Эластография – это любой метод медицинской визуализации , который отображает упругие свойства и жесткость мягких тканей . [1] [2] Основная идея заключается в том, что независимо от того, твердая или мягкая ткань, можно получить диагностическую информацию о наличии или статусе заболевания . Например, раковые опухоли часто тверже окружающих тканей, а больная печень тверже здоровой. [1] [2] [3] [4]
Наиболее известные методы используют ультразвук или магнитно-резонансную томографию (МРТ) для создания карты жесткости и анатомического изображения для сравнения. [ нужна цитата ]
Пальпация — это практика ощущения жесткости тканей человека или животного руками практикующего врача. Ручная пальпация датируется по крайней мере 1500 годом до нашей эры: египетские папирусы Эберса и Папирусы Эдвина Смита дают инструкции по диагностике с помощью пальпации. В Древней Греции Гиппократ дал указания по многим формам диагностики с использованием пальпации, включая пальпацию груди, ран, кишечника, язв, матки, кожи и опухолей. В современном западном мире пальпация стала считаться респектабельным методом диагностики в 1930-х годах. [1] С тех пор практика пальпации получила широкое распространение и считается эффективным методом выявления опухолей и других патологий.
Ручная пальпация имеет несколько важных ограничений: она ограничена тканями, доступными руке врача, искажается любой промежуточной тканью и носит качественный, а не количественный характер. Эластография, измерение жесткости тканей, направлена на решение этих проблем.
Существует множество эластографических методов, находящихся на стадии разработки, от ранних исследований до широкого клинического применения. Каждая из этих техник работает по-своему. Общим для всех методов является то, что они создают искажения в ткани, наблюдают и обрабатывают реакцию ткани, чтобы сделать вывод о механических свойствах ткани, а затем отображают результаты оператору, обычно в виде изображения. Каждый эластографический метод характеризуется тем, как он выполняет каждую из этих задач.
Чтобы представить механические свойства ткани, нам нужно увидеть, как она ведет себя при деформации. Есть три основных способа вызвать искажение наблюдения. Это:
Основной способ классификации эластографических методов заключается в том, какой метод визуализации (тип) они используют для наблюдения за ответом. Эластографические методы используют ультразвук , магнитно-резонансную томографию (МРТ) и датчики давления/напряжения в тактильной визуализации (ТИ) с использованием тактильного датчика (ов). Существует также несколько других методов.
Наблюдение за реакцией тканей может принимать различные формы. Что касается полученного изображения, оно может быть 1-D (т. е. линия), 2-D (плоскость), 3-D (объем) или 0-D (одно значение), и это может быть видео или одно изображение. В большинстве случаев результат отображается оператору вместе с обычным изображением ткани, которое показывает, где в ткани наблюдаются различные значения жесткости.
Как только реакция будет обнаружена, на ее основе можно рассчитать жесткость. Большинство методов эластографии определяют жесткость ткани на основе одного из двух основных принципов:
Некоторые методы просто отображают оператору искажение и/или отклик или скорость волны, в то время как другие вычисляют жесткость (в частности, модуль Юнга или аналогичный модуль сдвига ) и вместо этого отображают ее. Некоторые методы представляют результаты количественно, тогда как другие представляют только качественные (относительные) результаты.
Существует великое множество методик ультразвуковой эластографии. Наиболее известные из них представлены ниже.
Квазистатическая эластография (иногда называемая просто «эластографией» по историческим причинам) является одним из самых ранних методов эластографии. В этом методе к ткани применяется внешнее сжатие и сравниваются ультразвуковые изображения до и после сжатия. Области изображения, которые меньше всего деформируются, являются наиболее жесткими, а наиболее деформированные области являются наименее жесткими. [3] Как правило, оператору отображается изображение относительных искажений ( деформаций ), которое часто имеет клиническое значение. [1]
Однако на основе изображения относительного искажения часто желательно составить количественную карту жесткости. Для этого необходимо сделать предположения о природе отображаемых мягких тканей и о ткани за пределами изображения. Кроме того, при сжатии объекты могут перемещаться в изображение или за его пределы, а также перемещаться по нему, вызывая проблемы с интерпретацией. Еще одним ограничением этого метода является то, что, как и при ручной пальпации, при нем возникают трудности с органами или тканями, которые не расположены близко к поверхности или легко сжимаются. [4]
Акустическая радиационная импульсная визуализация (ARFI) [5] использует ультразвук для создания качественной двумерной карты жесткости тканей. Это достигается за счет создания «толчка» внутри ткани с помощью силы акустического излучения сфокусированного ультразвукового луча. Степень давления ткани вдоль оси луча отражает жесткость ткани; более мягкие ткани легче проталкиваются, чем более жесткие. ARFI показывает качественное значение жесткости вдоль оси толкающей балки. Путем надавливания в разных местах создается карта жесткости тканей. Количественная оценка визуализации Virtual Touch (VTIQ) успешно используется для выявления злокачественных шейных лимфатических узлов. [6]
При визуализации упругости сдвиговой волной (SWEI) [7] , подобно ARFI, «толчок» вызывается глубоко в ткани силой акустического излучения . Возмущение, создаваемое этим толчком, распространяется по ткани в виде поперечной волны . Используя такие методы изображения, как ультразвук или МРТ , чтобы увидеть, как быстро волна достигает разных латеральных положений, можно сделать вывод о жесткости промежуточной ткани. Поскольку термины «визуализация эластичности» и «эластография» являются синонимами, первоначальный термин SWEI, обозначающий технологию картирования эластичности с использованием поперечных волн, часто заменяется на SWE. Принципиальное различие между SWEI и ARFI заключается в том, что SWEI основан на использовании поперечных волн, распространяющихся в поперечном направлении от оси балки, и создании карты упругости путем измерения параметров распространения поперечных волн, тогда как ARFI получает информацию об упругости от оси толкающей балки и использует несколько толчков. для создания двумерной карты жесткости. В ARFI не используются поперечные волны, а в SWEI не проводится оценка осевой эластичности. SWEI реализован в сверхзвуковой визуализации сдвига (SSI).
Сверхзвуковая визуализация сдвига (SSI) [8] [9] дает количественную двумерную карту жесткости тканей в реальном времени. SSI основан на SWEI: он использует силу акустического излучения, чтобы вызвать «толчок» внутри интересующей ткани, генерируя поперечные волны, а жесткость ткани рассчитывается на основе того, насколько быстро результирующая поперечная волна проходит через ткань. Карты локальных скоростей тканей получаются с помощью традиционной техники отслеживания спеклов и дают полное представление о распространении поперечной волны через ткань. В SSI реализованы две основные инновации. Во-первых, используя множество почти одновременных толчков, SSI создает источник поперечных волн, который перемещается через среду со сверхзвуковой скоростью. Во-вторых, генерируемая поперечная волна визуализируется с помощью метода сверхбыстрой визуализации. Используя алгоритмы инверсии, сдвиговая упругость среды количественно отображается на основе фильма о распространении волн. SSI — это первая технология ультразвуковой визуализации, позволяющая получить более 10 000 кадров в секунду глубоко расположенных органов. SSI предоставляет набор количественных и in vivo параметров, описывающих механические свойства ткани: модуль Юнга, вязкость, анизотропию.
Этот подход продемонстрировал клиническую пользу при визуализации молочной железы, щитовидной железы, печени, простаты и скелетно-мышечной системы . SSI используется для обследования молочной железы с помощью ряда линейных датчиков высокого разрешения. [10] Крупное многоцентровое исследование визуализации молочной железы продемонстрировало как воспроизводимость [11], так и значительное улучшение классификации [12] поражений молочной железы, когда изображения сдвиговолновой эластографии добавляются к интерпретации стандартных ультразвуковых изображений в B-режиме и цветном режиме. .
В пищевой промышленности ультразвук низкой интенсивности уже используется с 1980-х годов для получения информации о концентрации, структуре и физическом состоянии компонентов в таких пищевых продуктах, как овощи, мясо и молочные продукты, а также для контроля качества [13 ] . например, для оценки реологических качеств сыра. [14]
Транзиентная эластография первоначально называлась импульсной эластографией с временным разрешением [15] , когда она была внедрена в конце 1990-х годов. Этот метод основан на кратковременной механической вибрации, которая используется для индукции поперечной волны в ткани. Распространение поперечной волны отслеживается с помощью ультразвука, чтобы оценить скорость поперечной волны, из которой выводится модуль Юнга в соответствии с гипотезой однородности, изотропии и чистой упругости (E = 3ρV²). Важным преимуществом транзиентной эластографии по сравнению с методами гармонической эластографии является разделение поперечных волн и волн сжатия. [16] Методика может быть реализована в 1D [17] и 2D, что потребовало разработки сверхбыстрого ультразвукового сканера. [18]
Транзиентная эластография дает количественное одномерное (т.е. линейное) изображение жесткости «ткани». Он действует путем вибрации кожи с помощью двигателя, создавая проходящее искажение в ткани ( поперечная волна ), и визуализирует движение этого искажения, когда оно проходит глубже в тело, с помощью 1D ультразвукового луча. Затем он отображает количественную линию данных жесткости ткани ( модуль Юнга ). [19] [20] Этот метод используется в основном системой Фиброскан, которая используется для оценки печени, [21] например, для диагностики цирроза печени . [22] Специальная реализация одномерной транзиторной эластографии, называемая VCTE, была разработана для оценки средней жесткости печени, которая коррелирует с фиброзом печени, оцениваемым с помощью биопсии печени. [23] [24] Этот метод реализован в устройстве, которое также может оценивать параметр контролируемого затухания (CAP), который является хорошим суррогатным маркером стеатоза печени . [25]
Магнитно-резонансная эластография (MRE) [26] была внедрена в середине 1990-х годов, и были исследованы многочисленные клинические применения. При MRE на поверхности тела пациента используется механический вибратор; это создает поперечные волны, которые проникают в более глубокие ткани пациента. Используется последовательность получения изображений, которая измеряет скорость волн, и это используется для определения жесткости ткани ( модуля сдвига ). [27] [28] Результатом MRE-сканирования является количественная трехмерная карта жесткости ткани, а также обычное трехмерное изображение МРТ.
Одним из преимуществ MRE является получение трехмерной карты эластичности, которая может охватывать весь орган. [2] Поскольку МРТ не ограничена воздухом или костями, она может получить доступ к некоторым тканям, недоступным для ультразвука, особенно к мозгу. Он также имеет то преимущество, что он более единообразен для разных операторов и менее зависит от навыков оператора, чем большинство методов ультразвуковой эластографии.
За последние несколько лет МР-эластография добилась значительных успехов: время сбора данных сократилось до минуты или меньше, и она использовалась в различных медицинских приложениях, включая кардиологические исследования живых человеческих сердец. Короткое время проведения МР-эластографии также делает ее конкурентоспособной по сравнению с другими методами эластографии.
Эластография используется для исследования многих заболеваний во многих органах. Его можно использовать для получения дополнительной диагностической информации по сравнению с простым анатомическим изображением, а также для направления биопсии или, что все чаще, полностью заменять ее. Биопсия инвазивна и болезненна, представляет риск кровотечения или инфекции, тогда как эластография совершенно неинвазивна.
Эластография используется для исследования заболеваний печени. Жесткость печени обычно указывает на фиброз или стеатоз ( жировую болезнь печени ), которые, в свою очередь, указывают на многочисленные болезненные состояния, включая цирроз печени и гепатит . Эластография особенно эффективна в этом случае, потому что, когда фиброз диффузный (распространен комками, а не сплошными рубцами), биопсия может легко пропустить образец пораженной ткани, что приведет к ложноотрицательному ошибочному диагнозу .
Естественно, эластография находит применение в тех органах и заболеваниях, где ручная пальпация уже была широко распространена. Эластография используется для обнаружения и диагностики рака молочной железы , щитовидной железы и простаты . Некоторые виды эластографии также подходят для визуализации скелетно-мышечной системы и позволяют определить механические свойства и состояние мышц и сухожилий .
Поскольку эластография не имеет тех же ограничений, что и мануальная пальпация, ее исследуют в некоторых областях, для которых в анамнезе нет диагноза с помощью мануальной пальпации. Например, магнитно-резонансная эластография способна оценить жесткость головного мозга [29] , и появляется все больше научной литературы по эластографии здорового и больного мозга.
В 2015 году были опубликованы предварительные отчеты об эластографии трансплантированных почек для оценки кортикального фиброза, показавшие многообещающие результаты. [30] В исследовании Бристольского университета « Дети 90-х » у 2,5% из 4000 человек, родившихся в 1991 и 1992 годах, с помощью ультразвукового сканирования в возрасте 18 лет была обнаружена неалкогольная жировая болезнь печени; пять лет спустя транзиторная эластография выявила более 20% жировых отложений в печени в виде стеатоза, что указывает на неалкогольную жировую болезнь печени; половина из них были классифицированы как тяжелые. Сканирование также показало, что у 2,4% наблюдались фиброзные рубцы печени , которые могут привести к циррозу печени . [31]
Другие методы включают эластографию с оптической когерентной томографией [32] (т.е. световую).
Тактильная визуализация предполагает перевод результатов цифрового «прикосновения» в изображение. Для реализации тактильных датчиков было исследовано множество физических принципов : резистивные, индуктивные, емкостные, оптоэлектрические, магнитные, пьезоэлектрические и электроакустические принципы в различных конфигурациях. [33]