Часть 1. Физические основы эластографии. Компрессионная эластография (лекция)

Руденко О.В.¹, Сафонов Д.В.²*, Рыхтик П.И.³, Гурбатов С.Н.⁴, Романов С.В.³

Physical Bases of Elastography. Part 1. Compression Elastography (Lecture)

Rudenko O.V.¹, Safonov D.V.²*, Rykhtik P.I.³, Gurbatov S.N.⁴, Romanov S.V.³

1 - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова", 119991, г. Москва, Ленинские горы, д. 1.

2 - Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородская государственная медицинская академия" Министерства здравоохранения Российской Федерации, 603005, г. Нижний Новгород, пл. Минина, д. 10/1.

3 - Федеральное бюджетное учреждение здравоохранения "Приволжский окружной медицинский центр" Федерального медико-биологического агентства Российской Федерации, 603005, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, д. 14.

4 - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского", 603950, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, д. 23.

1 - Federal State Educational Institution of Higher Professional Education Lomonosov Moscow State University,GSP-1, Leninskie Gory, Moscow, 119991.

2 - State Educational Establishment of Higher Professional Training Nizhny Novgorod State Medical Academy of the Ministry of Public Health of the Russian Federation, 10/1, Minin Sq., Nizhny Novgorod, 603005.

3 - Volga District Medical Centre under Federal Medical and Biological Agency, 2, Nizhnevolgskaya Naberegnaya, Nizhny Novgorod, 603001.

4 - Federal State Educational Institution of Higher Professional Education Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod, 23, Prospekt Gagarina, Nizhni Novgorod, 603950.

Реферат

В лекции изложены физические принципы компрессионной эластографии - нового метода ультразвуковой диагностики, основанного на различии модулей продольной упругости (модулей Юнга) патологического образования и окружающих тканей при дозированной компрессии датчиком. Для этого производится сравнение их стрейнов, то есть степени относительной деформации в направлении действия силы. Графически изменение стрейнов произвольно выбранных участков ткани показывается в виде кривых сжатия этих участков или цветовой компрессионной эластограммы. Метод используется для исследования поверхностно расположенных органов с целью выявления опухолевой патологии, однако он имеет ряд недостатков, связанных со сложностью стандартизации, что повышает его субъективность и ограничивает практическое применение.

Ключевые слова: ультразвуковая диагностика, компрессионная эластография, деформация, модуль продольной упругости, модуль Юнга, стрейн.

Abstract

The lecture outlines the physical principles of compression elastography - a new method of ultrasound diagnostics, based on the difference modules longitudinal elasticity (Young's modules) of the pathological mass and surrounding tissues with dosed compression sensor. This involves comparison of their straines, that is, the extent of relative deformation in the direction of the force. Alterations straines randomly selected sections of tissue is shown in form of curves compression of these sites or color compression elastogram. The method is used to investigate the superficial organs to identify tumor pathology, however, it has several disadvantages associated with the complexity of standardization, which increases its subjectivity and limits the practical application.

Keywords: ultrasound diagnostics, compression elastography, deformation, longitudinal module of elasticity, Young's module, strain.

Актуальность. Эластография как новый метод получения и оценки ультразвукового изображения всё шире входит в повседневную клиническую практику. Он открывает новые и очень перспективные возможности визуализации – определение и сравнение эластичности мягких тканей организма. Поэтому эластографию сейчас называют третьей ультразвуковой технологией после эхографии и допплерографии. Благодаря ей произошел значительный качественный скачок в дифференциальной диагностике очаговой патологии поверхностно расположенных тканей, сейчас активно ведутся перспективные исследования по эластографии различных органов [1].

Клиническое значение метода и необходимость его практического применения очевидны, но физическим основам исследования в отечественной медицинской периодике уделено недостаточное внимание [2]. То, что физики придумали и воплотили в виде различных эластографических технологий, практические врачи часто используют, не зная физической сущности, не понимая ни реальных возможностей и ограничений этих методик, ни различий между ними, что может привести к их неправильному использованию и даже дискредитации. Поэтому целью данной лекции является ознакомление врачей ультразвуковой диагностики с физическими основами различных вариантов эластографии и соответствующей терминологией.

Термин эластография был предложен в 1991 году врачами-исследователями из Хьюстона (США) как метод количественного и качественного анализа механических свойств тканей [7]. Хотя с физической точки зрения понятия эластичности и упругости одинаковы, сами физики предпочитают использовать второй термин, характеризуя в теории упругости свойства веществ сопротивляться растяжению и сжатию при упругой деформации. Количественно эти свойства выражаются различными модулями упругости.

Но характеристика ткани организма как "более упругая" или "менее упругая" не совсем понятно и удобно в клинической практике, и может вызвать определенные затруднения. Поэтому с практической точки зрения целесообразно использовать термины "твердый" и "мягкий" так, как это уже сделали фирмы-производители. Тем самым эластографическая лексика будут соответствовать пальпаторным определениям, а именно виртуальной пальпацией называют эластографию за рубежом [6].

Пальпация представляет собой хорошо известный способ обследования. Пальпируя опухоль в молочной железе, врач ощущает неоднородность, которую обычно называют "уплотнением". С точки зрения элементарной физики термин "уплотнение" совершенно неуместен, поскольку любая неоднородность (опухоль, киста, гематома) имеет практически такую же плотность, что и здоровая ткань. Плотность различных мягких тканей, кроме жировой и хрящевой, почти такая же, как плотность воды (1 г/см³) или физиологического раствора (1,01 г/см³). Но что почувствовал врач, пальпируя ткань?

Для наглядности приведем пример: плавая в теплом море, человек на ощупь отличает медузу от воды, но медуза может неподвижно зависать между дном и поверхностью моря, так как её плотность равна плотности воды. Так в чем причина того, что мы ощутили прикосновение к медузе и чем она отличается от воды?

Ответ довольно прост. Ясно, что вода "течет", то есть не сохраняет свою форму при действии на нее внешних сил. Напротив, медуза свою форму сохраняет, то есть после снятия силовой нагрузки восстанавливает свой прежний вид. Прикасаясь к медузе, надавливая на нее, мы ощущаем упругое сопротивление. Если медузу положить на стол и потрясти, она будет колебаться, как холодец. Вода же просто растечется. То есть, опухоль в мягкой ткани – это неоднородность типа "мини-медузы", окруженная здоровой тканью.

Теперь объясним это с помощью теории упругости, но сначала определим несколько основных понятий, необходимых для её понимания. Теория упругости – это раздел механики сплошных сред, изучающий деформации упругих твёрдых тел, их поведение при статических и динамических нагрузках. Главная задача теории упругости – выяснить, каковы будут деформации тела, и как они будут меняться со временем при заданных внешних воздействиях.

Твёрдое тело – это одно из четырёх агрегатных состояний вещества, отличающееся от других агрегатных состояний (жидкости, газов, плазмы) стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия. Атомы и молекулы, составляющие твёрдое тело, плотно упакованы вместе, так что молекулы твёрдого тела практически сохраняют своё взаимное положение относительно других молекул, удерживаясь между собой межмолекулярным взаимодействием. В покое твёрдые тела сохраняют форму, но деформируются под воздействием внешних сил.

Деформация – это изменение взаимного положения частиц среды, связанное с их перемещением относительно друг друга, она возникает вследствие изменения межатомных расстояний и перегруппировки блоков атомов. В зависимости от величины приложенной силы деформации разделяют на упругие (обратимые) и пластические (необратимые), а также разрушительные. При упругой деформации после снятия приложенных сил тело возвращает себе первоначальную форму, а при пластической начальная форма не сохраняется. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения частиц среды от положения равновесия, при которых после снятия деформирующей нагрузки частицы возвращаются в свое исходное положение, в основе необратимых – перемещения частиц среды на значительные расстояния от исходных положений равновесия (выход за рамки межмолекулярных связей и переориентация их в новое равновесное положение после снятия нагрузки). Твёрдое тело может деформироваться упруго при мгновенном действии, и пластически, если внешние силы действуют длительное время. Естественно, каждое твёрдое тело имеет присущий ему порог деформации, после которой наступает разрушение.

Любая деформация твёрдого тела может быть отнесена к одному из двух видов: деформации растяжения-сжатия, которое может быть всесторонним или односторонним, и деформации сдвига. Ответ твёрдого тела на прилагаемое усилие описывается модулями упругости, которые характеризуют его способность упруго деформироваться при приложении к нему силы. Многообразие деформаций с различным направлением действия сил на твёрдое тело подразумевает разные модули упругости, но существуют три основных модуля для изотропных тел, свойства которых не зависят от направления: модуль объёмной упругости или модуль упругости всестороннего сжатия (K), модуль упругости или модуль Юнга (E) и модуль сдвиговой упругости или модуль сдвига (G или μ), он же модуль жёсткости. Все они связаны между собой конкретными физическими формулами, по которым, зная значения любых двух модулей упругости, можно рассчитать третий [3].

Модуль упругости всестороннего сжатия (K) характеризует способность объекта изменять свой объём под воздействием объёмного, то есть всестороннего напряжения, когда на тело воздействует одинаковая во всех направлениях сила (например, при гидростатическом давлении). Сжимающая сила F действует на шар со всех сторон, поэтому его объем уменьшается (рис. 1). Связь между приложенным к образцу давлением и величиной деформации характеризуется числом К. После снятия внешнего давления объем принимает исходное значение. Если силы поменяют направление и станут растягивающими, объем увеличится.

Рис. 1. Деформация всестороннего сжатия – при всестороннем воздействии объем шара уменьшается, F – сжимающая сила, V – первоначальный объём, V1 – конечный объём

Если деформируется стержень, то происходит простое одностороннее сжатие (растяжение), которое характеризуется модулем продольной упругости E (модуль Юнга). Он характеризует способность материалов сопротивляться деформации сжатия-растяжения, то есть свойство объекта деформироваться вдоль оси при воздействии силы вдоль этой оси и рассчитывается по формуле (1), где σ – это сила одностороннего воздействия на стержень, ε – деформация стержня в направлении действия этой силы (рис. 2) [3].

Рис 2. Деформация одностороннего сжатия, характеризуемая модулем продольной упругости (модуль Юнга), L – первоначальная длина объекта, L1 – конечная длина объекта, ΔL – величина укорочения объекта.

Применительно к эластографии в медицинской литературе вместо термина "сжатие" чаще используется термин "компрессия", поскольку при исследовании для определения разницы в упругости внутренних объектов необходимо надавить на поверхность тела, то есть осуществить компрессию. Поэтому такой вариант эластографии называется компрессионной эластографией. В основе компрессионной эластографии лежит сравнение модулей Юнга. Если с одинаковым давлением осуществить компрессию двух разных по упругости столбиков, расположенных на жёстком неподвижном основании, то они деформируются по-разному. Более упругий столбик уменьшит свой размер в меньшей степени, чем менее упругий, другими словами, величина укорочения твёрдого столбика будет меньше, чем мягкого (рис. 3) [6].

Рис 3. Физическая основа компрессионной эластографии – сравнение модулей Юнга (отношение стрейнов). На более твёрдый образец А и более мягкий образец Б оказывается одинаковая сила сжатия σ, в результате чего первоначальная длина объекта L уменьшается на величину укорочения объекта ΔL и достигает конечного значения L1. По этим значениям вычисляется деформация объекта ε и модуль Юнга Е.

Термин "деформация" переводится на английский как "strain" [4, 5]. В соответствии с формулой (1) стрейн (или деформация) – это отношение изменения длины столбика к его первоначальной длине, поэтому величина безразмерная. Для сравнения упругости двух столбиков надо сравнить их стрейны – у которого стрейн меньше, тот более упругий и менее сжимаемый. Таким образом, важно на абсолютное значение стрейна, а их сравнение, которое показывает насколько одна ткань более упругая, чем другая, что характеризуется отношением стрейнов и обозначается как strain ratio (SR). Поэтому компрессионная эластография иногда в англоязычной литературе называется стрейновой эластографией.

На практике компрессионная эластография используется для исследования поверхностно расположенных органов с целью выявления опухолевой патологии (чаще всего рака молочной и щитовидной железы, а также простаты при трансректальном УЗИ), что основано на сравнении стрейнов патологического очага и окружающей его ткани. Обычным линейным датчиком с определённой силой осуществляют давление на кожу исследуемой области, которая вызывает деформацию подлежащих тканей. Под действием этой компрессии более упругий, твёрдый объект, каковым является раковая опухоль, уменьшается в объеме меньше, чем окружающая его менее упругая, мягкая ткань (рис. 4), зато сильнее сдвигается "вбок", как бы "выскальзывая" из-под давящего на ткань датчика.

Рис.4. Компрессионная эластография. Разная степень деформации объекта и окружающей ткани при надавливании датчиком на поверхность тела (показана разной плотностью точек).

В ультразвуковых системах оценка стрейна осуществляется по степени смещения тканей методом спекл-трекинга. Спеклы на ультразвуковом изображении обусловлены воздействием энергии от беспорядочно распределенных отражающих структур, слишком малых для того, чтобы быть распознанными при помощи ультразвука. Спеклы ухудшают пространственное и контрастное разрешение в результате образования мелких псевдоструктур, так называемого спекл-шума. Спеклы имеют две важные особенности: во-первых, любая структура организма характеризуется собственной уникальной картиной спеклов, а во-вторых, спеклы смещаются вместе с тканью. При эластографии ультразвуковой сканер с помощью специальной программы оценивает изменение размера объекта по смещению специфичных для него спеклов, а по ним высчитывает разницу стрейнов и выдаёт изображение на экран в виде графиков или цветового картирования.

Графически динамика изменения стрейна произвольно выбранных участков ткани показывается в виде кривых сжатия этих участков в серии надавливания на ткань. Зная, что величина деформации выше там, где упругость ткани ниже, можно сделать вывод о том, что кривая с более высокой амплитудой от надавливаний характеризует участок менее упругой ткани. Кроме того, на экране отображаются относительные количественные показатели стрейнов сравниваемых участков и их соотношение.

При цветовом способе зоны различной упругости картируются разными цветами или оттенками серого, аналогично серой шкале при серошкальном сканировании [5]. Обычно фирмы-производители менее упругие ткани обозначают как SF (от англ. soft — мягкий), а более упругие – HD (от англ. hard — твердый) и рядом с компрессионной эластограммой размещают цветовую шкалу упругости. Таким образом, с помощью компрессионной эластографии можно сравнить стрейны различных участков ткани по относительному количественному показателю SR и произвести их качественное сопоставление по компрессионной эластограмме (рис. 5).

*Рис. 5. Компрессионная эластограмма: серошкальное (а) и цветовое (б) кодирование при исследовании фантома.*

Компрессионная эластография в настоящее время имеется в большинстве современных ультразвуковых систем экспертного класса и достаточно широко распространена в клинической практике как качественный метод визуальной оценки объемной патологии поверхностных органов и тканей с помощью высокочастотных линейных датчиков. Конвексный датчик с компрессионной эластографией производится в настоящее время только компанией Siemens.

Однако у компрессионной эластографии есть ряд недостатков, связанных со сложностью стандартизации метода. Главный заключается в том, что неясно, с какой точностью и в каких случаях в тканях выполняется, а в каких нет принципиальное условие формулы - наличие неподвижной твёрдой поверхности, на которой происходит компрессия тканей. Ее отсутствие или недостаточная твёрдость приводит к тому, что компрессия вызывает не сдавление, а смещение тканей, что делает преобразование бессмысленным. Отношение выполняется только в достаточно ограниченном, так называемом "эластическом" диапазоне сдавления, что создает значительные трудности в выборе адекватной, а тем более стандартной компрессии. И, наконец, кросскорреляционный анализ, используемый для оценки стрейна, математически весьма сложен, при этом каждый производитель использует оригинальные методики расчета стрейна. Всё это снижает информативность метода, увеличивает его субъективность и в конечном итоге ограничивает практическое применение [2].

Заключение. Компрессионная эластография, основанная на сравнении модулей продольной упругости патологического образовании и окружающих тканей, является современным информативным методом ультразвуковой диагностики опухолевой патологии поверхностно расположенных органов. Однако она имеет ряд недостатков, связанных со сложностью стандартизации метода, что повышает его субъективность и ограничивает практическое применение.

Список литературы

Зубарев А.В. Эластография – инновационный метод поиска рака различных локализаций // Поликлиника. 2009. № 4. С. 32–37.
Зыкин Б.И., Постнова Н.А., Медведев М.Е. Эластография: анатомия метода // Променева дiагностика, променева терапiя. 2012. № 2-3. С. 107–113.
Стрелков С. П. Механика: учебник. 4-е изд., стереотип. СПб.: Лань, 2005. 560 с.
Garra B.S. Imaging and estimation of tissue elasticity by ultrasound. Ultrasound Q. 2007. V. 23. P. 255–268.
Garra B.S. Tissue elasticity imaging using ultrasound. Applied Radiology. 2011. N. 2. P. 24–30.
Hall TJ. Beyond the basics: Elasticity imaging with US. Radiographics. 2003. V. 23. P. 1657–1671.
Ophir J., Céspedes I., Ponnekanti H., Yazdi Y., Li X. Elastography: a quantitative method for imaging the elasticity of biological tissues. Ultrasonic Imaging. 1991. V.13. N.2. P. 111–134.

References

Zubarev A.V. Elastografiya – an innovative method of finding a cancer of various localizations. Polyclinic, 2009. N. 4. P. 32-37. (in Russian).
Zykin B.I., Postnova N.A., Medvedev M.E. Elastography: anatomy of a method. Radiation diagnostics, radiation therapy, 2012. N. 2-3. P. 107-113. (in Ukrain).
Strelkov S. P. Mechanics: a textbook. 4th ed., stereotype. SPb.: Lan', 2005. P. 560. (in Russian).
Garra B.S. Imaging and estimation of tissue elasticity by ultrasound. Ultrasound Q. 2007. V. 23. P.255-268.
Garra B.S. Tissue elasticity imaging using ultrasound. Applied Radiology, 2011, N. 2. P. 24-30.
Hall TJ. Beyond the basics: Elasticity imaging with US. Radiographic, 2003, V. 23. P. 1657-1671.
Ophir J., Cespedes I., Ponnekanti H., Yazdi Y., Li X. Elastography: a quantitative method forimaging the elasticity of biological tissues. Ultrasonic Imaging, 1991, V.13. N.2. P. 111-134.

Сведения об авторах

Руденко Олег Владимирович – академик РАН, профессор, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой акустики физического факультета Московского государственного университета.
Сафонов Дмитрий Владимирович – профессор, доктор медицинских наук, профессор кафедры лучевой диагностики факультета повышения квалификации врачей Нижегородской государственной медицинской академии. Адрес: 603093, Нижний Новгород, ул. Родионова, д. 15, кв. 76, тел. 8 910 7955925, E-mail: safonovdv@inbox.ru.
Рыхтик Павел Иванович – кандидат медицинских наук, заведующий отделом лучевой диагностики ФБУЗ "Приволжский окружной медицинский центр ФМБА России".
Гурбатов Сергей Николаевич – профессор, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой акустики, проректор по научной работе Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.
Романов Сергей Владимирович

Статья подготовлена для публикации в журнале "Радиология — практика"