VOCAL - количественный анализ в трехмерной эхографии

Введение

VOCAL (Virtual Organ Computer-aided AnaLysis, VOlume CALculations - англ. компьютеризированный анализ виртуального органа или объемные расчеты) - это специализированная программа, предназначенная для количественной оценки трехмерных данных, полученных в режиме статического трехмерного (3D) сканирования, которая интегрирована с 3D View - базовой программой просмотра и редактирования трехмерных эхограмм.

Суть манипуляций с трехмерными данными в VOCAL заключается в том, что зону интереса (орган или патологический очаг любой формы) позиционируют на мониторе в одной из контрольных плоскостей (A, B или C) таким образом, чтобы ось вращения проходила через ее центр (рис. 1). Затем в меню задается шаг вращения объекта в 12, 18 или 30° и способ, которым будет выполняться оконтуривание (сегментация) изображения: ручной или автоматический (рис. 2). После завершения оконтуривания программа автоматически рассчитывает объем зоны интереса (рис. 3). С помощью функции Shell Histogramm можно рассчитать медиану эхогенности зоны интереса, а также, если трехмерное сканирование было выполнено в режиме энергетического допплера (ЭД), индексы васкуляризации, потока и перфузии (рис. 4). Индекс васкуляризации (VI) является отношением числа цветных вокселей к общему числу вокселей, из которых состоит трехмерная эхограмма, т.е. он отражает "насыщенность" объекта сосудами. Индекс потока (FI) представляет собой медиану яркости цветных вокселей: чем выше скорость кровотока, тем ярче энергетические допплеровские сигналы и тем соответственно больше значения индекса потока. Индекс перфузии (VFI) является соотношением средневзвешенного числа цветных вокселей к общему числу вокселей в трехмерной эхограмме. Все эти расчеты можно проводить многократно в режиме off-line, т.е. работая с "виртуальным пациентом".

С момента первой публикации, посвященной клиническому применению VOCAL, прошло более 10 лет [1]. В конце августа 2010 г. с помощью поисковой системы на сайте www.ncbi.nlm.nih.gov по ключевым словам "Virtual Organ Computer-aided Analysis, VOCAL" нами было найдено 112 статей, из которых половина была опубликована за последние 3 года и более трети посвящены фетальной эхографии и репродуктивной медицине. Такое распределение тематики можно объяснить тем, что коммерчески доступные ультразвуковые аппараты для трехмерного сканирования появились относительно недавно и большинство их приобретено именно для исследований плода. В представленном далее небольшом обзоре мы коротко остановимся на опубликованных результатах оценки воспроизводимости и достоверности измерений, выполненных с помощью VOCAL, а также клиническом применении VOCAL в педиатрии, урологии, гинекологии и онкологии.

Клиническое применение VOCAL

Точность измерения in vitro

Достоверность и воспроизводимость VOCAL была подвергнута оценке в работе [2]. In vitro моделью служили фрагменты куриной грудки (n=7), помещенные в говяжью печень, истинный объем которых определяли методом Архимеда. Два исследователя независимо 10-кратно измеряли объем каждого фрагмента ткани с помощью VOCAL с шагом вращения 15°. Измерение объема органической ткани было высоковоспроизводимо (ICC - внутриклассовый коэффициент корреляции - обозревателя 0,998 и 0,997; ICC между обозревателями 0,997), а также достоверно: отклонение от истинного объема составляло в среднем от 0,57 (от -3,07 до 4,21%) до -0,17% (от -4,34 до 4,0%).

Точность измерения in vivo

С целью определения точности измерения объема матки с помощью 3D эхографии С. Yaman и соавт. [3] выполнили трансвагинальное ультразвуковое исследование 48 пациенткам перед гистерэктомией. Из последующего анализа были исключены 13 женщин, у которых плохо визуализировались контуры органа или матка была слишком больших размеров (>220 мл). Объем матки, рассчитанный с помощью VOCAL, не отличался существенно от истинного объема (p=0,126 для первого измерения и p=0,561 для второго измерения), в то время как объем, полученный с помощью обычной двухмерной (2D) эхографии, отличался существенно (p=0,005 при первом измерении и p=0,012 при втором измерении). Средняя ошибка измерений с помощью VOCAL была почти в 3 раза меньше и составила 7,4 и 7,9% для каждого из двух врачей, а для 2D метода она была равна 22,2 и 21,0% соответственно.

Желудок

Группа авторов из клиники Мэйо (США) опубликовала данные определения объема нормального желудка у подростков с помощью VOCAL [4]. В качестве референсного метода исследователи использовали сцинтиграфию (SPECT, однофотонная эмиссионная компьютерная томография с ^99mTc), отрицательными моментами которой являются ионизирующее излучение, необходимость внутривенного введения радиофармпрепарата и дороговизна оборудования. Кроме этого, измерение объема желудка выполнялось с помощью МРТ, которая также относительно дорога и требует наличия специализированного центра. Вывод авторов: 3D эхография желудка может безопасно для здоровья выполняться как у взрослых, так и у подростков и по сравнению со сцинтиграфией дает более точную оценку объема желудка.

Почки

M. Riccabona, G. Fritz и соавт. [5] обследовали 40 детей с острым заболеванием почек, которое сопровождалось гидронефрозом. Авторы оценивали объем почечной паренхимы и пришли к выводу, что результаты, полученные с помощью VOCAL, высоко коррелировали с результатами сцинтиграфии и МРТ-урографии, в то время как объемы, рассчитанные по данным двухмерной эхографии, не коррелировали вообще. Более того, величина ошибки для VOCAL была меньше, чем для сцинтиграфии и МРТ-урографии.

Мочевой пузырь

В работе С. Suwanrath и соавт. [6] два исследователя независимо выполняли измерение объема мочевого пузыря с помощью VOCAL с шагом вращения объекта 9, 15 и 30° (n=120). Воспроизводимость измерений, выполненных одним исследователем и разными исследователями, была высокой (ICC=0,994-0,998). Значимого различия рассчитанного объема мочевого пузыря в зависимости от угла вращения не было. Результат получали быстрее при вращении плоскости измерения на 30°, так как при этом необходимо выполнить оконтуривание измеряемого объекта всего 6 раз (при 15° - 12 раз, а при 9° - 20 раз, что довольно трудоемко).

Предстательная железа

В работе G. Giubilei и соавт. [7] была подвергнута оценке точность вычисления объема предстательной железы с помощью 3D эхографии по сравнению с обычной 2D эхографией. Были обследованы 59 пациентов с доброкачественной гиперплазией и 21 пациент с раком предстательной железы. Средняя абсолютная ошибка в случае 3D эхографии составила ±0,2-3 мл (диапазон ошибки 6,5%). Результаты измерения объема с помощью 2D метода были менее точными (±0,4-5 мл; диапазон ошибки 35%). Следует отметить, что точное измерение объема клинически необходимо для оценки реальной эффективности некоторых видов лечения, которые ведут к уменьшению объема предстательной железы.

Исследователи из Италии [8] проанализировали данные 3D эхографии 69 пациентов с раком предстательной железы, которые получали лучевую терапию. Был рассчитан индекс васкуляризации (VI) для всей простаты и ее периферической зоны до лечения и через 2 года после лечения (для этого использовалась не VOCAL, а оригинальная программа EcoVasc, но смысл выполненных измерений тот же самый). По сравнению с результатами, полученными до лучевой терапии, максимально значение VI через 2 года после лечения было повышено у больных с положительными результатами биопсии и, наоборот, снижено при отрицательных результатах (ROC для VI_max всей простаты и периферической зоны 0,790 и 0,884 соответственно).

Матка и яичники

L. Jokubkiene и соавт. [9, 10] выполняли у 14 здоровых женщин 24-44 лет с регулярным менструальным циклом (МЦ) 3D эхографию с ЭД на 2, 3 или 4-й день МЦ, с 9-го дня ежедневно до овуляции, а также на 1, 2, 5, 7, 12-й дни после овуляции. Согласно полученным данным, объем эндометрия быстро увеличивался в фолликулярную фазу, оставаясь практически неизмененным в лютеиновую фазу. Индексы васкуляризации эндометрия и субэндометриального слоя миометрия увеличивались в течение фолликулярной фазы, снижались до исходных значений через 2 дня после овуляции, затем снова увеличивались в течение лютеиновой фазы МЦ. Объем доминантного яичника увеличивался во время фолликулярной фазы, уменьшался после разрыва фолликула, затем снова увеличивался во время лютеиновой фазы. Сосудистые индексы в доминантном яичнике и доминантном фолликуле/желтом теле увеличивались во время фолликулярной фазы, индекс перфузии (VFI) в доминантном фолликуле был в среднем (медиана) в 1,7 раза выше в день перед овуляцией, чем за 4 дня до овуляции (p=0,003). Сосудистые индексы продолжали повышаться после разрыва фолликула; VFI в желтом теле был в среднем (медиана) в 3,1 раза выше спустя 7 дней после овуляции, чем в фолликуле за 1 день до овуляции (p=0,0002). Объем и сосудистые индексы недоминантного яичника аналогичных изменений во время МЦ не претерпевали.

N. Stachowicz и соавт. [11] у женщин с кровотечением в перименопаузе установили, что средний объем эндометрия при раке тела матки (РТМ ) составлял 16,82 мл (p<0,005), а средние значения VI, FI и VFI при РТМ - соответственно 5,464, 25,995 и 1,898, значительно превышая нормальные показатели. Близкие результаты были получены в работе [12]: при пороговом значении объема эндометрия >3,56 мл чувствительность метода составила 93,1%, специфичность - 36,2%. В одной из последних работ J.L. Alcazar и соавт. [13] было показано, что рассчитанный с помощью VOCAL при РТМ объем эндометрия и VI были независимо ассоциированы с инфильтрацией опухоли в эндометрий и стадией заболевания, VI был независимо ассоциирован со степенью злокачественности опухоли, а объем эндометрия был независимо ассоциирован с метастазами в лимфатические узлы.

Точность измерения объема опухоли при раке шейки матки (РШМ) исследовали C.Y. Chou и соавт. [14], которые определяли объем опухоли шейки матки с помощью рутинной 2D эхографии и 3D эхографии до операции и после операции, по препарату (n = 61; в том числе 55 экзофитных и 6 эндофитных опухолей). Пределы согласия для 2D метода были почти в 2 раза хуже, чем для 3D метода (от +12,46 до -10,98 мл и от +6,68 до -6,10 мл (p=0,01; Klotz test)).

А.С. Testa и соавт. [15] исследовали группу женщин с диагнозом инвазивного рака шейки матки (РШМ) I-II стадии по FIGO (n=74) и контрольную группу здоровых женщин (n=24). Было выявлено значительное изменение объемных индексов кровотока в группе женщин с РШМ по сравнению с группой женщин без патологии. Некоторые индексы были связаны с размером опухоли: так, при диаметре опухоли >4 см FI оказался значительно выше, чем в опухолях меньшего размера (p=0,0006).

Близкие по смыслу результаты были получены в работе [16]. Авторы исследовали группу больных с РШМ (n=141) и группу здоровых женщин (n=30), при этом 87 больных имели измеряемую опухоль шейки матки. Индексы VI, FI и VFI были значительно повышены у тех больных, у которых опухоль визуализировалась, по сравнению с теми, у кого она не была видна или у кого шейка матки была нормальной (p<0,05, односторонний тест ANOVA). Авторами были выделены четыре типа внутриопухолевой васкуляризации (локализованный, периферический, рассыпной и с одним сосудом), которые, однако, существенно не отличались по значениям VI, FI и VFI. Объем опухоли положительно коррелировал с FI (линейная регрессия, r=0,373, p=0,001), но не коррелировал с VI или VFI.

В ретроспективном исследовании 143 женщин с объемными образованиями яичников [17] J.L. Alcazar и D. Rodriguez установили, что средние значения VI (9,365% по сравнению с 3,3%; p<0,001), FI (34,318 по сравнению с 28,794; p<0,001) и VFI (3,233 по сравнению с 1,15; p<0,01) были значительно выше в злокачественных опухолях. Полученные при рутинной допплерографии IR, PI и ПСС в доброкачественных и злокачественных образованиях существенно не отличались. Чувствительность для VI (пороговое значение 1,556%), FI (25,212) и VFI (0,323) составляла 92, 95 и 93% соответственно.

В работе [18] при оценке тех же, полученных ранее, данных авторы использовали не ручное, а автоматическое оконтуривание наиболее васкуляризированного участка в образовании яичника с помощью сферы объемом 1, 2, 3, 4 и 5 см³. Средние значения (медианы) VI, FI и VFI при использовании сферы любого объема были значительно выше в злокачественных опухолях по сравнению с доброкачественными образованиями. Анализ полученных результатов показал, что VI и VFI независимо от объема сферы лучше предсказывали малигнизацию, чем FI. Наилучшие пороговые значения индексов зависели от объема сферы, а VI обладал значительно более высокой специфичностью по сравнению с VFI и FI. Следует отметить, что автоматическая сегментация в VOCAL занимает на порядок меньше времени по сравнению с ручной. Таким образом, предложенный авторами подход с использованием автоматической сегментации 3D эхограмм для последующего расчета индексов VI, FI и VFI в объемных образованиях яичников кажется нам наиболее перспективным.

Молочная железа

Y.H. Hsiao, S.J. Kuo и соавт. [19] с целью оценки васкуляризации опухоли при трехмерной допплерографии обследовали женщин с доброкачественными (n=102) и злокачественными (n=93) новообразованиями молочных желез. Индексы VI, FI и VFI были рассчитаны как в опухоли, так и в окружающих опухоль тканях (в пределах 3 мм), в случае малигнизации они были значительно выше. На основании полученных данных с помощью мультивариантной и пошаговой логистической регрессии авторами была создана модель дифференциальной диагностики злокачественных и доброкачественных опухолей молочных желез, в которой учитывались возраст больной, объем опухоли и внутриопухолевый FI (ROC=0,926).

Близкие по смыслу результаты получили P.L. Carson и соавт. [20], которые использовали не VOCAL, а рабочую станцию с оригинальным программным обеспечением (DEC Alpha; Digital Equipment, Мэйнард, Массачусетс).

Опухоли головы и шеи

Заслуживает упоминания исследование J. Rebol, B. Brkljacic и соавт. [21], которые с помощью VOCAL рассчитали объем, а также индексы VI, FI и VFI опухоли у пациентов с раком ротовой полости до операции (n=49). Индексы VI и VFI оказались значительно выше у пациентов с метастазами в шейные лимфатические узлы (p<0,05), хотя различие для FI было статистически недостоверным.

Дискуссия и выводы

Объектом для дискуссий по поводу VOCAL остаются в первую очередь стандартизация и воспроизводимость получения трехмерных данных для их последующей оценки с помощью VOCAL, а не только воспроизводимость расчетов, выполненных одним или несколькими специалистами для одного и того же объема данных, сохраненного на жестком диске рабочей станции. С особым вниманием следует подойти к стандартизации получения данных при трехмерной энергетической допплерографии. Так, количество отображаемых цветных допплеровских сигналов в значительной мере зависит от предварительной настройки ультразвукового прибора (ЧПИ, мощность акустического сигнала и др.), а также от положения объекта исследования относительно датчика (имеют значение глубина сканирования и угол между направлением ультразвукового луча и кровотоком) [22]. Кроме того, теоретически количество захваченных при механическом сканировании цветных допплеровских сигналов должно зависеть от частоты сердечных сокращений у пациента (очевидно, что оно будет различаться при пульсе 50 и 100 уд/мин) [20].

Тем не менее выполненная с помощью VOCAL оценка объема органов и патологических образований точнее расчетов, сделанных на основании рутинной 2D эхографии. Сосудистые индексы, полученные с помощью трехмерного энергетического допплера, отражают состояние кровотока по всей зоне интереса, а не только в отдельном, субъективно выбранном участке сосуда, как это происходит во время спектральной допплерографии [22]. Данные, полученные при 3D эхографии, легко доступны для пересмотра и перерасчета, что удобно как для клинической практики, так и для научных изысканий [23, 24].

Очевидно, что спорные вопросы широкого применения VOCAL могут быть решены в процессе накопления соответствующего клинического опыта и дискуссии заинтересованных специалистов, а представленный выше обзор свидетельствует о том, что VOCAL остается наиболее перспективным и доступным методом количественного анализа в 3D эхографии.

Литература

1. Pairleitner H., Steiner H., Hasenoehrl G., Staudach A. Three-dimensional power Doppler sonography: imaging and quantifying blood flow and vascularization // Ultrasound Obstet. Gynecol. 1999 Aug. V. 14. N 2. Р. 139-143.
2. Martins W.P., Ferriani R.A. et al. Reliability and validity of tissue volume measurement by three-dimensional ultrasound: an experimental model // Ultrasound Obstet. Gynecol. 2007 Feb. V. 29. N 2. P. 210-214.
3. Yaman C., Jesacher K., Polz W. Accuracy of threedimensional transvaginal ultrasound in uterus volume measurements; comparison with two-dimensional ultrasound // Ultrasound Med Biol. 2003 Dec. V. 29. N 12. P. 1681-1684.
4. Manini M.L., Burton D.D. et al. Feasibility and Application of 3-Dimensional Ultrasound for Measurement of Gastric Volumes in Healthy Adults and Adolescents // J. Pediatr. Gastroenterol. Nutr. 2009 March. V. 48. N 3. P. 287-293.
5. Riccabona M., Fritz G. et al. Hydronephrotic Kidney: Pediatric Three-dimensional US for Relative Renal Size Assessment.Initial Experience // Radiology. 2005. V. 236. P. 276-283.
6. Suwanrath C., Suntharasaj T., Sirapatanapipat H., Geater A. Three-dimensional ultrasonographic bladder volume measurement: reliability of the Virtual Organ Computer-Aided Analysis technique using different rotation steps // J Ultrasound Med. 2009 Jul. V. 28. N 7. P. 847-854.
7. Giubilei G., Ponchietti R. et al. Accuracy of prostate volume measurements using transrectal multiplanar three-dimensional sonography // Int J Urol. 2005 Oct. V. 12. N 10. P. 936-938.
8. Strigari L., Marsella A., Canitano S. et al. Color Doppler quantitative measures to predict outcome of biopsies in prostate cancer // Med Phys. 2008 Nov. V. 35. N 11. P. 4793-4799.
9. Jokubkiene L., Sladkevicius P., Rovas L., Valentin L. Assessment of changes in endometrial and subendometrial volume and vascularity during the normal menstrual cycle using three-dimensional power Doppler ultrasound // Ultrasound Obstet Gynecol. 2006 Jun. V. 27. N 6. P. 672-679.
10. Jokubkiene L., Sladkevicius P., Rovas L., Valentin L. Assessment of changes in volume and vascularity of the ovaries during the normal menstrual cycle using three-dimensional power Doppler ultrasound // Human Reproduction. 2006 Jun. V. 21. N 10. P. 2661-2668.
11. Stachowicz N., Czekierdowski A. et al. [Three-dimensional sonoangiography in diagnostic of endometrial hyperplasia and carcinoma. An assessment of vascularization indices and endometrial volume]// Przegl Lek. 2005. V. 62. N 9. P. 827-829.
12. Odeh M., Vainerovsky I., Grinin V. et. al. Threedimensional endometrial volume and 3-dimensional power Doppler analysis in predicting endometrial carcinoma and hyperplasia // Gynecol Oncol. 2007 Aug. V. 106. N 2. P. 348-353.
13. Galvan R., Merce L., Jurado M. et al. Three-dimensional power Doppler angiography in endometrial cancer: correlation with tumor characteristics // Ultrasound Obstet Gynecol. 2010 Jun. V. 35. N 6. P. 723-729.
14. Chou C.Y., Hsu K.F. et al. Accuracy of three-dimensional ultrasonography in volume estimation of cervical carcinoma // Gynecol Oncol. 1997 Jul. V. 66. N 1. P. 89-93.
15. Testa A.C., Ferrandina G. et al. Color Doppler velocimetry and three-dimensional color power angiography of cervical carcinoma // Ultrasound Obstet. Gynecol. 2004 Sep. V. 24. N 4. P. 445-452.
16. Hsu K.F., Su J.M. et al. Three-dimensional power Doppler imaging of early-stage cervical cancer // Ultrasound Obstet. Gynecol. 2004 Nov. V. 24. N 6. P. 664-671.
17. Alcazar J.L., Rodriguez D. Three-dimensional power Doppler vascular sonographic sampling for predicting ovarian cancer in cystic-solid and solid vascularized masses // J Ultrasound Med. 2009 Mar. V. 28. N 3. P. 275-281.
18. Kudla M.J., Alcazar J.L. Does sphere volume affect the performance of three-dimensional power Doppler virtual vascular sampling for predicting malignancy in vascularized solid or cystic-solid adnexal masses? // Ultrasound Obstet Gynecol. 2010 May. V. 35. N 5. P. 602-608.
19. Hsiao Y.H., Kuo S.J., Liang W.M. et. al. Intratumor flow index can predict the malignant potential of breast tumor: dependent on age and volume // Ultrasound Med Biol. 2008 Jan. V. 34. N 1. P. 88-95.
20. LeCarpentier G.L., Roubidoux M.A. et al. Suspicious Breast Lesions: Assessment of 3D Doppler US Indexes for Classification in a Test Population and Fourfold Cross-Validation Scheme // Radiology. 2008 Nov. V. 249. N 2. P. 463-470.
21. Rebol J., Brkljacic B., Bumber Z. et. al. 3D power Doppler analysis of the vascularisation in tumours of the oral cavity // Ultraschall Med. 2007 Feb. V. 28. N 1. P. 40-44.
22. Letters to Editor. Hum Rep. 2002 Sep. V. 17. N 9. P. 2483-2484 (http://humrep.oxfordjournals.org/cgi/reprint/17/9/2484.pdf).
23. Alcazar J.L., Merce L.T. et al. Endometrial volume and vascularity measurements by transvaginal 3-dimensional ultrasonography and power Doppler angiography in stimulated and tumoral endometria: an interobserver reproducibility study // J Ultrasound Med. 2005 Aug. V. 24. N 8. P. 1091-1098.
24. Merce L.T., Alcazar J.L. et al. Endometrial volume and vascularity measurements by transvaginal threedimensional ultrasonography and power Doppler angiography in stimulated and tumoral endometria: intraobserver reproducibility // Gynecol Oncol. 2006 Mar. V. 100. N 3. P. 544-550.