Еластографія МР розширює можливості рентгенологічних досліджень шарів для відображення механічних властивостей, таких як гнучкість, в'язкість або тиск. Це може допомогти у дослідженні стадії фіброзу печінки, аспірації пухлини, виявлення нейродегенеративних процесів та неінвазивного вимірювання тиску в серці або печінці. МР еластографія 2.0 - це проста у реалізації, високодіагностична, нешкідлива процедура візуалізації для оцінки стану органів та м’яких тканин у клініках та хірургічних кабінетах, обладнаних апаратом для МР.

магнітно-резонансна

Основні поняття

Еластичність

Тактильні тести були частиною набору медичних діагностичних інструментів з самого початку. У тканинах механічне розтягування створює внутрішній натяг, тканина розтягується проти тактильного пальця, ступінь якого можна охарактеризувати за модулем пружності. Еластичність деформації - або модуль пружності на зсув - змінюється в тканинах людського тіла за шкалою близько восьми порядків, що дозволяє проводити більш чутливі вимірювання, ніж будь-яка інша фізична характеристика. Еластографія використовує надзвичайно широку варіативність пружності зсуву, спираючись на основи діагностики радіологічної стратифікації. (26)

В'язкість

На додаток до модуля пружності на зсув, в'язкість м'яких тканин, а також внутрішній тиск в судинах і тканинах також є важливою механічною інформацією для діагностики. В'язкість забезпечує розуміння мікроструктури тканин. Простіше кажучи, при більш міцному мережному з’єднанні тканина краще поглинає зсувні хвилі, а це означає, що в’язкі біологічні тканини реагують на механічні подразники із зміщенням у часі, поглинаючи механічну енергію (рис. 1). Поєднані в'язкопружні властивості матеріалу визначаються складним модулем зсуву (G *). Дійсною частиною комплексного модуля є ступінь еластичності (модуль зберігання, G '), уявна частина пов'язана з властивостями в'язкості (коефіцієнт втрат, G »). У випадку з дуже гнучким матеріалом - таким як напр. агарозний гель - коефіцієнт втрат дуже малий. Перехід до біологічного матеріалу можна змоделювати, зануривши кілька смужок паперу в гель, що значно збільшує значення G ”, не змінюючи еластичних властивостей гелю. (9,24)

Фігура 1. “В’язкопружність” - це сума пружних пружних властивостей досліджуваного матеріалу та характеристик в’язкості пружини, що зменшують коливання. На малюнку представлена ​​модель Фойгта як приклад поєднаного ефекту пружини та демпфування. Ослаблення вібрацій у “сиропоподібному” середовищі (1) призводить до зменшення відхилення вібрацій, (2) до затримки відгуку (Φ фазовий кут), що також проявляється в спотворенні куба внаслідок до напруги штовхання (зсуву) (внизу).

Тиск

Хоча напруга зсуву або зміщення тканини в біологічних тканинах створює суворо об'ємну деформацію, механічні подразники можуть спричинити мінімальні зміни в обсязі тканини через пори та мікрокапіляри. Ці ефекти стиснення та розширення, які передають інформацію про умови тиску всередині тканин, узагальнюються як пороселастичність. Еластографія серця базується на зовсім іншій схемі тиску. У разі серцевої еластографії створений шлуночковий тиск є прямим наслідком скорочення волокон міокарда і безпосередньо пов'язаний з модулем еластичності зсуву міокарда (рис. 2).

Малюнок 2. Принцип “тиску” в еластографії пов’язаний або з пороеластичними властивостями, або зі змінним модулем зсуву міокарда. Обов’язковою умовою пороселастичності є наявність принаймні двофазної системи з однією фазою твердої речовини, а іншої рідиною. У наведеному прикладі стисливість ефективного середовища можна простежити за зміною тиску в судинній системі. Дивергенція є мірою просторових спотворень, її значення пропорційне тиску, що панує в посудині. У разі шлуночкового тиску крутильне скорочення волокон міокарда (що символізується трубками) - із помітним збільшенням коефіцієнта зсуву G '- призводить безпосередньо до генерування радіальної сили і, отже, до збільшення шлуночкового тиску.

Технічна підготовка еластографії МР

Принцип еластографії поєднує три методологічні етапи: (22) механічне стимулювання тканин; запис зображення створеної деформації методом УЗД або МРТ; і обчислення контрасту, показаного на зображенні, що забезпечує інформацію про розподіл механічних показників.

Механічна стимуляція може бути статичною, створюваною зовнішнім тиском, або динамічною, використовуючи механічні хвилі, що генеруються акустичною вібрацією. Механічні хвилі, основними компонентами яких є поперечні хвилі зсуву, можуть бути викликані сфокусованим ультразвуком (20) або перехідними (2) або безперервними вібраціями. Постійно збуджені поперечні хвилі дозволяють краще досліджувати глибші шари тканини, тоді як поведінка перехідних поперечних хвиль ближче до моделі поширення плоских хвиль.

В організмі людини поперечні хвилі збуджуються в діапазоні частот від 20 до 100 Гц. У МР-еластографії використовуються лише гармонійні в часі коливання, оскільки зображення часто вимагає багаторазового збудження та поглинання, під час яких стійкий стан механічних хвиль автоматично осідає. Крім того, використання гармонійних коливань часу виявилося практичним для механічної стимуляції органів у добре захищеному місці - мозку, серці -.

Для того, щоб оцінити в'язкопружні властивості за формою хвиль, необхідно використовувати так звану еластографію. вирішити обернену задачу. Хвильове рівняння вирішується чисельно для комплексного модуля зсуву (G *). Для точного виявлення складних в'язкопружних властивостей комплексний коефіцієнт необхідно визначати в широкому діапазоні частот. (25) До цього часу в багаточастотній МР-еластографії використовували частоти від 25 до 65 Гц. (17) Визначення компресії та тиску в тканинах вимагає запису тривимірних хвилеводів, що в даний час можливо лише за допомогою ЕР-еластографії. (12,23)

МР-еластографія високої роздільної здатності

В даний час клініко-діагностичне використання еластографії МРТ обмежується виявленням дифузних змін властивостей в’язкопружної тканини. Приклади включають дослідження стадії фіброзу печінки (1,15,32) або дослідження нейродегенеративних процесів при розсіяному склерозі. (29,31) Представлення та регіональна інтерпретація в'язкопружних карт до цього часу були обмежені через неточні та несприятливі граничні умови, пов'язані з інверсією хвиль. Це можна проілюструвати піками стоячої хвилі та жолобами вібраційної струни. У зоні хвильових вузлів є нульовий прогин, тобто пружна деформація не відбувається, тому в цих регіонах не можна отримати еластографічну інформацію.

Погана математична постановка задачі усувається багаточастотною МР-еластографією. На основі прикладу коливальної струни легко уявити, що при різних частотах коливань вузли утворюються в різних місцях, а випадкові власні коливання зустрічаються лише на певних частотах. Критичні області нейтралізуються різними іншими частотами збудження, щоб математична задача могла бути краще зрозумілою. Передумовою цього є те, що загальний інформаційний вміст багаточастотних хвильових карт об'єднується в один крок інверсії як рішення надвизначеної системи рівнянь.

Це називається багаточастотна інверсія була введена в багаточастотну МР-еластографію лише в 2012 році (21), її використання до цього часу було продемонстровано в дослідженнях печінки та мозку. (10) Як технічну виноску слід зазначити, що складний модуль G *, який спочатку складався з дійсної та уявної частини, з'являється в багаточастотній МР-еластографії зі своїм значенням (| G * |) та фазовим кутом (Φ ). Подібно до коефіцієнтів G 'і G', | G * | і Φ також кількісно визначити наш тактильний досвід: наскільки жорсткий або м’який матеріал (| G * |), і чи утворюють волокна тканини/матеріалу щільну мережу (наприклад, тканина печінки) або більш пухку мережу (наприклад, агарозу гель) (Φ). (10) На малюнку 3 показані приклади багаточастотної МР-еластографії печінки та мозку відповідно.

Малюнок 3. Тривимірна багаточастотна МР-еластографія органів черевної порожнини та мозку. 10 Значення комплексного модуля зсуву (| G * |) виражає жорсткість тканини, тоді як фазовий кут (Φ) визначається в'язкістю тканини (див. малюнок 1). Шкала сірого кольору на еластографічній карті MR ділиться між 0 та 3 кПа (| G * |) та 1,5 рад (Φ) відповідно. Зліва: Через третинний фіброз печінка пацієнта значно жорсткіша і в'язша, ніж у здорового контролю. Асцит не викликав технічних труднощів під час проведення МРТ-еластографії. Добре видно селезінка жорсткіша, ніж печінка в цілому, і має вищі значення Φ. Справа: механічна характеристика пухлин головного мозку. Метастази карциноми легенів жорсткіші за навколишні тканини (червона лінія) і оточені яскраво вираженим перифокальним набряком (стрілка), який не викликає зміни жорсткості, за винятком м’якої вузької межі (пунктирна червона лінія), але Φ значення істотно змінюється. На відміну від метастазування, гліобластома (пунктирна червона лінія) - це м’яка пухлина з тією ж структурою, що і мозкова тканина, за механічними характеристиками нагадує в’язку рідину.

МР еластографія серця

Вперше кардіологічну еластографію застосовували для неінвазивного вимірювання змін модуля зсуву міокарда під час серцевого циклу. Оскільки зміна еластичності серцевої стінки є двигуном зміни шлуночкового тиску, еластографія, яка відображає зміну сили зсуву, пропонує прямий неінтервенційний спосіб вимірювання шлуночкового тиску і, таким чином, визначення роботи серця об'єм тиску.

Дотепер гармонічні за часом хвилі з частотою 25–30 Гц використовувались для еластографії серця людини. (28) Інші процедури стимуляції, наприклад сфокусовані ультразвукові імпульси, внутрішня активація - безпеку та відтворюваність ще слід перевірити. (14,16) Основною проблемою еластографії, що виконується при нижчих частотах збудження з використанням гармонійних хвиль у часі, є відносно велика (близько 10 см) довжина хвилі та досить висока неоднорідність міокарда. З цієї причини під час еластографії серця аналізують амплітуду зсувних хвиль: збільшення та зменшення амплітуди хвиль відображають взаємні зміни модуля зсуву під час розслаблення (діастола) та скорочення (систоли) стінки серця. (28) Таким чином, серцева еластографія дає картину взаємних змін шлуночкового тиску. Цей принцип був підтверджений в експериментах на тваринах 5, а також вивчався у здорових добровольців за допомогою МР-еластографії (6) та ультразвукової еластографії з гармонікою часу. (30) Перші дослідження на людях продемонстрували діагностичне значення еластографії МР серця у виявленні порушень розслаблення міокарда. (3,4)

Еластомографія пор

В однорідному матеріалі зміна об’єму може призвести до збільшення гідростатичного тиску, що відповідає негативному добутку коефіцієнта стиснення та розбіжності. Модуль стиснення м’яких тканин приблизно на шість порядків перевищує модуль зсуву, що означає, що м’які тканини майже не стискаються. Отже, швидкість поширення ультразвукових хвиль у тканинах (хвилі стиснення) майже така ж, як і швидкість їх поширення у воді: близько 1500 м/с. Еластографія з частотою збудження менше 100 Гц охоплює зовсім іншу динамічну область, де вона може бути надійно застосована до закритих тканин без відтоку та надходження рідини. Можна виміряти зміну обсягу, виражену в біологічних тканинах, що зазнають дії статичного тиску або гармонійних вібрацій з низькою частотою (близько 25 Гц). (12,18) На основі цих спостережень можна припустити, що реальне значення модуля стиснення в біологічних тканинах при низькочастотній стимуляції набагато нижче, ніж вважалося раніше. Це явище можна пояснити моделлю водовмісної (нестисливої) мікропорнотканої тканини, в якій відносно сипуча рідина в каналах, утворених мікропорами, може уникнути тиску, що чиниться на тканину (рис. 2).

Малюнок 4. МР-еластографія печінки та мозку, чутлива до тиску. Просторова деформація (розбіжність, | d |, див. Рисунок 2) була використана як чутливий до тиску параметр. Простий експеримент з вісьмома здоровими добровольцями (а) показав, що під час маневру Вальсальви зовнішні хвилі тиску через підвищений внутрішньочерепний тиск були значно більшими за амплітудою.12 У групі пацієнтів з портальною гіпертензією (b) було показано, що зміни в стиснення печінки завдяки портальній системі імплантації плеча з інвазивно вимірюваними градієнтами тиску.11

Попереднє дослідження в печінці пацієнтів з портальною гіпертензією змогло неінвазивно визначити падіння тиску після введення трансгугулярного внутрішньопечінково-портового системного шунту (TIPS). (11) Об'ємна зміна, кількісно визначена за допомогою пороеластографії, корелювала з інвазивно визначеними градієнтами внутрішньопечінкового тиску (рис. 4). Загалом, пороеластографія надає дані про параметри, що залежать від тиску, які дуже доповнюють модуль в'язкопружного зсуву, отриманий під час еластографії МР, і можуть бути визначені з того самого набору даних тривимірної багаточастотної МР еластографії. Під час МРТ додаткове обстеження, яке триває приблизно 10 хвилин, може виміряти три незалежні механічні характеристики: гнучкість, в'язкість та тиск.

Клінічне застосування: МР-еластографія печінки та мозку

МР-еластографія - це кількісна, структурно-чутлива процедура. Найбільш широко використовується в неінвазивній класифікації стадії фіброзу печінки, оскільки структура тканини печінки змінюється внаслідок відкладення колагену та формування живої огорожі. (1,15,32) Огляд сучасного стану еластографії МР печінки можна знайти в літературі. (27) На відміну від широкого застосування ультразвукової еластографії печінки (7,8,33), МРТ печінки має перевагу у високій точності та можливості обстеження пацієнтів з важким ожирінням та важким асцитом. Подальше виконання діагностичних переваг очікується від версії 2.0 MR-еластографії (багаточастотна 3D-еластографія з високою роздільною здатністю). (10)

Ще одним дуже цікавим застосуванням еластографії МРТ є раннє виявлення нейродегенеративних процесів. Як і при фіброзі печінки, нейродегенеративні захворювання змінюють механічні властивості паренхіми, напр. як супутній симптом розсіяного склерозу. Вони, на відміну від фіброзу печінки, можуть призвести до зниження гнучкості. (29,31) На основі даних досліджень пацієнтів та експериментів на мишах, все частіше вказують на те, що існує прямий зв'язок між нейрональною дегенерацією та еластичністю мозку. Все це спонукає нас використовувати «тактильний» огляд мозку як клініко-діагностичний тест для оцінки механічного утримання та цілісності нейрональних структур. І в цьому випадку тривимірна багаточастотна техніка значно підвищила би чутливість дослідження до місцевих уражень, наприклад при виявленні перивентрикулярних пошкоджень тканин, пов'язаних з гідроцефалією, пов'язаних з нормальним тиском. Діагностичне значення МР-еластографії на основі тиску на сьогодні не вивчалось.

Резюме

Нові технічні розробки дозволяють реєструвати повні тривимірні довжини хвиль при множинних частотах механічного збудження в рамках десятихвилинного дослідження, доповнення до МРТ. Інформація, отримана за допомогою еластографії, до цього часу використовувалася для збільшення роздільної здатності в'язкопружних карт та визначення просторової деформації в тканинах під тиском. МР-еластографія - це перший метод візуалізації в руках рентгенологів, фізичний контрастний механізм яких заснований на механічному прикріпленні клітин м’яких тканин та залежній від тиску взаємодії судинної системи та зв’язаних тканинних структур. Еластографія серця як чутливий до тиску метод візуалізації підходить для вивчення розладів розслаблення міокарда. В даний час він перевіряється як метод ультразвукового дослідження для запису в режимі реального часу. Еластографія як різновид «фізичного контрастного речовини» може мати велике медико-діагностичне значення.

Заява. Автор не вказав на конфлікт інтересів.

Подяки. Подякуємо Р. Еману за надихаючі розмови, особливо стосовно Рисунку 1.

MAGNETRESONANZELASTOGRAPHIE 2.0: HOCHAUFGELÖSTE BILDGEBUNG ZUR BESTIMMUNG VON ELASTTIITIT, VISKOSITÄ UND DRUCK WEICHER GEWEBE • ТОМ 138/NO 47/2013/DEUTSCHE MEDIZINISCHE WOCHENSCHRIFT

Поштова адреса: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб переглянути його.