Введение

Любая из нескольких методик визуализации, отображающих степень эластичности и жесткости мягких тканей.

Эластография – это один из классов методов медицинской визуализации, который позволяет картировать эластические свойства и жесткость мягких тканей. Основная идея заключается в том, что информация о том, является ли ткань твердой или мягкой, может предоставить диагностические данные о наличии или стадии заболевания. Например, раковые опухоли часто более жесткие, чем окружающие ткани, а пораженные печени – жестче здоровых. После этого практика пальпации стала широко распространенной и считается эффективным методом выявления опухолей и других патологий. Ручная пальпация имеет ряд важных ограничений: она ограничена тканями, доступными для исследования врачом, искажается наличием промежуточных тканей и является качественной, а не количественной оценкой. Эластография, как измерение жесткости тканей, направлена на преодоление этих ограничений.

Как это работает

Существует множество эластографических методов, находящихся на разных стадиях разработки – от ранних исследований до широкого клинического применения. Каждый из этих методов работает по-своему. Общим для всех методов является создание деформации в ткани, наблюдение и обработка ответа ткани для определения её механических свойств, а затем представление результатов оператору, как правило, в виде изображения. Каждый эластографический метод характеризуется способом реализации каждого из этих этапов.

Наблюдая за реакцией

Основным способом классификации эластографических методов является используемый метод визуализации (тип) для наблюдения за реакцией тканей. Эластографические методы используют ультразвук, магнитно-резонансную томографию (МРТ) и датчики давления/напряжения в тактильной визуализации (ТИ) с применением тактильных датчиков. Существуют и другие методы. Наблюдение за реакцией ткани может принимать различные формы. Получаемое изображение может быть одномерным (т.е. линией), двумерным (плоскостью), трехмерным (объемом) или нулевым (одиночным значением), а также представлять собой видео или статичное изображение. В большинстве случаев результат отображается оператору совместно с обычным изображением ткани, показывающим распределение различных значений жесткости в ткани.

Обработка и представление

После наблюдения отклика можно рассчитать жесткость. Большинство методов эластографии определяют жесткость ткани, основываясь на одном из двух основных принципов: при приложении определенной силы (напряжения) более жесткая ткань деформируется (имеет меньшую деформацию), чем мягкая ткань. Механические волны (в частности, сдвиговые волны) распространяются быстрее в более жестких тканях, чем в мягких. Некоторые методы просто отображают искажение и/или отклик, или скорость волны для оператора, в то время как другие вычисляют жесткость (в частности, модуль Юнга или аналогичный модуль сдвига) и отображают ее вместо этого. Некоторые методы представляют результаты количественно, а другие – только качественно (относительно).

Ультразвуковая эластография

Существует большое количество методов ультразвуковой эластографии. Наиболее значимые из них описаны ниже.

Квазистатическая эластография / изображение деформации

Квазистатическая эластография (иногда называемая просто "эластографией" по историческим причинам) — один из самых ранних методов эластографии. В этой технике к ткани прикладывается внешнее сжатие, после чего сравниваются ультразвуковые изображения, полученные до и после сжатия. Области изображения, которые деформируются в наименьшей степени, являются наиболее жесткими, а области, которые деформируются в наибольшей степени, — наименее жесткими.

Импульсная визуализация силы акустического излучения (ARFI)

Импульсная визуализация с помощью акустического излучения (ARFI) использует ультразвук для создания качественной 2D-карты жесткости тканей. Это достигается путем создания «толчка» внутри ткани с использованием силы акустического излучения сфокусированного ультразвукового луча. Величина смещения ткани вдоль оси луча отражает ее жесткость: более мягкие ткани легче смещаются, чем более жесткие. ARFI отображает качественное значение жесткости вдоль оси направленного луча. Путем создания толчков в различных точках формируется карта жесткости ткани. Количественная визуализация виртуального прикосновения (VTIQ) успешно применялась для выявления злокачественных шейных лимфатических узлов.

Образ эластичности сдвиговой волны (SWEI)

При визуализации упругости сдвиговой волны (SWEI), подобно ARFI, "толчок" индуцируется глубоко в ткани посредством силы акустического излучения. Возмущение, создаваемое этим толчком, распространяется в стороны по ткани в виде сдвиговой волны. Используя методы визуализации, такие как ультразвук или МРТ, для определения скорости распространения волны до различных латеральных позиций, можно оценить упругость промежуточной ткани. Поскольку термины "визуализация упругости" и "эластография" являются синонимами, исходный термин SWEI, обозначающий технологию картирования упругости с использованием сдвиговых волн, часто заменяется SWE. Основное различие между SWEI и ARFI заключается в том, что SWEI основан на использовании сдвиговых волн, распространяющихся латерально от оси луча, и создании карты упругости путем измерения параметров распространения сдвиговой волны, в то время как ARFI получает информацию об упругости вдоль оси толкающего луча и использует множественные толчки для создания двухмерной карты жесткости. В ARFI сдвиговые волны не используются, а в SWEI не проводится оценка осевой упругости. SWEI реализуется в сверхзвуковой визуализации сдвиговых волн (SSI).

Сверхзвуковая изобразительная система (SSI)

Сверхзвуковая сдвижная визуализация (SSI) предоставляет количественную, двухмерную карту жесткости тканей в режиме реального времени. SSI основан на SWEI: он использует силу акустического излучения для создания локального смещения в исследуемой ткани, генерируя сдвиговые волны, и жесткость ткани вычисляется на основе скорости распространения этих волн. Локальные карты скорости тканей получаются с помощью стандартной техники отслеживания спекл-структуры и обеспечивают полную визуализацию распространения сдвиговых волн в ткани. В SSI реализованы два ключевых нововведения. Во-первых, используя множество почти одновременных импульсов, SSI создает источник сдвиговых волн, который перемещается через среду со сверхзвуковой скоростью. Во-вторых, генерируемая сдвиговая волна визуализируется с помощью ультрабыстрой техники визуализации. С использованием алгоритмов инверсии эластичность среды количественно отображается на основе фильма распространения волны. SSI – первая ультразвуковая технология визуализации, способная достигать частоты более 10 000 кадров в секунду для глубоко расположенных органов. SSI предоставляет набор количественных in vivo параметров, описывающих механические свойства тканей: модуль Юнга, вязкость и анизотропию. Этот подход продемонстрировал клиническую эффективность при визуализации молочной железы, щитовидной железы, печени, предстательной железы и опорно-двигательного аппарата. SSI используется для обследования молочной железы с применением ряда линейных датчиков высокого разрешения. Крупное многоцентровое исследование визуализации молочной железы показало как воспроизводимость, так и значительное улучшение классификации поражений молочной железы при добавлении изображений эластографии сдвиговой волны к интерпретации стандартных ультразвуковых изображений в B-режиме и в режиме цветовой допплерографии.

Переходная эластография

В пищевой промышленности ультразвук низкой интенсивности уже используется с 1980-х годов для получения информации о концентрации, структуре и физическом состоянии компонентов в таких продуктах, как овощи, мясо и молочные продукты, а также для контроля качества, например, для оценки реологических свойств сыра. Транзиторная эластография первоначально называлась эластографией импульса с временным разрешением, когда она была представлена в конце 1990-х годов. Метод основан на кратковременной механической вибрации, используемой для возбуждения сдвиговой волны в ткани. Распространение сдвиговой волны отслеживается с помощью ультразвука для оценки скорости сдвиговой волны, на основе которой вычисляется модуль Юнга при допущении об однородности, изотропии и чистой эластичности (E=3ρV²). Важным преимуществом транзиторной эластографии по сравнению с гармонической эластографией является разделение сдвиговых и продольных волн. Техника может быть реализована в 1D и 2D, что потребовало разработки ультрабыстрого ультразвукового сканера. Транзиторная эластография предоставляет количественное одномерное (то есть линейное) изображение жесткости ткани. Она работает путем вибрации кожи с помощью привода для создания проходящего искажения в ткани (сдвиговой волны) и визуализации движения этого искажения по мере его распространения вглубь тела с помощью 1D ультразвукового луча. Затем отображается количественная линия данных о жесткости ткани (модуль Юнга). Эта техника в основном используется в системе Fibroscan, которая применяется для оценки печени, например, для диагностики цирроза. Специальная реализация 1D транзиторной эластографии, называемая VCTE, была разработана для оценки средней жесткости печени, которая коррелирует с фиброзом печени, определяемым при биопсии. Эта техника реализована в устройстве, которое также может оценивать контролируемый параметр затухания (CAP), являющийся хорошим суррогатным маркером стеатоза печени.

Магнитно-резонансная эластография (МРЭ)

Магнитно-резонансная эластография (МРЭ) была внедрена в середине 1990-х годов, и с тех пор исследовано множество ее клинических применений. В МРЭ на поверхности тела пациента используется механический вибратор, создающий сдвиговые волны, распространяющиеся вглубь тканей. Используется последовательность визуализации, измеряющая скорость этих волн, что позволяет оценить жесткость ткани (модуль сдвига). Результатом МРЭ-сканирования является количественная 3D-карта жесткости ткани, а также стандартное 3D-изображение, полученное с помощью МРТ. Одним из преимуществ МРЭ является получаемая 3D-карта эластичности, охватывающая весь орган. Существует растущий объем научных публикаций, посвященных эластографии здорового и пораженного мозга. В 2015 году были опубликованы предварительные результаты применения эластографии для оценки кортикального фиброза в трансплантированных почках, продемонстрировавшие многообещающие результаты. В исследовании "Дети 90-х" Бристольского университета ультразвуковое исследование показало, что у 2,5% из 4000 человек, родившихся в 1991 и 1992 годах, в возрасте 18 лет была выявлена неалкогольная жировая болезнь печени. Через пять лет транзиентная эластография обнаружила жировые отложения стеатоза у более чем 20% пациентов, что свидетельствует о неалкогольной жировой болезни печени; половина из них была классифицирована как тяжелая форма. Сканирование также выявило фиброз печени (рубцевание) у 2,4% пациентов, который может привести к циррозу. Другие методы включают эластографию с использованием оптической когерентной томографии (т.е. света). Тактильная визуализация предполагает преобразование результатов цифрового "осязания" в изображение. Для создания тактильных датчиков исследованы различные физические принципы: резистивные, индуктивные, емкостные, оптоэлектрические, магнитные, пьезоэлектрические и электроакустические, в различных конфигурациях.