エラストグラフィー
エラストグラフィー
目盛りはヤング率のkPaです
悪性腫瘍である甲状腺乳頭癌の従来の超音波検査（下図）とエラストグラフィー（超音波せん断画像法、上図）。癌（赤）は健常組織よりもはるかに硬い。
MeSHD054459

エラストグラフィーは、軟部組織の弾性特性と硬さをマッピングする医療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。例えば、癌性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 ]

最も顕著な技術では、超音波または磁気共鳴画像法(MRI) を使用して、硬さマップと比較用の解剖学的画像の両方を作成します。

歴史的背景

触診は長い間、病気の発見に使用されてきました。乳房の自己検診では、がんは通常、健康な組織よりも硬いため、女性は硬いしこりを探します

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形態を指示しました。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、触診の実施は広まり、腫瘍やその他の病状の検出に効果的な方法と見なされています。

徒手触診にはいくつかの重要な限界があります。医師の手が届く範囲の組織に限られること、介在組織によって歪められること、そして定性的な評価はできるものの定量的な評価ができないことです。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。

仕組み

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存在します。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、組織に歪みを作り、組織の反応を観察・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操作者に表示することです。それぞれのエラストグラフィー法は、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

歪みの誘発

組織の機械的特性を画像化するには、変形時にどのように挙動するかを観察する必要があります。観察するために歪みを誘発する主な方法は3つあります

反応の観察

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診断法（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、磁気共鳴画像法（MRI）、そして触覚センサーを用いた触覚画像法（TI）で圧力／応力センサーが使用されます。他にもいくつかの方法があります

組織反応の観察には様々な形態があります。得られる画像は、1次元（線）、2次元（平面）、3次元（体積）、0次元（単一の値）のいずれかで、動画または単一の画像で表すことができます。ほとんどの場合、結果は従来の組織画像とともに操作者に表示されます。この画像には、組織内のどの場所で異なる硬さ値が発生するかが示されます。

処理と表示

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、2つの主要な原理のいずれかに基づいて組織の硬さを測定します

  • 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、あるいは波の速度をオペレータ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や類似のせん断弾性率）を計算して表示します。また、結果を定量的に表示する手法もあれば、定性的な（相対的な）結果のみを表示する手法もあります。

超音波エラストグラフィー

超音波エラストグラフィーには多くの技術があります。最も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/ひずみイメージング

乳がんの一種である浸潤性乳管がんの手動圧迫（準静的）エラストグラフィー。

準静的エラストグラフィー（歴史的理由から単に「エラストグラフィー」と呼ばれることもある）は、最も初期のエラストグラフィー技術の一つである。この技術では、組織に外部からの圧迫を加え、圧迫前後の超音波画像を比較する。画像中で変形が最も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ことがわかる。[ 3 ]一般的に、術者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。[ 1 ]

しかしながら、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。そのためには、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。この手法のもう一つの限界は、手技触診と同様に、表面に近くない、あるいは圧縮されにくい臓器や組織では困難を伴うことです。[ 4 ]

音響放射力インパルスイメージング（ARFI）

甲状腺右葉の甲状腺結節のARFI画像。ボックス内のせん断波速度は6.24 m/sで、高い硬さを反映しています。組織学的検査では乳頭癌と診断されました。

音響放射力インパルスイメージング（ARFI）[ 5 ]は、超音波を用い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用いて組織内に「押し込み」を作り出すことで行われます。ビームの軸に沿って組織が押し下げられる量は組織の硬さを反映しており、柔らかい組織は硬い組織よりも押し下げられやすいです。ARFIは、押し込むビームの軸に沿って定性的な硬さの値を示します。様々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。仮想タッチイメージング定量化（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（SWEI）

せん断波弾性イメージング（SWEI）[ 7 ]では、ARFIと同様に、音響放射力によって組織深部に「押し込み」が誘起されます。この押し込みによって生じる擾乱は、せん断波として組織を横方向に伝播します。超音波やMRIなどの画像診断装置を用いて、波が様々な横方向の位置に到達する速度を観察することで、介在組織の硬さを推定します。「弾性イメージング」と「エラストグラフィ」という用語は同義語であるため、せん断波を用いた弾性マッピング技術を表す元の用語であるSWEIは、しばしばSWEに置き換えられます。SWEIとARFIの主な違いは、SWEIがビーム軸から横方向に伝播するせん断波を利用し、せん断波伝播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は押し込みビームの軸から弾性情報を取得し、複数の押し込みを用いて2次元の硬さマップを作成する点です。 ARFIではせん断波は考慮されず、SWEIでは軸方向弾性の評価は考慮されません。SWEIは超音波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）

手の筋肉である小指外転筋（A）と第一背側骨間筋（B）の収縮時の硬さを超音波せん断イメージングで観察した。目盛りはせん断弾性係数（kPa）である。

超音波せん断イメージング（SSI）[ 8 ] [ 9 ]は、組織の硬さの定量的なリアルタイム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組織内に「押し込み」を誘導してせん断波を発生させ、発生した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。従来のスペックルトラッキング技術を使用して局所的な組織速度マップを取得し、組織内を伝わるせん断波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、ほぼ同時に多数の押し込みを使用することで、媒体中を超音速で移動するせん断波の発生源を作成します。次に、発生したせん断波は超高速イメージング技術を使用して可視化されます。反転アルゴリズムを使用して、媒体のせん断弾性が波動伝搬動画から定量的にマッピングされます。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最初の超音波イメージング技術です。 SSI は、ヤング率、粘度、異方性など、組織の機械的特性を表す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、および筋骨格系の画像診断において臨床的有用性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用いた乳房検査に用いられます。[ 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することで、乳房病変の再現性[ 11 ]と分類の大幅な改善[ 12 ]が実証されています。

過渡エラストグラフィー

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 ]

正常肝臓（上）と肝硬変肝臓（下）において、過渡エラストグラフィーVCTE法を用いて得られたせん断波伝播マップ。肝硬変肝臓では、肝臓の硬度が有意に高い。

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と呼ばれていました[ 15 ]。この技術は、組織にせん断波を誘起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、せん断波速度が評価されます。この速度から、均質性、等方性、および純粋弾性（E = 3ρV²）の仮説の下でヤング率が推定されます。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」の硬さを定量的な一次元（線状）画像で表します。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）を発生させ、その歪みが体内深くまで伝わる様子を1次元超音波ビームで画像化することで機能します。そして、組織の硬さデータ（ヤング率）を定量的な線状で表示します。[ 19 ] [ 20 ]この技術は主にFibroScanシステムで使用されており、[ 21 ]例えば肝硬変の診断に用いられます。[ 22 ] VCTEと呼ばれる1次元トランジェントエラストグラフィーの具体的な実装は、肝生検で評価される肝線維症と相関する平均的な肝硬変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）も評価できる装置に実装されています。[ 25 ]

磁気共鳴エラストグラフィー（MRE）

脳の解剖学的MRI画像（上）と、同じ脳のMREエラストグラム（下）。剛性はせん断弾性率（kPa）で表されます。

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、複数の臨床応用が研究されてきました。MREでは、患者の体表面に機械振動子を用いてせん断波を発生させ、患者の深部組織に伝わります。波の速度を測定する画像取得シーケンスが使用され、これを用いて組織の硬さ（せん断弾性率）を推定します。[ 27 ] [ 28 ] MREスキャンの結果は、従来の3D MRI画像に加えて、組織の硬さの定量的な3Dマップです。

MREの強みの一つは、得られる3D弾性マップで臓器全体をカバーできることです。[ 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、他の超音波エラストグラフィー法と比較して、検査者間の一貫性が高く、検査技師のスキルに依存しにくいという利点もあります。

MRエラストグラフィはここ数年で飛躍的な進歩を遂げ、画像取得時間は1分以下にまで短縮され、生体心臓を用いた心臓病学研究を含む様々な医療用途に利用されています。MRエラストグラフィの短い画像取得時間は、他のエラストグラフィ技術との競争力にもつながります。

光弾性測定

光エラストグラフィーは、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。最も一般的な光エラストグラフィーである光コヒーレンス エラストグラフィー (OCE) は、光コヒーレンス トモグラフィー (OCT) に基づいています。これは、干渉法と横方向のビーム走査を組み合わせて迅速な 3D 画像取得を行い、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の適用により動的負荷が実現されています。[ 29 ]光エラストグラフィーでは、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診断法も導入されています。[ 29 ] OCTは850～1050 nmの長波長を利用するため、400～700 nmの可視波長を使用し、1μm未満の横方向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に共焦点顕微鏡を使用し、単一細胞解像度で3Dオルガノイドの構造解析を行う光シート顕微鏡の使用が含まれます。 [ 33 ]これらの画像診断法を使用する場合、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。

応用

従来のグレースケール超音波（左）では確認できませんが、前立腺のストレインエラストグラフィー画像（中央）では癌（左下の暗赤色の領域）が検出されます。この所見は組織学的検査によって確認されています

エラストグラフィーは、多くの臓器における様々な病態の検査に用いられています。単なる解剖学的画像と比較して、追加の診断情報を得ることができ、生検のガイドとして、あるいは最近では生検そのものの代替として用いられることが増えています。生検は侵襲的で痛みを伴い、出血や感染のリスクを伴いますが、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疾患を調べるために使用されます。肝臓の硬直は通常、線維化または脂肪変性（脂肪肝）を示唆しており、これらは肝硬変や肝炎を含む多くの疾患の兆候となります。線維化がびまん性（連続した瘢痕ではなく塊状に広がっている）の場合、生検では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症例に有効です。

当然のことながら、エラストグラフィーは、既に手触りが広く行われていた臓器や疾患にも応用されています。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用いられています。また、特定の種類のエラストグラフィーは筋骨格系の画像診断にも適しており、筋肉や腱の機械的特性や状態を判定することができます。

エラストグラフィーは徒手触診のような限界がないため、これまで徒手触診による診断例がない領域でも研究が進められています。例えば、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 ] 、健常脳と疾患脳におけるエラストグラフィーに関する科学文献も増加しています。

2015年には、移植腎に皮質線維化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歳時の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肝臓に脂肪沈着が見られ、非アルコール性脂肪性肝疾患を示唆していました。そのうち半数は重症と分類されました。スキャンではまた、2.4％に線維化による肝臓瘢痕があり、これが肝硬変につながる可能性があることがわかりました。[ 36 ]

その他の技術としては、光干渉断層撮影法（光） を用いたエラストグラフィー[ 37 ]が挙げられる。

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技術です。触覚センサーの実現には、抵抗型、誘導型、静電容量型、光電型、磁気型、圧電型、電気音響型など、様々な物理原理が研究されてきました。[ 38 ]

注釈

† ^ 内因性運動イメージングの場合、外乱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じる外乱が観察されます

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