Новый критерий оценки объектов различной жесткости при эластометрии сдвиговой волной — модуль разности жесткости объекта и окружающей среды

Введение

Ультразвуковая эластография сдвиговой волной — современный метод, который позволяет провести количественную оценку жесткости мягких биологических тканей и построить их цветовое изображение на основании измерения скорости сдвиговой волны для последующего пересчета ее в модуль Юнга [1, 2].

Существуют два способа технической реализации метода: точечная эластография сдвиговой волной и двухмерная эластография сдвиговой волной. Точечная эластография дает возможность только количественно измерить жесткость ткани в выбранном локальном участке, т.е. провести эластометрию. Двухмерная эластография обеспечивает как плоскостную визуализацию зоны интереса в различных оттенках цветовой гаммы, соответствующих жесткости сканированных тканей, так и их последующую количественную оценку в любом участке полученной цветовой эластограммы [3, 4].

Двухмерное изображение достигается созданием нескольких сфокусированных ультразвуковых, так называемых толкающих, импульсов, последовательно генерируемых на разной глубине с небольшой временнóй задержкой. Волновые фронты от этих импульсов формируют расширяющийся конус (конус Маха), распространяющийся в тканях со скоростью, пропорциональной их жесткости; этот конус можно отслеживать с помощью плоских ультразвуковых волн с высокой частотой кадров [5].

При существующем разнообразии ультразвуковых сканеров, реализующих одну или обе методики эластографии, возникает вопрос о точности и воспроизводимости результатов измерения [6]. В связи с этим актуальной задачей является разработка оптимального эластографического критерия для сравнительной оценки объектов различной жесткости с целью снижения зависимости результатов от оператора.

Воспроизводимость измерений жесткости хорошо оценивается на фантомах, имитирующих мягкую биологическую ткань, как с включениями, у которых известен модуль Юнга (калиброванные фантомы), так и при неизвестной жесткости включений (некалиброванные фантомы) [7, 8]. Новые возможности для сравнительного анализа предоставляет исследовательская акустическая система Verasonics с открытой архитектурой (Verasonics Inc., США), в которой реализованы оба метода эластографии сдвиговой волной [9].

Цель исследования — разработать новый критерий сравнительной оценки объектов различной жесткости при эластометрии сдвиговой волной — модуль разности жесткости объекта и окружающей среды.

Материалы и методы

На первом этапе исследования выполняли точечную и двухмерную эластографию сдвиговой волной калиброванного полимерного фантома Elasticity QA Phantom, model 049 (Computerized Imaging Reference Systems Company, США), с однородными цилиндрическими включениями различного диаметра и степени жесткости, расположенными в однородном матриксе (рис. 1). В серошкальном режиме сканирования все включения были однородными и изоэхогенными с окружающим фоном. Показатели жесткости, полученные при эластометрии на нескольких ультра­звуковых сканерах, сравнивались между собой и с номинальной жесткостью, указанной в документации. Сравнение проводилось по значениям модуля разности жесткости объекта и окружающей среды.

---

Рис. 1. Калиброванный фантом с цилиндрическими включениями: а — проведение исследования; б — схема включений в фантоме

---

Калиброванные фантомы изготовлены из специального полимера Zerdine с акустическими свойствами, которые максимально приближены к усредненным физическим показателям мягких тканей человека: скорость распространения ультразвуковых волн — 1540±10 м/с; коэффициент затухания — 0,50±0,05 дБ/см•МГц; плотность — 1,04 г/см³. Расположенные в матриксе цилиндрические включения имели четыре типа жесткости (I–IV) с различными известными значениями модуля Юнга.

Измерение жесткости проводили в цилиндрах наибольшего диаметра (20 мм), что позволяло избежать включения в расчетную зону распространения сдвиговой волны за пределами цилиндров слишком малого диаметра (менее 10 мм) [7]. Контрольный объем располагался в центре объекта, что позволяло уверенно говорить о корректности измерения его жесткости. Для последующего анализа брали усредненный из пяти измерений средний показатель.

На втором этапе исследования использовали некалиброванный эластографический фантом BP1901 (Blue Phantom, США), который представляет собой силиконовый макет молочной железы с различными по эхогенности, жесткости и степени однородности округлыми включениями, расположенными произвольно в однородном по акустическим свойствам матриксе. Жесткость включений не известна и не указана в документации. Сначала при серошкальном сканировании оценивали локализацию, размеры, эхогенность и однородность включений, затем с помощью точечной и двухмерной эластографии сдвиговой волной определяли количественные показатели их жесткости.

Ультразвуковое исследование проводили на трех ультразвуковых сканерах с технологией эластографии сдвиговой волной: Aixplorer (SuperSonic Imagine, Франция) с линейным датчиком SL15-4 (4–15 МГц), Acuson S2000 (Siemens, Германия) с линейным датчиком 9L4 (4–9 МГц) и на акустической исследовательской системе Verasonics с открытой архитектурой (Verasonics Inc., США) с линейным датчиком L4-7 и заданной частотой 5 МГц. Сканеры Aixplorer и Verasonics выполняют точечную и двухмерную эластографию сдвиговой волной, Acuson S2000 — только точечную. Контрольный объем при точечной эластометрии на сканере Verasonics составил 6 мм, на Acuson S2000 — 6,5 мм. При измерении скорости по двухмерной цветовой эластограмме на сканерах Verasonics и Aixplorer существовала возможность менять диаметр контрольного объема от 1 до 10 мм, что влияло на количественные показатели в объектах с неоднородной жесткостью.

Verasonics представляет собой ультразвуковой прибор для изучения упругих свойств различных объектов, для оптимизации технической обработки акустических сигналов и разработки наиболее информативных режимов настройки сканеров. Основным его достоинством является открытость системы, т.е. возможность в широких пределах изменять параметры генерируемых ультразвуковых волн, в том числе при эластографии сдвиговой волной.

Построение двухмерной цветовой эластограммы основано на возбуждении в среде нескольких последовательных источников распространения сдвиговых волн. Для этого на разной глубине по ходу ультразвукового луча генерируется ряд сфокусированных импульсов, создающих сдвиговые волны. На Verasonics использовались пять таких импульсов. Возникшие сдвиговые волны взаимодействуют между собой, формируя две квазиплоские волны, распространяющиеся в разные стороны. Квазиплоская волна имеет бóльшую амплитуду по сравнению с обычной сдвиговой волной, за счет чего может преодолевать достаточное расстояние и проникать в различные объекты в среде, а ее форма позволяет равномерно распределяться по всей глубине исследуемой области.

После генерации квазиплоских сдвиговых волн происходит регистрация процесса их распространения в среде. Для этого после каждого ряда сфокусированных импульсов запускают небольшую последовательность изображающих импульсов. Основная их серия запускается уже после формирования квазиплоских волн и регистрирует дальнейшее распространение этих волн. При обработке данных вычисляется смещение точек в различных координатах исследуемого участка с помощью корреляции одного из изображающих импульсов с опорным. По сдвигу пика корреляционной кривой относительно нуля определяется запаздывание волны, вызванное смещением среды. Вычисление смещения позволяет визуализировать формирование и распространение квазиплоских сдвиговых волн (рис. 2).

---

Рис. 2. Визуализация формирования и движения квазиплоских сдвиговых волн в различные временны´е интервалы

---

В результате получается карта эластичности изучаемого участка в виде матрицы размером 30×30 мм или 101×101 точку. Для ее формирования используется покадровая запись изображающих импульсов, регистрирующих распространение квазиплоской сдвиговой волны. В момент ее прихода в каждой точке среды фиксируется четко выраженный максимум смещения частиц. Сопоставляя координаты пикселя по оси, параллельной оси распространения квазиплоской сдвиговой волны, со временем прихода волны в данную точку и зная такие же параметры у соседнего пикселя, можно вычислить скорость волны на данном участке. В итоге по разработанной авторами программе с использованием программной среды MatLab была создана карта распределения модуля Юнга в зависимости от жесткости объектов в исследуемом участке (рис. 3).

---

Рис. 3. Цветовая карта эластичности при двухмерной эластографии сдвиговой волной на акустической системе Verasonics

---

По схожему принципу метод двухмерной эластографии работает на экспертной системе Aixplorer. Однако пользователю отображается только конечный результат в виде готовой цветовой карты эластичности с наложением ее на серошкальное изображение исследуемой области. Визуализация самого процесса распространения сдвиговых волн в среде в данном приборе не производится.

Результаты и обсуждение

Поскольку в сканере Acuson S2000 представлена только точечная эластография сдвиговой волной, а в сканере Aixplorer точечное измерение жесткости производится по двухмерной цветовой эластограмме, для исключения влияния технологических причин на результаты измерений сначала была выполнена сравнительная оценка точности обоих методов на калиброванном фантоме. Сравнивали как цифровые значения жесткости этих сканеров между собой, так и в сопоставлении с данными сканера Verasonics, оснащенного обоими вариантами эластометрии.

Для оценки жесткости очага с учетом жесткости окружающей среды мы предлагаем не только использовать абсолютные значения, но и ввести относительный количественный показатель — модуль разности жесткости очага и окружающей среды. Использовать разность абсолютных значений предпочтительнее, чем их отношения, с точки зрения теории погрешности измерений, а применение модуля позволяет оценивать только количественное отличие жесткости очага и среды. В связи с этим все объекты по относительной жесткости можно разделить на сопоставимые со средой, отличающиеся от нее незначительно, умеренно и значительно.

Модуль разности жесткости количественно характеризует отличие объекта от среды и позволяет уменьшить известную аппаратозависимость в оценке результатов эластометрии сдвиговой волной на сканерах разных производителей, поскольку при оценке жесткости учитывается не абсолютная цифра, а разница количественных показателей.

В табл. 1 представлены значения жесткости фона и цилиндрических включений, а также модули их разности, полученные при точечной эластографии сдвиговой волной на сканерах Verasonics и Acuson S2000. Поскольку Acuson S2000 производит измерение скорости сдвиговой волны (С) без автоматического пересчета в модуль Юнга (Е), это делалось вручную по известной формуле Е=3ρС², где плотность среды ρ принималась равной 1 г/см³.

---

Таблица 1. Жесткость цилиндрических включений и фона, модули разности их жесткости

---

Полученные результаты сочетаются с данными ранее проведенных исследований на калиброванном сферическом фантоме [7] и свидетельствуют, что все три ультразвуковых сканера (Verasonics, Acuson S2000 и Aixplorer) имеют высокую и сопоставимую между собой точность измерения скорости сдвиговой волны для определения жесткости. Как показало исследование модулей разности жесткости, при эластометрии все приборы обладают достаточной чувствительностью, позволяющей выявлять небольшие различия жесткости между объектом и фоном. Точность измерения не зависит от технологической реализации эластометрии — первично точечной или в избранной точке на двухмерной цветовой эластограмме, поскольку эти приборы имеют одну и ту же физическую основу — генерацию сдвиговой волны и измерение скорости ее распространения в тканях.

На втором этапе исследования использовали некалиброванный фантом, в котором выявлено 11 объектов с различными акустическими свойствами, из них 3 включения имели неоднородную, преимущественно гиперэхогенную структуру, остальные различались между собой по эхогенности, но были однородными (рис. 4).

---

Рис. 4. Примеры гиперэхогенных включений под номерами 1 и 3 в некалиброванном фантоме: а — неоднородное; б — однородное

---

У всех включений была измерена жесткость (табл. 2). Поскольку фантом некалиброванный, то судить об абсолютной точности измерений разными сканерами по разнице с заданными значениями не представлялось возможным, поэтому был произведен только сравнительный анализ полученных результатов, в том числе по модулю разности выявленных включений.

---

Таблица 2. Жесткость включений и фона в некалиброванном фантоме

---

При измерении жесткости анэхогенных кистоподобных включений с помощью точечной эластографии результатов не получено, но измерения по цветовой карте двухмерной эластографии позволили регулярно получать количественные показатели. Достоверно судить о причинах подобного расхождения между методиками затруднительно: весьма вероятно, что прибор регистрирует низкоамплитудные шумовые сигналы, которые не имеют диагностического значения (рис. 5).

---

Рис. 5. Эластограмма анэхогенного кистовидного включения с показателями жесткости содержимого (эхограммы со сканера Aixplorer)

---

Высокие показатели модуля разницы жесткости характеризуют значительное отличие жесткости объекта от окружающей среды, что однозначно свидетельствует о наличии очага (рис. 6). При незначительном модуле разницы жесткости исследуемого участка и окружающей среды возникает вопрос о трактовке данного участка как о неоднородности самой среды или как сопоставимого с ней по жесткости очагового образования. В пользу очага свидетельствует значительная разница их эхогенности в серошкальном изображении и четкость границы, но при практически изоэхогенном соотношении и нечеткой границе вопрос остается открытым и ответить на него может только контрастусиленное УЗИ.

---

Рис. 6. Модули разности жесткости включений и фона в некалиброванном фантоме

---

Возникает другой вопрос: какова допустимая неоднородность биологической среды, например цирротически измененной паренхимы печени, чтобы определить по ней предельный модуль разницы жесткости, выше которого участок неоднородности следует расценивать как очаговое образование? Ответ на него требует дальнейшего углубленного изучения.

На рис. 7 представлены образования разной эхогенности, но одинаковые по жесткости со средой и не различимые на цветовых эластограммах. Если включение на рис. 7, а легко визуализируется в серошкальном режиме, то включение на рис. 7, б может быть пропущено как в серошкальном, так и в эластографическом изображении.

---

Рис. 7. Одинаковые по жесткости объекты, не визуализируемые на цветовой эластограмме (эхограммы со сканера Aixplorer): а — гиперэхогенное образование; б — изоэхогенное образование

---

Установлено, что при эластометрии по двухмерным цветовым эластограммам на локальные показатели жесткости гиперэхогенных неоднородных включений, соответственно и на их отличие от окружающей среды, сильно влияет размер выбранного контрольного объема. Так, при его диаметре 1 мм средние показатели локальной жесткости в разных участках включения на сканере Aixplorer имели значительные колебания от 111 до 297 кПа, тогда как при увеличении диаметра до 4 мм разброс значений существенно снижался и при 7 мм оставался воспроизводимым в пределах погрешности измерения. В однородных включениях не отмечено столь выраженного влияния размера контрольного объема на отличие локальных показателей жесткости от среднего значения для всего включения.

Правильный подбор контрольного объема особенно важен при исследовании мелких объектов диаметром до 10–12 мм. В таких случаях существует вероятность суммарного измерения скорости сдвиговой волны в объекте и за его пределами, что может привести к искажению количественных показателей, особенно при значительной разности абсолютных значений жесткости между объектом и средой [7]. При эластометрии по двухмерной цветовой эластограмме размер контрольного объема необходимо подбирать таким образом, чтобы он занимал всю центральную часть образования, а между ним и границей образования оставалось несколько миллиметров ткани исследуемого объекта (рис. 8). В абсолютных цифрах диаметр контрольного объема должен быть не менее 6 мм, что соответствует размеру неизменяемого контрольного объема при точечной эластометрии на сканерах других производителей.

---

Рис. 8. Влияние размера контрольного объема (Q-Box) на показатель жесткости включения (эхограммы со сканера Aixplorer)

---

Полученные на разных сканерах показатели жесткости фона и включений в целом сопоставимы, за исключением Aixplorer, данные которого систематически превышали результаты исследований на двух других приборах. При сопоставлении измерений жесткости на Verasonics с помощью точечной эластометрии и двухмерной цветовой эластометрии отмечена определенная разница результатов в однородных по эхогенности включениях, выраженная в меньших значениях жесткости при использовании точечной эластометрии. Поскольку технически процесс определения скорости сдвиговой волны в Verasonics один и тот же, возможной причиной следует считать операторозависимость измерений. Вопрос о влиянии субъек­тивного фактора на точность эластометрии сейчас активно изучается и обсуждается в мировой литературе, причем результаты этих исследований неоднозначны [10, 11].

При точечной эластометрии врач определяет скорость сдвиговой волны произвольно в разных участках серошкального изображения объекта, не имея перед собой цветовой картины его жесткости. При измерении локальной жесткости по готовой двухмерной цветовой эластограмме он сразу видит в цвете различия объекта по жесткости, что может повлиять на выбор участков измерения и конечные показатели. Доводом в пользу этого можно расценивать тот факт, что результаты измерений однородных объектов на Verasonics при точечной эластометрии оказались ближе к данным Acuson S2000, а отдельно проведенное исследование по двухмерной цветовой эластограмме — к полученным на Aixplorer. В неоднородных включениях результаты более сопоставимы между собой вследствие большего количества замеров в различных по эхогенности участках, что привело к усреднению результатов обеих методик с нивелированием разницы между ними.

При двухмерной эластографии неоднородного очага или среды важным фактором корректности измерения и последующего сравнения является правильная регулировка цветовой шкалы жесткости по наибольшему значению (в кПа или м/с) для снижения субъективизма при выборе зон точечной эластометрии. Корректно выставленное наибольшее значение шкалы жесткости должно незначительно превышать максимальные показатели для данной среды или объекта, полученные при первых пробных измерениях, и отображаться наиболее насыщенным оттенком красного цвета. В результате получается максимально широкий цветовой диапазон отображения жесткости и снижается влияние субъективного фактора при выборе участков для точечной эластометрии. При заниженном на шкале наибольшем значении в интенсивные красные тона окрашиваются участки с меньшим реальным показателем жесткости, по цветовому изображению создавая у врача иллюзию однородного, очень жесткого очага, что может привести к неправильному выбору зоны точечной эластометрии (рис. 9).

---

Рис. 9. Влияние настройки цветовой шкалы жесткости на выбор зон точечной эластометрии (то же включение, что и на рис. 8) При заниженной шкале неоднородное включение окрашивается в почти однородный красный цвет, при корректно выставленном максимуме цветовой шкалы хорошо видна различная жесткость включения (эхограммы со сканера Aixplorer)

---

Заключение

Результаты проведенного экспериментального исследования позволяют предложить новый критерий сравнительной эластометрической оценки — модуль разности жесткости объекта и среды. Разработаны методические аспекты его применения. Для снижения операторозависимости предложено учитывать как способ реализации эластометрии (точечную или двухмерную цветовую эластографию), так и другие факторы: размер контрольного окна, настройку шкалы жесткости, число измерений, их распределение в объекте.

Финансирование исследования. Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (государственное задание №0729-2020-0040).

Конфликт интересов. Данная работа, ее тема, предмет и содержание не затрагивают конкурирующих интересов.