VIRTUAL TOUCH КВАНТИФИКАЦИЯ ТКАНЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ АКУСТИЧЕСКОЙ ЛУЧЕВОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ (ARFI, ACOUSTIC RADIATION FORCE IMPULSE)

Рак молочной железы является серьезной угрозой для здоровья во всем мире, а также убийцей женщин номер один в Китае. Раннее  выявление рака молочной железы является ключевым для успешного лечения. Ультразвуковое исследование играет важную и общепризнанную роль в оценке маммографических и пальпируемых нарушений в молочной железе. 

 ПЕРВЫЙ ОПЫТ КЛИНИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ СОЛИДНЫХ ОПУХОЛЕЙ МОЛОЧНОЙ ЖЕЛЕЗЫ

Min Bai, MD, Lianfang Du, MD, Jiying Gu, MD, Fan Li, MD, Xiao Jia, MD

Цель. Целью данного исследования было изучение клинического использования технологии количественной эластографии сдвиговой волны Virtual Touch квантификации (VTQ, Siemens Medical Solutions, Mountain View, CA) на основе acoustic radiation force impulse (ARFI) для дифференциальной диагностики доброкачественных и злокачественных солидных образований молочной железы.

Методы. Всего было изучено 143 солидных образования молочной железы с помощью VTQ, а также были измерены их скорости сдвига волны – shear wave velocity (SWV). Из всех солидных образований 30 были изучены двумя независимыми специалистами для того, чтобы оценить воспроизводимость результатов измерений VTQ. Все солидные образования были позже хирургически удалены, а гистологические результаты были сопоставлены с результатами SWV. Кривая ROC-curve была рассчитана с целью оценки диагностической эффективности VTQ.

Результаты. Всего 102 доброкачественных поражения и 41 карцинома были диагностированы на основании гистологического исследования. Измерения VTQ в исполнении двух независимых специалистов дали коэффициент корреляции 0,885. При применении порогового значения – 3,065 м / с, была обнаружена значительная разница (р <0,001) между SWV образованиями доброкачественной (средний ± SD, 2,25 ± 0,59 м / с) и злокачественной (5,96 ± 2,96 м / с) природы. Чувствительность, специфичность и площадь под кривой рабочей характеристики приемника для дифференциальной диагностики доброкачественных и злокачественных солидных образований молочной железы были 75,6%, 95,1%, и 85,6%, соответственно. Когда цифровой результат измерений SWV неоднократно был X.XX, то это было обозначено как показатель злокачественности, с чувствительностью, специфичностью и точностью – 63,4%, 100%, и 89,5%.

Выводы. Virtual touch квантификация тканей может дать воспроизводимую и количественную диагностическую информацию о солидных образованиях молочной железы и служить эффективным диагностическим инструментом для дифференциальной диагностики доброкачественных и злокачественных солидных образований молочной железы.

Рак молочной железы является серьезной угрозой для здоровья во всем мире, а также убийцей женщин номер один в Китае. Раннее  выявление рака молочной железы является ключевым для успешного лечения. Ультразвуковое исследование играет важную и общепризнанную роль в оценке маммографических и пальпируемых нарушений в молочной железе. Была доказана его эффективность в дифференциальной диагностике доброкачественных и злокачественных солидных образований.

В дополнение к обычным ультразвуковым исследованиям эластография в настоящее время используется как вспомогательный метод дифференциальной диагностики, поскольку она может давать информацию не только о морфологических характеристиках, но и о тканевой эластичности новообразований. Однако и эта техника имеет свои собственные ограничения: это качественный метод оценки, при реализации которого получение изображения деформации требует внешней компрессии тканей.

В настоящее время появился новый метод, при котором применяется акустическая лучевая импульсная визуализация (acoustic radiation force impulse (ARFI)) для проведения эластографии. Этот метод не требует внешнего сжатия тканей и использует кратковременные акустические лучевые импульсы для генерации локального смещения ткани. Такие смещения могут быть зарегистрированы на основе ультразвуковой корреляции и связаны с вязкоупругими локальными свойствами мягких тканей. Таким образом, ARFI изображения дают возможность проводить качественные визуальные и количественные измерения значений, и это также используется в многочисленных приложениях для определения границ структур в глубине тканей с помощью их вязкоупругих характеристик.

Не так давно, Virtual Touch квантификация тканей (VTQ; Siemens Medical Solutions, Mountain View, CA), которая использует ARFI технологию, стала доступна для диагностики поверхностных поражений тканей. Однако, по нашим сведениям, эффективность такого подхода в диагностике солидных образований молочной железы еще не была оценена.

Целью этого исследование было изучение клинического использования Virtual Touch квантификации тканей (VTQ) для дифференциальной диагностики доброкачественных и злокачественных солидных образований молочной железы.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Пациенты

Исследование было одобрено ведомственным комитетом и комитетом по этике первого народного госпиталя Шанхая, а все участники подписали формы информированного согласия до начала исследования. С января 2011 года по май 2011 года, всего – 108 женщин (возрастной диапазон – 19-87 лет, средний возраст – 44 года) приняли участие в исследовании. Все пациенты были включены в исследование на том основании, что у всех у них было подозрение на наличие солидных образований молочной железы при обычном ультразвуковом исследовании. Среди всех больных, 83 имели одиночные образования, а 25 было множественные поражения. При обнаружении множественных поражениях были, оценивались очаги более чем 0,5 × 0,6 см. Таким образом, в общей сложности 143 образования у 108 больных составили все наблюдение.

Обычное ультразвуковое исследование и VTQ

Все эхографические исследования были проведены каждым из двух радиологов, которые имели не менее 11 лет опыта работы в ультразвуковом исследовании молочной железы и были хорошо обучены технике VTQ. Исследования 30 образований были выполнены обоими радиологами для независимой оценки воспроизводимости результатов VTQ. И традиционное ультразвуковое, и исследование VTQ проводились на Acuson S2000 ультразвуковой системе (Siemens Medical Solutions) с использованием линейного многочастотного датчика 9 МГц.

Virtual Touch квантификация тканей отслеживает поперечные волны в области исследования, которые перемещаются перпендикулярно направлению импульса акустического толчка, и вычисляет скорость волны в метрах в секунду. Чем плотнее ткани, тем больше будет скорость сдвига волны (SWV). Таким образом, VTQ может обеспечить численными значениями, предлагая количественную информацию о плотности ткани на основании точного изображения анатомической локализации. В настоящее время, VTQ может быть интегрирована в систему Acuson S2000, а сама методика выполняется с обычным 9 МГц поверхностным датчиком в обычном режиме ультразвукового обследования без какой-либо специальной подготовки.

В ходе исследования, обычная ультрасонография была выполнена для тщательного сканирования молочной железы пациентки перед измерением VTQ. Был измерен максимальный диаметр каждого образования. Плоскость максимального диаметра выбиралась для измерения VTQ.

Для измерения VTQ, пациент должен был лежать в положении, которое является идентичным для обычного ультразвукового исследования. Датчик осторожно прислоняется вместе с достаточным количеством контактного геля для того, чтобы избежать генерирования артефактных областей плотности, которые отражаются от поверхности кожи. После активации VTQ, датчик оставляют в покое, и пациентку просят задержать дыхание во время измерения SWV.

Поле зрения (region of interest) VTQ было определено в прямоугольнике с фиксированными размерами 0,5 × 0,6 см. Три поля зрения были локализованы в 3 выбранных плоскостях, чтобы оценить среднюю плотность всего образования. Каждое поле зрения полностью было помещено внутри образования и не содержало никаких крупных очагов кальцификации (Рис. 1).

Рис. 1. Поле зрения (Region of interest) полностью находится в пределах образования и не включает очагов кальцификации.

Соответствующее поле зрения было выбрано в нормальной ткани молочной железы на той же глубине, но не менее 0,5 см от образования. Для каждого поля зрения, SWV оценивалось по крайней мере 3 раза, чтобы получить 3 допустимых значения. При этом только последовательные стабильные значения были использованы в анализе. Следовательно, 9 значений SWV было получено из каждого образования и 3 – из нормальной ткани молочной железы. Все значения SWV для каждого образования и соответствующего поля зрения нормальной ткани молочной железы были усреднены с получением среднего SWV.

Статистический анализ

Данные выражали в виде среднего ± стандартное отклонение. Коэффициент корреляции рассчитывался путем двумерного корреляционного анализа. Размер образования, его SWV и SWV соответствующего поля зрения нормальной ткани молочной железы были сравнены между доброкачественными и злокачественными группами с помощью U-теста Манна-Уитни. SWV образований и соответствующего поля зрения нормальной ткани молочной железы были сравнены с помощью парного анализа t-теста. Кривая рабочей характеристики приемника была рассчитана для оценки клинической пользы SWV. Все анализы были выполнены с помощью SPSS версии 11.0 Программное обеспечение для Windows (SPSS Inc., Чикаго, Иллинойс). Двухстороннее значение P <0,05 считалось статистически значимым.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Всего 108 женщин с 143 твердыми образованиями в груди составили группу исследования. Максимальные диаметры этих образований были в диапазоне от 0,8 до 4,1 см (среднее ± SD = 1,84 ± 0,63 см). После резекции, было доказано, что все образования были плотными. Гистологический анализ показал наличие 102 доброкачественных поражений молочной железы и 41 карциному молочной железы. Доброкачественные поражения состояли из: фиброаденомы (n = 85), внутрипротоковой папилломы (n = 5) и аденоза (n = 12). Злокачественные поражения включали: инвазивные протоковые карциномы (n = 34), протоковые карциномы in situ (n = 5), нейроэндокринные карциномы (n = 1) и базальноклеточные карциномы (n = 1).

Воспроизводимость результатов

Корреляция между VTQ-результатами измерений SWV, полученных двумя независимыми специалистами показана на Рис. 2. коэффициент корреляции составил 0,885, что свидетельствует о том, что измерения SWV хорошо воспроизводятся.

Рис. 2. Корреляция между VTQ-результатами измерений скорости сдвига волны SWV, полученная двумя независимыми специалистами, первых 30 образований (r = 0,885).

Доброкачественные поражения

Максимальные диаметры доброкачественных образований варьировали от 0,8 до 3,5 см (в среднем 1,77 ± 0,56 см). Численные значения SWV были измерены для всех 102 образований и соответствующих тканей здоровой молочной железы. Значения SWV этих доброкачественных образований колебались от 1,27 до 4,88 м / с (среднее значение, 2,25 ± 0,59 м / с), в то время, как соответствующие ткани здоровой молочной железы – в диапазоне от 0,87 до 2,62 м / с (в среднем 1,54 ± 0,36 м / с). Разница в значениях SWV между доброкачественными очагами и соответствующей тканью здоровой молочной железы была значительной (P <0,001).

Злокачественные  новообразования

Максимальные диаметры злокачественных образований колебались в диапазоне от 0,8 до 4,1 см (в среднем 2,01 ± 0,75 см). Для 15 карцином молочной железы (36,6%; 4 протоковые карциномы in situ и 11 инвазивных протоковых карцином), числовые значения SWV были измерены, в то время как для остальных 26 (63,4%; 1 протоковая карцинома, 1 нейроэндокринная карцинома, 1 базальная карцинома и 23 инвазивные протоковые карциномы), все, или часть измерений SWV, показали нечисловые результаты, все из которых были выражены как X.XX. Как известно, значения SWV, установленные системой, представляющие значения плотности биологической ткани для всех измерений, должны быть в диапазоне от 0 до 9,10 м / с. В нашем исследовани X.XX измерения твердых образований были заменены на величину 9,10, и, таким образом,  SWV злокачественных образований были представлены в интервале значений от 1,17 до 9,10 м / с (в среднем, 5,96 ± 2,96 м / с).

Напротив, все SWV соответствующих тканей здоровой молочной железы имели числовые значения, начиная от 0,81 до 2,95 м / с (в среднем, 1,68 ± 0.54m / с). Зафиксирована значительная разница в значениях SWV между злокачественными образованиями и соответствующими тканями здоровой молочной железы (P <0,001).

Группы сравнения доброкачественных и злокачественных образований

Сравнение размеров и значений SWV между группами доброкачественных и злокачественных образований приведены в таблице 1. Значения SWV злокачественных образований были значительно выше, чем доброкачественных (P <0,001; Рис. 3).

Таблица 1. Сравнения размеров и скорости сдвига волны в группах доброкачественных и злокачественных образований

Данные представлены как среднее ± SD, рассчитанные на основе U теста Манна-Уитни. SWV указывает на скорость сдвига поперечных волн.

Рис. 3. Значения скорости поперечных волн (SWV) для доброкачественного и злокачественного образования. Столбики указывают значения от нижнего до верхнего квартилей (25 и 75-й процентили); осевые линии, медиана; усы, минимумальное-максимальное значение и точка – экстремум.

Диагностическая эффективность

Когда образования со всеми числовыми значениями SWV были определены как доброкачественные новообразования и, с нечисловыми значениями SWV, полностью или частично, выраженные в X.XX,, были обозначены, как злокачественные новообразования, чувствительность в дифференциальной диагностике злокачественных и доброкачественных поражений была 63,4%; специфичность – 100%; положительная прогностическая ценность – 100%; отрицательная прогностическая ценность – 87,2% и точность – 89,5%.

Анализ SWV кривой рабочей характеристики приемника для дифференциальной диагностики злокачественных и доброкачественных плотных поражений молочной железы показал пороговое значение 3,065 м / с. Когда образования, значения SWV которых было меньше, чем 3,065 м / с, были обозначены как доброкачественные поражения, а образования со значением SWV больше, чем 3,065 м / с были обозначены как злокачественные поражения, чувствительность для дифференциальной диагностики достигла 75,6%, а специфичность, положительная прогностическая ценность, площадь под кривой рабочей характеристики приемника, отрицательная прогностическая ценность и точность были 95,1%, 85,6%, 86,1%,90,7% и 89,5%, соответственно (Рис.4 и 5).

Рис. 4. Кривая рабочей характеристики приемник скорости поперечной волны (SWV), которая отражает отличие злокачественных твердых уплотнений молочной железы. Чувствительность, специфичность и площадь под кривой были 75,6%, 95,1% и 85,6%, соответственно, при пороговом значении – 3,065 м / с.

Среди 5 доброкачественных новообразований, чьи значения SWV были выше порогового значения 3,065 м / с были найдены: 2 фиброаденомы, 2 внутрипротоковые папилломы и 1 аденоз. Для 10 злокачественных поражений со значением SWV ниже порогового значения 3,065 м / с, было обнаружено: 4 протоковые карциномы in situ и 6 инвазивных протоковых карцином.

Рис. 5. Распределение значений скорости сдвига волны (SWV) для доброкачественных и злокачественных поражений. Пунктирная линия – представляет пороговое значение 3,065 м / с

Обсуждение

В последние годы возрос интерес к оценке эластических свойств ткани с помощью ультразвукового исследования. Эластография мягких тканей основана на деформации, которая генерируется прилагаемой силой на необходимый орган. Эта техника основана на двух основных методах визуализации. Первая – изображение эластичной деформации, которая также называется статической эластографией, в том числе в режиме реального времени тканевая эластография (Hitachi Medical Systems, Токио, Япония), eSie Touch (Siemens Medical Solutions) и эластография, среди прочего. Реализация этой методики требует постоянного прижатия тканей датчиком или внешнего механического прижатия, вследствие дыхательных движений и сердечной деятельности. Её основным недостатком является то, что сила сжатия не может быть определена количественно, и место сжатия не может быть ограничено в конкретных областях в соответствии с необходимостью исследования, что приводит к движению мишени и искажению результатов измерения. Второй тип – ультразвуковая стресс эластография или динамическая эластография, которая включает визуализацию сдвига ультразвуковой волны и ARFI визуализацию, которая использует кратковременный акустический импульс в зоне исследования, не вызывая перемещения всей мишени. Кроме того, акустическая сила излучения может быть количественно подсчитана и сформулирована в виде количественной информации. Эта техника делает результаты измерений менее зависимыми от навыков исследователя. Преимущества этой методики были описаны в разных исследованиях, а также в нашем.

Статическая эластография молочной железы имеет диагностическую эффективность, схожую с обычным ультразвуковым исследованием для дифференциальной диагностики доброкачественных и злокачественных образований молочной железы, но надежность этого метода может быть низкой из-за межнаблюдательной вариабельности. В связи с тем, что полученные показатели в нашем исследовании имеют числовые значения, такая вариабельность вряд ли возникнет.

В нашем исследовании 63,4% (26 из 41) карцином молочной железы, все или их часть при измерении SWV имели нечисловые значения, выраженные как X.XX. Существует две основные причины для возникновения значений X.XX: во-первых, методика не соответствует стандарту биомеханического тестирования или поперечные волны не могут генерироваться и распространяться в органе-мишени; т.е. сигнал не соответствует качеству настройки системы из-за значительного движения мишени (например, из-за дыхания) во время исследования, получение результатов при этом является ненадежными, или же цель является простой жидкостью, в которой не могут генерироваться и распространяться поперечные волны. Во-вторых, орган-мишень имеет такую высокую плотность, что результаты эластографии биологических тканей выходят за пределы 9,10 м / с, что устанавливается самой системой. В связи с тем, что мы, использовали строгий подход к нашему исследованию (например, во время проведения исследования, датчик четко находился на месте, а пациенты должны были задержать дыхание, чтобы получить надежные измерения SWV) и подвергали все твердые образования гистологическому исследованию, первая причина может быть надежно исключена. Значения X.XX регистрировались, наиболее вероятно, в связи с наличием патологической ткани (например, плотной фиброзной десмопластической ткани). По этой причине, замена нами значения X.XX на значение 9,10 м / с может быть оправдано. Этот аргумент может быть подкреплен тем, что значения X.XX не появлялись ни в одном доброкачественном образовании (при отсутствии какой-либо выраженной кальцификации), а были только зарегистрированы в злокачественных поражениях, со специфичностью и прогностической ценностью положительного результата 100% (26 из 26). Такие результаты показывают потенциальное клиническое значение VTQ в дифференциальной диагностике злокачественных новообразований.

Результаты этого исследования показали, что значения SWV доброкачественных новообразований были значительно выше, чем в соответствующей нормальной ткани молочной железы, но ниже, чем при злокачественных поражениях, что свидетельствует о том, что доброкачественные поражения, как правило, плотнее, чем нормальная ткань молочной железы, но мягче, чем злокачественные образования, что соотносится со всеми предыдущими исследованиями. Злокачественные поражения обычно были очень плотными из-за плотной фиброзной десмопластической ткани. Наши результаты продемонстрировали клиническую возможность использования VTQ для количественной оценки относительной жесткости ткани молочной железы. Кроме того, мы показали, что значение SWV является действительно полезным для дифференциальной диагностики между доброкачественными и злокачественными поражениями молочной железы; в нашем исследовании значение SWV больше, чем 3,065 м / с свидетельствует о злокачественной опухоли. Тем не менее, имели место перекрёстные данные. Пять доброкачественных образований были признаны злокачественными, так как их значения SWV были выше порогового в 3,065 м / с. Гистологическое исследование показало, что эти пять образований содержали в избыточном количестве фиброзную ткань, которая, возможно, способствовали высоким значениям SWV. С другой стороны, 10 злокачественных образований были неправильно диагностированы, как доброкачественные, так как их значения SWV были ниже порогового 3,065 м /с. Гистологическое исследование показало, что эти 10 образований содержали большое количество эпителиальных клеток и незначительно фиброзной ткани, что, возможно, привело к более низким значениям SWV. Стоит также отметить, что 80% (4 из 5) протоковых карцином in situ имели значение SWV менее чем 3,065 м / с, что указывает на то, что для обнаружения этого конкретного типа злокачественных новообразований, VTQ техника может является менее оптимальным методом.

Основными ограничениями применения VTQ в нашем исследовании были: фиксированный размер квадрата области исследования и его чувствительность к артефактам движения. К тому же, наше исследование было основано на относительно небольшом числе и разнообразии злокачественных случаев. Для того, чтобы дополнительно подтвердить преимущества VTQ, необходим больший размер выборки.

В заключение: VTQ может дать количественную информацию о жесткости ткани твердых уплотнений (образований) молочной железе и является легко воспроизводимым способом. При пороговом значении SWV – 3,065 м / с, мы можем достаточно точно определить как доброкачественные, так и злокачественные плотные образования. Кроме того, все поражения со значением SWV – X.XX, расцениваются как злокачественные. Мы предполагаем, что повторное X.XX значение может служить индикатором злокачественности. Учитывая эти обнадеживающие результаты, мы предлагаем использовать VTQ как эффективный диагностический инструмент для дифференциальной диагностики доброкачественных и злокачественных солидных образований молочной железы.