Elastografie prin rezonanță magnetică 2.0 pentru a determina condițiile de elasticitate, vâscozitate și presiune ale țesuturilor moi

Elastografia MR extinde posibilitățile examinărilor stratului radiologic pentru a mapa proprietățile mecanice, cum ar fi flexibilitatea, vâscozitatea sau presiunea. Poate ajuta la examinarea stadiului de fibroză hepatică, aspirația tumorii, detectarea proceselor neurodegenerative și măsurarea neinvazivă a presiunii în inimă sau ficat. MR Elastography 2.0 este o procedură imagistică ușor de implementat, cu un diagnostic ridicat și inofensiv, pentru evaluarea stării organelor și a țesuturilor moi în clinici și intervenții chirurgicale echipate cu echipament MR.

Noțiuni de bază

Elasticitate

Testele tactile au făcut parte de la început din cutia de instrumente de diagnostic medical. În țesuturi, întinderea mecanică creează o tensiune internă, țesutul este întins împotriva degetului tactil, a cărui întindere poate fi caracterizată prin modulul de elasticitate. Elasticitatea deformării - sau modulul de elasticitate de forfecare - variază în țesuturile corpului uman pe o scară de aproximativ opt ordine de mărime, permițând măsurători mai sensibile decât orice altă caracteristică fizică. Elastografia profită de variabilitatea extrem de largă a elasticității la forfecare, bazându-se pe fundamentele diagnosticului stratificării radiologice. (26)

Viscozitate

Pe lângă modulul de elasticitate la forfecare, vâscozitatea țesuturilor moi, precum și presiunea internă din vase și țesuturi sunt, de asemenea, informații mecanice importante pentru diagnosticare. Vâscozitatea oferă o perspectivă asupra microstructurii țesuturilor. Mai simplu spus, cu o conexiune de rețea mai puternică, țesutul absoarbe mai bine undele de forfecare, ceea ce înseamnă că țesuturile biologice vâscoase răspund la stimulii mecanici într-un mod deplasat în timp, absorbind energia mecanică (fig. 1). Proprietățile viscoelastice combinate ale unui material sunt determinate de modulul de forfecare complex (G *). Partea reală a modulului complex este gradul de elasticitate (modul de stocare, G '), partea imaginară este legată de proprietățile de vâscozitate (coeficientul de pierdere, G ”). În cazul unui material foarte flexibil - cum ar fi de ex. gelul de agaroză - coeficientul de pierdere este foarte mic. Trecerea la materialul biologic poate fi simulată prin scufundarea câtorva benzi de hârtie într-un gel, ceea ce mărește foarte mult valoarea lui G ”fără a modifica proprietățile elastice ale gelului. (9,24)

figura 1. „Viscoelasticitatea” este suma proprietăților elastice asemănătoare arcului materialului testat și a caracteristicilor de vâscozitate ale arcului care amortizează vibrațiile. Figura arată modelul Voigt ca exemplu al efectului combinat al arcului și al amortizării. Atenuarea vibrațiilor într-un mediu „siropos” (1) duce la o scădere a devierii vibrațiilor, (2) la o întârziere a răspunsului (unghiul de fază Φ), care se manifestă și în distorsiunea cubului datorată la stresul de împingere (forfecare) (mai jos).

Presiune

Deși stresul de forfecare sau deplasarea țesuturilor în țesuturile biologice creează o deformare strict volumetrică, stimulii mecanici pot provoca modificări minime ale volumului țesutului datorită porilor și microcapilarelor. Aceste efecte de compresie și expansiune, care transmit informații despre condițiile de presiune din interiorul țesuturilor, sunt rezumate ca poroselasticitate. Elastografia cardiacă se bazează pe un model de presiune complet diferit. În cazul elastografiei cardiace, presiunea ventriculară creată este o consecință directă a contracției fibrelor miocardice și este direct legată de modulul de elasticitate a forfecării miocardice (Fig. 2).

Figura 2. Principiul „presiunii” în elastografie este legat fie de proprietățile poroelastice, fie de modulul de forfecare miocardic variabil. O condiție prealabilă pentru poroselasticitate este de a avea cel puțin un sistem bifazat cu o fază solidă și cealaltă lichidă. În exemplul prezentat, compresibilitatea mediului eficient poate fi urmărită înapoi la modificarea presiunii în sistemul vascular. Divergența este o măsură a distorsiunii spațiale, valoarea sa este proporțională cu presiunea care prevalează în vas. În cazul presiunii ventriculare, contracția torsională a fibrelor miocardice (simbolizată prin tuburi) - cu o creștere marcată a coeficientului de forfecare G '- conduce direct la generarea unei forțe radiale și, astfel, la o creștere a presiunii ventriculare.

Istoricul tehnic al elastografiei MR

Principiul elastografiei combină trei etape metodologice: (22) stimularea mecanică a țesuturilor; înregistrarea imaginii deformării create prin ultrasunete sau tehnica RMN; și calcularea contrastului prezentat în imagine, care oferă informații despre distribuția indicatorilor mecanici.

Stimularea mecanică poate fi statică, creată de presiunea externă sau dinamică, folosind unde mecanice generate de vibrațiile acustice. Undele mecanice, ale căror componente principale sunt unde de forfecare transversale, pot fi induse prin ultrasunete focalizate (20) sau tranzitorii (2) sau vibrații continue. Undele transversale excitate continuu pot fi utilizate pentru a studia mai bine straturile de țesuturi mai profunde, în timp ce comportamentul undelor transversale tranzitorii este mai aproape de modelul de propagare a undelor plane.

În corpul uman, undele transversale sunt excitate în intervalul de frecvență de la 20 la 100 Hz. În elastografia MR, se folosesc doar vibrațiile armonice de timp, deoarece imagistica necesită adesea excitație și absorbție repetate, timp în care starea de echilibru a undelor mecanice se instalează automat. În plus, utilizarea vibrațiilor armonice în timp s-a dovedit practică pentru stimularea mecanică a organelor într-un loc bine protejat - creier, inimă -.

Pentru a estima proprietățile viscoelastice de la forma undelor, este necesar să se utilizeze așa-numita elastografie. pentru a rezolva problema inversă. Ecuația undei este rezolvată numeric pentru modulul de forfecare complex (G *). Pentru a detecta cu precizie proprietăți viscoelastice complexe, coeficientul complex trebuie determinat pe o gamă largă de frecvențe. (25) Până în prezent, în elastografia MR cu frecvență multiplă au fost utilizate frecvențe între 25 și 65 Hz. (17) Determinarea compresiei și a presiunii țesuturilor necesită înregistrarea lungimilor de undă tridimensionale, ceea ce este posibil în prezent doar prin elastografie MR. (12,23)

Elastografie MR de înaltă rezoluție

Utilizarea diagnosticului clinic al elastografiei RMN este limitată în prezent la detectarea modificărilor difuze ale proprietăților țesutului viscoelastic. Exemplele includ studiul stadiului fibrozei hepatice (1,15,32) sau explorarea proceselor neurodegenerative în scleroza multiplă. (29,31) Reprezentarea și interpretarea regională a hărților viscoelastice au fost până acum limitate din cauza condițiilor de graniță inexacte și nefavorabile asociate cu inversarea undelor. Acest lucru poate fi ilustrat de vârfurile valurilor staționare și de urcările și coborârile șirului vibrant. Există o deviere zero în zona nodurilor de undă, adică nu se produce deformare elastică, deci nu se pot obține informații elastografice în aceste regiuni.

Formularea matematică defectuoasă a problemei este eliminată prin elastografie MR cu frecvență multiplă. Pe baza exemplului șirului oscilant, este ușor să ne imaginăm că la diferite frecvențe de oscilație, nodurile sunt formate în locuri diferite, iar vibrațiile proprii aleatorii se găsesc doar la anumite frecvențe. Zonele critice sunt neutralizate de diferite alte frecvențe de excitație, astfel încât problema matematică să poată fi înțeleasă mai bine. Condiția prealabilă pentru aceasta este că conținutul total de informații al hărților de unde cu mai multe frecvențe este combinat într-o singură etapă de inversare ca soluție la un sistem de ecuații nedeterminat.

Aceasta se numește inversiunea multi-frecvență a fost introdusă în elastografia MR cu frecvență multiplă abia în 2012 (21), utilizarea sa a fost demonstrată până în prezent în studiile hepatice și cerebrale. (10) Ca o notă de subsol tehnică, trebuie remarcat faptul că modulul complex G *, care inițial consta dintr-o parte reală și imaginară, apare în elastografie MR cu frecvență multiplă cu valoarea sa (| G * |) și unghiul de fază (Φ ). Similar cu coeficienții G 'și G', | G * | și Φ cuantifică, de asemenea, experiența noastră tactilă: cât de rigid sau moale este un material (| G * |) și dacă fibrele unui țesut/material formează o rețea densă (de exemplu, țesut hepatic) sau o rețea mai slabă (de exemplu, o agaroză gel) (Φ). (10) Figura 3 prezintă exemple de elastografie MR cu frecvență multiplă a ficatului și, respectiv, a creierului.

Figura 3. Elastografie tridimensională cu frecvență multiplă a organelor abdominale și a creierului.10 Valoarea modulului de forfecare complex (| G * |) exprimă rigiditatea țesutului, în timp ce unghiul de fază (Φ) este derivat din vâscozitatea țesut (vezi Figura 1). Scara de gri a hărții elastografice MR este împărțită între 0 și 3 kPa (| G * |) și, respectiv, 1,5 rad (Φ). Stânga: Din cauza fibrozei terțiare, ficatul pacientului este semnificativ mai rigid și mai vâscos decât cel al controlului sănătos. Ascita nu a provocat nicio dificultate tehnică în timpul elastografiei RMN. Splina clar vizibilă este mai rigidă decât ficatul în ansamblu și prezintă valori higher mai mari. Dreapta: caracterizarea mecanică a tumorilor cerebrale. Metastaza carcinomului pulmonar este mai rigidă decât țesuturile din jur (linia roșie) și este înconjurată de edem perifocal pronunțat (săgeată), care nu provoacă o modificare a rigidității, cu excepția unei margini moi și înguste (linia roșie punctată), dar Φ valoarea se schimbă semnificativ. Spre deosebire de metastază, glioblastomul (linia roșie punctată) este o tumoare moale cu aceeași structură ca și țesutul cerebral, cu caracteristici mecanice care amintesc de un fluid vâscos.

Elastografia MR a inimii

Pentru prima dată, elastografia cardiacă a fost utilizată pentru a măsura neinvaziv modificările modulului de forfecare miocardic în timpul ciclului cardiac. Deoarece schimbarea elasticității peretelui inimii este motorul modificării presiunii ventriculare, elastografia, care descrie schimbarea forței de forfecare, oferă o modalitate directă, fără intervenție, de a măsura presiunea ventriculară și, astfel, de a determina activitatea inimii. volumul presiunii.

Până în prezent, undele armonice în timp cu o frecvență de 25-30 Hz au fost utilizate pentru elastografia cardiacă umană. (28) Alte proceduri de stimulare, de ex. impulsuri cu ultrasunete focalizate, activare intrinsecă - siguranța și reproductibilitatea sunt încă de verificat. (14,16) Provocarea majoră a elastografiei efectuate la frecvențe de excitație mai mici folosind unde armonice în timp este lungimea de undă relativ mare (în jur de 10 cm) și eterogenitatea destul de mare a miocardului. Din acest motiv, amplitudinea undelor de forfecare este analizată în timpul elastografiei cardiace: creșterea și scăderea amplitudinii undelor reflectă modificări reciproce ale modulului de forfecare în timpul relaxării (diastolei) și contracției (sistolei) peretelui inimii. (28) Astfel, elastografia cardiacă oferă o imagine a modificărilor reciproce ale presiunii ventriculare. Acest principiu a fost validat în experimente pe animale5 și a fost studiat și la voluntari sănătoși cu elastografie MR (6) și elastografie cu ultrasunete cu armonie de timp. (30) Primele studii la om au confirmat importanța diagnosticului elastografiei MR cardiace în detectarea tulburărilor de relaxare miocardică. (3,4)

Elastomografia porilor

Într-un material omogen, o modificare a volumului poate duce la o creștere a presiunii hidrostatice, care corespunde unui produs negativ al coeficientului de compresie și al divergenței. Modulul de compresie al țesuturilor moi este cu aproximativ șase ordine de mărime mai mare decât modulul de forfecare, ceea ce înseamnă că țesuturile moi sunt aproape incompresibile. Prin urmare, viteza de propagare a undelor ultrasonice în țesuturi (unde de compresie) este aproape aceeași cu viteza de propagare a acestora în apă: aproximativ 1500 m/s. Elastografia, cu frecvențe de excitație mai mici de 100 Hz, acoperă o zonă dinamică complet diferită, unde poate fi aplicată în mod fiabil doar pe țesuturile închise fără ieșire și intrare de lichid. Modificarea volumului exprimată în țesuturile biologice expuse la presiune statică sau vibrații armonice cu o frecvență scăzută (în jur de 25 Hz) poate fi măsurată. (12,18) Pe baza acestor observații, se poate presupune că valoarea reală a modulului de compresie în țesuturile biologice la stimulare cu frecvență joasă este mult mai mică decât se credea anterior. Acest fenomen poate fi explicat prin modelul țesăturii micropore țesute cu apă (incompresibilă), în care lichidul relativ liber care curge în canalele formate de micropori poate scăpa de presiunea exercitată asupra țesăturii (Fig. 2).

Figura 4. Elastografie MR sensibilă la presiune a ficatului și creierului. Deformarea spațială (divergență, | d |, vezi Figura 2) a fost utilizată ca parametru sensibil la presiune. Un experiment simplu cu opt voluntari sănătoși (a) a arătat că în timpul manevrei Valsalva, undele de presiune induse extern din cauza presiunii intracraniene crescute au fost semnificativ mai mari în amplitudine.12 În grupul de pacienți cu hipertensiune portală (b) s-a arătat că modificările compresibilitatea ficatului datorită sistemului portal de implantare a umărului cu gradienți de presiune măsurați invaziv.11

Un studiu preliminar asupra ficatului pacienților cu hipertensiune portală a reușit să determine neinvaziv scăderea de presiune după inserarea unui shunt sistemic transjugular intrahepatic (TIPS). (11) Modificarea volumetrică cuantificată prin poroelastografie corelată cu gradienții de presiune intrahepatică determinați invaziv (Fig. 4). În ansamblu, poroelastografia oferă date despre parametrii dependenți de presiune, care sunt extrem de complementari cu modulul de forfecare viscoelastic obținut în timpul elastografiei MR și pot fi determinați din același set de date tridimensional cu elastografie MR multi-frecvență. În timpul unui RMN, o examinare suplimentară de aproximativ 10 minute poate măsura cele trei caracteristici mecanice independente: flexibilitate, vâscozitate și presiune.

Aplicații clinice: elastografie RMN a ficatului și creierului

Elastografia MR este o procedură cantitativă, sensibilă la structură. Este cel mai utilizat în clasificarea neinvazivă a stadiului fibrozei hepatice, deoarece structura țesutului hepatic este modificată din cauza depunerii de colagen și a formării de gard viu. (1,15,32) O revizuire a stării actuale a elastografiei RMN în ficat poate fi găsită în literatura de specialitate. (27) Spre deosebire de utilizarea pe scară largă a elastografiei hepatice cu ultrasunete (7,8,33), RMN-ul ficatului are avantajul unei precizii ridicate și a capacității de a examina pacienții cu obezitate severă și ascită severă. Îndeplinirea în continuare a beneficiilor diagnostice este de așteptat din versiunea 2.0 a elastografiei MR (elastografie 3D cu frecvență înaltă cu frecvență înaltă). (10)

O altă aplicație foarte interesantă a elastografiei RMN este detectarea timpurie a proceselor neurodegenerative. Ca și în fibroza hepatică, bolile neurodegenerative modifică proprietățile mecanice ale parenchimului, de ex. ca simptom însoțitor al sclerozei multiple. Acestea, spre deosebire de fibroza hepatică, pot duce la scăderea flexibilității. (29,31) Pe baza dovezilor din studiile efectuate la pacienți și din experimentele efectuate la șoarece, există indicii în creștere că există o asociere directă între degenerarea neuronală și elasticitatea creierului. Toate acestea ne încurajează să folosim examinarea „tactilă” a creierului ca test clinic-diagnostic pentru a evalua reținerea mecanică și integritatea structurilor neuronale. Și în acest caz, tehnica tridimensională cu mai multe frecvențe ar crește semnificativ sensibilitatea studiului la leziunile locale, de ex. în detectarea afectării țesuturilor periventriculare asociate hidrocefaliei asociate cu presiunea normală. Valoarea de diagnostic a elastografiei MR bazate pe presiune nu a fost studiată până în prezent.

rezumat

Noile dezvoltări tehnice permit înregistrarea lungimilor de undă tridimensionale complete la multiple frecvențe de excitație mecanică ca parte a unui studiu de zece minute complementar RMN. Informațiile obținute prin elastografie au fost utilizate până acum pentru a crește rezoluția hărților viscoelastice și pentru a determina deformarea spațială în țesuturile sub presiune. Elastografia MR este prima modalitate imagistică în mâinile radiologilor, al cărei mecanism de contrast fizic se bazează pe atașarea mecanică a celulelor țesuturilor moi și interacțiunea dependentă de presiune a sistemului vascular și a structurilor țesutului legat. Elastografia cardiacă ca modalitate de imagistică sensibilă la presiune este potrivită pentru studiul tulburărilor de relaxare ale miocardului. În prezent este testat ca metodă de examinare cu ultrasunete pentru înregistrare în timp real. Elastografia ca un fel de „agent de contrast fizic” poate avea o mare importanță medicală-diagnostic.

Afirmație. Autorul nu a indicat un conflict de interese.

Mulțumiri. Mulțumiri lui R. Ehman pentru conversațiile inspiratoare, în special în ceea ce privește Figura 1.

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

Adresa poștală: Această adresă de e-mail este protejată de spamboți. Aveți nevoie de JavaScript activat pentru ao vizualiza.