].

Систематическая биопсия под контролем ТРУЗИ является инвазивной процедурой, требует специальной подготовки, сопряжена с дискомфортом для пациента и не позволяет провести диагностику передних отделов предстательной железы из-за высокого риска осложнений. Сложность выявления клинически значимых опухолей предстательной железы при биопсии под ультразвуковым контролем связана в основном с изоэхогенностью большинства очагов рака и их мультифокальной локализацией [Назаренко Г.И., Хитрова А.Н. Ультразвуковая диагностика предстательной железы в современной урологической практике. - М.: Видар-М, 2012. - С. 121]. В связи с этим результативность диагностики РПЖ связана с выбором оптимального количества и локализации пункционных вколов при выполнении биопсии простаты [Pushkar D.Y., Govorov A.V., Kosko J. et al. Does saturation biopsy reliably predict unilateral prostate cancer in patients with low-risk tumors? Urology. 2007; 70 (Suppl. 3A): 81. Eichler K., Hempel S., Wilby J. et al. Diagnostic value of systematic biopsy methods in the investigation of prostate cancer: a systematic review. J Urol. 2006; 175 (5): 1605-1612. doi: 10.1016/ s0022-5347(05)00957-2].

В то время как традиционные методы диагностики рака предстательной железы использовались в течение многих лет, новые технологии, такие как МРТ и генетическое тестирование, также становятся все более распространенными.

Одним из ключевых преимуществ МРТ в диагностике рака предстательной железы является возможность получения подробных изображений предстательной железы и окружающих тканей.

В настоящее время МРТ является приоритетным методом диагностики для решения вопроса о верификации диагноза при наличии подозрения на РПЖ. По данным клинических рекомендаций "Российского общества онкоурологов", "Ассоциации онкологов России", "Российского общества клинической онкологии" и "Российского общества урологов" от 2021 г. проведение МРТ до биопсии предстательной железы может улучшить диагностическую точность последующей биопсии и/или позволит отказаться от нее.

Клиническое применение МРТ предстательной железы в настоящее время включает не только оценку местной распространенности опухолевого процесса, но и обнаружение опухоли, ее локализацию (регистрацию по анатомическому эталону), характеристику, стратификацию риска, наблюдение, оценку предполагаемого рецидива и контроль изображения для биопсии, хирургии, фокальной и лучевой терапии. мпМРТ сочетает в себе как анатомические последовательности (Т1-взвешенные (T1WI) и Т2-взвешенные (T2WI)) так и функциональные, включая диффузионно-взвешенную визуализацию (DWI) и динамическое контрастное усиление (DCE).

Выполнение мпМРТ до биопсии увеличивает вероятность выявления клинически значимого рака РПЖ с 26 до 38% по сравнению с биопсией под контролем ТРУЗИ [Hosseiny М et al., 2020]. По данным метаанализа 7 клинических исследований (2 582 пациента) при сравнении системной трансректальной биопсии под контролем ТРУЗИ, МРТ с последующей прицельной биопсией или без нее улучшает выявление клинически значимого РПЖ на 57% [95%ДИ, 2; 141%], на 33% [95%ДИ, 23%; 45%] потенциально сокращает количество биопсий и в 77% [95%ДИ, 60%; 93%] приводит к сокращению количества необходимых точек взятия биопсии за одну процедуру [Elwenspoek et al., 2019]. В исследовании PROMIS показано, что у 1/4 мужчин выполнение МРТ позволяет сократить количество ненужных биопсий [El-Shater Bosaily, A. et al., 2015].

Сравнение данных аутопсий с результатами мпМРТ показало хорошую чувствительность последней в выявлении РПЖ с индексом Глисона ≥ 7 [Zhu K. et al., 2019]. В метаанализе Drost и соавт. при сравнении результатов таргетной биопсии по данным мпМРТ с результатами сатурационной системной биопсии (≥20 образцов) чувствительность мпМРТ для опухолей 2-5 класса по ISUP составила 91%, а специфичность - 37%. Чувствительность мпМРТ для опухолей 1 категории по ISUP составила менее 30% при размере опухоли до 0,5 мл. При сравнении данных таргетной и сатурационной биопсии в качестве референсного метода чувствительность мпМРТ составила 70%, специфичность - 27% для опухолей 1 класса по ISUP. По данным 25 исследований, вошедших в метаанализ, при сравнении данных системной биопсии (среднее количество образцов - 8-15) и таргетной биопсии (среднее количество образцов - 2-7) отношение количества случаев, когда опухоль была обнаружена исключительно по данным таргетной биопсии, к количеству случаев, когда опухоль была обнаружена исключительно по данным системной биопсии, составила 1,12 [95%ДИ, 1,02; 1,23] для опухолей 2 класса по ISUP и 1,20 [95%ДИ, 1,06; 1,36] для опухолей 3 класса по ISUP. Необходимо отметить, что в группе пациентов с негативными данными предшествующей системной биопсией это отношение составило 1,44 [95%ДИ, 1,19; 1,75] и 1,64 [95%ДИ, 1,27; 2,11] для 2 и 3 класса опухолей по ISUP соответственно, и только 1,05 [95%ДИ, 0,95; 1,16] и 1,09 [95%ДИ, 0,94; 1,26] для первичных пациентов [Drost F.H. et al., 2020].

На сегодняшний день клиническое применение МРТ предстательной железы значительно расширилось и включает не только местно-регионарное стадирование, но и обнаружение опухоли, ее локализацию (регистрацию по анатомическому эталону), характеристику, стратификацию риска, наблюдение, оценку предполагаемого рецидива и контроль изображения для биопсии, хирургии, фокальной и лучевой терапии [Weinreb, J.С. et al., 2016].

Основным недостатком современного подхода к диагностике и стадированию РПЖ на данный момент является необходимость проведения инвазивного вмешательства для подтверждения диагноза и определения клинической значимости изменений предстательной железы. Кроме этого, как уже упоминалось ранее, частота ложноотрицательных результатов биопсии варьирует в широких пределах и зависит не только от выбранного подхода, но и оператора, выполняющего данное вмешательство. Частота осложнений при первичной биопсии на данный момент относительно мала и достигает 7%, при этом частота развития осложнений у пациентов, проходящих повторные биопсии, статистически значимо не увеличивается [Kaufmann В. et al., 2022]. Однако, учитывая также количество ложноотрицательных результатов и количество негативных биопсий, наиболее актуальным становится избирательность подхода к отбору пациентов для биопсии и для определения тактики и замене ее в перспективе неинвазивными методиками объективизации диагноза.

Применение неинвазивного подхода позволит сократить количество негативных биопсий, а также общего количества биопсий, что обязательно приведет в перспективе к повышению качества жизни пациентов и снижению затрат на лечение. Но все методы визуализации, в том числе МРТ на данный момент имеют ряд недостатков, в том числе недостаточная разрешающая способность и субъективизм трактовки результатов, несмотря на попытки их стандартизации. Развитие технологий оценки данных неинвазивных диагностических исследований позволит повысить точность и объективизировать результаты их оценки, более детально изучать патологический процесс, прогнозировать риск его системного распространения и наблюдать в процессе лечения, оценивая эффективность терапии, что даст возможность провести своевременную эскалацию или деэскалацию терапии.

Неинвазивный подход в диагностике требует развития новых технологий обработки изображений, которые позволят врачу проводить поиск более точных биомаркеров патологического процесса. Исследование PROMIS показало, что МРТ предстательной железы более чувствительна для выявления клинически значимых опухолей, чем биопсия, но менее специфична [El-Shater Bosaily, A. et al., 2015]. Одним из основных ограничений МРТ предстательной железы являются различия в качестве визуализации между клиниками. Хотя система оценки данных PI-RADS v2.1 помогла стандартизировать интерпретацию МРТ предстательной железы, она оказалась менее успешной в обеспечении точности и воспроизводимости полученных данных [Barth, В.K. et al., 2021]. Решением этой проблемы может стать применение текстурного анализа.

На данный момент в научных исследованиях показана эффективность текстурного анализа или радиомики, а также алгоритмов машинного обучения для выявления и использования новых биомаркеров для выявления РПЖ, кзРПЖ и др.

Радиомика МРТ - это новая область, в которой используются передовые методы визуализации и алгоритмы машинного обучения для анализа томографических данных с целью извлечения количественных характеристик опухоли. Затем эти показатели можно использовать для разработки прогностических моделей диагностики, прогноза и ответа на лечение. Одним из существенных преимуществ радиомики МРТ является возможность идентифицировать агрессивные опухоли любой локализации в предстательной железе, дифференцировать их с доброкачественными и клинически незначимыми процессами в железе, которые в противном случае были бы пропущены или гипердиагнострованы при использовании традиционных методов обследования.

Поиск оптимальных методов выявления РПЖ при первичном обращении к врачу остается актуальной проблемой. Данный инструмент позволит обоснованно снизить первоначальные экономические затраты, даст возможность избежать ненужных инвазивных вмешательств (системная биопсия), сопряженных с риском осложнений и выбрать оптимальный метод лечения или наблюдения за пациентом.

Самостоятельно существующей выделенной диагностической методики МРТ-радиомика в отечественных клинических рекомендациях по диагностике пациентов с подозрением на РПЖ в настоящее время нет. Имеется упоминание о мультипараметрической МР-томорафии в разделе «инструментальные диагностические исследования», в котором, однако, отсутствует информация о возможности прогнозирования выявления РПЖ по данным морфологических методов исследования.

Известен способ [URRARO F. et al. MRI Radiomics in Prostate Cancer: A Reliability Study. Front. Oncol. 11:805137. doi: 10.3389/fonc.2021.805137] дифференциальной диагностики, который предназначен для стадирования пациентов с РПЖ по шкале Глисон: Глисон 6, Глисон 3+4 и Глисон 4+3. Всем пациентам было сделано МРТ с динамическим контрастированием (DCE), которое проводилось с использованием градиентной последовательности. Данные были получены до и после введения контрастного вещества на основе гадолиния (гадобутрол Гадовист® 1.0; Bayer Schering Pharma AG, Берлин, Германия) с использованием дозы 0,1 ммоль/кг при скорости 1 мл/с, с использованием автоматического инъектора (Ulrich Medical, Германия). После динамической серии выполнялась субтракция (вычитание изображений с контрастным усилением из изображений до введения контрастного вещества). В данном способе радиомические признаки были извлечены с помощью программы LIFEx на основе мпМРТ последовательностей: T2WI, DWI и ADC. Это коммерческое программное обеспечение способно извлекать радиомические признаки, исходя из гистограммы уровня серого, формы и четырех матриц статистики более высокого порядка (GLCM, NGLDM, GLRLM, GLZLM).

Недостатком данного способа является то, что модель предназначена для обследования пациентов только с повышенным уровнем ПСА (≥4 нг/мл), а также то, что способ не позволяет вычленить пациентов без РПЖ (с доброкачественными поражениями предстательной железы), которым не показано дальнейшее обследование и лечение на предмет РПЖ. Обработка изображений в трех последовательностях T2WI, DWI и параметрических карт ИКД в три раза увеличивает время разметки и постобработки в сравнении с анализом одной последовательности. Представленная работа дает оценочную характеристику чувствительности и воспроизводимости каждой из последовательностей, в том числе с использованием параметров, полученных после постобработки в программе LIFEx. Отмечена более высокая чувствительность и воспроизводимость оценки изменений в последовательности ADC. Однако не разработаны какие-либо рекомендации по разграничению тактики ведения пациентов после получения результатов постобработки.

В своей статье авторы не указывают, какие именно радиомические характеристики способны предсказывать исход (дифференциальную диагностику рака предстательной железы от доброкачественных ее поражений).

Известен способ дифференциальной диагностики рака предстательной железы от доброкачественных поражений (доброкачественная гиперплазия предстательной железы (ДГПЖ - ВРН) и интраэпителиальная неоплазия простаты высокой степени дифференцировки (ПИН в/с - HGPIN)), предложенный S.D. McGarry et al. в 2019 году [McGarry S.D., Bukowy J.D., Iczkowski K.A., Unteriner J.G., Duvnjak P., Lowman A.K., Jacobsohn K., Hohenwalter M., Griffin M.O., Barrington A.W., Foss H.E., Keuter T., Hurrell S.L., See W.A., Nevalainen M.T., Banerjee A., LaViolette P.S. Gleason Probability Maps: A Radiomics Tool for Mapping Prostate Cancer Likelihood in MRI Space. Tomography. 2019 Mar; 5 (1): 127-134. doi: 10.18383/j.tom.2018.00033. PMID: 30854450; PMCID: РМС6403022]. Способ характеризуется тем, что для построения модели использовались радиомические признаки, построенные на основе мпМРТ изображениях по последовательностям: T2WI, DWI, ADC, DCE. Радиомические признаки были извлечены с помощью PyRadiomics.

Недостатком данного способа является то, что способ предполагает использование последовательности динамического контрастного усиления (ДКИ или DCE - Dynamic Contrast Enhanced). Во-первых, это проведение инвазивного вмешательства с использованием внутривенных контрастных веществ на основе гадолиния сопряжено с риском нежелательных явлений, таких как острые аллергические реакции, реакции отсроченной гиперчувствительности и нефрогенный системный фиброз у пациентов с хронической болезнью почек, а также с риском отложения гадолиния в мозге пациентов, подвергавшихся повторным исследованиям [Cheong, В. et al., 2022]. Следует также принять во внимание такие осложнения, возникающие после установки периферического внутривенного катетера, как дискомфорт и флебит, встречающиеся с частотой до 27% [Yasuda, Н. et al., 2021].

Во-вторых, этот способ требует более длительного пребывания в аппарате (на 5-10 минут до 30-45 минут), что считается основным источником стресса у пациентов, проходящих исследование [Girometti, R. et al, 2019].

Способ с контрастированием является более дорогостоящим за счет использования препарата контрастирования, расходных материалов, включая катетеры и в ряде случаев аппарата для болюсного введения препарата, а также более длительным по времени пребывания пациента в аппарате.

При этом модель имеет довольно низкую точность предсказания: ROC-AUC=0,650.

В своей статье авторы не указывают, какие именно радиомические характеристики способны предсказывать исход.

Техническим результатом заявленного способа является прогнозирование вероятности выявления рака предстательной железы у мужчин за счет расширения опций неинвазивной диагностики на основе данных МРТ-радиомики, что приводит к снижению риска ошибок на первичном этапе диагностики.

Указанный технический результат достигается за счет дополнительной обработки только параметрических карт измеряемого коэффициента диффузии (ИКД), полученных при МР-исследовании.

МРТ пациентам проводят при подозрении на РПЖ, независимо от уровня ПСА для исключения ошибки или гипердиагностики при традиционных методах обследования.

Особенностью заявляемого способа является возможность отказаться от использования контрастного препарата и использовать бпМРТ при первичной диагностике РПЖ. Для прогноза вероятности РПЖ при проведении текстурного анализа используется ручная сегментация всего объема патологического очага (3D ROI) только на параметрических картах ИКД, не требующих дополнительных затрат времени на обработку других последовательностей стандартного МРТ исследования предстательной железы, в том числе постконтрастных изображений.

Для сравнительного анализа с помощью программы LIFEx были получены показатели у пациентов без структурных изменений предстательной железы (контрольная группа) по данным МРТ и пациентов с наличием РПЖ по данным биопсии и гистологического заключения после простатэктомии.

На параметрических картах ИКД у каждого пациента была произведена ручная сегментация зоны интереса (3D POI). Под зоной интереса подразумевается зона патологического очага - в случае патологии. У пациентов контрольной группы зона интереса представлена произвольной областью, сегментация которой производится на нескольких последовательных срезах для получения объемного участка.

Из всех полученных в программе LIFEx радиомических показателей были выявлены 5 наиболее статистически значимых биомаркеров РПЖ: признаки формы, гистограммы, а также текстурные признаки 1 и 2 порядка [https://www.lifexsoft.org/index.php/resources/texture/radiomic-features], а именно:

SHAPE_Sphericity[onlyFor3DROI] - это характеристика формы, определяет, насколько сферическим является интересующий объем. Количественное определение отклонения объема ROI от репрезентативного сфероида. Сферичность равна 1 для идеальной сферы.

PARAMS_ZSpatialResampling - это характеристика формы показывает размер воксела по оси Z, выраженное в миллиметрах. Определяется автоматически и зависит от формы и размера очага.

DISCRETIZED_HISTO_Entropy_log10 - это текстурная характеристика гистограммы, отражает случайность распределения интенсивности вокселей (i) с использованием десятичного логарифма с основанием 10.

GLRLM - это матрица длин серий уровня серого. Оценивает распределение дискретизированных уровней серого в изображении или в стопке изображений. Относится к признакам второго порядка, или текстурным признакам.

GLRLM_SRE - это текстурная характеристика распределения коротких однородных участков изображения (SRE - Short-Run Emphasis) в интересующем объеме; определяет размер однородных серий для каждого уровня серого для 13 различных направлений для 3DROI.

GLRLM_RLNU - это текстурная характеристика оценивает неравномерность длины однородных серий (RLNU - Run Length Non-Uniformity).

По вышеперечисленным показателям рассчитывали прогностический коэффициент вероятности выявления РПЖ по оригинальной формуле.

Краткое описание чертежей

На чертеже показано нахождение «точки отсечения» между чувствительностью и специфичностью в ROC анализе.

Осуществление изобретения

Пациенту с подозрением на РПЖ на основе жалоб (нарушения мочеиспускания, болевой синдром и др.) и при отрицательных или сомнительных результатах первичной диагностики на ПСА и/или оценке по шкале PI-RADS проводят бпМРТ предстательной железы с последующей обработкой параметрических карт ИКД. Первым этапом выполняют ручную сегментацию зоны интереса (3D ROI) на параметрических картах ИКД с последующей обработкой в программе LifeX и определением количественных показателей МРТ-радиомики:

1) DISCRETIZED_HISTO_Entropy_log 10,

2) SHAPE_Sphericity [onlyFor3DROI],

3) PARAMS_ZSpatialResampling,

4) GLRLM_SRE,

5) GLRLM_RLNU.

Следующим этапом рассчитывают вероятность рака предстательной железы у пациента с помощью формулы:

ВПР=(А1+А2)/2, где:

А1=1/(1+е^-х), где:

ВПР - вероятность прогнозирования результата - наличия рака предстательной железы,

х=6,488-0,005×(GLRLM_RLNU)-1,007×(PARAMS_ZSpatialResampling)-2,752×(SHAPE_Sphericity[onlyFor3DROI]),

е - основание натурального логарифма;

при этом значение А2 выбирают:

равным 0,971 при PARAMS_ZSpatialResampling ≤ 3,509, GLRLM SRE, DISCRETIZED_HISTO_Entropy_log10 и SHAPE_Sphericity[onlyFor3DROI] могут принимать любые значения;

равным 0,333 при PARAMS_ZSpatialResampling > 3,509, GLRLM_SRE ≤ 0,014, DISCRETIZED_HISTO_Entropy_log10 ≤ 0,613, SHAPE_Sphericity[onlyFor3DROI] может принимать любые значения;

равным 1,000 при PARAMS_ZSpatialResampling > 3,509, GLRLM_SRE ≤ 0,014, DISCRETIZED_HISTO_Entropy_log10 > 0,613, SHAPE_Sphericity[onlyFor3DROI] может принимать любые значения;

равным 0,000 при PARAMS_ZSpatialResampling > 3,509, 0,014<GLRLM_SRE ≤ 0,737, SHAPE_Sphericity[onlyFor3DROI] ≤ 0,718, DISCRETIZED_HISTO_Entropy_log10 может принимать любые значения;

равным 0,750 при PARAMS_ZSpatialResampling > 3,509, GLRLM_SRE > 0,737, SHAPE_Sphericity[onlyFor3DROI] ≤ 0,718, DISCRETIZED_HISTO_Entropy_log10 может принимать любые значения;

равным 0,000 при PARAMS_ZSpatialResampling > 3,509, GLRLM_SRE > 0,014, SHAPE_Sphericity[onlyFor3DROI] > 0,718, DISCRETIZED_HISTO_Entropy_log10 может принимать любые значения.

При значении ВПР больше 0,48 - прогнозируют высокую вероятность выявления рака предстательной железы у мужчин, при значении ВПР меньше или равном 0,48 - рак предстательной железы маловероятен.

Для построения модели прогнозирования вероятности выявления РПЖ был использован алгоритм машинного обучения стекинг (Stacking) алгоритмов многофакторной бинарной логистической регрессии (Multifactorial Logistic Regression - MLR) и дерева решений (Decision Tree -DT). Оценку качества построенной модели: точности, чувствительности и специфичности проводили с помощью ROC-AUC анализа. Статистический анализ результатов был проведен средствами языка программирования Питон (Python 3.9). Для расчетов использовались встроенные функции из модулей Statsmodels, Sklearn и Scipy.

Расчетная формула создана на основе данных, полученных с 2017 по 2023 гг., на базе отделения рентгеновской диагностики и томографии ФГБУ «Центральная клиническая больница с поликлиникой» Управления делами Президента Российской Федерации (Москва) (зав. отделением врач-рентгенолог, к.м.н. Крючкова Оксана Валентиновна). Возраст мужчин от 18 до 76 лет.

Коэффициент А1 - расчет по формуле множественной логистической регрессии; коэффициент А2 - расчет по дереву решений.

Качество прогнозирования вероятности выявления РПЖ при использовании способа подтверждается следующими значениями метрик на тестовой выборке: точность (accuracy) - 94,2% [90,4; 98,1]%, специфичность (specificity) - 96,2% [91,5; 100,0]%, чувствительность (sensitivity) - 92,3% [86,2; 98,1]%.

Дополнительно был сделан расчет точности модели предсказания «Наличие РПЖ» по методу ROC-AUC. Точность по методу ROC-AUC составляет 99,0% [97,7; 100,0]%, что говорит об отличном качестве полученной Модели (чертеж). На чертеже изображено нахождение «оптимальной точки отсечения» (Cut-off) между чувствительностью и специфичностью в ROC анализе. Расчет значения Cut-off (оптимальный порог отсечения) проводился на основе анализа ROC-AUC. Для того, чтобы добиться одновременно максимальных значений чувствительности и специфичности построенной модели, был построен график Cut-off. На этом графике можно оценить оптимальный порог отсечения - это значение вероятности выявления РПЖ, в которой значение чувствительности и специфичности модели достигают максимальных значений.

Таким образом, заявленный способ дифференциальной диагностики рака предстательной железы от доброкачественных поражений предстательной железы учитывает совокупность как высоко воспроизводимых радиомических характеристик (характеристики гистограммы, характеристики формы), так и высокочувствительных, но менее воспроизводимых признаков (признаки второго порядка). Совокупность радиомических признаков для диагностики РПЖ, аналогичная предложенной авторами, не встречается ни в одном опубликованном материале как в России, так и в мире. Прогностическая модель, которая используется при реализации способа, является универсальной и не зависит от уровня ПСА и оценки по шкале PI-RADS у пациента, тогда как ряд опубликованных моделей чувствительны к этим показателям. Кроме того, в отличие от вышеприведенных аналогов, нами предложен наиболее щадящий для пациента метод МРТ без контрастирования (является неинвазивным - не требует введения контраста; существенно сокращает время пребывания пациента в аппарате МРТ и экономически более выгоден - снижает затраты на проведение МРТ (стоимость контрастного вещества, расходники для его введения и время работы МРТ)).

Данным способом в ФГБУ «Центральная клиническая больница с поликлиникой» УПД РФ были обследованы 132 пациента. Из них 29 пациентов контрольной группы (норма по данным МРТ) проходили МР-исследование по собственному желанию без клинических и лабораторных данных за наличие патологии предстательной железы. У 103 пациентов был диагностирован РПЖ на основании биопсии и патоморфологического исследования послеоперационного материала после радикальной простатэктомии.

Оценка вероятности выявления РПЖ позволит прогнозировать риск выявления РПЖ, снизить количество необоснованных инвазивных вмешательств и уменьшить вероятность диагностики запущенных форм опухолевого процесса у пациентов с высоким риском развития РПЖ по другим параметрам, в том числе с наследственной предрасположенностью.

Доказательства возможности использования выражения (1) для прогнозирования вероятности выявления рака предстательной железы ретроспективно показано с использованием описанных клинических примеров.

Примеры

Пример №1

Пациент GLAZ-76, 1950 г.р. (70 лет). Пальцевой осмотр показал, что размер простаты увеличен в 1,5 раза. ПСА общий - 8,4 нг/мл (выше нормы), оценка по шкале PI-RADS-5.

При бпМРТ предстательной железы получены диффузионно взвешенные изображения с высоким b-фактором (b=1000) и автоматическим построением параметрических карт ИКД.

В программе LifeX на параметрической карте ИКД сегментирован весь объем патологического очага (3D ROI), произведен текстурный анализ и получены числовые результаты.

Результаты МРТ-радиомики, полученной в программе

Был проведен расчет на основании данных Таблицы 1 по формуле (1):

X=6,488-0,005*(GLRLM_RLNU)-1,007*(PARAMS_ZSpatialResampling)-2,752*(SHAPE_Sphericity[onlyFor3DROI])=6,488-0,005*(27,79528596)-1,007*(3)-2,752*(0,798731849)=1,130,

A1=1/(1+е^-X)=0,756; А2=0,971,

ВПР=(А1+А2)/2=(0,756+0,971)/2=0,863.

Значение 0,863 более установленного условия 0,48 - следовательно, у данного пациента высокая вероятность выявления рака предстательной железы. Значения X и А1 при расчете в примере были округлены до 3 знака после запятой для удобства восприятия расчетов.

Биопсия проведена 13.07.2020, результат - Глисон 6 (3+3). Операция/гистология проведена 21.09.2020/ 22.09.2020, результат: Ацинарная карцинома предстательной железы, сумма баллов по Глисону 7 (3+4), 2 градирующая группа. Железистый цистит. МР+ ЭПР+ ЛУ-. Поставлен диагноз pT3aN0.

Заключение: таким образом, наличие рака предстательной железы у данного пациента было предсказано точно.

Пример №2

Пациент GLAZ-83, 1964 г.р. (70 лет). Пальцевый осмотр показал, что размер простаты 30 см. ПСА общий - 4,8 нг/мл (выше нормы), оценка по шкале PI-RADS-4.

При бпМРТ предстательной железы получены диффузионно взвешенные изображения с высоким b-фактором (b=1000) и автоматическим построением параметрических карт ИКД.

В программе LifeX на параметрической карте ИКД сегментирован весь объем патологического очага (3D ROI), произведен текстурный анализ и получены числовые результаты.

Результаты МРТ-радиомики, полученной в программе LIFEx

Был проведен расчет на основании данных Таблицы 2 по формуле (1):

X=6,488-0,005*(GLRLM_RLNU)-1,007*(PARAMS_ZSpatialResampling)-2,752*(SHAPE_Sphericity[onlyFor3DROI])=6,488-0,005*(16,57073)-1,007*(3)-2,752*(0,718713)=1,406,

A1=1/(1+e^-X)=0,803; A2=0,971,

ВПР=(A1+A2)/2=(0,803+0,971)/2=0,887.

Значение 0,887 более установленного условия 0,48 - следовательно, у данного пациента высокая вероятность выявления рака предстательной железы. Значения X и А1 при расчете в примере были округлены до 3 знака после запятой для удобства восприятия расчетов.

Биопсия проведена 21.05.2020, результат - Глисон 7 (3+4). Операция/гистология проведена 23.09.2020/ 24.09.2020, результат: Ацинарная аденокарцинома предстательной железы, сумма Глисона 3+4=7 баллов, 2 градирующая группа. МР+ ЭПР- ЛУ-. Поставлен диагноз рТ2с.

Заключение: таким образом, наличие рака предстательной железы у данного пациента было предсказано точно.

Пример №3

Пациент GLAZ-120, 1948 г.р. (74 года). Пальцевый осмотр показал, что размер простаты увеличен. ПСА общий - 2,81 нг/мл (норма), оценка по шкале PI-RADS-4.

При бпМРТ предстательной железы получены диффузионно взвешенные изображения с высоким b-фактором (b=1000) и автоматическим построением параметрических карт ИКД.

В программе LifeX на параметрической карте ИКД сегментирован весь объем патологического очага (3D ROI), произведен текстурный анализ и получены числовые результаты.

Результаты МРТ-радиомики, полученной в программе LIFEx

Был проведен расчет на основании данных Таблицы 3 по формуле (1):

X=6,488-0,005 *(GLRLM_RLNU)-1,007*(PARAMS_ZSpatialResampling)-2,752*(SHAPE_Sphericity[onlyFor3DROI])=6,488-0,005*(240,5216)-1,007*(3,040984)-2,752*(0,513623)=0,810,

A1=1/(1+е^-X)=0,692; А2=0,971,

ВПР=(А1+А2)/2=(0,692+0,971)/2=0,832.

Значение 0,832 более установленного условия 0,48 - следовательно, у данного пациента высокая вероятность выявления рака предстательной железы. Значения X и А1 при расчете в примере были округлены до 3 знака после запятой для удобства восприятия расчетов.

Биопсия проведена 18.01.2023, результат - Глисон 7 (3+4). Операция/гистология проведена 28.02.2023/ 28.02.2023, результат: Ацинарная аденокарцинома предстательной железы, сумма Глисона 3+4=7 баллов, II градирующая группа, отрицательный хирургический край. MP ЭПР ЛУ. Поставлен диагноз pT2N0.

Заключение: таким образом, наличие рака предстательной железы у данного пациента было предсказано точно.

Пример №4

Пациент VEKO-10, 1994 г.р. (28 лет) - контрольная группа. Пальцевый осмотр показал, что размер простаты не увеличен. ПСА не смотрели, так как пациент обследовался самостоятельно без жалоб и клинических данных за наличие патологии предстательной железы, оценка по шкале PI-RADS-0.

При бпМРТ предстательной железы получены диффузионно взвешенные изображения с высоким b-фактором (b=1000) и автоматическим построением параметрических карт ИКД.

В программе LifeX на параметрической карте ИКД сегментирована произвольная область ввиду отсутствия патологии, для получения объемного участка сегментация производилась на нескольких последовательных срезах (3D ROI), произведен текстурный анализ и получены числовые результаты.

Результаты МРТ-радиомики, полученной в программе LIFEx

Был проведен расчет на основании данных Таблицы 4 по формуле (1):

X=6,488-0,005*(GLRLM_RLNU)-1,007*(PAPvAMS_ZSpatialResampling)-2,752*(SHAPE_Sphericity[onlyFor3DROI])=6,488-0,005*(474,3405)-1,007*(4,998487)-2,752*(0,697656)=-2,837,

A1=1/(1+e^-X)=0,055; A2=0,750,

ВПР=(A1+A2)/2=(0,055+0,750)/2=0,403.

Значение 0,403 менее установленного условия 0,48 - следовательно, у данного пациента низкая вероятность выявления рака предстательной железы. Значения X и А1 при расчете в примере были округлены до 3 знака после запятой для удобства восприятия расчетов.

Заключение: таким образом, отсутствие данных за наличие рака предстательной железы у данного пациента было предсказано по формуле точно.

Пример №5

Пациент VEKO-2, 1998 г.р. (24 года) - контрольная группа. Пальцевый осмотр показал, что размер простаты не увеличен. ПСА не смотрели, так как пациент обследовался самостоятельно без жалоб и клинических данных за наличие патологии предстательной железы, оценка по шкале PI-RADS-0.

При бпМРТ предстательной железы получены диффузионно взвешенные изображения с высоким b-фактором (b=1000) и автоматическим построением параметрических карт ИКД.

В программе LifeX на параметрической карте ИКД сегментирована произвольная область ввиду отсутствия патологии, для получения объемного участка сегментация производилась на нескольких последовательных срезах (3D ROI), произведен текстурный анализ и получены числовые результаты.

Результаты МРТ-радиомики, полученной в программе LIFEx

Был проведен расчет на основании данных Таблицы 5 по формуле (1):

X=6,488-0,005*(GLRLM_RLNU)-1,007*(PARAMS_ZSpatialResampling)-2,752*(SHAPE_Sphericity[onlyFor3DROI])=6,488-0,005*(16,24712)-1,007*(4,799995)-2,752*(0,757157)=-0,511,

A1=1/(1+е^-X)=0,375; А2=0,000,

ВПР=(А1+А2)/2=(0,375+0,000)/2=0,187.

Значение 0,187 менее установленного условия 0,48 - следовательно, у данного пациента низкая вероятность выявления рака предстательной железы. Значения X и А1 при расчете в примере были округлены до 3 знака после запятой для удобства восприятия расчетов.

Заключение: таким образом, отсутствие данных за наличие рака предстательной железы у данного пациента было предсказано по формуле точно.

Патентуемый способ прогнозирования вероятности рака предстательной железы у мужчин позволяет осуществить прогноз вероятности выявления рака предстательной железы в зависимости от анамнеза пациента на основании данных МРТ-радиомики, обеспечить достижение технического результата изобретения.

Использование в клинической практике способа позволяет проводить более персонализированную и точную диагностику рака предстательной железы, что приводит к составлению индивидуальных планов лечения, улучшению результатов лечения пациентов, снижению затрат и осложнений. Этот инновационный подход представляет собой значительный прогресс в области диагностики рака предстательной железы и может революционизировать существующий подход к лечению этого заболевания.

Изобретение относится к области медицины, а именно к лучевой диагностике (магнитно-резонансной томографии), урологии и онкологии, и может быть использовано для оценки вероятности выявления рака предстательной железы у мужчин при первичной диагностике патологии предстательной железы. Пациенту с подозрением на РПЖ на основе жалоб и при отрицательных результатах первичной диагностики на ПСА и/или оценке по шкале PI-RADS проводят бпМРТ предстательной железы без контраста, выполняют ручную сегментацию зоны интереса на параметрических картах ИКД с последующей обработкой в программе LifeX, определяют количественные показатели МРТ-радиомики: DISCRETIZED_HISTO_Entropy_log10, SHAPE_Sphericity[onlyFor3DROI], PARAMS_ZSpatialResampling, GLRLM_SRE, GLRLM_RLNU, затем рассчитывают вероятность рака предстательной железы (ВПР) у пациента с помощью оригинальной формулы и при значении ВПР больше 0,48 прогнозируют высокую вероятность выявления рака предстательной железы, при значении ВПР меньше или равном 0,48 - рак предстательной железы маловероятен. Изобретение обеспечивает прогнозирование вероятности выявления рака предстательной железы за счет расширения опций неинвазивной диагностики на основе данных МРТ-радиомики, что приводит к снижению риска ошибок на первичном этапе диагностики. 1 ил., 5 табл.

Способ прогнозирования вероятности выявления рака предстательной железы (РПЖ) у мужчин, отличающийся тем, что пациенту с подозрением на РПЖ на основе жалоб и при отрицательных результатах первичной диагностики на сывороточный простатспецифический антиген (ПСА) и/или оценке по шкале PI-RADS проводят бпМРТ предстательной железы без контраста, выполняют ручную сегментацию зоны интереса на параметрических картах измеряемого коэффициента диффузии (ИКД) с последующей обработкой в программе LifeX, определяют количественные показатели МРТ-радиомики:

DISCRETIZED_HISTO_Entropy_log10,

SHAPE_Sphericity[onlyFor3DROI],

PARAMS_ZSpatialResampling,

GLRLM_SRE,

GLRLM_RLNU,

затем рассчитывают вероятность рака предстательной железы у пациента с помощью формулы:

ВПР=(А1+А2)/2, где:

А1=1/(1+е^-х), где:

ВПР - вероятность прогнозирования результата - наличия рака предстательной железы,

х=6,488-0,005×(GLRLM_RLNU)-1,007×(PARAMS_ZSpatialResampling)-2,752×(SHAPE_Sphericity[onlyFor3DROI]),

е - основание натурального логарифма;

при этом значение А2 выбирают:

равным 0,971 при PARAMS_ZSpatialResampling≤3,509, GLRLM_SRE, DISCRETIZED_HISTO_Entropy_log10 и SHAPE_Sphericity[onlyFor3DROI] могут принимать любые значения;

равным 0,333 при PARAMS_ZSpatialResampling>3,509, GLRLM_SRE≤0,014, DISCRETIZED_HISTO_Entropy_log10≤0,613, SHAPE_Sphericity[onlyFor3DROI] может принимать любые значения;

равным 1,000 при PARAMS_ZSpatialResampling>3,509, GLRLM_SRE≤0,014, DISCRETIZED_HISTO_Entropy_log10>0,613, SHAPE_Sphericity[onlyFor3DROI] может принимать любые значения;

равным 0,000 при PARAMS_ZSpatialResampling>3,509, 0,014<GLRLM_SRE≤0,737, SHAPE_Sphericity[onlyFor3DROI]≤0,718, DISCRETIZED_HISTO_Entropy_log10 может принимать любые значения;

равным 0,750 при PARAMS_ZSpatialResampling>3,509, GLRLM_SRE>0,737, SHAPE_Sphericity[onlyFor3DROI]≤0,718, DISCRETIZED_HISTO_Entropy_log10 может принимать любые значения;

равным 0,000 при PARAMS_ZSpatialResampling>3,509, GLRLM_SRE>0,014, SHAPE_Sphericity[onlyFor3DROI]>0,718, DISCRETIZED_HISTO_Entropy_log10 может принимать любые значения,

и при значении ВПР больше 0,48 прогнозируют высокую вероятность выявления рака предстательной железы, при значении ВПР меньше или равном 0,48 - рак предстательной железы маловероятен.