КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 21-75-00068

НазваниеНеинвазивная оценка прочности хряща коленного сустава с помощью протокола мультипараметрической количественной МРТ

РуководительМеньщиков Петр Евгеньевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2021 - 06.2023 

Конкурс№60 - Конкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-602 - Физические методы медицинской диагностики. Томография

Ключевые словаколичественная МРТ, хондромаляция, хрящ, Т2-картирование, машинное обучение

Код ГРНТИ76.29.62

СтатусЗакрыт досрочно

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Хрящевая ткань выполняет в основном механическую функцию, покрывая суставные поверхности, повышает устойчивость к износу, осуществляет амортизацию и перераспределение сил сжатия и растяжения. Одними из самых распространенных заболеваний связаными с разрушением хряща являются остеоартроз и хондромаляция. Клинически, оба эти состояния приносят пациентам боль и существенный дискомфорт при выполнении такой неотъемлемой части жизни, как движение. В отличие от остеоартроза, хондромаляция встречается чаще у людей молодого возраста и стоит на первом месте по причинам возникновения болей в коленном суставе (“колено бегуна”). В случае хондромаляции при правильном и своевременном лечении (которое несомненно связано с точностью диагностики), можно добиться полного восстановления хрящевой ткани. В противном случае в разы повышается риск дальнейшего разрушения хряща и развитие раннего остоеартроза. Основными диагностическими методами установления степени хондромаляции является артроскопия или классификация рентгенологом, исходя из визуального осмотра рутинных МРТ изображений. Недостатками данных методов является инвазивность (риски связанные с операцией, расходы на нахождение в стационаре и др.), а также возможные ошибки и не объективность при постановки диагноза. Количественные методы МРТ могут быть объективной, эффективной и точной альтернативой для установления степени хондромаляции. Однако большинство исследований, проводимых с использованием методик количественной МРТ, направлено на изучение изменений, возникающих в хрящевой ткани вследствие остеоартроза. Работ, направленных на изучение количественных методов при хондромаляции, крайне мало. Данное исследование будет направлено на создание и аппробацию протокола количественной МРТ для повышения эффективности диагностики степени хондромаляции хряща коленного сустава. Для решения данной задачи будет разработан мультипараметрический протоко, включающий в себя методики Т2 Т1 и Т1rho картирования. Выбор этих параметров связан с тем, что значения Т2 Т1 и Т1rho релаксации связаны с реальными физическими параметрами хряща – количеством свободной воды и концентрацией протеогликанов и гликозаминогликанов (GAG), определяющих целостность внеклеточного матрикса хряща. Полученный протокол может быть эффективен не только для оценки хряща при хондромаляции, но также и при остеоартрозе и процессах дерегенрации хряща коленного сустава.Так как значения Т2, Т1rho и Т1связаны с реальными биофизическими параметрами, полученные в результате данного исследования данные могут расширить представления о биофизических процессах повряждения хряща коленного сустава. По результатам настоящего исследования планируется создание предсказательного алгоритма на основе методик машинного обучения, способного предсказать степень хондромаляции исходя из данных. Т2, Т1rho и Т1 релаксации. Полученный предсказательный алгоритм должен повысить эффективность как первичной диагностики, так и динамического контроля состояния хряща на протяжении лечения хондромаляции и после него. Помимо этого такая предсказательная модель может снизить время описания, что является важной задачей оптимизации процесса функционирования отделения лучевой диагностики. На данный момент в мире нет такой эффективной предсказательной модели. Переход к точному неинвазивному анализу позволит также снизить количество инвазивных артроскопий для оценки состояния хряща, что повысит комфорт пацинета и должно снизить уровень затрат на проведение таких исследований.

Ожидаемые результаты
Основным результатом настоящего исследования будет создание алгоритма на основе методик машинного обучения, способного предсказать степень хондромаляции исходя из данных количественной МРТ - Т2, Т1rho и Т1 релаксации. Полученный предсказательный алгоритм должен повысить эффективность как первичной диагностики, так и динамического контроля состояния хряща на протяжении лечения хондромаляции и после него. Помимо этого такая предсказательная модель может снизить время описания, что является важной задачей оптимизации процесса функционирования отделения лучевой диагностики. На данный момент в мире нет такой эффективной предсказательной модели. Переход к точному неинвазивному анализу позволит также снизить количество инвазивных артроскопий для оценки состояния хряща, что повысит комфорт пацинета и должно снизить уровень затрат на проведение таких исследований. Для получения значений Т2, Т1rho и Т1 релаксации будет разработан мультипараметрический протокол количественной МРТ. Полученный протокол может быть эффективен не только для оценки хряща при хондромаляции, но также и при остеоартрозе и других процессах дерегенрации хряща коленного сустава. Так как значения Т2, Т1rho и Т1связаны с реальными биофизическими параметрами, полученные в результате данного исследования данные могут расширить представления о биофизических процессах повряждения хряща коленного сустава.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках первого года настоящей работы были оптимизированы и внедрены в клиническую практику НИИ Неотложной Хирургии и травматологии протоколы Т2, Т1rho и Т1 картирования. Наибольшее внимание в рамках первого года исследования было посвящено методике Т2 картирования, так как время его сбора было существенно меньше других методик (5 минут vs 20 минут), что несомненно критично в части экономической эффективности и оптимального пациента потока любого отделения лучевой диагностики. Полученный протокол Т2 картирования был применен в исследовании 51 здорового добровольца и 171 пациента с хондромаляцией хряща надколенника (из которых 131 пациент были классифицированы в группу с легкой степенью хондромаляции (I и II по модифицированной шкале Outbridge), а 37 пациентов в группу с тяжелой степенью хондромаляции (III и IV по модифицированной шкале Outbridge)). Настоящее исследование выявило достоверный рост значений Т2 в обеих группах пациентов в глубоком и промежуточном слоях хряща надколенника, связанный с ростом анизотропии и увеличение содержания свободной воды в этих областях, что указывает на процессы разрушения коллагенового матрикса. Таким образом выявленное разрушение матрикса наблюдается уже на легкой стадии хондромаляции и продолжается в тяжелой стадии. Анализ значений Т2 с учетом гистологических слоев является наиболее эффективным, по данным как статистического анализа (в отличие от расчета значений Т2 во всем объеме хряща обнаруживаются достоверные различия значений Т2 между группой нормы и легкой степенью хондромаляции), так и показателям чувствительности и специфичности модели классификации (алгоритма логистической регрессии One-vs-Rest), реализованной в рамках данной работы. Использование 6 начальных входных данных (при разделении хряща на гистологические слои и дополнительно к этому разделение хряща на медиальную и латеральную части) в полученной модели классификации показали крайне высокие значения чувствительности и специфичности (94.7 ± 1.3% и 86.8 ± 4.0%, соответственно). Таким образом, методика Т2 картирования в сочетании с данной моделью классификации может самостоятельно использоваться в клинической практике для классификации легкой и тяжелой хондромаляции. Важным шагом дальнейшего развития данного метода является замена ручного выделения хряща врачом рентгенологом на его автоматическую сегментацию, а также увеличение точности расчета значений Т2 путем увеличения пространственного разрешения изображений для Т2 картирования. Это будет основной задачей на второй год реализации проекта.

 

Публикации

1. Воронкова Е.В, Меньщиков П.Е.б Мельников И.А., Манжурцев А.В., Ублинский М.В., Воробьев Д.А., Куприянов Д.А., Ахадов Т.А. T2 map segmentation into the deep, intermediate and superficial layers when staging of patellar cartilage chondromalacia Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med., Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 30 (4619) (год публикации - 2022)

2. Воронкова Е.В, Меньщиков П.Е.б Мельников И.А., Манжурцев А.В., Ублинский М.В., Воробьев Д.А., Куприянов Д.А., Ахадов Т.А. T2 map segmentation into the deep, intermediate, and superficial layers when staging of patellar cartilage chondromalacia Book of abstracts of the The 6-th International Symposium and Schools for Young Scientists on Physics, Engineering and Technologies for Biomedicine, pp. 231-232 (год публикации - 2021)

3. Воронкова Е.В., Мельников И.А. Применение Т2-картирования для количественной оценки глубокого, среднего и поверхностного слоев хряща надколенника у пациентов с хондромаляцией Детская Хирургия, 26(1, Приложение): 114-115 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.55308/1560-9510-2022-26-1-spl-1-154