ELASTOGRAFIE
Erik Staffa
Biofyzikální ústav
ELASTOGRAFIE
 Je neinvazivní metoda založená na diagnostickém
ultrazvuku nebo magnetické rezonanci zobrazující
elastické vlastnosti biologických tkáni.
 Metoda je obdobou palpačního vyšetření.
 Vychází ze skutečnosti, že různé biologické tkáně mají
různou elasticitu, a že změny elastických vlastností
souvisejí s patologií a abnormalitami tkání.
 Podstatou metody je zkoumání odezvy tkání na silové
působení.
 Mnoho patologických tkání (např. nádorových) vykazuje
při UZ nebo MRI vyšetření slabý kontrast nebo je nelze
zobrazit vůbec.
 Metody založené na mapování elastických vlastností jsou
tedy velmi vhodné pro zobrazení struktury a patologie
takových tkání.
 Měření elasticity přináší novou informaci o tkáních, kterou
lze využít pro lékařskou diagnostiku.
 Elastografie se využívá zpravidla jako doplňková metoda
pro zvýšení specificity diagnózy.
KLINICKÉ APLIKACE
 Játra (fibróza, cirhóza)
 Rakovina prsu
 Rakovina prostaty
 Mozek
 Srdeční dysfunkce
 Šlachy
 Neurodegenerativní
onemocnění
 Selhání ledvin
 Lymfatické uzliny
 Štítná žláza
 Mléčná žláza
 Měkké tkáně
 Pankreas
 Kůže
 Cévy
 Gynekologie
 Intravaskulární elastografie
MECHANICKÉVLASTNOSTITKÁNÍ
 Mechanické vlastnosti tkání závisí především na
molekulových vazbách jednotlivých prvků tkání a na
jejich mikroskopickém i makroskopickém uspořádání.
Pevnost (tuhost): Strukturní soudržnost a odolnost látky vůči
působení vnější síly.
Pružnost (elasticita): Schopnost látky vrátit se po odeznění
deformující síly zpět do původního tvaru.
Tvárnost (plasticita): Schopnost látky trvale změnit svůj tvar
vlivem působení deformující síly.
Viskozita: Odpor tekutiny ke smykové deformaci. Popisuje
vnitřní tření a míru tekutosti kapalin a plynů.
VLASTNOSTI BIOLOGICKÝCH
TKÁNÍ
 Biologické tkáně jsou složité látky, které vykazují:
Viskózně-elastické vlastnosti
Anizotropní charakter
Nelinearita
Nehomogenita
Paměťový efekt, adaptibilita
Vliv stárnutí a kondice organismu
 Popis mechanických a hlavně elastických vlastností tkání
je tedy velmi složitý a pro modelování a výpočty vyžaduje
značné aproximace a zjednodušení.
HOOKEŮV ZÁKON
 Elastické vlastnosti tkání lze nejjednodušeji popsat
Hookeovým zákonem.
 Vyjadřuje lineární vztah mezi deformací tělesa (ε) a
vnějším napětím (σ) – silou, která tuto deformaci
způsobuje.Youngův modul pružnosti
 Konstantou úměrnosti je tzv. modul pružnosti.
MECHANICKÉ NAPĚTÍ
 Mechanické napětí (σ) vzniká v tělese jako důsledek působení
vnější síly a lze jej chápat jako tlak síly (F) působící na
jednotku plochy tělesa (S):
 Podle směru působící síly rozlišujeme:
Normálové napětí
Tečné (smykové) napětí
DEFORMACE
 Deformaci tělesa popisujeme jako změnu rozměrů, objemu a tvaru
tělesa působením vnější síly.
 Podle směru síly rozlišujeme několik deformací a každé přiřazujeme
vlastní modul pružnosti:
Deformace tahem/tlakem:
Youngův modul pružnosti v tahu/tlaku (E)
Smyková deformace:
Modul pružnosti ve smyku (G)
Objemová deformace:
Modul objemové pružnosti (K)
DEFORMACE
ELASTICITATKÁNÍ
 Šlachy jsou tvořeny paralelními svazky kolagenních vláken s malým zastoupením vláken
elastických.Zprostředkovávají přenos mechanické síly ze svalu na kost. Mez pevnosti je u různých
šlach odlišná, většinou se alespoň hrubě shoduje s mezí pevnosti kolagenních vláken (kolem 50
MPa). Průtažnost šlachy je 10–12 % s věkem, ale jejich pružnost klesá.
 Vazy jsou svojí strukturou velmi podobné šlachám, mají tedy i podobné biomechanické
vlastnosti.Vazy mají v pohybovém aparátu především zpevňovací funkci
 Chrupavka tvořena podle stejného plánu jako vazivo, její biomechanické vlastnosti jsou tedy
dány především složením mezibuněčné hmoty. Dle jejího složení se rozlišují 3 druhy chrupavky:
hyalinní (4,5 Mpa), vazivová (3 Mpa), elastická (<3 Mpa).
 Elasticita tkáně epitelové závisí na vlastnostech tkáně pojivové uložené pod ní.Ty jsou navzájem
odděleny basální membránou složenou z vláken kolagenních, elastických a retikulárních.
 Přímo ve svalovém vláknu je elasticita zajištěna proteinem titinem, největším proteinem v
lidském těle.Titin se v sarkomeře váže na myosin a Z-linii a funguje jako pružina, pomáhající
kontrakci. Působí proti nadměrnému natažení sarkomery (svalu) a podílí se i na udržování
trvalého tonusu svalu (0,1-0,3 MPa). Na elasticitě svalů se podílí i jejich fascie složené z hustého
uspořádaného kolagenního vaziva.
 S věkem se všeobecně mez pevnosti snižuje
ELASTICITATKÁNÍ
 Zvýšená elasticita může být známkou patologických
tkání. Snížená elasticita může značit místa s tekutým
obsahem (např. cysty).
 Rozdíly v tuhosti mohou odlišovat také benigní a
maligní charakter ložisek.
Maligní nádory: asi 30 až 270 kPa
Benigní ložiska: asi 1 až 70 kPa
ULTRAZVUKOVÁ ELASTOGRAFIE
 Výstupem ultrazvukové elastografie je ultrazvukový B-obraz
překrytý barevnou mapou. Každému bodu tkáně je přiřazena
určitá barva, která kóduje jeho elastické vlastnosti.
 Měkké tkáně bývají obvykle kódovány teplými odstíny
(červená, žlutá), tuhé tkáně pak studenými barvami (modrá,
fialová).
Statická (kompresní) elastografie
Dynamická (shear waves) elastografie
http://www.healthcare-in-europe.com/media/article/13010/image-1415716701_hires.png
STATICKÁ (KOMPRESNÍ)
ELASTOGRAFIE
 Elasticita se určuje na základě rozdílu UZ signálu před a
po kompresi tkáně.
 Stlačení tkáně: přímo měřící UZ sondou, externí
zařízení, akustický tlak fokusovaného UZ paprsku nebo
fyziologické pohyby v organismu.
 Deformace se pro každý bod tkáně určuje korelačními
algoritmy z dvojic obrazů před a po kompresi.
STATICKÁ (KOMPRESNÍ)
ELASTOGRAFIE
 Nejčastěji se posun tkáně vyhodnocuje jako časový rozdíl UZ
signálů (paprsky A-módu) odražených v různých hloubkách
tkáně před a po stlačení.
MANUÁLNÍ KOMPRESE
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b5/Manual_compression_elastography_00004.gif
STATICKÁ (KOMPRESNÍ)
ELASTOGRAFIE
Metoda tkáňového Dopplera:
 Prostřednictvím dopplerovského měření je při deformaci
počítána rychlost pohybu tkáně.
 Z časové sekvence obrazů rychlosti pohybu tkáně se následně
vyhodnocuje gradient rychlosti.
 Na základě gradientu rychlosti je nakonec odhadována elasticita
zobrazovaných tkání.
 Pro dosažení rychlostí pohybu dostatečných pro výpočet musí
být tkáň stlačována až o několik milimetrů.
STATICKÁ (KOMPRESNÍ)
ELASTOGRAFIE
Metoda založená na radiační síle UZ paprsku (ARFI):
 Využívá velkého akustického tlaku fokusovaného UZ ke
kompresi tkáně.Velikost radiační síly roste s intenzitou UZ
a je největší ve fokusační zóně.
 K vytvoření měřitelných posunů tkáně je zapotřebí velmi
intenzivního UZ pulzu.
 Posun tkáně se zjišťuje zobrazovacími (čtecími) pulzy
vyslanými před a po aplikaci intenzivního pulzu.
 Posuny jsou vyhodnoceny jako změny UZ signálu (paprsky
A-módu) před a po kompresi tkáně.
STATICKÁ (KOMPRESNÍ)
ELASTOGRAFIE
Výhody:
 Jednoduchost, dostupnost, cena.
 Zobrazení v reálném čase.
Nevýhody:
 Často neznáme velikost deformačního napětí, proto nelze
elastické vlastnosti tkáně (E) určit kvantitativně. Elasticita
se pak odhaduje pouze na základě deformace.
 Každý elastogram je víceméně originál, pořízený za daných
podmínek. Problematické je srovnání elastogramů.
 Kvalita obrazu i jeho analýza závisí na zkušenostech lékaře.
 Elasticitu lze měřit pouze ve směru UZ paprsku.
DYNAMICKÁ (SHEARWAVES)
ELASTOGRAFIE
 Je založena na střižných vlnách (shear waves), které vznikají jako
odezva tkáně na mechanické vibrace s nízkou frekvencí a šíří se
tkáněmi v příčném směru.
 Zdroje vibrací: fyziologické pohyby v organismu, externí vibrátory
nebo pulzy akustického tlaku vytvořené fokusovaným UZ
paprskem.
 Rychlost šíření střižných vln je nízká (cca 1-10 m/s) a závisí hlavně na
elasticitě (E) a hustotě (ρ) tkání:
 Hustota tkání (ρ) je známá: asi 1047±5 kg/m3.
DYNAMICKÁ (SHEARWAVES)
ELASTOGRAFIE
 Vytvoření střižných vln pomocí akustického tlaku
fokusovaného UZ paprsku.
 Sondy umožňují vytvořit více fokusačních zón v různých
hloubkách tkáně.
Dynamická elastografie – snímek dorsálního úseku ruky
Is it possible to distinguish “unafected”skin in scleroderma patients from healthy skin? Tânia Santiago, M Coutinho, Francesco Delgaldo,
Anthony C Redmond, Da Silva JAP
DYNAMICKÁ (SHEARWAVES)
ELASTOGRAFIE
Výhody:
 Kvantitativní popis elasticity (Youngův modul).
 Zobrazení v reálném čase.
 Detekce milimetrových lézi a velmi přesná lokalizace.
 Každý elastogram je pořízen stejným způsobem.Obrazy lze
snadněji srovnávat a analyzovat (reprodukovatelnost).
 Jednoduchá obsluha. Kompresi tkáně provádí přístroj dle
nastavených parametrů.
DYNAMICKÁ (SHEARWAVES)
ELASTOGRAFIE
Nevýhody:
 Náročná technologie a vyšší cena.Vyžaduje ultrarychlé
zobrazování a speciální UZ sondy.
 Při kompresi tkáně akustickým tlakem UZ vlněni je nutné volit
dostatečnou intenzitu vln, aby měly generované střižné vlny
delší dosah a menší útlum.
 S vyšší intenzitou UZ vln souvisí větší riziko biologických účinků
UZ a konstrukční problémy (zahřívání sondy).
INTRAVASKULÁRNÍ
ELASTOGRAFIE
 Princip měření je obdobný jako u statické
ultrazvukové elastografie.
 Ultrazvukový snímač se zavádí do snímané cévy
v podobě katétru.
 Komprese: pulsace cévy nebo intravaskulární
balónek.
 Detekce trombů a aterosklerotických plátů.
INTRAVASKULÁRNÍ
ELASTOGRAFIE
https://www.researchgate.net/profile/Antonius_Van_der_Steen/publication/7148334/figure/fig3/AS:280967580274721@1443999299981/Figure-3-In-vivo-intravascular-
ultrasound-image-and-palpogram-of-a-human-coronary.png
ELASTOGRAFIE OBECNÉ LIMITACE
 Chybné výsledky způsobují deformace vyvolané jinými silami
(tlukot srdce, pulsace cév, dýchání, aj.).
 Chyby způsobené v blízkosti tuhých nepohyblivých struktur
(např. kosti), kde se měkká tkáň deformuje jinak než stejná
tkáň v jiném místě.
 Omezený dosah měření vzhledem ke krátkému dosahu
kompresních sil.
 Obecné limitace ultrazvuku
KLINICKÝVÝZNAM
PRŮKAZ LOŽISEK NEDETEGOVATELNÝCH ANI
KONVENČNÍ ULTRASONOGRAFIÍ ANI PALPACÍ
OBJEKTIVIZACE SUBJEKTIVNÍ PALPACE
DIFERENCIACE MEZI BENIGNÍMI A MALIGNÍMI LEZEMI,
UMOŽŇUJÍCÍ:
- včasnou diagnostiku
- redukci biopsií
- identifikaci celé oblasti zaujaté ložiskem
POSOUZENÍ TERAPEUTICKÉHO EFEKTU
PŘES SNAHU O KVANTIFIKACI LZE VÝSLEDKY ZATÍM
HODNOTIT JEN KVALITATIVNĚ