CC BY
33
Научни трудове на Съюза на учените в България-Пловдив Серия Г. Медицина, фармация и дентална медицина т.ХХ1. ISSN 1311-9427 (Print), ISSN 2534-9392 (On-line). 2017. Scientific works of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series G. Medicine, Pharmacy and Dental medicine, VoLXXI. ISSN 1311-9427 (Print), ISSN 2534-9392 (On-line). 2017.
УЛТРАЗВУКОВА ЕЛАСТОГРАФИЯ ПРИ ОЦЕНКАТА НА ЧЕРНОДРОБНАТА ФИБРОЗА Даниел Дойков, Владимир Андонов Втора катедра по вътрешни болести, Медици нскиуниверситет- Пловдив Клиника по гастроентерология, УМБАЛ Каспела
ULTRASOUND ELASTOGRAPHYHO R THE EVALUATION OF
LIVHR FB^OSIS Daniel Doykov, Vladimir Andonov Second Department of Internal Diseases, Medical University - Plovdiv Department of Gastroenterology, UniversityHospital Kaspela
Abstract
Ultrasound imaging /US/ is one of the most important diagnostic procedures in the assessment of liver fibrosis. US plays major role for morphological examination of the parenchyma, signs for dysmorphism or portal hypertension, detecting and characterizing focal liver lesions, monitoring treatment. Conventional US, however, cannot accurately differentiate the stages of fibrosis.
Elastography is based on the measurement of deformation induced in a tissue by force. The aim of this article is to review the different US elastography techniques.
Резюме:
Ултразвуковата еластография има за цел изобразяването на плътността на тъканите, като по този начин се осигурява допълнителна и клинически важна информация. Измерването на плътността може да се постигне или чрез анализа на деформацията в тъканта под натиск или посредством изобразяването на напречни и механични вълни, чието разпространение се управлява по-скоро от плътността на тъканта, отколкото от нейния обем.
Връзката между палпирането и еластографията поражда възможността за множество приложения на това „палпаторно изобразяване". Навсякъде, където палпирането демонстрира клинична стойност, еластографията може да се разглежда като подходящ инструмент за диагностика. Въпреки, че палпирането изисква пряк контакт и може да се прилага единствено при повърхностни органи, множество еластографски техники могат да се прилагат и при дълбоко разположени органи, което предполага нови възможности за диагностика.
Всички еластографски техники разчитат на едно и също основно положение -прилагане на външна сила върху изследваната тъкан и проследяване на последващите движения. Външната сила може да се класифицира според двата начина на пораждане, чрез статични и динамични методи. При квази-статичните методи се изисква статична компресия на тъканите и се анализира деформацията в тъканта под натиск. При динамичните методи се използва разпространението на механични вълни в тялото, управлявани по-скоро от плътността на тъканта, отколкото от нейния обем и маса.
Еластографски техники 1^гат еластография
Тази техника се основава на квази-статична деформация е на средата: върху тъканта се прилага компресиране и се извлича изображение на причинената деформация от разликата между референтното изображение и компресираното изображение. (Фиг. 1)_
er static compression 1.
Фигура 11. При статичната еластография се реконструира еластограма или „деформационен образ" посредством изчисляване на деформациите, свързани със статична компресия, приложена от лекаря чрез ултразвукова система. Граничните условия и вариабилността на приложения натиск обаче, които са много важни параметри, не се отчитат.
Най-често изместването, което е относително голямо, се изчислява чрез 2D корелация на конвенционалните ултразвукови образи (образи в B-режим). Това представлява първата еластографска техника, разработена от Ophir Group 1 в началото на деветдесетте години на миналия век.
Различни производители на медицинска апаратура разработват едновременно тази методика с различни наименования:
• Hitachi/Aloka с „Тъканна еластография в реално време" / „Real Time Elastography". На базата на метода на квази-статична еластография, това приложение позволява извършването на качествена оценка на плътността на тъканите в цветно изображение, наложено върху стандартен ултразвуков образ в B-режим
• Siemens с метода „Еластографско изобразяване eSie Touch"
• Samsung с метода „Elastoscan TM"
• Esaote с метода „ElaXto TM"
• GE, Philips, Toshiba, Ultrasonix, Mindray са нарекли специфичния им софтуер просто „Elastography"
Основните ограничения на тази техника се отнасят до контрола на натиска, който остава зависим от лекаря, както и липсата на конкретно количествено измерване. В
допълнение към това, използването на натиск, прилаган от лекаря, ограничава прилагането на техниката до повърхностно разположени структури.
2. Вибро-акустография Вибро-акустография представлява метод на динамична еластография, който се основава на ултразвуковото радиационно налягане и е разработен от Американската група на James Greenleaf 34 Радиационното налягане е обемна сила, която се свързва с поглъщането на ултразвуковата вълна. При вибро-акустографията се използват два конфокални ултразвукови лъча с леко различни честоти, като се измерва силата на ултразвука само в точката на фокус.2 (Фиг. 2)
Фигура 2. Вибро-акустографията се основава на използването на два ултразвукови лъча с близки честоти, фокусирани в една точка от образа, след което хидрофон записва звуковата вълна, която се създава от вибрацията на тъканта, породена от ултразвуковата радиационна сила. Изображението се създава посредством изследване на зоната.
3. Транзиентна еластография Изобразяването чрез акустичен лъчев импулс (ARFI) или „Акустично лъчево импулсно изобразяване", е метод, който е разработен от Американския екип на Kathy Nightingale. 3 При тази техника се използва акустична радиационна сила, но за разлика от вибро-акустографията, при ARFI се използва само един насочен ултразвуков лъч. Изобразяват се изместването и отпускането на тъканите в зависимост от лъчевата сила и се извършват заключения относно еластичността и вискозитета единствено в точката на фокусиране. Темпоралните характеристики на тези криви на отпускане позволяват извършването на заключения относно еластичността и вискозитета единствено в точката на фокусиране. 4 (Фиг. 3)
Фигура 3. Радиационното налягане, или ултразвукова радиационна сила, дава възможност за извършване на изместване на тъканта в центъра и чрез изчисление на неговия максимум и и времето за отпускане, е възможно получаването на информация за плътността на средата.
Техниката ARFI също така позволява реконструирането на пълен образ посредством изследване на зоната, както при вибро-акустография. В този случай обаче е налице недостатък поради увеличаване на времето за получаване на пълния образ на средата, както и на вложената енергия в средата, което може да предизвика последващо загряване. 5,6
При тази техника също измерваните параметри (изместване, време за отпускане и др.) зависят от модула на Юнг в изследваната зона, но също така и от множество други параметри, като геометрията на лъча и на средата. Поради това техниката не може да бъде използвана за количествена оценка на модула на Юнг на тъканта, въпреки че измерените параметри зависят силно от него. Техниката се прилага обаче в множество промишлени ултразвукови системи.
Екипът на Nightingale неотдавна предложи нов ARFI модел, наречен „ARFI-SWS", основан на разпространението на напречните вълни, породени от лъчевата сила. Моделът дава възможност за извършване на количествено измерване на модула на Юнг в малка зона на изследване.7 Тази вариация в момента се предлага в ултразвукови системи, като Siemens Acuson S2000.
4. 1D транзиентна еластография 1D сондата за транзиентна еластография е разработена първоначално в института Langevin през 1995 г. от Catheline et al. 8 .Техниката включва генерирането на транзиторен импулс (малък шок) върху средата и извършването на запис на напречната вълна, която се разпространява в средата, чрез използването на ултразвуков преобразувател (Фиг. 4). Това устройство е първото, което използва принципа на ултрабързо изобразяване в едно измерение за визуализиране на разпространението на напречните вълни по транзиторен начин.
Фигура 4. Ултразвуков преобразувател и транзиторен импулс
От 2001 г. компанията Echosens предлага тази техника, 1D транзиентна еластография, за промишлена употреба, под името FibroScan® . Това устройство позволява извършването на количествена оценка на фиброза на черния дроб, посредством изразяване на общ резултат за еластичност при 50 Hz при даден дълбочинен прозорец (от 20 до 60 mm).
5. 2D транзиентна еластография През 1997 г. в института Langevin техниката на 1D транзиентна еластография се разгръща до 2D, като по този начин се осигурява възможност за създаване на карти на еластичността на биологичните тъкани. Към ултразвуковата изобразяваща система е добавен вибриращ модул, който се използва като генератор на квази-плоска напречна вълна (Фиг. 5) и спомага за реконструирането на карта на модула на Юнг. Първите изпитвания в естествени условия са проведени през 2003 г. (Фиг. 6) с доброволци в института Curie, като резултатите са обнадеждаващи, но апаратурата е обемна, тежка и създава затруднения за практическо използване .9
1] Transient pulse
Ultrasound probe fixed on Э shakier
2) IDtrafast imaging
Shear wave
V
Plane ultrasound
wave
Imaging plane
Фигура 5. 1: ултразвуковата система, монтирана към вибриращ модул, създава нискочестотен импулс в средата (около 50 №). 2: след това ултразвуковият режим преминава в ултрабърз образен режим за проследяване на напречната вълна, която се разпространява в средата.
Фигура 6. a: еластографско изследване на гърдата. Аденокарциномът изглежда по-плътен в изображението на еластичността и и по-тъмен в ултразвуковото изображение; b: второ изображение на еластичност на същата лезия.
6. Изследване на напречната вълна чрез използване на ултрабързо изобразяване
Техниката на изобразяване със свръхзвукови напречни вълни представлява резултат от проведените изследвания върху транзиентна еластография в института Langevin. Идеята за комбиниране на лъчево налягане или акустична радиационна сила и изследването на генерираните напречни вълни идва от Armen Sarvazyan и може да се счита за предшественик на еластографските техники, основани на ултразвуково лъчево налягане чрез неговата техника - Изобразяване на еластичността с използване на напречни вълни .п
През 2004 г. са разработени две фундаментални идеи за преодоляване на ограниченията на 2D еластографската техника - първоначално акустичната радиационна
сила, а след това ултразвуковото ултраскоростно изобразяване.10 Ултраскоростно изобразяване, представлява получаване на пълно изображение веднага, с едно сканиране, при което не е необходимо сканирането да се повтаря неколкократно, с цел получаване на цялото поле на изместване. Това позволява не само извършването на изобразяване в реално време, което улеснява изследването, но също и получаването на усреднена стойност при изобразяването, с цел подобряване на качеството на образа. (Фиг. 7)
1) Supersonic Math «ne
UI era bound probe
Suceesive pushes
Shear wave
2) Ultiafast imaging
imaging plane
Plane ultrasound wave
Фигура 7. 1: ултразвуковите вълни се насочват последователно на различни дълбочини, за да създадат импулси от лъчево налягане.
Благодарение на ултраскоростното изобразяване, може да се осъществи получаването на изображение на разпространението на напречната вълна наведнъж в рамките на по-малко от 30 милисекунди. Техниката следователно е малко чувствителна към движенията на пациента (например дишане) и изобразяването се извършва в реално време, както при конвенционално ултразвуково изобразяване. След това се реконструират картите на модула на Юнг чрез изчисляване на скоростта на напречната вълна между две точки от образа, прилагайки алгоритъм за времето на придвижване. Първите приложения на тази техника в естествени условия са извършени в института Curie, където при около 50 пациенти е демонстрирана употребата на техниката за отграничаване на доброкачествени от злокачествени тъкани. 12 (Фиг. 8)
m/s
х- ЗБ mm х-Зв mm
Фигура 8. Дуктален инфилтриращ карцином. Изображението в B-режим показва хипоехогенна маса с неясни очертания и наличие на засенчване зад лезията Тази техника е приложена при ултразвуков апарат за образна дигностика, наречен Aixplorer® (Supersonic Imagine, Aix-en-Pravence, France), като резултатът при диагностицирането и възпроизводимостта са демонстрирани при няколко органа, по-конкретно при изследване на гърдата.13
Обобщение
Първият използван метод за оценка на чернодробната фиброза посредством ултразвукови вълни е транзиентната еластография - FibroScan, Echosens, Франция. Други техники са разработени по същото време - Real Time Elastography от Hitachi и ARFI от Siemens. Транзиентната еластография е вече навлезнала в ежедневната практика, като има множество публикувани проучвания потвърждаващи нейните качества. За първи път е използвана във Франция, но в последствие и в много други страни от Европа и Азия. За останалите две техники RTE и ARFI към момента са в процес множество клинични проучвания, като въпреки ,че много вече са показали достоверност, все още тези видове еластография не са публикувани в гайдлайните за оценка на чернодробната плътност поради недостатъчните резултати. Един от последните разработени методи са ShearWave Elastography и ElastPQ, които също имат своите добри качества според вече проведените проучвания, но са далеч от официално въвеждане в Европейските гайдлайни.
Книгопис:
1. Ophir J, Cespedes EI, Ponnekanti H, Yazdi Y, Li X. Elastography: a method for imaging the elasticity in biological tissues. Ultrason Imaging 1991; 13:111—34
2. Silva G. Image formation in vibro-acoustography. Mayo Clin; 2003
3. Nightingale K, Palmeri M, Nightingale R. On the feasibility of remote palpation using acoustic radiation force. J Acoust Soc Am 2001; 110(1):625—34
4. Nightingale K, Bentley R, Trahey G. Observations of tissue response to acoustic radiation force: opportunities for imaging. Ultrason Imag 2002; 24(3):129—38
5. Fahey B, Palmeri M, Trahey G. Frame rate considerations for real-time abdominal acoustic radiation force transient imaging. Ultrason Imag 2006; 28(4):193—210
6. Palmeri M, Nightingale K. On the thermal effects associated with radiation force imaging of soft tissue. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control 2007; 51(5):551—65
7. Nightingale K, McAleavey S, Trahey G. Shear-wave generation using acoustic radiation force: in vivo and ex vivo results. Ultrasound Med Biol 2003; 29(12):1715—23
8. Catheline S. Interférométrie-speckle ultrasonore : application à la mesure d'élasticité. Thèse de doctorat. Université Paris VII, 1998.
9. Bercoff J, Chaffai S, Tanter M, Sandrin L, Catheline S, Fink M, et al. In vivo breast tumor detection using transient elastography. Ultrasound Med Biol 2003; 29(10):1387—96
10. Bercoff J. L'imagerie échographique ultrafaste et son application à l'étude de la viscoelasticité du corps humain. Thèse de l'université Denis-Diderot Paris VII, 2004
11. Sarvazyan A, Rudenko O, Swanson S, Fowlkes J. Shear wave elasticity imaging: a new ultrasonic technology of medical diagnostics. Ultrasound Med Biol 1998; 24(9):1419—35
12. Tanter M, Bercoff J, Athanasiou A, Deffieux T, Gennisson JL, Montaldo G, et al. Quantitative assessment of breast lesions viscoelasticity using supersonic shear imaging technique: initial clinical investigation. Ultrasound Med Biol 2008; 34(9):1373—86
13. Cosgrove DO, Berg WA, Doré CJ, Skyba DM, Henry JP, Gay J, et al. Shear wave elastography for breast masses is highly reproducible. Eur Radiol 2012; 22(5):1023—32
