Эластография сдвиговой волны

Дорогие специалисты ультразвуковой диагностики! Ultrasound Club представляет шестую в серии статью по практическому ультразвуку доктора Джейсона Бернхольца, одного из пионеров данного метода визуализации.

«Пальпация на стероидах». Этим словосочетанием описал эластографию несколько лет назад доктор Брайан Гарра в своем интервью для портала ReachMD в рамках серии, посвященной достижениям в медицинской визуализации. Это действительно великолепное выражение, понятное любому, кто когда-нибудь пытался овладеть искусством физикальной диагностики. 

Тогда я сожалел, что не додумался до него сам. Сейчас, когда я проработал с ультразвуковой эластографией в реальном времени уже несколько лет, я считаю, что это броское выражение может ограничивать понимание и использование данного метода.

Существенные ограничения*

Самая ранняя форма эластографии, доступная на коммерческом УЗ оборудовании, требовала компрессии (ритмичного нажатия) датчиком на ткани, после чего программное обеспечение совмещало несколько кадров и кодировало цветом распределение деформации тканей. Разработка концепции и начальная работа были проведены доктором Джонатаном Офиром и его коллегами (Ultrasonic Imaging, April 1991, Vol. 13:2, pp. 111-134). Идея была в том, чтобы выявлять нечто несмещаемое/несжимаемое, например жесткий поверхностный лимфатический узел с инфильтрацией вокруг, «зафиксированный» на месте. Этот метод на самом деле больше представлял собой выявление «зафиксированной» ткани, чем карту характеристик эластичности тканевого поля. 

Данная форма эластографии имеет существенные ограничения, и огромный объем проделанной клинической работы –  абсолютная заслуга сторонников метода. Начнем с того, что метод этот неоткалиброванный, нестандантизированный, качественный и субъективный. Он может применяться только поверхностно, данные относительные, а не абсолютные, а это значит, что все зависит от относительных значений «мишени» (например патологического образования) и окружающей ее ткани. Данные метод не подходит для определения диффузных изменений в тканевом поле, например для выявления или оценки фиброза/цирроза печени**. 

Большая часть работ посвящена крупным поверхностным опухолям молочной железы, где физические различия между злокачественным образованием и окружающей нормальной жировой и железистой тканью выражены достаточно отчётливо.

Лично меня эта форма эластографии особенно не увлекала: по-моему, она мало добавляет к внимательному непрерывному наблюдению за образованием во время обычного исследования. Раньше мы, например, смотрели на печень при глубоком вдохе: дрожит она, как желе, или остаётся твёрдой? Когда речь о мягкости, важна способность деформироваться, а не неподвижность. Вспомним размягчение шейки матки до её укорочения — ранний признак риска преждевременных родов.

Визуализация деформации

До интервью для ReachMD Брайан Гарра, доктор Джонатан Офир и другие сообщили о потенциале визуализации деформации для дифференциации доброкачественных и злокачественных опухолей молочной железы (Physics in Medicine and Biology, September 7, 2008, Vol. 53:17, pp. 4809-4823). Данная форма эластографии пытается адаптировать метод магнитно-резонансной эластографии середины 1990-х и основывается на работе Найтингейла и коллег, представленной в 2001 году и отрецензированной в 2011 году (Current Medical Imaging Reviews, November 1, 2011, Vol. 7:4, pp. 328-339).

Этот метод называется визуализацией с использованием силы акустического излучения, acoustic radiation force imaging. Датчик посылает толчковый импульс; в его фокусе регистрируют мельчайшие смещения ткани вдоль оси луча. Затем рассчитывают модуль деформации. Жёсткий участок смещается меньше, мягкий — больше. На момент написания статьи метод ещё не получил разрешения FDA, поэтому своего опыта работы с ним у меня нет.

Зато в клинической практике мне посчастливилось освоить другой подход — сдвиговолновую эластографию. И при обычном УЗ-сканировании я продолжаю находить для неё новые применения.

Землетрясения и эластография

Объяснить сдвиговолновую эластографию удобно на примере землетрясения. Исторически это тоже уместно: основы анализа механических волн во многом заложила сейсмология. Землетрясение создаёт распространяющуюся в земле волну. Первую приходящую волну называют P-волной, то есть первичной. Как и диагностический УЗ-импульс, она продольная: среда попеременно сжимается и расширяется вдоль направления распространения.

Позже сейсмографы вблизи эпицентра регистрируют вторичную S-волну. Она распространяется значительно медленнее P-волны; её частота ниже, а длина волны больше. Это поперечная, или сдвиговая, волна: частицы среды смещаются поперёк направления распространения.

Плоские волны могут генерировать сдвиговые волны путем модальной конверсии. Это лежит в основе многих неразрушающих тестов на обнаружение дефектов произведенных материалов, но игнорируется в клиническом ультразвуке, поскольку такие низкоэнергетические явления не влияют на традиционное формирование ультразвукового изображения. 

Соноэластография сдвиговой волны в реальном времени

Практическую сдвиговолновую эластографию сделали возможной две вещи. Во-первых, короткие акустические импульсы специальной формы с частотными составляющими в нижнем мегагерцевом диапазоне возбуждают в тканях поляризованные сдвиговые волны. Во-вторых, быстрыми плоскими волнами, подобными используемым в В-режиме, можно снять прохождение более медленных поперечных волн. В реальном времени это позволяют методы четвёртого поколения, о которых я писал прежде.

Высокоскоростная визуализация с использованием плоской волны выявляет мельчайшие изменения ткани по мере движения фронта поперечной волны через область интереса****. Скорость движения фронта вторичной поперечной волны через ткань прямо связана с эластичностью. В результате при выборе области интереса в поле визуализации мы получаем изображение в В-режиме с одновременным наложением кодированной цветом карты эластичности/жесткости. 

Измерение эластичности абсолютное, а не относительное, поэтому этот метод можно применять к локальным проявлениям заболеваний, таким как опухолевые образования, а также для характеризации атеросклеротических бляшек, выявления диффузных изменений паренхимы или даже изменений состояния тканей, например мышца в состоянии покоя или сокращения. В США этот метод разрешен к использованию как полуколичественный, тем не менее,  неотъемлемой его частью является количественное определение эластичности, которое применяют в Европе и Азии. 

Истоки сдвиговолновой эластографии — работы Финка, Тантера, Беркоффа и других исследователей (Journal of the Acoustical Society of America, December 2007, Vol. 122:6, pp. 3211–3219). Профессор Матиас Финк, директор Института Ланжевена Высшей школы промышленной физики и химии Парижа, говорит о «мультимодальной визуализации»: одно изображение объединяет уникальную информацию от разных типов волн. В сдвиговолновой эластографии, по его словам, к хорошему пространственному разрешению В-режима добавляется новый уровень контраста. Вместе методы показывают то, чего по отдельности не видно. В этом смысле получается составное, мультимодальное изображение.

Обычная киста или солидное образование 

Сдвиговые волны не проводятся через наполненные жидкостью полости в тканях. Кисты на таких эластограммах отображаются пустотами. Эластографию сдвиговой волны можно нестандартно применить, чтобы подтвердить, что жидкостная структура с большим уровнем «шума» (как вариант – густое жидкое содержимое) на самом деле представляет собой кисту, а наполненная несвернувшейся кровью эндометриома не является солидным образованием. Среди недостатков высокочастотной сверхчувствительной ультразвуковой визуализации – повышенный зернистый («спекл») шум, который очень сложно убрать, не потеряв детализации гипоэхогенных участков серошкальных изображений.

Опухоли и пальпация, детерминанта эластичности

У большинства использование эластографии начинается с опухолей, в частности опухолей молочной и щитовидной желез. Считается, что если образование выглядит «подозрительно» в В-режиме и жесткое, это плохо. А если образование на вид «нормальное» и мягкое, то можно даже обойтись без биопсии. Как правило, объемные образования в молочной железе вызывают больше опасений, чем в щитовидной, где они преимущественно доброкачественные, а большая часть тех, которые оказались злокачественными, гистологически растут очень медленно. 

Однако не всякая злокачественная опухоль жёсткая. И наоборот: некоторые мягкие образования на эластограмме выглядят жёсткими. Поэтому сводить эластографию к разновидности пальпации — поиску твёрдого участка — неверно. Либо изображение часто ошибается, либо мы видим нечто более сложное, чем одну только жёсткость.

Когда я впервые услышал об этом явлении, я задумался, не связано ли оно с локальными изменениями температуры. Ведь метаболически активные опухоли, такие как рак молочной железы с тройным негативным фенотипом, окружены изолирующим жиром и обычно на несколько градусов теплее, чем ткань вокруг них. 

Профессор Финк любезно объяснил мне, почему температура здесь не позволяет различать эффекты продольных и поперечных волн. Он также показал экспериментальные данные: при термоаблации заметное изменение упругости требует очень сильного нагрева и денатурации белка (Physics in Medicine and Biology, March 21, 2010, Vol. 55:6, pp. 1701–1718). Тут я со смущением вспомнил, что сам Юнг, чьим именем назван модуль упругости, был врачом.

Прекрасное высокочастотное изображение почки новорожденного. Я выбрал его из-за четкой дифференциации в серошкальном режиме между кортикальным слоем и пирамидками.

Ультразвуковая визуализация в целом основывается на картировании изменений эластичности. Основная детерминанта эластичности в тканях – коллаген, точнее количество, тип и расположение волокон коллагена. В пирамидках и коре тип и количество коллагена приблизительно одинаковы. 

Произвольное расположение коллагена в коре и вертикальных колоннадах пирамид – структурный фактор, который обуславливает большинство различий (но не все) в серой шкале и различий в эластичности. Следует ожидать, что процессы с фиброзом (или склерозом) на эластограммах будут выглядеть жестче.

Кадры изображения В-режима и одновременной эластографии сдвиговой волны 8-миллиметрового узла в изолированном островке паренхимы в верхнем внешнем квадранте молочной железы у 43-летней женщины. 

В В-режиме признаки крайне подозрительные, по меньшей мере BI-RADS 4. Эластограмма особенно интересна: самый подозрительный участок – ореол вокруг маленького узла особой формы. Это десмопластическая граница из жесткой фиброзной ткани, которую организм формирует для задержки распространения опухоли. На основе этого можно сделать заключение, что опухоль имеет признаки инвазии в окружающие ткани, чего не видно в В-режиме. Патология была микроинвазивной протоковой карциономой.

Основными детерминантами эластичности, которые картируются с помощью эластографии сдвиговой волны, по-видимому, являются плотность клеток, интерстициальное давление и фиброз. Если патологические образования гиперваскуляризированы, то повышенными будут как содержание коллагена в стенках сосудов, так и давление циркулирующей крови в ткани. Важно учитывать, что эти детерминанты эластичности клеточного уровня, а это ниже возможностей разрешения при визуализации в В-режиме. Можно предположить, что эластография сдвиговой волны имеет потенциал для выявления некоторых клеточных особенностей тканей. 

Гетерогенность или гомогенность?

Фолликулярное новообразование щитовидной железы в В-режиме и одновременная эластография сдвиговой волны. Обратите внимание, что эластограмма указывает на гетерогенность клеточной популяции, которая не видна на исходном изображении в В-режиме. 

Однородность и неоднородность — привычные характеристики УЗ-изображения. Возможно, именно уточнение этого признака, а затем и его количественная оценка со временем станут главным практическим применением сдвиговолновой эластографии.

Сейчас давайте забудем о мозаичности печени у некоторых людей, следствием которой является «географическое» распределение жировых отложений в печени, и сосредоточимся на типичном пациенте с диффузной жировой инфильтрацией. Такая печень мягкая, при визуализации характеризуется повышенной эхогенностью без значимого затухания (скорость распространения звуковой волны здесь меньше нормальной). Действительно важно здесь выявление воспалительного компонента, прогрессирующего в фиброз. 

То же самое касается перехода алкогольного, вирусного или хронического гепатита в цирроз. Главная особенность цирроза при визуализации – изменение эхоструктуры печени в В-режиме. Как вы могли предположить, эластография сдвиговой волны превосходно подходит для выявления перипортального фиброза даже на начальной стадии. Это становится одной из самых важных и надежных областей применения эластографии сдвиговой волны на практике, а также является темой опубликованных и готовящихся научных работ. 

Я включаю сдвиговолновую эластографию примерно так же, как доплер: когда думаю, что она поможет. При непрерывном наблюдении в В-режиме достаточно нажать кнопку. Если получу полезную информацию — прекрасно; если нет, потеряю лишь несколько секунд. Понимая, от чего зависит упругость тканей, легче связать картину с конкретной патологией. И наоборот: знание патологии подсказывает, когда эластография может оказаться особенно информативной.

*Исключительно точка зрения автора
** Один из производителей (Hitachi) предлагает  решение данной диагностической задачи c применением компрессионной эластографии и дополнительного специального программного обеспечения
*** Общепринятая международная аббревиатура данного типа соноэластографии – ARFI (acustic radiation force image)
**** Для формирования сдвиговых волн используется специфическая первичная плоская волна (форма конуса Маха), отличающаяся от стандартной при формирования только В-режима