Tạo hình siêu âm chẩn đoán quy ước mô tả khác biệt về đặc tính âm thanh của mô mềm, trong khi tạo hình siêu âm đàn hồi mô tả khác biệt về thuộc tính đàn hồi của mô mềm (tức là độ cứng, độ nhớt). Hình ảnh đàn hồi cho thấy nhiều mô mềm có tương tự độ sinh siêu âm, nhưng lại có đặc tính cơ học khác nhau, và có thể dùng các đặc tính này để khảo sát giải phẫu học bình thường và phân biệt được tổn thương bệnh lý. Các phương pháp tạo hình xung lực bức xạ âm dùng lực bức xạ âm để làm biến dạng mô mềm thoáng qua, và đáp ứng dời chỗ mô được đo lại và dùng đánh giá đặc tính cơ học của mô. Cả chất lượng hình và số đo định lượng tính đàn hồi có thể tái tạo lại, để cung cấp thông tin chẩn đoán và theo dõi tiến triển bệnh. Gần đây, các kỹ thuật tạo hình đàn hồi theo xung lực bức xạ âm đã chuyển từ phòng thí nghiệm đến giường bệnh, nơi khởi sự sử dụng độ cứng mô để chẩn đoán, và trên thị trường, việc triển khai siêu âm đàn hồi dựa vào xung lực bức xạ âm đang xuất hiện.
Bài viết này cung cấp một tổng quan về tạo hình đàn hồi dựa trên xung lực bức xạ âm, gồm đánh giá đặc trưng cơ học của mô mềm, đánh giá các phương pháp xung lực bức xạ âm cho tạo hình đàn hồi, và thảo luận về nghiên cứu hiện tại và xúc tiến thương mại các kỹ thuật tạo hình đàn hồi dựa trên xung lực bức xạ âm.
ELASTICITY IMAGING METHODS (CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH ĐÀN HỒI)
Tất cả các phương pháp tạo hình đàn hồi đều áp dụng kích thích cơ học hoặc stress đến mô, cả bằng nguồn kích thích bên ngoài, bằng nguồn chuyển động sinh lý nội tại hoặc lực bức xạ âm, rồi đo lường biến dạng mô được gây ra (tức là sự dời chỗ) để đáp ứng với stress đó, bằng siêu âm, cộng hưởng từ (MR) hoặc các phương pháp tạo hình quang học (optical imaging).
Dựa trên các mối quan hệ stress–strain (đè nén-căng), như trong phương trình (1.2), hoặc các mô hình của sự truyền sóng biến dạng, như trong phương trình Helmholtz (1.3), biến dạng mô đo được khi đáp ứng với kích thích cơ học được liên hệ đến độ cứng của mô.
Thoạt đầu khi phương pháp tạo hình đàn hồi được đề xuất, kích thích cơ học là từ chuyển động sinh lý mô , ví dụ như mạch đập, và siêu âm đã được dùng để giám sát đáp ứng mô. Sau đó, dùng nguồn rung động (vibration) từ ngoài để tạo ra sóng biến dạng trong mô (tức là sonoelasticity) và các phương pháp nén tĩnh bên ngoài (external static compression) để kích thích cơ học (tức là tạo hình căng, strain imaging), được giám sát bởi siêu âm đã lần lượt được giới thiệu từ năm 1988 và 1991.
Sử dụng lực bức xạ âm như nguồn kích thích cơ học đầu tiên được Sugimoto đề xuất năm 1990. Phương pháp kích thích này thuận tiện hơn các phương pháp từ ngoài vì trực tiếp trong mô khám, hơn là can thiệp thông qua mô. Kỹ thuật tạo hình đàn hồi cung cấp hình ảnh liên quan đến độ cứng mô cả về định tính, mô tả khác biệt độ cứng tương đối, hoặc định lượng, cung cấp một ước tính của mô đun đàn hồi mô tiềm ẩn bằng cách tái tạo lại. Các bài đánh giá xuất sắc về phương pháp tạo hình đàn hồi gần đây là do Greenleaf et al và Parker et al công bố. Trong bài này, các phương pháp tạo hình đàn hồi bằng lực bức xạ âm tập trung với kích thích cơ học để tạo hình đàn hồi được thảo luận.
Acoustic Radiation Force (Lực bức xạ âm)
Lực bức xạ âm là kết quả từ một chuyển đổi động lượng (momentum transfer) từ sóng siêu âm lan truyền đến mô qua đó truyền đi theo luật hấp thụ và cơ chế tán xạ.
Theo Nyborg, mô cơ thể được mô hình hóa như một chất dịch nhớt để đáp ứng với truyền sóng âm, theo giả định là sóng phẳng (plane wave), lực bức xạ âm (F) liên quan đến âm hấp thụ (a) và tốc độ âm (c) của các mô và cường độ trung bình theo thời gian của các chùm âm (I) .
Với kích thích cơ học bên ngoài, lực bức xạ âm có thể được áp dụng cho thời khoảng khác nhau. Phương pháp đã được đề xuất để áp dụng lực bức xạ âm gần như (quasi) tĩnh, nơi xung kích thích được áp dụng đủ lâu để các mô đạt một đáp ứng trạng thái sẵn sàng (thường lớn hơn 1 s); thoáng qua, nơi các xung kích thích là một xung thời gian (tức là nhanh hơn có ý nghĩa so với các tần số cộng hưởng tự nhiên liên kết với các đáp ứng mô động); hoặc có tính hòa âm (harmonically) nơi mà kích thích kiểu xung được áp dụng theo một hoặc nhiều tần số nhằm đạt được kích thích mô xoang hóa (sinusoidal). Ngoài ra, các phương pháp xử lý dữ liệu và hiển thị cho tạo hình đàn hồi dựa vào lực bức xạ gồm hai loại chính: (i) loại định tính với hình ảnh tương đối khác biệt trong độ cứng mô, tương tự như tạo hình biến dạng nén từ ngoài, tạo hình nén tim và siêu âm nội mạch (IVUS) palpography và (ii) loại đánh giá định lượng của mô đun đàn hồi tiềm ẩn của các mô, như được thực hiện với MR elastography.
Steady-State Radiation Force Excitations in Soft Tissues (Kích thích lực bức xạ trong mô mềm)
Các mô mềm có tính đàn hồi nhớt (viscoelastic), có nghĩa là đáp ứng với kích thích cơ học phụ thuộc vào tần số kích thích. Đối với kích thích tần số siêu âm, mô mềm đáp ứng như chất dịch, nơi chỉ có sóng áp lực truyền vì mô mềm không hỗ trợ áp lực biến dạng ở tần số cao. Tuy nhiên, vì hiện tượng lực bức xạ âm phát sinh từ sự hấp thu năng lượng âm và phụ thuộc vào cường độ thời gian trung bình của một sóng âm nén (phương trình Nyborg), tần số của kích thích lực bức xạ tạo được sẽ thấp hơn sóng siêu âm (ít hơn 1000 Hz).
Ở tần số thấp này, các mô đã được mô hình hóa hợp lý cũng như chất rắn đàn hồi, nơi mà độ cứng của mô không được xem là một hàm của tần số kích thích, hoặc bằng cách sử dụng đơn giản mô hình viscoelastic, ví dụ như các mô hình Voigt và mô hình chất rắn ba tham số.
Trong mô mềm, xung kích thích lực bức xạ âm PRF cao có thể được sử dụng để tạo một bước kích thích (excitation step) có hiệu quả của vật liệu (thông thường đối với một vài trăm mili giây), và cả thời gian tăng và sự dời chỗ trạng thái ổn định có liên quan đến độ cứng vật liệu bên dưới. Cả xung kích thích được sử dụng để giám sát các phản ứng mô, hoặc xung tạo hình thời hạn ngắn hơn được xen kẽ với xung đẩy để giám sát mô. Walker khám phá cách tiếp cận này, bằng cách sử dụng cả các mô hình vật chất đàn hồi, và mô hình viscoelastic Voigt để có được đặc trưng vật chất tương đối từ các đáp ứng mô. Viola et al đã sử dụng cách tiếp cận này để chẩn đoán hiện tượng đông máu in vitro trong phòng khảo sát được thiết kế để thông tin phản hồi kịp thời để cho chuyên viên gây mê, bác sĩ phẫu thuật sử dụng siêu âm lưu biến (sonorheometry). Mauldin et al. cũng đã sử dụng cách tiếp cận này với mô hình Voigt, bằng cách sử dụng một hằng số rộng vào account cho giảm âm, cường độ và các yếu tố khác ảnh hưởng đến độ lớn lực bức xạ.
TRANSIENT (impulsive) RADIATION FORCE EXCITATIONS (KÍCH THÍCH LỰC BỨC XẠ [XUNG] THOÁNG QUA)
Quality Methods (Phương pháp định tính)
Kích thích lực bức xạ âm tập trung thoáng qua thường là xung đơn có độ dài khoảng vài trăm chu kỳ (0.05–1 ms). Trong đáp ứng tập trung với các kích thích thoáng qua, các mô trong vùng kích thích (region of excitation ROE) bị biến dạng, và sóng biến dạng tạo ra được truyền đi khỏi vùng ROE, như trong figure 2. Tạo hình xung lực bức xạ âm (ARFI) sử dụng kích thích như xung-thời gian (thời lượng xung đẩy nhỏ hơn 1ms) và theo dõi đáp ứng dời chỗ mô thoáng qua trong ROE bằng cách sử dụng một mảng (array) tạo hình SACĐ duy nhất. Trình tự tạo hình ARFI tuần tự tra xét các vị trí trong không gian liền kề để xây dựng một tập dữ liệu ARFI 2-D tổng hợp các đáp ứng từ mọi tra xét này. Qua mỗi ROE, mỗi điểm ảnh chứa dữ liệu dời chỗ theo thời gian (như được hiển thị bởi đường cong màu xanh, ở trung tâm của vòng ROE tại điểm khu trú trong biểu đồ figure 2) cho phép đánh giá một loạt các tham số, bao gồm sự dời chỗ tại một thời điểm được cho sau khi kích thích, sự dời chỗ tối đa, dời chỗ thời gian đỉnh (time-to-peak) và thời gian phục hồi từ dời chỗ đỉnh. Phương trình (1.1) chỉ ra rằng với 1 stress nhất định, sự căng (và dời chỗ) liên quan nghịch với độ cứng mô.
Do đó tạo hình ARFI mô tả độ cứng mô, tương tự như những hình ảnh có dược từ tạo hình đàn hồi nén từ ngoài. Những hình ảnh này không cung cấp thông tin định lượng về độ cứng mô vì độ lớn của lực bức xạ âm thay đổi với suy giảm mô từ bệnh nhân này sang bệnh nhân khác và khó định lượng được. Tuy nhiên, những hình ảnh về định tính này, có độ tương phản được cải tiến, được sử dụng đồng thời với hình B-mode để cải thiện tạo hình cấu trúc giải phẫu và các tổn thương.
Hình 3 cho thấy hình ARFI khối u gan trong một nghiên cứu bởi Fahey et al, nơi chúng có dời chỗ khác nhau tương phản tương đối so với các mô nền gan phụ thuộc vào tình trạng mô gan.
Các ứng dụng lâm sàng khác của tạo hình ARFI đã nghiên cứu bao gồm giám sát thủ thuật ablation do nhiệt, chẩn đoán tim và các mạch máu, tạo hình tuyến tiền liệt, tạo hình u vú, tạo hình đường tiêu hóa và hướng dẫn gây tê mê khu vực.
Một phương pháp tương tự để giám sát siêu âm HIFU bằng cách sử dụng đầu dò HIFU để tạo ra lực bức xạ thoáng qua và một đầu dò tạo hình riêng biệt để giám sát sự dời chỗ đã được phát triển bởi Lizzi et al.
Ứng dụng này đầy hứa hẹn có tiềm năng để cung cấp với chi phí thấp, giám sát thủ thuật HIFU trong thời gian thực (real-time), hiện đang được giám sát bằng bởi tạo hình MR nhiệt.
Quantitative Methods (Phương pháp định lượng)
Sóng biến dạng được tạo ra bởi kích thích lực bức xạ thoáng qua, như trong figure 2, tạo cơ hội định lượng mô đun biến dạng mô. Vận tốc lan truyền sóng biến dạng có độ lớn chậm hơn so với tốc độ âm trong mô mềm (tức là 1-5 m/s so với 1540 m/s), do đó, mối tương quan siêu âm và kỹ thuật dựa trên Doppler được sử dụng để giám sát truyền sóng. Dựa trên phương trình truyền sóng (phương trình Helmholtz(1.3)), tốc độ truyền có liên quan đến mô đun biến dạng mô bên dưới.
Shear Wave Elasticity Imaging (Tạo hình đàn hồi sóng biến dạng)
Sarvazyan et al đầu tiên đề xuất định lượng mô đun biến dạng mô bằng cách sử dụng xung bức xạ âm tập trung thoáng qua để tạo sóng biến dạng trong các mô. Trong công trình này, họ sử dụng piston HIFU để tạo lực bức xạ và giám sát các kết quả truyền sóng biến dạng bằng phương pháp tạo hình MR. Nightingale et al sử dụng các mảng (array) chẩn đoán siêu âm tương tự để tạo lực bức xạ và giám sát truyền sóng biến dạng, thoạt tiên bằng cách sử dụng phương trình Helmholtz đảo ngược để định lượng tốc độ sóng biến dạng ở người in vivo. Bercoff et al. đồng thời phát triển việc sử dụng nhiều kích thích lực bức xạ tập trung ở độ sâu theo trục tăng dần để tạo ra một near plane-wave shear wavefront (mặt đầu sóng biến dạng gần) (tức là một ROE hình trụ), và theo dõi sự truyền sóng phẳng (plane-wave transmit), phương pháp tạo chùm song song rộng (extensively parallel beam-forming methods), và gọi là tạo hình sóng biến dạng siêu thanh [supersonic shear imaging (SSI)]. Plane-wave shear wave fronts (mặt đầu sóng biến dạng phẳng) có thể cải thiện hiệu lực của một số giả định gắn liền với những kỹ thuật tái tạo sóng biến dạng time-of-flight (TOF) (xem thảo luận dưới đây), hiện đang được thực hiện trong nhiều phương pháp dựa trên tạo hình sóng đàn hồi biến dạng (shear wave elasticity imaging SWEI). Spatially modulated ultrasound radiation force (SMURF) [lực bức xạ siêu âm điều hòa trong không gian], được phát triển bởi McAleavey et al. dùng các kiểu kích thích lực bức xạ phức tạp hơn và một định vị theo dõi dời chỗ đơn giản trong không gian để ước tính tốc độ sóng biến dạng từ kích thích bù đắp. Tạo hình chùm kích thích phức tạp tạo ra sóng biến dạng với tần số không gian đã biết, và tần số này được điều hòa nhất thời bằng độ cứng biến dạng của các mô và có thể đo được tại nơi theo dõi.
Shear Wave Speed Reconstruction Methods (Phương pháp tái tạo tốc độ sóng biến dạng )
Lý tưởng nhất, tốc độ shear wave có thể được tái tạo lại từ dữ liệu dời chỗ ba chiều bằng cách sử dụng đảo ngược phương trình Helmholtz (phương trình (1.3)), như MR elastography thường dùng. Tuy nhiên, tạo hình siêu âm tính đàn hồi bị giới hạn trong một mặt phẳng tạo hình cắt lớp (tomographic), không cho dữ liệu tái tạo ba chiều đầy đủ. Ngoài ra, sự hiện diện của jitter trong các ước lượng dời chỗ có thể mang lại dữ liệu với 10-20 dB với chỉ số tín hiệu siêu âm-nhiễu ồn [signal-to-noise ratio (SNR)], không dễ phân biệt trong không gian và thời gian mà không có quá nhiều amplification jitter, dẫn tới ước tính nhiều biến số tốc độ sóng biến dạng khi đảo ngược Helmholtz, như theo phương pháp kích thích lực bức xạ thoáng qua. Với những lý do này, phương pháp TOF bây giờ thường được dùng để tận dụng lợi thế của thông tin đầu tiên về hướng truyền sóng biến dạng để ước lượng thời gian sóng đến và tốc độ truyền.
TOF dựa trên phương pháp sử dụng giả định tiên nghiệm, bao gồm tính đồng dạng tại chỗ, và một hướng truyền đã biết, như vậy thời gian đến tại các vị trí lân cận có thể được sử dụng để xác định tốc độ sóng biến dạng. Trong phương pháp TOF, cần xác định thời gian đến của sóng biến dạng ở mỗi vị trí trong không gian, có thể làm bằng cách sử dụng một loạt các số đo thời gian đến (ví dụ như là thời gian dời chỗ đỉnh và thời gian đến của mép đầu của sóng biến dạng. Một khi thời gian đến đã được xác định như là một hàm của vị trí, một số cách tiếp cận đã được sử dụng để xác định tốc độ sóng biến dạng, bao gồm cả hồi quy tuyến tính của vị trí so với dữ liệu thời gian đến, loại bỏ độ lệch (outlier) với, ví dụ, đồng thuận mẫu ngẫu nhiên (RANSAC), và khi đến bề mặt thời gian phù hợp được làm theo để nghịch đảo phương trình giải pháp Eikonal và phương pháp thiết lập mức độ .
Một ứng dụng lâm sàng của phương pháp tạo hình đàn hồi định lượng đã được nghiên cứu rộng rãi là phân độ xơ hóa gan không xâm hại (non-invasively staging liver fibrosis), là một quá trình bệnh lan tỏa, như vậy, đáp ứng các giả định TOF dựa trên tính đồng dạng qua một vùng truyền rộng. Một ví dụ về mối quan hệ giữa mô-đun biến dạng do lực bức xạ ước tính và làm sinh thiết gan chứng minh giai đoạn fibrosis được hiển thị trong figure 4.
Trong phương pháp tái tạo tốc độ sóng biến dạng, có cân bằng giữa độ chính xác và độ ly giải không gian. Sử dụng larger regression kernels để giả định một vùng đồng dạng lớn hơn và thường kết hợp với độ tĩ mĩ cao và độ chính xác cao; tuy nhiên, điều này xuất phát từ độ ly giải không gian. Smaller regression kernels mang lại độ ly giải không gian tốt hơn cho dữ liệu tốc độ sóng biến dạng tái tạo; tuy nhiên, giảm kích thước kernel cũng làm đánh giá thay đổi nhiều. Độ ly giải không gian của TOF dựa trên tái tạo cuối cùng được giới hạn bởi nhu cầu sóng để truyền trên một không gian giới hạn (finite) để định lượng tốc độ sóng truyền.
Fink et al. đã phát triển rộng rãi và báo cáo phương pháp định lượng sóng biến dạng dựa trên TOF bằng cách sử dụng các kỹ thuật kích thích SSI và đã thông báo độ ly giải không gian từ 1-2 mm. Phương pháp tiếp cận tạo hình SSI đã được thực hiện trong một số ứng dụng lâm sàng, trong đó có: giám sát thủ thuật ablation nhiệt, tạo hình vú, tạo hình cơ xương khớp (figure 5), tạo hình gan và, tạo hình transcranial não động vật nhỏ, trong số những ứng dụng khác.
Những nỗ lực này đã dẫn đến một sản phẩm thương mại SSI mới có gần đây, sẽ được thảo luận sau đây.
Kích thích thoáng qua cũng đã được sử dụng để chẩn đoán phân tán (tức là sự phụ thuộc tần số của tốc độ sóng biến dạng) trong mô mềm. Một phương pháp được trình bày bởi Deffieux et al bằng cách sử dụng phương pháp biến đổi Fourier để đánh giá các pha lệch trên toàn miền truyền sóng của một kích thích SSI như là một hàm của tần số. Bằng cách sử dụng phương pháp này, các tác giả định lượng phân tán của sóng biến dạng ở gan và cơ bắp với tần số sóng biến dạng từ 75 đến 500 Hz.
Với khả năng tạo chùm song song rộng (extensively parallel beam-forming capabilities) hiện có sẵn trên nhiều máy siêu âm, có thể đồng thời theo dõi sự dời chỗ qua một mặt phẳng tạo hình. Vì vậy, hiện nay hình ảnh ARFI (định tính) và SWEI (định lượng) có thể được tạo ra từ một tập dữ liệu đơn (figure 6).
Hình ảnh SWEI miêu tả thông tin định lượng với độ tương phản cao, trong khi ARFI cung cấp hình ảnh độ ly giải không gian cao hơn.
BÀN LUẬN
Việc sử dụng lực bức xạ âm như nguồn kích thích cơ học cho tạo hình đàn hồi đã được khảo sát trong các thiết kế nghiên cứu từ giữa thập niên 1990, và gần đây đã được giới thiệu ra thị trường.
Đây là một công cụ độc đáo để tập trung kích thích trực tiếp vào cơ quan nội tạng, với nguồn rung động từ ngoài. Ngoài ra, phương pháp này không dựa vào người khám để gây stress, do đó dữ liệu thu thập độc lập với người khám. Như với các phương pháp tạo hình đàn hồi bằng kích thích từ ngoài, các phương pháp tạo hình lực bức xạ âm cung cấp cả thông tin đàn hồi định tính và định lượng. Các phương pháp định tính cung cấp thông tin cấu trúc với độ ly giải cao, và phương pháp truyền sóng cung cấp số liệu đàn hồi định lượng.
Để tạo hình đàn hồi định lượng trở thành công cụ lâm sàng khả thi và hữu ích, cần phải thực hiện các nghiên cứu quy mô lớn để thiết lập số liệu đàn hồi các mô bình thường và bệnh lý. Y văn hiện tại có các giá trị độ cứng cho các mô mềm với các phép đo được thực hiện trong một thiết kế ngoài cơ thể, chứ không phải in vivo. Vì vậy, số đo độ cứng cần phải được thiết lập như là một hàm của trạng thái bệnh và nhân khẩu bệnh nhân (patient demographics) in vivo. Trong khi có nhiều giả thuyết cho lý do tại sao các mô cứng lên hoặc mềm đi trong biểu hiện của bệnh (ví dụ như sẹo gan dẫn đến tăng mô xơ là cứng hơn), các quá trình bệnh lý có biểu hiện cơ học khác nhau dựa trên nguyên nhân của bệnh, điều kiện tiên khởi (pre-existing) và các biến số khác liên quan đến sức khỏe tổng thể của bệnh nhân như huyết áp, tưới máu, vv... Ngoài ra, với nhiều giả định đang được thực hiện trong phương pháp tạo hình sóng biến dạng (ví dụ như tính chất tuyến tính [linearity], độ đàn hồi nhớt [viscoelasticity], vv..), đo độ cứng là quan trọng kèm với thông tin về việc xử lý các thuật toán và các cách thức kích thích (ví dụ như tĩnh so với động, tần số của kích thích, vv...) để so sánh các phương pháp với nhau.
Có bổ sung những cải tiến kỹ thuật để cải thiện khả năng phương pháp tạo hình đàn hồi dựa trên lực bức xạ. Vì béo phì phổ biến trong xã hội phương Tây, khả năng tạo hình ở sâu được quan tâm nhiều hơn. Nhiều cơ quan đích cho tạo hình đàn hồi, chẳng hạn như gan và thận, trở nên khó tạo hình vì lượng mỡ dưới da và mỡ nội tạng giữa đầu dò siêu âm và cơ quan đích gia tăng. Mô mỡ làm giảm âm nhiều, làm giảm chỉ số tín hiệu siêu âm-nhiễu ồn SNR (signal-to-noise ratio) ở sâu, làm giảm chất lượng hình ảnh B-mode quy ước, ảnh hưởng đến việc đánh giá dời chỗ chính xác, và làm giảm biên độ lực bức xạ âm. Cải tiến trong công nghệ đầu dò để đạt được nhiều hơn lượng âm xuất (acoustic output) mà không làm nóng thấu kính đầu dò sẽ giúp xung âm mạnh hơn và lâu hơn khi đến mô. Ngoài ra, những cải tiến trong đánh giá dời chỗ trong nhiễu tín hiệu giúp tạo hình đàn hồi được cải thiện mà không cần tăng phơi nhiễm âm (acoustic exposure) cho bệnh nhân. Các thuật toán cao cấp hơn đang được nhiều nhóm nghiên cứu tích cực tiến hành.
Cuối cùng, nghiên cứu các mô hình vật chất phức tạp hơn để đại diện cho các mô mềm có khả năng mở ra nhiều cơ hội lâm sàng mới khi bổ sung số liệu để phân biệt các trạng thái bệnh được khám phá thêm. Nhiều cơ hội lâm sàng sẽ được tạo ra khi bổ sung các công nghệ này cho các thế hệ máy thương mại trong tương lai và tạo sẵn điều kiện nghiên cứu nhiều bệnh lý với quy mô lớn cho các bác sĩ.
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét