せん断波エラストグラフィ

せん断波とは、固体（人体組織など）に周期的なせん断力が加わった際に発生する横波のことです。発生したせん断波は、振動方向に対して垂直な方向に伝播します。せん断波エラストグラフィでは、線形超音波アレイからの集束音響放射力（ARF）を用いてせん断波を生成します。

音響放射力は非線形音響現象です。基本的に、粒子は勾配音場において正味の力を受けます。ARFは音響ピンセット^{[ 15 ]}の製造や粒子の操作^{[ 16 ]}に広く使用されていますが、組織内で遠隔的に変位を生成する能力も備えています^{[ 17 ]} 。ここでは、超音波トランスデューサアレイが超音波パルスを放射し、それが焦点に収束してせん断応力の発生源となります。その後、せん断応力とひずみ波が外側に伝播します。

せん断波が発生すると、組織の変位が誘発されます。別の超音波リニアアレイを使用して、組織の変位をリアルタイムで画像化します。組織の変位は、スペックルトラッキングアルゴリズムを使用して計算されます。^{[ 18 ]}

撮像面内の各ピクセルにおけるせん断波速度は、飛行時間法を用いて計算される。この手法では、せん断波が平面内で横方向に伝搬すると仮定する。隣接する横方向の位置からの信号を解析することで、それらの相関関係を用いてこれらの点間のせん断波の伝搬時間を測定し、局所的な波の伝搬速度を決定することができる。^{[ 17 ]}

最後のステップは、収集した信号から弾性マップを再構築することです。イメージング面全体にわたるこのせん断波速度分布は、組織の硬さと弾性を定量化するせん断弾性率（G）と密接に関連しており、通常はキロパスカルで表されます。せん断弾性率は次の式を用いて導出されます。${\displaystyle G=\rho c_{s}^{2}}$ここでρは組織密度を表し、${\displaystyle c_{s}}$これは、前のステップで計算されたせん断波速度です。

軟組織では、密度は文献で見つかった値を使用して近似されるか、水（1 g/cm³）に似ていると仮定されることが多い。等方性材料の場合、せん断弾性率とヤング率の関係は次のように表すこともできる。${\displaystyle E=2G(1+\nu )}$どこ${\displaystyle \nu }$はポアソン比です。小さな変形を受けた軟組織は通常、非圧縮性として扱われます（${\displaystyle \nu =0.5}$)、方程式を簡略化すると${\displaystyle E=3G}$そのため、一部の研究ではせん断波速度またはGを報告し、他の研究ではこれらの関係に基づいてEを使用しています。

先に紹介した方法とは異なり、過渡エラストグラフィ（TE）は、低周波の機械的振動（約50Hz  ）を使用して組織内にせん断波を発生させます。^{[ 19 ]}この方法は、振動子でせん断応力を励起してせん断波を発生させ、皮膚に浸透させ、波が体内のより深い部分を通過する際に超音波トランスデューサによって組織の歪みの動きを画像化することによって機能します。

過渡的エラストグラフィの主な利点は、その簡便性、スピード、およびリアルタイム測定が可能であることです。過渡的エラストグラフィは、特にB型肝炎やC型肝炎などの疾患における肝線維化の病期分類に広く使用されています。研究により、早期肝線維化および門脈圧亢進症の検出に有効であることが示されています。FibroScanなどのデバイスに統合されており、臨床現場での肝硬度測定のためのポータブルで効率的なソリューションを提供します。^{[ 19 ] [ 20 ]}

音響放射力を用いて組織に変位を生じさせることで、超音波エラストグラフィは新たな時代を迎えています。ARFはもともと組織を一点で押して変位を測定することでその硬さを計算するために使用されていましたが（いわゆるARFI）、研究者たちはARFIによって生成される縦波の一部がせん断波に変換されることをすぐに発見しました。^{[ 21 ] [ 22 ]}

ポイントせん断波エラストグラフィ（p-SWE）は、音響放射力インパルス（ARFI）を使用して組織の変位を誘発する高度な超音波エラストグラフィ技術です。このプロセスで発生する変位は、深さと時間の関数です。次に、1 秒間に 1000 回を超えるフレームレートで一次元超音波トランスデューサ（5  MHz）を使用して記録された逆拡散エコー（超音波スペックル経由）の相関によって速度が推定されます。^{[ 20 ]}この速度は直接報告されるか、ヤング率を計算するために使用され、組織の弾性の定量的評価を提供します。

1D過渡エラストグラフィとは異なり、p-SWEは従来のプローブを使用した標準的な超音波装置で実施できるため、臨床現場での利用が容易です。この技術は、手動による圧迫が不要で、操作者によるばらつきが軽減されるため、非常に高感度かつ高精度です。^{[ 23 ]}

超音速せん断イメージング（SSI）は、組織内にせん断波振動源を生成し、超音速で移動してマッハコーンを生成し、それが平面せん断波を生成し、別の超高速（5000fps）プローブでこれらのせん断波を画像化します。^{[ 24 ]}マッハコーンの角度を変更することで、せん断波の構成を実現できます。

従来の過渡弾性イメージングでは、外部振動源を使用してせん断波を生成していました。利点は、患者の動きに影響されず、境界条件によって生成されるアーチファクトに影響されないことですが、欠点は、外部発振器がかさばり、せん断波の方向モードが一意であるため、バイアスのある推定値が得られることです。これらの問題に対する解決策としては、超音波を集中させてARFを生成する、異なる周波数の超音波の2つのビームを使用して低周波ビートを生成する、SWEIおよびARFIで超音波を組織に長時間集中させ、変位を測定し、変位-時間の関数として粘弾性を計算するなどがあります。しかし、機械的変位は、ビームの形状、吸収係数、焦点でのせん断波の不均一性に依存するため、定量的に評価することは困難です。

SSIは上記の方法の利点を組み合わせ、ARFを利用して低周波準平面せん断波を生成し、30ms以内にせん断弾性率を提供できます。^{[ 25 ]}その革新性は、せん断波の位相干渉の累積効果を利用して大きな変位を生成することにあります。両方向に伝播するせん断波は有効領域を拡大します。マッハコーンの角度を変更し、せん断波の再結合を使用することで、堅牢性を高めることができます。

二次元せん断波エラストグラフィ（2D-SWE）は、組織の弾性特性を評価するために広く用いられている方法です。単一点に焦点を当てるp-SWEとは異なり、2D-SWEは複数の焦点領域を連続的に励起し、ほぼ円筒形のせん断波コーンを生成します。^{[ 21 ] [ 24 ]}これにより、二次元平面上でせん断波速度とヤング率（E）をリアルタイムでモニタリングおよび測定することができ、定量的なエラストグラムを作成できます。^{[ 26 ]}

2D-SWEの大きな利点は、リアルタイムのカラーコード化された弾性マップをBモード超音波画像に重ね合わせることができる点です。この解剖学的情報と硬さ情報の統合により、異常の正確な局在化が可能になり、診断精度が向上します。肝線維症の病期分類^{[ 27 ]}（図に示すように）、乳房病変の特徴付け、甲状腺結節の評価など、さまざまな臨床場面での組織の硬さの評価に広く応用されています。

2D-SWEをサポートする商用システムには、シーメンスのVirtual Touch™ Imaging Quantification（VTIQ/ARFI）、SuperSonic ImagineのShear Wave™ Elastography、フィリップスのShear Wave Elastography、東芝のAcoustic Structure Quantification™（ASQ）、GEヘルスケアの2D-SWEシステムなどがあります。^{[ 21 ] [ 26 ] [ 28 ]}これらのシステムは高い信頼性を提供しますが、深部組織での信号減衰や操作者によるばらつきなどの課題は、依然として活発な研究開発の分野となっています。

2D-SWEの優れた機能は、診断精度とリアルタイム画像における使いやすさを兼ね備えているため、臨床現場で好ましい選択肢となっている。

3次元せん断波エラストグラフィ（3D-SWE）は、2D-SWEの原理を拡張し、体積イメージング機能を追加したものです。3Dカラーコード化弾性マップを生成し、1回の取得で組織の硬さの詳細な空間分布を提供します。^{[ 29 ]}これにより、より広い体積での組織の硬さの定量的評価が可能になり、乳房、肝臓、筋骨格の評価などのアプリケーションで役立ちます。右の図は、コア生検で線維腺腫が見つかった66歳の女性の3D再構成画像のグループを示しており、結果は4a BI-RADSカテゴリーを示しています。

3D-SWEは2次元SWE（2D-SWE）と同等の結果を提供するが、多平面可視化と空間臓器マッピングを提供できるという明確な利点がある。しかし、位置や体積に依存する変動性やシステム固有の測定差異などの課題については、さらなる研究が必要である。応用例としては、陰嚢腫瘤の診断や男性不妊の評価などがある。3D-SWEは有望ではあるが、特に体積計算の強化や多次元での病変評価において、臨床現場での役割を検証するためには、より大規模な研究が有益である。^{[ 30 ]}

せん断波イメージングは​​、肝線維症の非侵襲的評価の可能性を示している。組織生検は依然として肝線維症の診断のゴールドスタンダードであるが、せん断波イメージングは​​、肝臓全体の線維化状態を適切に反映できる非侵襲的診断法である。^{[ 31 ] [ 32 ]}しかし、肝臓SWEには欠点がある。例えば、測定値は病理学的プロセスと正常な生理学的プロセスの両方によって混乱する可能性がある。さらに、肝炎、受動的肝うっ血などのいくつかの疾患プロセスもSWEの測定に悪影響を与える可能性がある。^{[ 21 ]}

マンモグラフィと超音波は乳がん検診で最も一般的に使用されている方法ですが、高密度乳房のマンモグラフィでは偽陰性の結果が生じることや、Bモード超音波では特異度が比較的低いことなど、どちらにもいくつかの限界があります。^{[ 33 ]}せん断波エラストグラフィ（SWE）は、乳房病変の非侵襲的特徴付けを改善するための補完ツールとして使用できます。右の画像は、乳がんに対するSWEの例です。

乳がんの診断におけるSWEには、標準化されたエラストグラムの色分けの欠如や、不均一または深部の病変の評価の難しさなど、限界がある。良性病変の中には硬く見えるものもあれば、悪性病変が柔らかく見えることもあるため、周囲組織の注意深い分析が必要となる。^{[ 34 ] [ 35 ]}

甲状腺結節は一般集団でよく見られる所見であり、高解像度Bモード超音波検査では成人の最大67%に認められます。^{[ 36 ]} SWEは甲状腺悪性腫瘍、特に濾胞性腫瘍の診断に有望であり、不必要な全甲状腺切除を減らす可能性があります。しかし、甲状腺結節の診断におけるSWEには、術者依存性のばらつき、石灰化や嚢胞性成分のある結節での有効性の制限、大きな結節や線維性結節での不正確さなど、課題があります。現在の研究におけるばらつきや選択バイアスに対処するには、標準化とより大規模なコホート研究が必要です。^{[ 37 ]}

腱や筋肉のせん断波エラストグラフィ（SWE）に関する最近の研究は有望な結果を示しており、そのほとんどは実験的なもので、一部は臨床的なものである。

SWEの所見によると、せん断波は、病気や弛緩した腱や筋肉よりも、健康な腱や収縮した腱や筋肉の方が速く伝わり、腱の長軸方向の伝播は短軸方向よりも速いことが示唆されている。^{[ 38 ]}

これらの知見は、腱や筋肉の健康状態を評価する上でのSWEの可能性を浮き彫りにしている。^{[ 1 ]}

SWEは、腎臓^{[ 39 ]} 、リンパ節^{[ 40 ]} 、前立腺^{[ 41 ]} 、神経^{[ 42 ]} 、関節や靭帯^{[ 43 ]}など、他の多くの人体組織の測定に広く使用されています。

SWEは、幅広い組織の評価においてその汎用性を発揮し、組織の機械的特性に関する貴重な診断的知見を提供してきました。臨床応用が拡大し続けるにつれ、SWEは多くの医療分野において、疾患の診断、治療計画、患者モニタリングの改善に有望視されています。画像解像度の向上、プロトコルの標準化、AIとの統合といった今後の進歩により、診断精度がさらに向上し、その有用性が拡大することで、SWEは個別化医療において不可欠なツールとなるでしょう。