KỸ THUẬT và VẬT LÝ SIÊU ÂM ĐÀN HỒI (trích dịch)

Technical and Physical Aspects, Emilio Quaia and Antonio Giulio Gennari

Dịch từ Atlas of Elastosonography, D-A CLEVER et al, © Springer Intern Publ. Switzerland 2017.

Đàn hồi là phương tiện chẩn đoán tương đối mới nhằm cho thông tin chẩn đoán về độ cứng mô mà không phải sờ nắn. Từ 2003 đàn hồi đã được ghép vào máy siêu âm tiêu chuẩn.

ĐẶC ĐIỂM CƠ HỌC MÔ và NGUYÊN LÝ ĐÀN HỒI CƠ BẢN

Độ cứng được định nghĩa dựa trên một vật chất như mô cơ thể biến dạng do phản ứng với ngoại lực. Hiện nay có 3 loại kỹ thuật siêu âm đàn hồi dùng phân tích độ cứng mô:

1. Dùng tay người làm siêu âm đè nén bằng đầu dò lợi dụng sức ép trên mô, hoặc do đè nén của sức đập tim mạch hay chuyển động do thở

2. Xung lực bức xạ âm [ Acoustic radiation force impulse (ARFI)]

3. Sức rung cơ học từ ngoài [ External mechanical vibration].

Tạo hình đàn hồi dựa vào 2 cách tiếp cận cơ học khác  nhau: đánh giá sự căng mô do đè nén từ ngoài (tạo hình căng, strain imaging) hoặc đánh giá tốc độ truyền sóng biến dạng trong môi chất (tạo hình sóng biến dạng, shear wave imaging). Cả hai có mục đích đánh giá về  chất (hiển thị tương phản, display contrast)  và định lượng (đo) Young’s modulus (YM). Dù không dựa vào cỡ của hệ thống và lượng của vật chất, YM được coi là thông số cơ học tương ứng với độ cứng. Định lượng YM giúp đánh giá mô dựa vào các giá trị YM khác nhau. Trong mô sinh học, có 2 đặc điểm cơ học khác nhau có tác động chống lại bất kỳ loại biến dạng nào (shear): đàn hồi và độ nhớt [viscosity]. Nén chậm một lực bên ngoài trên mô, như đè nén bằng đầu dò (strain imaging), chất nhớt không phản ứng. Ngược lại, nếu dùng sự rung động ở tần số cao như tạo hình sóng biến dạng, thành phần nhớt sẽ có tác động lớn, tỉ lệ thuận với tần số rung động này.

 TẠO HÌNH CĂNG do ĐÈ NÉN (Strain Compression Imaging)
Trong tạo hình biến dạng do đè nén (stress) có thể áp dụng theo 3 cách khác nhau trên một thể tích đồng nhất. Mỗi loại được diễn tả lần lượt theo modulus của nó: YM, shear modulus, và bulk modulus. Để dễ hiểu, chỉ tập trung bàn luận trên  mô hình 2 chiều và tránh giải thích chi tiết về đàn hồi khối [bulk modulus].

Như đã nói, một lực biến dạng tác động vào một phần của đối tượng gây ra biến dạng mà không làm thay đổi thể tích (shear stress, SS). Ngược lại lực nén trên toàn bề mặt của vật thể (YM) có thể gây ra biến dạng.

Có 2 kiểu đánh giá YM và SS. SS minh họa cho tạo hình ARFI, còn  YM mô tả những biến đổi do đè nén bằng đầu dò.

          TẠO HÌNH SÓNG BIẾN DẠNG (Shear Wave Imaging)

Trong tạo hình sóng biến dạng lực thay đổi theo thời gian tác động vào mô. Có thể là lực cơ học thoáng qua hoặc dao động tần số cố định. Sau tạo sóng có 2 loại mặt phẳng sóng truyền trong vật chất độc lập nhau là sóng SW và sóng áp lực (PW). Sóng PWs không được dùng trong tạo hình do tốc độ  cao,  nhanh hơn  sóng biến dạng SW. Do đó tạo hình SW dựa trên lan truyền sóng SW. Sóng biến dạng này truyền theo hướng vuông góc với sóng dọc xung echo theo thứ tự [ordinal pulse echo longitudinal waves].

Sóng biến dạng là sóng ngang, truyền đi chậm và giảm nhanh hơn với sóng dọc và biến mất trong dải siêu âm MHz [MHz ultrasound band], với tần số truyền dưới 1 KHz in vivo. Tốc độ sóng ngang (i.e., cs= 1–10 m/s) chậm hơn sóng dọc  (cL= 1540 m/s) 1000  lần. Bản đồ của YM dẫn xuất từ  tốc độ truyền của SW để hiển thị độ cứng của vật. Do có nhiều thành phần nước, mô sinh học được coi như không bị đè nén. Nên nhớ là sóng SW không truyền được trong dịch thuần nhất không nhớt [nonviscous pure fluid].

CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH ĐÀN HỒI

Có nhiều phương pháp tích hợp trong thực hành lâm sàng:
1. Đàn hồi căng [Strain elastography (SE)]
2. Đàn hồi thoáng qua [Transient elastography (TE)]
3. ARFI
4. Tạo hình và đo tốc độ sóng biến dạng [SW speed measurement and imaging]

Đàn hồi căng [Strain elastography]

Đầu dò đè nén mô gây dời chỗ mô. Vì bị đè nén tĩnh [static compression], chỉ có căng [strain (ε)] hiển thị, do vậy chỉ là tạo hình định tính. Thay vào đó dùng phương pháp bán định lượng như strain ratio [chỉ số căng] là chỉ số so sánh kích thước tổn thương với kích thước phần  mô bị cứng.

Đàn hồi thoáng qua  [Transient elastography]

Có piston rung ngoài kiểm soát được [hoạt động như một cú đấm] được lắp vào đầu dò với một điểm cố định dùng để tạo và đánh giá sóng SW  tạo ra. FibroScan dùng loại định lượng sóng SW này để đánh giá độ cứng mô.

Xung lực bức xạ âm [ARFI ]

Xung đẩy ARFI tập trung [focused] dùng để làm biến dạng mô tại một vùng được xác định trước. Đầu dò vừa tạo xung đẩy vừa theo dõi dời chỗ mô bằng cách gởi trước một xung tạo hình và sau đó một xung đẩy. Đánh giá nhiều đường [lines] hợp thành chùm [beam] giúp tạo nên một hình hiển thị sự khác biệt nội tại của mô.

Tạo hình và đo tốc độ sóng biến dạng SW [SW speed measurement and imaging].

Dùng ARFI kích hoạt sóng SW được tạo ra một điểm chọn trước của cơ quan và rồi đo đạc sóng SW truyền đi ly tâm từ vị trí xung đẩy. Như đã nói, đầu dò tạo sóng SW nhưng cũng tạo hình sự lan truyền sóng. Việc áp dụng ARFI ở vùng sắp xếp nhiều tiêu điểm, trong đó mỗi tiêu điểm được khảo sát nhanh  nối tiếp nhau, dẫn đến tương tác phức hợp mô-sóng SW  cùng với  mở rộng sóng SW thành dạng hình trụ ở độ sâu nhiều hơn và giúp có thể tạo hình SW trong thực thời [real-time SW imaging]. Cách tiếp cận vùng nhiều tiêu điểm này được gọi là tạo hình sóng biến dạng siêu thanh [“supersonic shear imaging” (SSI)].

CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỂN THỊ (DISPLAY METHODS)

Quan niệm chủ đạo của tạo hình đàn hồi là phát hiện tổn thương nhỏ cũng như phân biệt rõ nhiều tổn thương nhỏ với nhau. Nhiều hãng máy có phương pháp khác nhau để đo sự dời chỗ nên có khác biệt nhau về đặc điểm hình ảnh [ly giải không gian hay thời gian] và điều kiện đo đạc. Có vài phương pháp tạo hình dời chỗ mô:

1.PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG QUAN TRONG KHÔNG GIAN [Spatial correlation method (hay phương pháp dò tìm nhiễu đốm, speckle tracking method)] cung cấp hình ảnh bằng cách dò theo chuyển động của kiểu hình ảnh [image pattern]. Do đó thiết lập vùng ROI và bằng cách tính toán tương quan trong không gian của vùng ROI trước và sau khi đè nén, số lượng chuyển động rất dễ tính toán. Đây là phương pháp đơn giản nhất để đo dời chỗ một hướng (direction, D) theo trục chùm sóng âm. Thật ra, định nghĩa dời chỗ mô cần tìm phải là 2D, cả theo tầm [range] và trong hướng của cung phương vị [azimuthal direction], do chuyển động mà  mỗi ROI bao trùm hướng của cung phương vị trong mặt cắt ngang. Tiện ích của speckle tracking method là khả năng đo đạc được dời chỗ rộng cả khi vượt độ dài sóng, và khả năng dò tìm chuyển động của ROI trong 2D và 3D. Mặt khác kỹ thuật này thất bại khi bị nhạy với tác động nhiễu ồn và mất khả năng thực thời khi mà tính toán tương quan cần năng lực khổng lồ của máy tính. Nói chung sự chính xác của phương pháp này có giới hạn khi kiểu nhiễu đốm [speckle patterns ] không rõ ràng. 

2. PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN KHÁC BIỆT PHA [PHASE DIFFERENCE DETECTION METHOD] dùng cùng kỹ thuật  của siêu âm Doppler màu và Doppler mô [technique of color Doppler and tissue Doppler].  Khác biệt pha của tín hiệu siêu âm [echo signals] tạo bởi xung truyền lặp lại [transmitting repeated pulse] được tiếp nhận bởi phương pháp tự liên quan [autocorrelation method], giúp tính được sự dời chỗ. Ngược lại bất lợi là chỉ đo được dời chỗ 1D trong hướng chùm sóng âm do lệ thuộc góc, và sai do nhiễu [aliasing errors] có thể xảy ra khi đo dời chỗ rộng vượt quá một nửa độ dài sóng.

3. PHƯƠNG PHÁP KẾT HỢP [COMBINED METHOD] kết hợp 2 phương pháp trên : phase difference detection method và  spatial correlation technique. Hiện nay đây là cách làm chung của nhiều hãng máy.

Cho đến nay nhiều hãng máy dùng hình đàn hồi [elastogram image ] có màu, trong mờ [translucent] và đặt chồng lên hình B-mode. Dù nhiều tác giả đề nghị dùng thang màu để chẩn đoán phát hiện bệnh lý, các máy khác nhau cùng hiển thị thang xám và màu khác nhau.

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TRUYỀN SÓNG SW

 Truyền sóng SW có liên quan trực tiếp đến đàn hồi mô. Có các phương pháp đo như conventional algorithm time-of-flight (TOF) measurement, inversion of the wave equation, và estimation of the phase gradient từ truyền sóng SW. 

Cũng cần hiểu các thông số hiển thị sau:

• Strain imaging: Đàn hồi căng [strain elastography] giúp đánh giá căng hay căng bình thường hóa [normalized strain], đo hình học [geometric measures] (kích thước và dạng vùng căng [size and shape of the altered strain area], chỉ số căng [strain ratio] (xác định bởi chỉ số của căng tổn thương với căng mô bình thường hóa ở cùng độ sâu, ratio of the lesion strain versus the normal tissue strain, at the same depth), và  chỉ số kích thước E/B [E/B size ratio (diễn tả bởi chỉ số của kích thước của một tổn thương trong hình căng [strain image] với kích thước trong hình B-mode bình thường]. Tương tự, tạo hình ARFI cho thấy sự dời chỗ hay dời chỗ bình thường hóa [normalized displacement], đo hình học [geometric measures], chỉ số dời chỗ [displacement ratio],  và chỉ số kích thước E/B [ E/B size ratio].

• SW imaging: Tốc độ sóng đàn hồi SW, chuyển đổi YM từ tốc độ  SW khi thỏa các điều kiện như  tỷ trọng hằng định [constant density], tính đồng nhất  [homogeneity], đẳng hướng [isotropy], và  tính không bị đè ép [incompressibility]. Nhìn chung, hình đàn hồi căng có ly giải không gian cao [higher spatial resolution],  trong khi hình đàn hồi SW  có ly giải tương phản cao [higher contrast resolution].  Tuy nhiên, cần biết trước rằng nếu có khác biệt hình ảnh là do từ các kỹ thuật khác nhau,vì dùng dẫn xuất hình không phản ánh chính xác phản ứng mô. 

XẢO ẢNH

Một số xảo ảnh cần biết về tạo hình đàn hồi. Trong tạo hình căng, stress phân bố không đồng nhất trong mô; hơn nữa, mặt tiếp xúc đầu dò tương đối nhỏ, kém xuyên thấu và kém đồng nhất khi làm stress và căng [strain]. Để giải quyết vấn đề này có thể dùng footprint làm tăng sức ép, nhưng dùng 2 ngón tay đặt trước và sau đầu dò để làm căng sâu hơn và đồng nhất hơn cũng có kết quả tương tự. Ngoài ra, mô mềm lân cận bị căng cứng hơn sau đè nén gây ra “edge-enhancement” effects [tác động tăng cường bờ]. Các xảo ảnh khác là các cấu trúc ngoài mặt phẳng [out-of-plane structures] gây ra in-plane strain [căng trong mặt phẳng] và slippery boundaries [chạm biên không rõ]. Hiểu sâu các xảo ảnh giúp biết thêm dễ dàng về hình đàn hồi được hiển thị.

Tạo hình SW gồm transient elastography, tạo hình ARFI, và SSI. Hiệp hội Điện quang Bắc Mỹ (RSNA) về Quantitative Imaging Biomarker đã thực hiện nghiên cứu liên phòng lab so sánh tốc độ SW trên 4 máy đàn hồi (FibroScan, Philips, ACUSON S2000, và Aixplorer) vào năm 2013. Nghiên cứu cho thấy, tốc độ SW có giá trị khác nhau khi dùng loại máy khác nhau và độ sâu khác nhau. Hơn nữa, tốc độ SW còn thay đổi theo tư thế bệnh nhân, số lần đo, độ sâu và giá trị đo trung bình [mean] hay dùng số trung vị [median]. Các nghiên cứu khác còn cho thấy tác động của đầu dò trên tốc độ SW giữa các loại máy và độ sâu. 

Tóm lại, nên cẩn thận đánh giá và sử dụng số liệu định lượng của giá trị tốc độ SW và YM được áp dụng, đặc biệt khi so sánh giá trị giữa các hãng sản xuất, độ sâu  và với nhiều loại đầu dò.