Автори: JeongAh Ryu, Woo Kyoung Jeong
Вступ
В результаті останніх досягнень в області ультразвукових технологій УЗД опорно-рухової системи стають все більш поширеними. Завдяки доступності і відносно низькій вартості, а також властивим можливостям дослідження в режимі реального часу, УЗД є незамінним методом діагностики. Розмір пікселя найсучаснішого високочастотного датчика складає всього одну третину від розміру 1,5-Т МРТ, тому невеликі поверхневі структури, такі як сухожилля, зв’язки і підшкірні тканини, можна краще оцінити за допомогою УЗД при більш високому рівні просторового дозволу.
Технологія еластографії зсувної хвилі є аналогом пальпації, зазвичай проводиться вручну лікарями для діагностики та характеристики тканини.
Основна концепція
Ефективна диференціація тканин з використанням модуля пружності
Характеристика тканини, яка оцінюється при ручнній пальпації, в технічних термінах називається модулем пружності. Комп’ютерна томографія використовує коефіцієнт ослаблення тканини для візуалізації, а МРТ використовує час релаксації T1. При стандартних УЗД використовується об’ємний модуль. При ЕЗХ використовується модуль зсуву, а модуль зсуву демонструє найбільші варіації, більш ніж на п’ять порядків серед різних фізіологічних станів нормальної і патологічної тканини.
Це означає, що використання модуля пружності може забезпечити чутливу візуалізацію відмінностей в біомеханічних властивостях тканин (Зобр. 1).
Зображення 1: Еластографія зсувної хвилі відчутного поверхневого масового ураження в правому нижньому квадранті живота у 18-річного чоловіка.
A. На зображенні в градаціях сірого було відзначено погано виражене гіперехогенне ураження м’яких тканин з заднім акустичним затіненням. B. Жирове ураження показує підвищену васкуляризацію на кольоровому доплерівському зображенні. C. При ЕЗХ прилегла нормальна підшкірна жирова тканина демонструє еластичність, виміряну при 1,2-4,1 кПа. D. При ЕЗХ ураження демонструє набагато вищу еластичність, виміряну при 18,2-26,8 кПа.
ЕЗХ як найбільш відповідний метод УЗД
Серед різних комерційно доступних методів еластографії, еластографія в режимі реального часу є найбільш часто використовуваним методом і дозволяє отримувати еластограму тканини і зображення в B-режимі одночасно; однак вона залежить від оператора і не може бути використана для розрахунку абсолютного модуля пружності.
Крім того, для отримання відносного коефіцієнта деформації тканини для еластографії в реальному часі необхідна еталонна область інтересу, яка зазвичай є стандартною підшкірно жировою клітковиною з постійною еластичністю; проте, в опорно-руховій системі, це часто буває важко або неможливо виконати по анатомічних причинах (Зобр. 2). ЕЗХ є незалежною від оператора, щодо відтворювальним і кількісним методом оцінки сухожиль і м’язів.
Зображення 2: Різні методи ультразвукової еластографії.
Типи тканин при ЕЗХ: тканина еластична, однорідна і ізотропна
Зазвичай м’які тканини є в’язкопружними, неоднорідними і анізотропними. В’язкопружні тканини володіють як пружними властивостями твердих об’єктів, так і властивостями в’язкої рідини (Зобр. 3, 4). Для метрик пружності можливе наближення першого порядку, якщо в’язкі сили ігноруються, припускаючи лінійні пружні тверді тканини. Фактично еластичність м’яких тканин в тілі людини нелінійна і залежить від щільності тканини, величини деформації і / або частоти застосовуваного збудження.
Зображення 3: Чисто-пружні (A), в’язкопружні (B) і експериментальні (C) тривимірні графіки просторової картини поперечної хвилі в площині (x, z) при заданому часу вибірки.
Графік (D) представляє зміну цих трьох полів уздовж осі x (при z = 0).
Зображення 4: Вплив в’язкості на тимчасову форму поперечної хвилі для фантома з низькою в’язкістю (A) і фантома з високою в’язкістю (B).
Модуль Юнга, модуль зсуву, швидкість поперечної хвилі і жорсткість
Для визначення еластичності тканини використовуються різні модулі еластичності. Еластичність м’яких тканин найчастіше висловлюють через модуль Юнга (E), який є опором матеріалу деформації при одноосьовому стисканні або розтягуванні (кПа). Модуль зсуву (μ) – це опір зсувному зусиллю (кПа). У м’яких тканинах зустрічаються дві моди поширення хвиль: поздовжні хвилі (cL), в яких частинки коливаються в напрямку поширення хвилі; і поперечні хвилі (cT), де частки коливаються в напрямку, поперечному поширенню хвилі. Швидкість поширення поперечної хвилі називається швидкістю поперечної хвилі (або швидкістю зсуву, м / с) і є одним зі складових модулів пружності. Модуль Юнга визначається як E = 3 μ = 3 ρ cT2, де ρ позначає щільність тканини.
Жорсткість є дещо відмінним поняттям від модуля пружності. Вона визначається як сила над зміщенням і має одиниці виміру: сила щодо відстані. Це міра жорсткості об’єкта, і на неї впливає модуль пружності самого об’єкта, його форма і розмір.
Клінічні застосування ЕЗХ для дослідження сухожиль і м’язів
Сухожилля
Візуалізація сухожиль за допомогою ЕЗХ нелегке завдання, і відповідні методи все ще розробляються. Сухожилля є дуже твердою тканиною в нормальному стані, і в разі дегенерації або травм її жорсткість може змінюватися в різному ступені (Зобр. 5). Модуль Юнга сухожилля становить приблизно 400-1300 кПа. Тендінопатія визначається як різні хворобливі стани, що виникають при механічних, дегенеративних ураженнях, і вона пов’язана з дегенерацією і дезорганізацією коллагеновой структури, змінами вмісту протеоглікана і води, жировою інфільтрацією і неоваскуляризацією.
Зображення 5: A. Праве сухожилля верхньої щелепи 36-річної жінки демонструє неоднорідно підвищену ехогенність на зображенні в відтінках сірого (внизу), що вказує на тендіноз. При ЕЗХ (вгорі) воно показує значення 10,3-11,4 кПа, які є відносно низькими значеннями для модуля Юнга. B. Ліве колінне сухожилля 81-річного чоловіка виглядає нормальним на зображенні в відтінках сірого (внизу). При ЕЗХ (вгорі) воно показує однорідно забарвлену еластограму і відносно низьке значення модуля Юнга, виміряне при 19,6 кПа.
Висока швидкість поперечної хвилі твердого сухожилля може перевищувати верхню межу вимірювання швидкості поперечної хвилі пристрою (максимальне значення шкали). У ультразвукової системі Acuson S3000 для кількісної оцінки зображень Virtual Touch максимальне значення шкали становить 10 м / с, а в системі Imagine Aixplorer – це 16,3 м / с.
Через високу анізотропію, для візуалізації сухожиль потрібно, щоб положення пучка було ідеально паралельним або перпендикулярним сухожильним волокнам; проте сухожилля можуть мати складну структуру через взаємопроникнення і обертання волокон м’язів, і іноді правильне положення датчика складно досягти. У кількох дослідженнях ахіллового сухожилля повідомлялося про значні відмінності в значеннях еластичності при поперечній (осьовій) і поздовжній (сагітальній) орієнтаціях датчика, а також в нейтральному положенні, розгинанні і згинанні гомілковостопного суглоба.
У недавньому дослідженні повідомлялося, що швидкість зсувної хвилі нормального ахіллового сухожилля в нейтральному положенні становить 15,55 м / с в сагітальній орієнтації і 5,29 м / с в осьовій орієнтації з анізотропним коефіцієнтом 0,66; в той час як підошовне згинання гомілковостопного суглоба становило 7,03 м / с в сагітальній орієнтації і 4,76 м / с в осьовій орієнтації з анізотропним коефіцієнтом 0,33.
М’язи
Частота використання ЕЗХ для дослідження м’язів збільшилася в геометричній прогресії за останні кілька років. Оскільки вона дозволяє візуалізувати жорсткість м’язів в режимі реального часу під час активних або пасивних м’язових рухів. У клінічній практиці м’язова спастичність при інсульті, травмі спинного мозку і міопатії оцінювалася шляхом ручної пальпації, але тільки якісно і суб’єктивно. Те ж саме має місце для міофасціального болю і у пацієнтів, що проходять вправи по реабілітації м’язів.
Динамічна ЕЗХ здатна динамічно визначати і оцінювати еластичність окремих м’язів під час релаксації і скорочення (Зобр. 6). Зміна м’язової жорсткості є дуже важливим первинним порушенням, особливо у дітей із спастичним церебральним паралічем, оскільки воно викликає обмеження рухів в суглобах і фіксовані контрактури.
Зображення 6: Еластографія зсувної хвилі дельтоподібного м’яза 49-річної жінки.
А. В стані спокою в Q-блоці відзначена однорідна еластограма синього кольору. Еластичність вимірювалася при 19,3-22,6 кПа. B. Під час деформації дельтоподібний м’яз демонструє помітно підвищену еластичність, виміряну при 76,4 кПа, і відносно однорідну жовту еластограму.
ЕЗХ може використовуватися для оцінки та порівняння м’язів двох кінцівок, а також для поліпшення розуміння індивідуальних особливостей м’язів пацієнта без необхідності інвазивної біопсії м’язів або складної лабораторної динамометрії в якості фізичного обстеження.
На м’язах були проведені різні дослідження при яких була виміряна нормальна еластичність під час розслаблення і скорочення: значення для передньої великогомілкової м’язи становили 40,6 кПа і 268 кПа, для литкового м’яза – 16,5 кПа і 225 кПа, а для м’язів підошви – 14 , 5 кПа і 55 кПа відповідно. Ці результати були зіставлені з результатами МРТ, яка показала значення 5-40 кПа в стані спокою і до 300 кПа під час скорочення.
Нормальне значення швидкості зсувної хвилі в надспінатному м’язі склало 3,0 м / с. Дослідження пасивного розтягування здорової передньої великогомілкового м’яза показало, що модуль Юнга експоненціально збільшився з 7 до 35 кПа відповідно до збільшення кута згинання підошви і гомілковостопного суглоба. Подовження дельтоподібного м’яза зовнішнім фіксатором показало експоненціальне збільшення модуля Юнга при пасивному розтягуванні.
Повідомлялося, що прямий м’яз стегна і латеральна головка литкового м’яза мають значно вищий модуль Юнга у молодих людей, ніж у літніх.
Вивчення впливу тривалого фізичного навантаження на жорсткість м’язів показало значне зниження модуля зсуву чотириголового м’яза через 48 годин після тренування в порівнянні з вихідним рівнем, ймовірно, через розвиток запалення і набряк м’язів. Отримані результати припускають можливість моніторингу фізіологічних і патологічних змін в м’язах.
Було запропоновано, що еластографія зсувної хвилі має потенціал в якості альтернативи або доповнення до електроміографічної оцінки хворих після перенесеного інсульту. У дослідженні пацієнтів з хворобою Паркінсона і здорової контрольної групи був досліджений двоголовий м’яз плеча. Його показники модуля Юнга у хворих з симптомами хвороби склали 50,87 кПа, при безсимптомному перебігу – 40,06 кПа і у контрольної групи – 23,70 кПа.
У дітей із спастичним церебральним паралічем була досліджена пасивна м’язова жорсткість бічного литкового м’яза при різних ступенях згинання підошви. Модуль зсуву м’язів був вище у дітей із спастичним церебральним паралічем, ніж у здорових дітей, і становив від 15 до 25 кПа.
Недавні дослідження пацієнтів з болем у попереку, що проходять реабілітаційні вправи, показали, що вправи на зміцнення м’язів тулуба можуть поліпшити результати лікування, тому що поперечний м’яз живота сприяє контролю за рухом хребта. ЕЗХ може забезпечити зворотний зв’язок в реальному часі під час вправ.
Стандартизація
Коли ми використовуємо формулу модуля Юнга (E = 3 μ = 3 ρ cT2), ρ є щільністю тканини, і передбачається, що вона постійна 1000 кг / м3, при моделі чисто пружної тканини, яка дійсна для ізотропних тканин, таких як печінка або щитовидна залоза. Однак м’язи і сухожилля не є ізотропними або чисто еластичними, і ми повинні розрахувати як еластичність, так і в’язкість сухожиль.
Інформація про частоту також важлива, оскільки високочастотні поперечні хвилі поширюються швидше, а в’язкість і геометрія м’яких тканин можуть призводити до зміни швидкості зсувних хвиль.
У недавніх фантомних дослідженнях дослідники виявили статистично значущі відмінності в оцінці швидкості поперечної хвилі серед систем в залежності від глибини об’єкта (Зобр. 7); міжсистемна мінливість зазвичай становила менше 3% від швидкості поперечної хвилі для типових параметрів візуалізації печінки, а в в’язкопружних середовищах вона була менш 17,7%.
Зображення 7: Фантоми являють собою: здорову печінку (A1), м’яко фіброзну (B3) і значно фіброзну (C1) тканину. Дисперсія вимірювання швидкості поперечної хвилі (SWS) збільшилася в залежності від більш високої жорсткості (A1 <B1 <C1) і глибини фокуса (3 см, 4,5 см і 7 см), що узгоджується з обмеженнями кінцевої просторової і тимчасової хвилі зсуву. Незважаючи на деяку міжсистемну мінливість, ультразвукові системи візуалізації SWS поточного покоління здатні диференціювати властивості в‘язкопружних матеріалів (P <0,01, односторонній дисперсійний аналіз), що охоплюють здорову і фіброзну печінку.
Зовсім недавно був розроблений метод віскоеластографіі зсувної хвилі. Його можна використовувати для більш точної кількісної оцінки швидкості зсувних хвиль, враховуючи як модуль накопичення зсуву, так і модуль втрат в частотно-залежній в’язкопружній тканині.
Дослідники також виявили, що швидкість зсувної хвилі відповідає вимірам, виконаним з використанням магнітно-резонансної еластографії, особливо при 140 Гц (Зобр. 8). Зсувна хвиля показала температурну залежність в в’язкопружному фантомі, але при кімнатній температурі цей ефект не був значним.
Зображення 8: Барвисті точки показують вимірювання SWS магнітно-резонансної еластографії (MRE) на восьми різних частотах зсувної хвилі. SWS, виміряні методом MRE, показують лінійну залежність від частоти поперечних хвиль для всіх трьох фантомів. Вимірювання SWS за допомогою ЕЗХ найбільш точно відповідали вимірам SWE в MRE при 140 Гц.
14.10.2019
Николай