エラストグラフィー

エラストグラフィー
悪性腫瘍である甲状腺乳頭癌の従来の超音波検査（下の画像）とエラストグラフィー（超音波剪断画像、上の画像）。癌（赤）は健康な組織よりもはるかに硬い。
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エラストグラフィーは、軟組織の弾性特性と硬さをマッピングする医療用画像診断法の一種です。^{[1] [2]組織が硬いか柔らかいかによって、}病気の存在や状態に関する診断情報が得られるというのが基本的な考え方です。たとえば、癌の腫瘍は周囲の組織よりも硬いことが多く、病気の肝臓は健康な肝臓よりも硬くなります。^{[1] [2] [3] [4]}

最も有名な技術は、超音波または磁気共鳴画像法（MRI）を使用して、硬直マップと比較用の解剖学的画像の両方を作成するものです。^{[引用が必要]}

触診は、医療従事者が手で人や動物の組織の硬さを感じる行為です。徒手による触診は少なくとも紀元前1500年にまで遡り、エジプトのエーベルス・パピルスとエドウィン・スミス・パピルスはどちらも触診による診断の指示を与えています。古代ギリシャでは、ヒポクラテスが乳房、傷、腸、潰瘍、子宮、皮膚、腫瘍の触診を含む、触診を使用した多くの診断方法を指示しています。現代の西洋世界では、1930年代に触診は尊敬される診断方法と見なされるようになりました。^[1]それ以来、触診の行為は広く普及し、腫瘍やその他の病状の検出に効果的な方法であると考えられています。

手動触診には、医師の手でアクセスできる組織に限定され、介在する組織によって歪められ、定性的ではあっても定量的ではないなど、いくつかの重要な制限があります。組織の硬さを測定するエラストグラフィーは、これらの課題に対処することを目的としています。

初期の研究から広範な臨床応用まで、開発段階にあるエラストグラフィー技術は数多くあります。これらの技術はそれぞれ異なる方法で機能します。すべての方法に共通するのは、組織に歪みを作成し、組織の反応を観察および処理して組織の機械的特性を推測し、その結果を通常は画像としてオペレーターに表示するという点です。各エラストグラフィー方法は、これらの各機能を実行する方法によって特徴付けられます。

組織の機械的特性を画像化するには、変形したときに組織がどのように動作するかを確認する必要があります。観察する歪みを誘発する方法は主に 3 つあります。

• プローブや器具を用いて体の表面（皮膚）や臓器（前立腺）を押したり、変形させたり、振動させたりすること。
• 超音波を用いた音響放射力インパルスイメージングを使用して、組織内に遠隔的に「押し込み」を作り出し、
• 脈拍や心拍など、通常の生理学的プロセスによって生成される歪みを使用します。

エラストグラフィー技術は、主に反応を観察するために使用する画像化モダリティ（タイプ）によって分類されます。エラストグラフィー技術では、超音波、磁気共鳴画像（MRI）、および触覚センサーを使用した触覚画像（TI）の圧力/応力センサーを使用します。他にもいくつかの方法があります。

組織反応の観察にはさまざまな形式があります。取得される画像は、1D (つまり線)、2D (平面)、3D (体積)、または 0D (単一の値) で、ビデオまたは単一の画像にすることができます。ほとんどの場合、結果は、組織のどこで異なる硬さの値が発生するかを示す組織の従来の画像とともにオペレーターに表示されます。

反応が観察されると、そこから硬さを計算できます。ほとんどのエラストグラフィー技術は、次の 2 つの主な原理のいずれかに基づいて組織の硬さを検出します。

• 与えられた力（応力）に対して、硬い組織は柔らかい組織よりも変形（歪み）が少なくなります。
• 機械波（特に剪断波）は、柔らかい組織よりも硬い組織の方が速く伝わります。

いくつかの手法では、歪みや応答、または波の速度をオペレーターに表示するだけですが、他の手法では剛性 (具体的にはヤング率または同様のせん断弾性率) を計算してそれを表示します。一部の手法では結果を定量的に表示しますが、他の手法では定性的 (相対的) な結果のみを表示します。

超音波エラストグラフィー技術にはさまざまなものがあります。その中でも特に有名なものを以下に紹介します。

準静的エラストグラフィー（歴史的な理由から単に「エラストグラフィー」と呼ばれることもある）は、最も古いエラストグラフィー技術の 1 つです。この技術では、組織に外部からの圧縮を加え、圧縮前と圧縮後の超音波画像を比較します。画像内で最も変形が少ない領域は最も硬く、最も変形が大きい領域は最も硬くない領域です。^{[3]一般的に、オペレーターに表示されるのは相対的な歪み（}ひずみ）の画像であり、臨床的に有用であることが多いです。^[1]

しかし、相対歪み画像から定量的な硬さマップを作成することがしばしば望まれます。これを行うには、画像化される軟部組織の性質と画像外の組織について仮定を立てる必要があります。さらに、圧縮下では、物体が画像内または画像外に移動したり、画像内を移動したりすることがあり、解釈に問題が生じます。この技術のもう 1 つの限界は、手動触診と同様に、表面に近くない、または簡単に圧縮されない臓器や組織では困難であることです。^[4]

音響放射力インパルス画像法（ARFI）^[5]は、超音波を使用して組織の硬さの定性的な2次元マップを作成します。これは、集束超音波ビームからの音響放射力を使用して組織内に「押し込み」を作成することによって行われます。ビームの軸に沿った組織が押し下げられる量は、組織の硬さを反映しています。柔らかい組織は硬い組織よりも押し込まれやすいです。ARFIは、押し込むビームの軸に沿った定性的な硬さの値を示します。さまざまな場所を押すことで、組織の硬さのマップが作成されます。仮想タッチ画像定量化（VTIQ）は、悪性頸部リンパ節の特定に効果的に使用されています。^[6]

せん断波弾性画像診断（SWEI）^{[7]では、ARFIと同様に、}音響放射力によって組織の深部に「押し込み」が誘発されます。この押し込みによって生じる乱れは、せん断波として組織を横方向に伝わります。超音波やMRIなどの画像診断装置を使用して、波がさまざまな横方向の位置に到達する速度を調べることで、介在組織の硬さを推測できます。「弾性画像診断」と「エラストグラフィ」という用語は同義語であるため、せん断波を使用した弾性マッピングの技術を表す元の用語SWEIは、SWEに置き換えられることがよくあります。SWEIとARFIの主な違いは、SWEIはビーム軸から横方向に伝わるせん断波を使用し、せん断波伝搬パラメータを測定することで弾性マップを作成するのに対し、ARFIは押すビームの軸から弾性情報を取得し、複数の押し込みを使用して2次元の硬さマップを作成することです。 ARFI にはせん断波は含まれず、SWEI には軸方向の弾性評価は含まれません。SWEI は、超音速せん断イメージング (SSI) で実装されます。

超音速せん断イメージング（SSI）^{[8] [9]}は、組織の硬さの定量的かつリアルタイムの 2 次元マップを提供します。SSI は SWEI に基づいています。SSI は音響放射力を使用して、対象の組織内に「プッシュ」を誘発してせん断波を発生させ、結果として生じるせん断波が組織内を伝わる速度から組織の硬さを計算します。従来のスペックル追跡技術を使用して、局所的な組織速度マップを取得し、組織を通るせん断波の伝播の完全な動画を提供します。SSI には 2 つの主要な革新が実装されています。まず、SSI は、ほぼ同時に多数のプッシュを使用することで、超音速で媒体内を移動するせん断波の発生源を作成します。次に、生成されたせん断波は、超高速イメージング技術を使用して視覚化されます。反転アルゴリズムを使用して、媒体のせん断弾性が波の伝播動画から定量的にマップされます。SSI は、深部臓器を 1 秒あたり 10,000 フレーム以上で撮影できる初の超音波イメージング技術です。 SSI は、組織の機械的特性 (ヤング率、粘度、異方性) を記述する一連の定量的かつ生体内パラメータを提供します。

このアプローチは、乳房、甲状腺、肝臓、前立腺、筋骨格の画像診断において臨床的利点があることが実証されています。SSIは、多数の高解像度リニアトランスデューサーを使用した乳房検査に使用されます。^[10]大規模な多施設乳房画像診断研究では、標準的なBモードおよびカラーモードの超音波画像の解釈にせん断波エラストグラフィー画像を追加した場合、乳房病変の再現性[11 ^]と分類の大幅な改善^[12]の両方が実証されています。

食品業界では、低強度超音波は1980年代からすでに使用されており、野菜、肉、乳製品などの食品中の成分の濃度、構造、物理的状態に関する情報の提供や、チーズのレオロジー特性の評価などの品質管理にも使用されています^[13]。^[14]

過渡エラストグラフィーは、1990年代後半に導入された当初は時間分解パルスエラストグラフィー^[15]と呼ばれていました。この技術は、組織にせん断波を誘導するために使用される過渡的な機械的振動に依存しています。せん断波の伝播は超音波を使用して追跡され、せん断波速度を評価し、均質性、等方性、純粋弾性（E = 3ρV²）の仮説の下でヤング率を推定します。ハーモニックエラストグラフィー技術と比較した過渡エラストグラフィーの重要な利点は、せん断波と圧縮波を分離できることです。^{[16]この技術は1D [17]}および2Dで実装できますが、そのためには超高速超音波スキャナーの開発が必要でした。^[18]

トランジェント エラストグラフィーは、「組織」の硬さの定量的な1 次元(つまり線) 画像を提供します。この技術は、モーターで皮膚を振動させて組織に通過する歪み (せん断波) を作成し、1D 超音波ビームを使用してその歪みが体内に深く浸透する動きを画像化することで機能します。次に、定量的な組織硬度データ (ヤング率)の線を表示します。^{[19] [20]}この技術は主に Fibroscan システムで使用され、肝臓の評価に使用されます^[21]たとえば、肝硬変の診断に使用されます^[22]。VCTE と呼ばれる 1D トランジェント エラストグラフィーの特定の実装は、肝生検で評価される肝線維症と相関する平均肝硬度を評価するために開発されました^{[23] [24] 。 この技術は、}脂肪肝の優れた代替マーカーである制御減衰パラメータ (CAP) も評価できるデバイスに実装されています^[25]。

磁気共鳴エラストグラフィー（MRE）^[26]は1990年代半ばに導入され、さまざまな臨床応用が研究されてきました。MREでは、機械的な振動子を患者の体表面に使用して、患者の深部組織に伝わるせん断波を生成します。波の速度を測定する画像取得シーケンスが使用され、これを使用して組織の硬さ（せん断弾性係数）を推測します。^{[27] [28]} MREスキャンの結果は、従来の3D MRI画像と同様に、組織の硬さの定量的な3Dマップです。

MRE の強みの 1 つは、臓器全体をカバーできる 3D 弾性マップを作成できることです。^[2] MRI は空気や骨に制限されないため、超音波ではアクセスできない組織、特に脳にアクセスできます。また、ほとんどの超音波弾性測定法よりも、オペレーター間で結果が均一で、オペレーターのスキルに依存しにくいという利点もあります。

MR エラストグラフィーは過去数年間で大きな進歩を遂げ、取得時間は 1 分以下に短縮され、生きた人間の心臓の心臓病学研究を含むさまざまな医療用途に使用されています。MR エラストグラフィーの取得時間の短さは、他のエラストグラフィー技術と競合するものです。

光弾性画像撮影法は、光学顕微鏡を利用して組織画像を取得する新しい技術です。最も一般的な光弾性画像撮影法である光コヒーレンス弾性画像撮影法 (OCE) は、光コヒーレンス断層撮影法 (OCT) に基づいています。光コヒーレンス断層撮影法は、干渉法と横方向のビーム走査を組み合わせて 3D 画像を迅速に取得し、5～15 μm の空間分解能を実現します。^[29] OCE では、組織に機械的負荷が加えられ、その結果生じる変形がスペックル追跡または位相敏感検出を使用して測定されます。^[30] OCE の初期の実装では、組織に準静的圧縮が適用されていましたが、^[31] 最近では、接触型トランスデューサーまたは音波を介した正弦波変調を適用することで動的負荷が実現されています。^[29]光弾性画像撮影法では、細胞と組織全体の間のマイクロスケールを調べるために、より高い光学分解能を備えた他の画像撮影法も導入されています。^[29] OCTは850～1050 nmのより長い波長に依存しているため、400～700 nmの可視波長を使用し、1μm未満の横方向の空間分解能を提供する一般的な光学顕微鏡と比較して、光学分解能が低くなります。高解像度の分析の例には、多細胞スフェロイドの機械的特性評価^[32]と、単一細胞解像度での3Dオルガノイドの構造分析のための共焦点顕微鏡と光シート顕微鏡の使用が含まれます。^[33]これらの画像化モダリティを使用する場合、マイクロピンセットなどのマイクロインデンテーションデバイスによって組織サンプルに準静的圧縮が誘発される場合があります。^[32]結果として生じる変形は、画像ベースのノード追跡アルゴリズムを使用して顕微鏡画像から測定でき、^{[32] [33]}、有限要素法（FEM）解析を使用して機械的特性を識別できます。

エラストグラフィーは、多くの臓器の多くの病状の調査に使用されます。単なる解剖学的画像と比較して、追加の診断情報として使用でき、生検のガイドとして使用したり、生検を完全に置き換えることもできます。生検は侵襲的で痛みを伴い、出血や感染のリスクがありますが、エラストグラフィーは完全に非侵襲的です。

エラストグラフィーは肝臓の病気を調べるのに使われます。肝臓の硬直は、通常、線維症または脂肪変性（脂肪肝疾患）の兆候であり、これは肝硬変や肝炎など、多くの病気の兆候です。線維症がびまん性（連続した瘢痕ではなく塊になって広がる）の場合、生検で病変組織のサンプルを見逃しやすく、偽陰性の誤診につながるため、エラストグラフィーは特にこの場合に有利です。

当然のことながら、エラストグラフィーは、すでに手作業による触診が広く普及している臓器や疾患にも使用されています。エラストグラフィーは、乳がん、甲状腺がん、前立腺がんの検出と診断に使用されています。特定の種類のエラストグラフィーは筋骨格の画像化にも適しており、筋肉や腱の機械的特性と状態を判定できます。

エラストグラフィーは手作業による触診のような限界がないため、手作業による触診による診断の歴史がないいくつかの領域で研究されています。たとえば、磁気共鳴エラストグラフィーは脳の硬さを評価することができ、 [ ^34]健康な脳と病気の脳におけるエラストグラフィーに関する 科学文献が増えています。

2015年には、移植腎臓に皮質線維症を評価するために使用されるエラストグラフィーに関する予備報告が発表され、有望な結果を示しています。^[35]ブリストル大学の研究「90年代の子供たち」 では、1991年と1992年に生まれた4,000人のうち2.5％が18歳のときに超音波スキャンで非アルコール性脂肪性肝疾患であることがわかりました。5年後、一過性エラストグラフィーで、20％以上に脂肪肝の脂肪沈着が見られ、非アルコール性脂肪性肝疾患を示しました。そのうち半数が重度と分類されました。スキャンでは、2.4％に肝線維症の瘢痕化があり、肝硬変につながる可能性があることもわかりました。^[36]

その他の技術としては、光干渉断層撮影法^[37]（光）を用いたエラストグラフィーなどがある。

触覚イメージングは​​、デジタル「タッチ」の結果を画像に変換するものである。触覚センサーの実現には、抵抗性、誘導性、静電容量性、光電性、磁気性、圧電性、電気音響性の原理など、さまざまな構成の多くの物理的原理が研究されてきた。[ ^38]

† ^ 内因性運動イメージングの場合、障害を誘発するのではなく、生理学的プロセスによって自然に生成される障害が観察されます。