Магнитно-резонансная эластография

Магнитно-резонансная эластография
Магнитно-резонансная эластография головного мозга. Т1 взвешенных анатомическое изображение отображается в верхнем левом углу, и соответствующей Т2 взвешенное изображение из данных MRE показано в нижнем левом углу. Волновое изображение, используемое для построения эластограммы, показано в правом верхнем углу, а результирующая эластограмма - в правом нижнем углу.
Цель	измеряет механические свойства мягких тканей

Магнитно-резонансная эластография ( МРЭ) - это форма эластографии, которая специально использует МРТ для количественной оценки и последующего картирования механических свойств ( эластичности или жесткости ) мягких тканей. Впервые разработан и описан в клинике Mayo Muthupillai et al. в 1995 г. MRE превратилась в мощный неинвазивный диагностический инструмент, а именно в качестве альтернативы биопсии и сывороточным тестам для определения стадии фиброза печени.

Больная ткань (например, опухоль груди ) часто бывает более жесткой, чем окружающая нормальная ( фиброгландулярная ) ткань, что дает мотивацию для оценки жесткости ткани. Этот принцип работы лежит в основе многолетней практики пальпации, которая, однако, ограничивается (за исключением хирургии) поверхностными органами и патологиями и по своему субъективному, качественному характеру зависит от навыков и чувствительности к прикосновениям практикующего врача. Обычные методы визуализации на КТ, МРТ, США и ядерной медицине не в состоянии предложить какое - либо представление о модуле упругости из мягкой ткани. MRE, как количественный метод оценки жесткости тканей, дает надежную информацию для визуализации различных болезненных процессов, которые влияют на жесткость тканей в печени, головном мозге, сердце, поджелудочной железе, почках, селезенке, груди, матке, простате и скелетных мышцах.

MRE проводится в три этапа: во-первых, на поверхности тела пациента используется механический вибратор для генерации поперечных волн, которые проникают в более глубокие ткани пациента; во-вторых, последовательность получения МРТ измеряет распространение и скорость волн; и, наконец, эта информация обрабатывается алгоритмом инверсии для количественного определения и отображения жесткости ткани в 3-D. Эта карта жесткости называется эластограммой и является окончательным результатом MRE вместе с обычными трехмерными изображениями МРТ, как показано справа.

• 1 Механика мягких тканей
• 2 Томоэластография
  • 2.1 Приложения
  • 2.2 Печень
  • 2.3 Мозг
  • 2.4 Почки
  • 2.5 Простата
  • 2.6 Поджелудочная железа
• 3 См. Также
• 4 ссылки

MRE количественно определяет жесткость биологических тканей путем измерения их механической реакции на внешнее воздействие. В частности, MRE рассчитывает модуль сдвига ткани на основе измерений смещения поперечной волны. Модуль упругости количественно определяет жесткость материала или то, насколько хорошо он сопротивляется упругой деформации при приложении силы. Для эластичных материалов деформация прямо пропорциональна напряжению в упругой области. Модуль упругости рассматривается как константа пропорциональности между напряжением и деформацией в этой области. В отличие от чисто эластичных материалов, биологические ткани вязкоупругие, что означает, что они обладают характеристиками как упругих твердых тел, так и вязких жидкостей. Их механические характеристики зависят от величины приложенного напряжения, а также от скорости деформации. Кривая напряжение-деформация вязкоупругого материала демонстрирует гистерезис. Площадь петли гистерезиса представляет собой количество энергии, теряемой в виде тепла, когда вязкоупругий материал подвергается приложенному напряжению и деформируется. Для этих материалов модуль упругости является сложным и может быть разделен на два компонента: модуль накопления и модуль потерь. Модуль накопления выражает вклад от поведения упругого твердого тела, а модуль потерь выражает вклад от поведения вязкой жидкости. И наоборот, эластичные материалы демонстрируют чисто твердый отклик. При приложении силы эти материалы упруго накапливают и выделяют энергию, что не приводит к потерям энергии в виде тепла.

Тем не менее, MRE и другие методы визуализации эластографии обычно используют оценку механических параметров, которая предполагает, что биологические ткани являются линейно эластичными и изотропными для простоты. Эффективный модуль сдвига можно выразить следующим уравнением: ${\ displaystyle \ mu}$

${\ Displaystyle \ му = Е / [2 (1+ \ ню)]}$

где - модуль упругости материала, - коэффициент Пуассона. ${\ displaystyle E}$${\ displaystyle \ nu}$

Коэффициент Пуассона для мягких тканей приближается к 0,5, в результате чего отношение между модулем упругости и модулем сдвига равняется 3. Это соотношение можно использовать для оценки жесткости биологических тканей на основе рассчитанного модуля сдвига при распространении поперечной волны. измерения. Система драйвера производит и передает акустические волны определенной частоты (50–500 Гц) на образец ткани. На этих частотах скорость поперечных волн может составлять около 1–10 м / с. Эффективный модуль сдвига может быть рассчитан по скорости сдвиговой волны по следующей формуле:

${\ displaystyle \ mu = \ rho {v_ {s}} ^ {2}}$

где - плотность ткани, - скорость поперечной волны. ${\ displaystyle \ rho}$${\ displaystyle v_ {s}}$

Недавние исследования были сосредоточены на включении оценок механических параметров в обратные алгоритмы постобработки, которые учитывают сложное вязкоупругое поведение мягких тканей. Создание новых параметров может потенциально повысить специфичность измерений MRE и диагностического тестирования.

Томоэластография - это передовая методика MRE, основанная на многочастотном MRE и методе инверсии на основе волнового числа. Биомеханический параметр, восстановленный с помощью томоэластографии, - это скорость поперечной волны (в м / с), которая является суррогатом жесткости ткани. Томоэластография обеспечивает эластограммы с анатомическими деталями с высоким разрешением (см. Рисунок Томоэластографии).

Приложения

Томоэластография (а) почки, (б) простаты и (в) поджелудочной железы. Изображения взвешенной величины T2 из томоэластографии показаны в левом столбце, а соответствующие эластограммы показаны справа. На (b) показаны изображения здорового добровольца (верхний ряд) и пациента с раком простаты в переходной зоне (нижний ряд, поражение указано стрелкой). Аналогично, (c) показывает изображения здорового добровольца (верхний ряд) и пациента с протоковой аденокарциномой поджелудочной железы (PDAC) (нижний ряд, PDAC и паренхима поджелудочной железы обозначены закрашенными и пустыми стрелками соответственно).

Печень

Печень Фиброз является общим результатом многих хронических заболеваний печени ; прогрессирующий фиброз может привести к циррозу. MRE печени предоставляет количественные карты жесткости тканей на больших участках печени. Этот неинвазивный метод позволяет обнаружить повышенную жесткость паренхимы печени, которая является прямым следствием фиброза печени. Это помогает определить стадию фиброза печени или диагностировать легкий фиброз с разумной точностью.

Головной мозг

MRE мозга впервые была представлена ​​в начале 2000-х годов. Показатели эластограммы коррелировали с задачами на память, показателями физической подготовки и прогрессированием различных нейродегенеративных состояний. Например, региональное и глобальное снижение вязкоупругости мозга наблюдалось при болезни Альцгеймера и рассеянном склерозе. Было обнаружено, что с возрастом мозг теряет вязкоупругую целостность из-за дегенерации нейронов и олигодендроцитов. Недавнее исследование изучало как изотропную, так и анизотропную жесткость мозга и обнаружило корреляцию между ними и возрастом, особенно в сером веществе.

MRE также может иметь приложения для понимания подросткового мозга. Недавно было обнаружено, что у подростков есть региональные различия вязкоупругости мозга по сравнению со взрослыми.

MRE также применяется для функциональной нейровизуализации. В то время как функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) определяет активность мозга, обнаруживая относительно медленные изменения кровотока, функциональная магнитно-резонансная томография способна обнаруживать нейромеханические изменения в головном мозге, связанные с нейрональной активностью, происходящие в масштабе 100 миллисекунд.

Почка

MRE также применялся для исследования биомеханических свойств почек. О возможности клинической MRE почек впервые сообщили в 2011 г. для здоровых добровольцев и в 2012 г. для пациентов, перенесших трансплантацию почки. MRE почек является более сложной задачей, чем MRE более крупных органов, таких как мозг или печень, из-за мелких механических особенностей коркового и мозгового вещества почек, а также акустически экранированного положения почек в брюшной полости. Чтобы преодолеть эти проблемы, томоэластография была специально разработана для MRE почек. В томоэластографии используются системы с несколькими драйверами, управляемые импульсами сжатого воздуха, которые могут генерировать поперечные волны во всей брюшной полости, включая почки. Полученные в результате карты томоэластографии почечной ткани позволяют кортикомедуллярную дифференциацию на основе скорости сдвига волны, которая является суррогатным маркером жесткости (см. Рисунок томоэластографии (а)). Исследования, изучающие заболевания почек, такие как дисфункция почечного аллотрансплантата, волчаночный нефрит и нефропатия иммуноглобулина А (IgAN), демонстрируют, что жесткость почек чувствительна к функции почек и почечной перфузии.

Простата

Простату также можно исследовать с помощью MRE, в частности, для обнаружения и диагностики рака простаты. Чтобы обеспечить хорошее проникновение поперечной волны в предстательную железу, были разработаны и оценены различные исполнительные системы. Предварительные результаты у пациентов с раком простаты показали, что изменение жесткости позволяет отличить злокачественную ткань от нормальной ткани. Томоэластография успешно используется у пациентов с раком простаты, демонстрируя высокую специфичность и чувствительность в дифференциации рака простаты от доброкачественных заболеваний предстательной железы (см. Рисунок томоэластографии (b)). Еще более высокая специфичность 95% для рака простаты была достигнута, когда томоэластография была объединена с систематической интерпретацией изображений с использованием PI-RADS (версия 2.1).

Поджелудочная железа

Поджелудочная железа - одна из самых мягких тканей брюшной полости. Учитывая, что заболевания поджелудочной железы, включая панкреатит и рак поджелудочной железы, значительно увеличивают жесткость, MRE является многообещающим инструментом для диагностики доброкачественных и злокачественных состояний поджелудочной железы. Аномально высокая жесткость поджелудочной железы была обнаружена с помощью MRE у пациентов как с острым, так и с хроническим панкреатитом. Жесткость поджелудочной железы также использовалась, чтобы отличить злокачественное новообразование поджелудочной железы от доброкачественных образований и предсказать возникновение панкреатического свища после панкреатико-кишечного анастомоза. Было обнаружено, что количественная оценка объема опухолей поджелудочной железы, основанная на томоэластографическом измерении жесткости, превосходно коррелирует с объемами опухоли, оцененными с помощью компьютерной томографии с контрастным усилением. У пациентов с протоковой аденокарциномой поджелудочной железы была обнаружена повышенная жесткость как в опухоли, так и в паренхиме поджелудочной железы дистальнее опухоли, что свидетельствует о гетерогенном поражении поджелудочной железы (рисунок (c) на томоэластографии).

• Магнитно-резонансная томография с кодированием деформации