В последнее десятилетие метод ЯМР успешно внедряется во все отрасли медицинской науки. Этот метод нашел применение в диагностике онкологических заболеваний различных органов человека, в том числе предстательном железы.
ЯМР — избирательное поглощение веществом электромагнитного излучения, обусловленное переориентацией магнитных моментов атомных ядер, находящихся в постоянном магнитном поле. К ядрам подобного типа относятся ядра атомов водорода. Получение послойных изображений того или иного органа человека методом ЯМР основано на переориентации магнитных моментов ядер атомов водорода, находящихся преимущественно в тканевой жидкости или жировой ткани. Содержание большого числа ядер водорода в тканях человека обеспечивает достаточно сильный ЯМР-сигнал, пригодный для построения ЯМР-изображения. Для возбуждения спиновой системы, находящейся в постоянном магнитном поле, обычно используется импульсное электромагнитное излучение радиочастотного диапазона. ЯМР-характеристиками исследуемого объекта служат в основном три параметра: протонная плотность, время релаксации протонов T1 и Т2.
Наиболее ценную информацию об исследуемом объекте дают T1 и Т2. T1 отражает продолжительность возврата протона из состояния возбуждения в положение равновесия (в продольной относительно направления примененного магнитного поля плоскости). Этот процесс определяется молекулярным окружением ядра, т. е. взаимосвязью ядер с окружающим пространством или пространственной структурной решеткой — «спин-решетчатая (продольная) релаксация». Если время T1 характеризует релаксацию одного протона, то время Т2 относится к процессу релаксации, в котором участвуют 2 протона и более. Оно отражает преходящее перераспределение магнитных моментов возбужденных протонов к их исходному состоянию в поперечной относительно направления магнитного поля плоскости и является результатом энергетического обмена между вращающимися ядрами «спин-спиновая (поперечная) релаксация». Факторы, определяющие количественное значение T1 и Т2, многочисленны. К ним относятся физико-химические характеристики исследуемого объекта (молекулярная структура, температура, вязкость, химический состав и т. д.). Как правило, значения T1 значительно больше Т2. В ЯМР-томограммах содержится информация о протонной плотности, времени T1 и Т2. ЯМР-изображения (томограммы) отражают локализацию и поведение ядер, излучающих электромагнитные сигналы. Таким образом, изменяя амплитуду импульсов или межимпульрные интервалы, можно достичь оптимальной контрастности изображения исследуемых органов и тканей — как здоровых, так и патологически измененных, поскольку на одном уровне получается несколько томограмм в разных режимах, из которых можно вычислить значение протонной плотности.
Степень контрастности изображения зависит от протонной плотности, времени T1 и Т2, а также от используемой последовательности специфических радиочастотных импульсов. В настоящее время для получения ЯМР-изображения используются последовательность импульсов в режиме «насыщение — восстановление», «инверсия — восстановление» и импульсная последовательность типа спинового эха. Последовательность импульсов «насыщение — восстановление» состоит из 90-градусных импульсов, следующих друг за другом через межимпульсный интервал, который называется временем повторения. ЯМР-томограммы, полученные в режиме «насыщение — восстановление», содержат информацию о протонной плотности и Ть От величины T1 интенсивность изображения зависит тем больше, чем короче интервал времени повторения. Участки с малым T1 успевают полностью восстановить продольную намагниченность в межимпульсном интервале и после возбуждения дают сильный сигнал (на томограммах они выглядят светлыми). В последовательности импульсов «инверсия — восстановление» первоначально применяется 180-градусный импульс. Затем после определенной задержки, приблизительно равной T1, в течение которой происходит спин-решетчатая релаксация, применяется «считывающий» 90-градусный импульс. С помощью описываемой методики Ti-вариации выделяются в исследуемом объекте более ярко за счет значительного увеличения времени сканирования, так как необходима пауза, равная по меньшей мере тройному Т1-интервалу, чтобы повторить 180 — 90-градусную пару импульсов во избежание ошибок в определении значений Т2.
ЯМР-томограммы, полученные в режиме «инверсия — восстановление», демонстрируют протонную плотность с более выраженной зависимостью от T1, чем при использовании импульсной последовательности «насыщение — восстановление». Сильный сигнал исходит из участков с малым T1, слабый — от областей с большим T1. Тонкая дифференцировка участков с небольшими различиями в T1 достигается изменением времени инверсионной задержки.
Для более точного определения значений Т2 без наслоения нежелательных эффектов от негомогенности магнитного поля используется методика импульсной последовательности — спиновое эхо. В этой последовательности возбуждение спиновой системы достигается применением двух импульсов — 90-градусного и второго — 180-градусного. Интервал между 90-и-180-градусным импульсами называется временем задержки эхоимпульса. Эхосигнал возникает после 90-градусного импульса через время «эхозадержки» (эховремя). Процесс возбуждения спиновой системы повторяется через определенный промежуток времени, который называется временем повторения. Амплитуда эхосигнала меньше амплитуды начального сигнала, поэтому для получения томограмм используют многократное возбуждение с последующей суммацией сигнала. Интенсивность сигнала спинового эха находится в сложной зависимости от протонной плотности, Т1 и Т2. Изменяя время задержки эхоимпульса и время повторения, можно получить сигнал, амплитуда которого будет зависеть только от одного из этих параметров. Так, последовательность спинового эха с коротким временем задержки эхоимпульса дает томограммы протонной плотности, «взвешенные» по Т2. Влияние Т2 на амплитуду сигнала становится более очевидным при увеличении времени задержки эхоимпульса. От участков с коротким Т2 всегда поступает слабый эхосигнал. и сигнал спинового эха затухает быстрее.
Для качественной оценки патологических изменений в обследуемом органе необходимо определить значения Т1, Т2 и протонной плотности. При соответствующем изменении параметров импульсных последовательностей «насыщение — восстановление», «инверсия - восстановление» спинового эха Можно получить изображения, отражающие распределение Т1 в среде — так называемые T1-взвешенные или Т2-взвешенные изображения. Компьютерный анализ спинового эха позволяет получить Т2-взвешенные изображения.
Основной частью ЯМР-томографа является магнит, генерирующий постоянное однородное поле, с которым суммируются градиентные поля. Радиочастотная катушка возбуждает протоны исследуемого объекта радиочастотными импульсами и воспринимает испускаемое ими электромагнитное излучение — ЯМР-сигнал, который передается в компьютер. Компьютер осуществляет контроль, сбор и обработку информации, архивирование данных, управление, формирование конечного изображения.
ЯМР имеет ряд преимуществ по сравнению с КТ. Это относится к возможности исследования предстательной железы в осевой, фронтальной и сагиттальной плоскостях, что достигается простым изменением градиентных полей. При ЯМР качество изображений в определенных случаях выше, так как при реконструкциях КТ-срезов происходит некоторая потеря разрешающей способности. Исключительной особенностью ЯМР-изображения является его зависимость от способа получения ЯМР-сигнала и величин показателей времени повторения и эховремени, что создает возможность использования большого количества комбинаций различных параметров исследования и, следовательно, проведения дифференциальной диагностики различных заболеваний. Преимущество ЯМР-томографии заключается в возможности получения изображения предстательной железы в трех пространственных измерениях — поперечном, продольном и сагиттальном, что позволяет уточнить топографоанатомические соотношения железы с другими органами малого таза. При использовании ЯМР для исследования предстательной железы оптимальным вариантом является спиновое эхо. При этом исключительной особенностью ЯМР-изображения оказалась его зависимость от получения ЯМР-сигнала и показателей времени повторения процесса возбуждения и эховремени. При использовании спинового эха с временем повторения возбуждения 300 — 500 мс и эховременем 15 — 35 мс на T1-взвешенных изображениях в трех проекциях выявляется гомогенная интенсивность сигналов нормальной железы. Более четкое изображение морфологической структуры нормальной железы достигается увеличением времени повторения возбуждения спиновой системы до 1500 — 2100 мс и эховремени до 90—120 мс. При этом на Т2-взвешенных изображениях прослеживается различная интенсивность ЯМР-сигналов от центральной, периферической и переходной зон железы. Уникальным свойством ЯМР является возможность выявления зональной анатомии железы, что подтверждает данные об особенностях гистологической характеристики отдельных ее участков, а также вносит новые данные об их возрастных изменениях.
Основная масса железистой ткани локализуется в центральной и периферических зонах железы, которые соответственно включают 25% и 75% объема железистой ткани этого органа. Переходная зона — наименьший по своим размерам отдел железы, включающий железистую и фиброзно-мышечную ткани, локализующиеся в области дистального сегмента предстательной части мочеиспускательного канала. Основная масса железистой ткани железы в ЯМР-изображении представляет собой плоский диск, ориентированный во фронтальной плоскости. Выполнение ЯМР-томографии во фронтальной плоскости вдоль продольной оси дистального отдела предстательной части мочеиспускательного канала позволяет выявить периферическую и центральную зоны. Периферическая и центральная зоны значительно различаются по гистоморфологическому строению. Различия лучше всего прослеживаются на ЯМР-томограммах с использованием Т2-взвешенных изображений в связи с более коротким временем релаксации центральной зоны. Периферическая зона характеризуется высокой интенсивностью сигналов, образующих яркую зону серповидной формы в заднебоковых отделах железы. Более слабая интенсивность сигналов от центральной по сравнению с периферической зоной объясняется присутствием в ее строме компактных пучков фиброзно-мышечных волокон, имеющих очень короткое время релаксации Тг В противоположность этому периферическая зона отличается рыхлостью расположения пучков фиброзно-мышечных волокон, большим содержанием тканевой жидкости и скудным содержанием протеина в клеточных структурах, что и определяет повышенную интенсивность сигналов от нее. Наиболее отчетливые различия центральной и периферической зон на ЯМР-томограммах прослеживаются у мужчин молодого возраста. В процессе старения центральная зона атрофируется, что снижает общую массу железы и сглаживает различия между ее зонами до 35%. Оценка состояния периферической зоны имеет важное клиническое значение в связи с ее исключительностью в развитии рака предстательной железы. Третья зона железы — переходная — составляет около 5 % от объема железы и является местом развития доброкачественной узловой гиперплазии. Переходная зона у молодых мужчин характеризуется низкой интенсивностью гомогенных сигналов, сливающихся с сигналами от периуретральных желез и препростатического сфинктера. У мужчин пожилого и старческого возраста переходная зона отличается большими размерами и сигналами различной интенсивности. Мочеиспускательный канал определяется на Т2-взвешенных изображениях сигналами высокой интенсивности от его центра, окруженных ободком сигналов низкой интенсивности от мышечных элементов стенки мочеиспускательного канала и периуретральной ткани. Яркие сигналы от центра мочеиспускательного канала объясняются обширной сетью кровеносных сосудов его слизистой оболочки. Проксимальный и дистальный сегменты предстательной части канала наиболее четко отображены на ЯМР-томограммах, произведенных в поперечной проекции: перепончатый отдел мочеиспускательного канала отличается от предстательного большей толщиной стенки. ЯМР-томограммы, выполненные в поперечной проекции, являются оптимальными для дифференциации переходной и периферической зон от мочеиспускательного канала. Семенной бугорок в большинстве случаев излучает сигналы высокой степени интенсивности на Т2-взвешенных изображениях. Эякуляторные протоки характеризуются низкой или высокой интенсивностью сигналов. Ободок более низкой интенсивности сигналов по отношению к паренхиме Железы шириной более 1 мм относится к ее капсуле и прилежащей к ней перипростатической ткани. Фиброзно-мышечный листок, покрывающий переднебоковую поверхность железы, отражается зоной низкой интенсивности сигналов и особенно отчетливо прослеживается при использовании длительного времени повторения возбуждения и эховремени. Семенные пузырьки выявляются при применении последовательности импульсов типа спинового эха с коротким и длительным временем повторения возбуждения и эховременем. При коротком времени повторения возбуждения и эховремени на T1-взвешенных изображениях семенные пузырьки отражаются в виде билатерально-симметричных сигналов умеренной интенсивности. На Т2-взвешенных изображениях семенные пузырьки выделяются высокой интенсивностью сигналов, значительно более ярких по отношению к окружающей жировой клетчатке, что объясняется большим содержанием в них тканевой жидкости. На ЯМР-томограммах размеры семенных пузырьков составляют 3,1 —3,3 см в длину и 1,4—1,7 см в ширину. При использовании спинового эха на изображениях железы в поперечной и продольной проекциях виден яркий ободок различной толщины, окружающий железу. Он четко отделен от мышцы, поднимающей предстательную железу, которая является передним отделом мышцы, поднимающей задний проход.
Отражения ЯМР-сигналов от перипростатического венозного сплетения создают яркий ободок, окаймляющий предстательную железу. Отчетливо прослеживается топографоанатомическое соотношение предстательной железы с окружающими органами и тканями. Боковые и задний отделы перипростатической жировой клетчатки наиболее отчетливо прослеживаются на поперечных сканах, тогда как передний отдел жировой клетчатки (в пространстве Ретциуса) лучше определяется на сагиттальных сканах. Сигналы от перипростатического венозного сплетения создают яркий ободок, окаймляющий предстательную железу.
При анализе ЯМР-томограмм предстательной железы обращают внимание на ее размер, характер сигналов от железы на Т1- и Т2-взвешенных изображениях, отражающих распределение величин релаксационных времен T1 и Т2 на ЯМР-томограмме, которое может быть однородным или неоднородным, признаки распространения рака предстательной железы на периферическую жировую клетчатку и другие газовые органы, присутствие метастазов рака предстательной железы в регионарных лимфатических узлах.
ЯМР-изображение аденомы предстательной железы отличается значительной вариабельностью. При использовании различных вариантов последовательных импульсов (спиновое эхо, инверсия — восстановление) удалось в ряде случаев показать, что ткань аденомы предстательной железы характеризуется однородными ЯМР-сигналами [Poon P. et al., 1985; Brian P. et al., 1986]. В то же время отмечается возможность получения неоднородных сигналов от ткани аденомы предстательной железы с отдельными участками их сниженной или повышенной интенсивности по отношению к окружающей простатической ткани.
Исследование железы в грех проекциях позволяет определить ее объем и получить данные о внутрипузырном росте аденомы предстательной железы. Исследование в сагиттальной проекции является оптимальным для выявления внутрипузырной формы аденомы предстательной железы и влияния ее роста на шейку мочевого пузыря, что имеет важное значение при планировании аденомэктомии. Сагиттальная ЯМР-томограмма представляет также ценные сведения о состоянии мочепузырного треугольника, слизистая оболочка которого значительно утолщается при обструкции в шеечно-уретральном сегменте в связи с ростом аденоматозных узлов. ЯМР-изображения хронического простатита характеризуются неоднородностью сигналов, тогда как при остром простатите отмечается такая же однородность сигналов, как и от нормальной железы. В случаях рака предстательной железы однородность ЯМР-сигналов наблюдается крайне редко. Для рака предстательной железы характерна неоднородная интенсивность сигналов. В этих случаях прослеживаются четко- или слабоопределяемые очаги сниженной или повышенной интенсивности сигналов, придающие томограмме «узловатый» вид. Рак предстательной железы на ЯМР-изображениях может также проявиться участками резко повышенной интенсивности сигналов в ткани железы. При внекапсульном распространении рака предстательной железы прослеживается дефект интенсивности сигналов от периферической зоны более 1 см в диаметре с относительно низкой интенсивностью сигналов по отношению к остальным участкам периферической зоны железы. Распространение рака предстательной железы за пределы капсулы железы в перипростатическую жировую клетчатку отражается снижением интенсивности сигналов, что резко контрастирует с сильными сигналами от участков жировой клетчатки, не подвергшихся раковой инвазии. Распространение опухолевого процесса в- боковые и задний отделы перипростатической жировой клетчатки лучше всего прослеживается при томографии в поперечной проекции, тогда как рост опухоли кпереди в пространство Ретциуса определяется на ЯМР-томограммах, произведенных в сагиттальной плоскости. С помощью ЯМР-томографии определяются метастазы рака предстательной железы в регионарных лимфатических узлах (внутренних повздошных, запирательных, наружных подвздошных, общих подвздошных). Развитие метастазов в лимфатических узлах сопровождается изменением интенсивности сигналов, которые становятся более сильными, чем от скелетной мускулатуры.
С помощью ЯМР удается выявить метастазы в регионарных лимфатических узлах в начальной стадии их развития, когда размеры узла еще не изменены или незначительно увеличены (до 1,5 см в диаметре). Изменение интенсивности сигналов от семенных пузырьков свидетельствует о вовлечении их в опухолевый процесс. Распространение рака предстательной железы на стенку мочевого пузыря в области его дна выявляется на Т1- и Т2-взвешенных изображениях. В большинстве имеющихся сообщений о ЯМР-томографии предстательной железы указывается на невозможность с помощью этого метода провести тканевый специфический дифференциальный диагноз между аденомой и раком предстательной железы в стадии его внутрикапсульной локализации. Величины Ti при раке предстательной железы несколько повышены по сравнению с нормальной предстательной железой. В то же время использовать показатель Т1 для дифференциальной диагностики рака предстательной железы нецелесообразно в связи со значительным перекрытием значений Т1 для ткани рака предстательной железы и нормальной железы. При раке предстательной железы происходит резкое увеличение интенсивности сигналов от железы с повышением показателя Т2. Используя вариант спинового эха, можно добиться повышения контрастности ЯМР-изображения предстательной железы и выявления неоднородности сигналов, характерных для нарушения тканевой структуры железы. ЯМР-исследование более чувствительно, чем КТ, при диагностике раннего внекапсульного распространения рака предстательной железы. Точность результатов ЯМР-исследований в оценке внекапсульного распространения рака предстательной железы определяется временем повторения возбуждения и эховременем, а также проекцией ЯМР-сканов. При использовании T1- и Т2-взвешенных изображений в поперечной проекции точность
определения клинической стадии рака предстательной железы составляет 61%. Дополнительное выполнение Т2-взвешенных изображений во фронтальной и сагиттальной проекциях повышает точность диагностики клинической стадии рака предстательной железы до 83%. Это приобретает важное практическое значение при дифференциации внутрижелезистого рака предстательной железы стадии Т2 от внекапсульного распространения опухоли стадий Т3—Т4 в рамках решения вопроса о выборе лечения. Точность диагностики рака предстательной железы стадии В по данным ЯМР-томографии, подтвержденная результатами исследования ткани, полученной при радикальной простатэктомии, составляла 89%, а чувствительность этого метода в дифференциации Стадий В и С —87% [Biondetti P. et al., 1987]. Основными признаками внекапсульного распространения рака предстательной железы по данным ЯМР-изображений являются изменения сигналов от венозного перипростатического сплетения, перипростатической жировой клетчатки и семенных пузырьков. При анализе этих признаков наиболее чувствительным индикатором внекапсульного распространения рака предстательной железы является изменение ЯМР-сигналов от перипростатического венозного сплетения. При одностороннем внекапсульном распространении рака предстательной железы возникают изменения интенсивности сигналов в противоположной к ней стороне перипростатического венозного сплетения. Это объясняется нарушением оттока венозной крови из железы, что является реакцией на распространение рака предстательной железы. Одностороннее изменение интенсивности сигналов от перипростатического венозного сплетения служит признаком раннего внекапсульного распространения рака предстательной железы и не должно расцениваться как ложно-положительный результат исследования. Интактность перипростатического венозного сплетения характеризуется сохранением его билатеральносимметричной формы сигналов более высокой интенсивности по сравнению е окружающей жировой клетчаткой на Т2-взвешенных изображениях.
Сохранение непрерывности блестящего ободка вокруг железы (перипростатического венозного сплетения) при неоднородности сигналов от железы свидетельствует о внутрикапсульной локализации патологического процесса. Нарушение целости блестящего ободка наиболее точно выявляется при варианте спинового эха на томограммах в поперечной и продольной плоскостях и подтверждает распространение рака предстательной железы за пределы капсулы железы. Итак, внутренняя структура предстательной железы наиболее четко видна на ЯМР-томограммах при использовании спинового эха. При этом удлинение эховремени и времени повторения сигналов до 990 и 2100 мс соответственно повышает качество изображения и позволяет выявить неоднородность сигналов от паренхимы железы. Фокальные изменения сигналов соответствуют локализации узла, пальпируемого при пальцевом ректальном исследовании, с высоким процентом совпадения (67%) [Ling D. et al., 1986].
Степень выраженности структурных изменений в предстательной железе отражается различным характером изменений интенсивности ЯМР-сигналов. В связи с этим целесообразно проведение подробного анализа ЯМР-изображений при неоднородности интенсивности сигналов. Если ЯМР-томограммы предстательной железы включают несколько раздельных фокальных очагов повышенной или сниженной интенсивности сигналов по отношению к окружающей паренхиме, то они обозначаются «узловатыми». Неоднородность сигналов от железы может носить диффузный характер в случаях, когда зоны различной интенсивности сигналов не имеют четких границ. Патологические процессы (аденома и рак предстательной железы) на ЯМР-томограммах могут проявляться изменением интенсивности сигналов, обозначаемых как «смешанные». При этом интенсивность сигналов от периферического отдела железы более высока или низка, чем от центрального ее отдела. Тщательный анализ ЯМР-изображений позволяет выявить степень нарушений тканевой структуры. Однородная картина ЯМР-изображения железы встречается значительно чаще при аденоме предстательной железы и редко при раке предстательной железы. Узловатая картина наблюдалась в 68% наблюдений рака предстательной железы и 12% аденомы предстательной железы [Ling D. et al., 1986]. Диффузная неоднородность ЯМР-изображения железы прослеживалась преимущественно при аденоме предстательной железы. ЯМР-изображения «смешанного» типа наблюдались с одинаковой частотой при аденоме и раке предстательной железы.
Метод ЯМР дает возможность точно определить клиническую стадию рака предстательной железы. Отсутствие признаков внекапсульного распространения на ЯМР-томограммах (на T1j- и Т2-взвешенных изображениях) свидетельствует о клинической стадии Т2. ЯМР-картина рака предстательной железы стадии Т3 включает инфильтрацию перипростатической жировой клетчатки, нечеткость контуров железы, асимметрию в размерах интенсивности сигналов семенных пузырьков на Т1 и Т2-взвешенных изображениях. Распространение злокачественного процесса на шейку мочевого пузыря характеризуется асимметричным расширением и нерегулярностью сигналов от нее на поперечных Т1-взвешенных изображениях. Инвазия шейки мочевого пузыря подтверждается также на сагиттальных Или фронтальных Т2-взвешенных изображениях, на которых выявляется патологическая интенсивность сигналов от опухоли, распространенной на область шейки пузыря. Распространение рака предстательной железы на мышцу, поднимающую задний проход, определяется асимметричным ее утолщением и диффузными или локальными зонами высокой интенсивности сигналов на Т2-взвешенных изображениях. В стадии Т4 определяются тазовые лимфатические узлы диаметром более 1,5 см. ЯМР-исследование у больных раком предстательной железы позволяет выявить метастазы в кости таза, поясничные и крестцовые позвонки с такой же точностью, как и при сцинтиграфии костей. На ЯМР-томограммах метастазы в костях характеризуются низкой интенсивностью сигналов по отношению к нормальной костной ткани.
Таким образом, ЯМР-томография предстательной железы обладает высокими разрешающими возможностями в диагностике структурных изменений в железе, выявлении поражения перивезикальных и перипростатических тканей, семенных пузырьков и лимфатических узлов таза при раке предстательной железы. Значительным преимуществом ЯМР-томографии перед КТ является возможность дифференцировать ЯМР-сигналы от лимфатических узлов без использования контрастирующих веществ. Огромным преимуществом ЯМР-томографии является проведение многопроекционного исследования без изменения положения больного.