Количественное определение эластичности ткани in vitro: эластография сдвиговой волной (технология S-Shearwave)

Anesa Mulabecirovic, Anders Batman Mjelle, Odd Helge Gilja, Mette Vesterhus, Roald Flesland Havre.
Национальный центр ультразвуковых исследований в гастроэнтерологии, Университетская больница.
Хаукеланд, Берген, Норвегия.
УЗИ сканер HS60

Профессиональные диагностические инструменты. Оценка эластичности тканей, расширенные возможности 3D/4D/5D сканирования, классификатор BI-RADS, опции для экспертных кардиологических исследований.

Перевод статьи: "In vitro quantification of tissue elasticity: S-Shearwave Elastography".

«Измерения эластичности методом эластографии по технологии S-Shearwave характеризовались превосходной воспроизводимостью».

Введение

Эластография – метод визуализации, позволяющий количественно или полуколичественно измерить эластичность тканей человека. В данном исследовании in vitro мы оценивали эффективность платформы для количественной эластографии с помощью технологии S-Shearwave, установленной на ультразвуковом аппарате RS80A Prestige (Samsung Medison Co. Ltd., Сеул, Корея). Оценку проводили с использованием конвексного датчика на фантоме фиброза печени. В ходе исследований мы определяли согласованность результатов у одного и того же исследователя и у разных исследователей путем анализа внутриклассовой корреляции (intraclass correlation – ICC) и коэффициент вариации (coefficient of variation – CV) путем измерения корреляции и пределов согласия.

Основы эластографии сдвиговой волной

Эластография сдвиговой волной – неинвазивный метод ультразвуковой диагностики, позволяющий путем генерации и анализа сдвиговых волн количественно измерить эластичность (жесткость) ткани и таким образом выявить патологию (например, фиброз или рак) [1]. Этот метод эффективен для диагностики тканевой патологии ряда органов [6,9,10]. Один из вариантов метода, транзиентную эластографию (Transient elastography – TE), широко применяют для обнаружения тяжелого фиброза или цирроза печени и для исключения выраженного фиброза [3–5,11]. Жесткость ткани измеряют с помощью модуля Юнга и выражают в единицах давления в паскалях (Па) или, чаще, в килопаскалях (кПа). Местное напряжение и вызываемый им сдвиг определяют с помощью модуля Юнга (Е), количественного показателя жесткости ткани:

Е = Δ сдвига / Δ напряжения

Это означает, что чем жестче ткань, тем выше для нее модуль Юнга. Формула связи модуля Юнга (эластичность Е) со скоростью распространения сдвиговой волны:

E = 3p(c)²,

где р – плотность ткани, выраженная в кг/м3, которая в тканях человека очень близка к плотности воды (1 кг/дм3), а с – скорость распространения сдвиговой волны.

Эластографические системы измеряют скорость сдвиговой волны, которая в более жестких тканях распространяется быстрее, чем в более мягких. В технологии S-Shearwave эластичность можно выражать через скорость сдвиговой волны (м/с) или через модуль Юнга (Е) в кПа, используя вышеприведенную формулу.

В систему встроен показатель надежности измерения (Reliability Measurement Index – RMI), позволяющий контролировать качество исследования путем расчета взвешенной суммы двух факторов: остатка в волновом уравнении и амплитуды сдвиговой волны. Поэтому высокие значения RMI сильно коррелируют с воспроизводимостью измерений. Предлагаемый показатель можно применять для отбраковки ненадежных измерений, повышения производительности метода эластографии сдвиговой волной, а также использовать его в качестве критерия для оценки качества данных.

Материалы и методы

Объектами исследования были фантомы фиброза печени (CIRS модель 039, CIRS Inc., Вирджиния, США). Модель 039 состоит из четырех отдельных фантомов различной жесткости. Каждый фантом имеет глубину 10 см и изготовлен из фирменного синтетического полимера Zerdine®, размещенного в цилиндре с поверхностью для сканирования на основе моноволокна сарана и ячейкой для сканирования, которую при использовании конвексных датчиков можно заполнить жидкостью. Фантом совместим с основными режимами ультразвуковой сдвиговой волны. Он имеет стандартную конфигурацию и характеризуется следующими номинальными акустическими свойствами: плотность материала – 1,03 г/см, скорость звука – 1540 м/с, затухание – 0,5 дБ/см/МГц, контрастность – 0 дБ относительно референсной модели ткани печени компании CIRS. Фактические акустические и механические свойства измерялись на нескольких фантомах; измеренные значения приведены в табл. 1.

Таблица 1. Акустические свойства фантома.
Фантом Модуль Юнга Скорость звука Затухание
1 2,7 кПа (± 5%) 1533 м/с 0,46 дБ/см/МГц
2 11,5 кПа (± 5%) 1536 м/с 0,46 дБ/см/МГц
3 24,8 кПа (± 5%) 1531 м/с 0,46 дБ/см/МГц
4 46,3 кПа (± 5%) 1530 м/с 0,46 дБ/см/МГц
Примечание. Фактические акустические и механические свойства, измеренные на нескольких фантомах.

Изменчивость результатов у одного и того же исследователя оценивали с помощью коэффициента вариации (CV), то есть частного при делении стандартного отклонения (SD) на среднее значение эластичности. Низкие значения CV соответствуют высокой воспроизводимости измерений. Надежность измерений у разных исследователей определяется коэффициентами межклассовой корреляции (ICC). Высокая надежность измерений у разных исследователей соответствует значениям ICC около 1,00. Согласованность результатов у разных исследователей дополнительно оценивали путем анализа графика корреляции с использованием коэффициента корреляции Пирсона (r). Различия между отдельными измерениями и общим средним значением для двух исследователей были приняты за пределы согласия для используемой системы [2]. Статистический анализ был выполнен с помощью программного пакета для статистической обработки данных в области общественных наук (Statistical Package for the Social Sciences – SPSS).

Результаты

Таблица 2. Медианные значения измеренной эластичности фантомов.
Исследователь Фантом 1
2,7 кПа ± 5%
(мин.–макс.)
Фантом 2
11,5 кПа ± 5%
(мин.–макс.)
Фантом 3
24,8 кПа ± 5%
(мин.–макс.)
Фантом 4
46,3 кПа ± 5%
(мин.–макс.)
A 2,1 кПа (2–2,3) 7,60 кПа (7,2–8,9) 18,40 кПа (17–20) 43,85 кПа (40,9–45,8)
B 2,1 кПа (2–2,2) 7,65 кПа (7–8,1) 18,15 кПа (17,6–20,7) 43,65 кПа (40,9–47,8)
A+B 2,1 кПа (2–2,3) 2,1 кПа (2–2,3) 18,30 кПа (17–20,7) 43,70 кПа (40,9–47,8)
Примечание. Медианные значения (мин.–макс.) эластичности, измеренной на фантомах фиброза печени в сравнении с реальными значениями на референсной ткани, полученными на аппарате RS80A Prestige.
Таблица 3. Средние значения измерений на фантомах.
Фантом Среднее А Среднее B CV A CV B CV AB Внутриклассовый
коэффициент
Внутриклассовый
коэффициент
1
2
2,12
7,71
2,11
7,63
0,04
0,06
0,03
0,03
0,04
0,05
Исследователь А
0,999
1,0
3
4
18,27
43,76
18,31
44,09
0,05
0,04
0,05
0,04
0,05
0,04
Исследователь B
0,998
Примечание. Средние значения по всем измерениям с соответствующими коэффициентами вариации (CV) приведены отдельно для каждого исследователя, внутри- и межклассовый коэффициенты (ICC) приведены для исследователей А и В в виде единого значения для всех фантомов, а коэффициент ICC результатов у разных исследователей дан общий для исследователей А и B.

Обсуждение

В этом исследовании оценивали использование технологии S-Shearwave на четырех фантомах, имитирующих ткани организма. Выявлена высокая степень воспроизводимости между результатами, полученными как одним и тем же исследователем, так и разными исследователями, представленная показателем CV в табл. 3 и на рис. 1–3.

Диаграмма - высокая корреляция между результатами, полученными двумя независимыми исследователями при измерении эластичности на фантоме печени; коэффициент корреляции R = 0,998

Рис. 1. Высокая корреляция между результатами, полученными двумя независимыми исследователями при измерении эластичности на фантоме печени; коэффициент корреляции R = 0,998.

Коробчатые диаграммы для исследователей А и В для всех включенных данных с медианными значениями - видна низкая изменчивость между измерениями, представленная как межквартильный диапазон (высота прямоугольника) для каждого включенного набора данных

Рис. 2. Коробчатые диаграммы для исследователей А и В для всех включенных данных с медианными значениями. Видна низкая изменчивость между измерениями, представленная как межквартильный диапазон (высота прямоугольника) для каждого включенного набора данных.

График анализа разностей по методу Бланда – Альтмана: видны различия между индивидуальными измерениями относительно общего среднего значения для обоих исследователей, отклонение от 0 по вертикальной оси оказалось для технологии S-Shearwave очень ограниченным

Рис. 3. График анализа разностей по методу Бланда – Альтмана; видны различия между индивидуальными измерениями относительно общего среднего значения для обоих исследователей. Отклонение от 0 по вертикальной оси оказалось для технологии S-Shearwave очень ограниченным, что означает отсутствие систематической погрешности между измерениями, выполненными разными исследователями.

В исследовании были обеспечены почти идеальные, но все же упрощенные условия для оценки воспроизводимости. Материал фантома является однородным и изотропным по сравнению с реальной тканью печени, но не обладает вязкоупругими свойствами, характерными для реальной ткани печени. Материал фантома содержится в жестком цилиндре, который также отличается от ткани печени. Все измерения были проведены на одинаковом расстоянии от поверхности датчика. Эти условия крайне важны с точки зрения воспроизводимости измерений; вероятно, в реальной ткани печени они окажутся более изменчивыми [7]. Тем не менее полученные результаты свидетельствуют об очень высокой вероятности получить при сканировании ткани печени воспроизводимые измерения. В большинстве измерений эластичности на фантомах значения оказывались ниже значений, приводимых производителем фантома. Эта особенность в равной степени наблюдалась у обоих исследователей в данном исследовании in vitro. Причиной может быть использованный in vitro материал; общая плотность материала Zerdine составляет 1,0–1,05, что сравнимо со значениями живых мягких тканей. Вопрос о сохранении подобного занижения при сканировании живых тканей выходит за рамки данной публикации, и этот вопрос должен быть исследован дополнительно. Для фантомов 2–4 занижение оказалось достаточно стабильным, на уровне приблизительно 4 кПа. Для других систем для эластографии со сдвиговой волной в отдельном исследовании также выявлена тенденция к занижению твердости материала фантомов, но она оказалась менее постоянной [8].

Как и для других протестированных нами систем, изменчивость измерений жесткости возрастает с увеличением таких значений. Эта закономерность проявляется на графике корреляции и на графике пределов согласия. Изменчивость при использовании технологии S-Shearwave также оказалась ограниченной для более твердых фантомов и была меньше или аналогичной наблюдаемой нами в других протестированных системах [8]. При делении изменчивости на результат измерения, как в коэффициенте вариации, выявлены сходные значения для фантомов 1+2 (более мягких) и 3+4 (более твердых), при этом соответствующие значения CV были равны 0,043 и 0,045.

Заключение

Измерения эластичности методом эластографии по технологии S-Shearwave обладали отличной воспроизводимостью. Выявлена высокая корреляция результатов как у одного и того же исследователя (ICC 0,998–0,999), так и у разных специалистов (ICC 1,0). Количественный анализ методом эластографии сдвиговой волной по технологии S-Shearwave позволил дифференцировать все фантомы. Требуются дополнительные исследования в реальных условиях на мягких тканях человека.

Поддерживаемые системы: RS80, HS70.

Литература

  1. Bamer J., Cosgrove D., Dietrich C.F. et al. EFSUMB guidelines and recommendations on the clinical use of ultrasound elastography. Part 1: Basic principles and technology // Ultraschall Med. 2013; 34: 169–184.
  2. Bland J.M., Altman D.G. Agreement between methods of measurement with multiple observations per individual. J biopharmaceutical statistics. 2007; 17: 571–582.
  3. Carrion J.A., Navasa M., Bosch J. et al. Transient elastography for diagnosis of advanced fibrosis and portal hypertension in patients with hepatitis C recurrence after liver transplantation // Liver Transpl. 2006; 12: 1791–1798.
  4. Castera L., Vergniol J., Foucher J. et al. Prospective comparison of transient elastography, Fibrotest, APRI, and liver biopsy for the assessment of fibrosis in chronic hepatitis C. // Gastroenterology. 2005; 128: 343–350.
  5. Foucher J, Chanteloup E, Vergniol J, Castera L, Le Bail B, Adhoute X, Bertet J, Couzigou P, de Ledinghen V, Diagnosis of cirrhosis by transient elastography (FibroScan): a prospective study. Gut 2006;55:403-8.
  6. Friedrich-Rust M., Vorlaender C., Dietrich C.F. et al. Evaluation of Strain Elastography for Differentiation of Thyroid Nodules: Results of a Prospective DEGUM Multicenter Study // Ultraschall Med. 2016.
  7. Havre R.F., Waage J.R., Gilja O.H., Odegaard S., Nesje L.B. Real-Time Elastography: Strain Ratio Measurements Are Influenced by the Position of the Reference Area // Ultraschall Med. 2011.
  8. Mulabecirovic A., Vesterhus M., Gilja OH, Havre R.F. In Vitro Comparison of Five Different Elastography Systems for Clinical Applications, Using Strain and Shear Wave Technology // Ultrasound Med Biol. 2016.
  9. Shiina T., Nightingale K.R., Palmeri M.L. et al. WFUMB guidelines and recommendations for clinical use of ultrasound elastography: Part 1: basic principles and terminology // Ultrasound Med Biol. 2015; 41: 1126–1147.
  10. Sporea I., Bota S., Peck-Radosavljevic M. et al. Acoustic Radiation Force Impulse elastography for fibrosis evaluation in patients with chronic hepatitis C: an international multicenter study // Eur. J Radiol. 2012; 81:4112–4118.
  11. Ziol M., Handra-Luca A., Kettaneh A. et al. Noninvasive assessment of liver fibrosis by measurement of stiffness in patients with chronic hepatitis C // Hepatology 2005; 41: 48–54.
УЗИ сканер HS60

Профессиональные диагностические инструменты. Оценка эластичности тканей, расширенные возможности 3D/4D/5D сканирования, классификатор BI-RADS, опции для экспертных кардиологических исследований.

следующая статья »