せん断波エラストグラフィー
医療画像診断法
甲状腺結節のBモード画像（左）とカラーコード化されたエラストグラム（右）。青色（軟部組織）は正常な甲状腺組織を表し、赤色は悪性結節を示唆しています。

せん断波エラストグラフィ（SWE）は、エラストグラフィの一種であり、組織の弾性と剛性を定量的に評価するために使用される非侵襲的な医療用画像技術です。この方法では、超音波によって組織にせん断波を励起し、超音波画像装置でせん断波の伝播速度を捕捉します。せん断波の伝播速度は組織の弾性率と関連しており、硬い組織ではせん断波の伝播速度が速く、柔らかい組織では遅くなります。 [1] SWEは、肝疾患（肝線維症など）、乳房腫瘤、甲状腺結節、筋骨格系の評価に広く使用されており、疾患の診断や治療効果のモニタリングに役立てられています。[2] [3] [4] [5] SWEは、従来の手技による触診に比べて客観的、定量的、かつ再現性が高いという利点があるため、軟部組織エラストグラフィの分野で重要なツールになりつつあります。[要出典]

歴史的背景

超音波エラストグラフィー（USE）は、組織の硬さを検出・測定するために設計された画像診断技術で、1990年代に初めて導入されました。[6]長年にわたり大きな進歩を遂げ、組織の弾性を定量的に評価できるようになりました。超音波エラストグラフィーは、圧縮ソノエラストグラフィー、過渡エラストグラフィー、張力エラストグラフィー、せん断波エラストグラフィーの4つの主要なタイプに徐々に発展しました。[1] [7] [8]

最近の研究では、筋骨格系の軟部組織に影響を与えるさまざまな外傷性および病理学的状態の評価におけるせん断波エラストグラフィー（SWE）の潜在性が高まっていることが強調されています。有望な知見により、腱、筋肉、神経、靭帯の機械的特性の評価におけるその有用性が実証されています。[1]腱に関しては、SWE は損傷、変性、回復過程に関連する硬度の変化を評価するために使用されており、腱障害などの状態への洞察を提供しています。[9] [10 ]筋肉の評価では、SWE は過度の使用、外傷、神経筋障害に関連する硬度の変化を検出する能力を示しており、診断とリハビリテーションのモニタリングの両方に貴重な情報を提供しています。[11] [12]さらに、SWE は末梢神経への適用も増えており、圧迫性神経障害、神経損傷、術後変化の検出に役立っています。[13]靭帯に関しては、SWEは損傷や再建手術後の靭帯の生体力学的完全性を評価する非侵襲的な方法を提供し、靭帯関連疾患のより良い理解と管理を促進します。[14]

これらの進歩は、非侵襲的かつ定量的な評価のための信頼性の高いツールとしての SWE の継続的な開発を反映しており、医療用画像診断への有望な追加要素となっています。[要出典]

基礎物理学

SWEの基本的な物理特性は3つのステップから構成されます。ステップ1. ARF生成。ステップ2. せん断波の追跡。ステップ3. せん断弾性係数の推定。

SWEの基本原理は、組織にせん断波を発生させ、その伝播速度を検出することで、せん断弾性率を間接的に導出することです。SWEの基本的な物理特性をより分かりやすく説明するために、そのプロセスは3つのステップ、[1] 音響放射力（ARF）発生、せん断波追跡、およびせん断弾性率推定に分けられます。

音響放射力（ARF）世代

せん断波は、本質的には固体（例えば人体組織）が周期的なせん断力を受ける際に発生する横波です。発生したせん断波は振動に垂直な方向に伝播します。せん断波エラストグラフィーでは、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。[要出典]

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]の製造や粒子操作[16]に広く用いられていますが、組織に遠隔的に変位を発生させる機能も備えています。[17]ここでは、超音波トランスデューサーアレイから放射される超音波パルスが焦点に収束し、せん断応力の発生源として機能します。その後、せん断応力とひずみ波が外向きに伝播します。[要出典]

横波追跡

せん断波伝播の 3D 視覚化。

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用いて、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用いて計算されます。[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ます。この手法では、せん断波が面内を横方向に伝播すると仮定しています。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利用してこれらの点間のせん断波の伝播時間を測定し、局所的な波動伝播速度を決定することができます。[17]

せん断弾性係数の推定

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。この画像面全体にわたる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、式 を用いて導出されます。ここで、ρ は組織密度、 は前のステップで算出されたせん断波速度です。 G ＝ ρ c s 2 {\displaystyle G=\rho c_{s}^{2}} c s {\displaystyle c_{s}}

軟組織では、密度は文献に記載されている値、または水（1 g/cm³）と同程度と仮定した値で近似されることが多い。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される。ここで、はポアソン比である。微小変形を受ける軟組織は通常、非圧縮性（ ）として扱われ、式は と簡略化される。そのため、せん断波速度またはGを報告する研究もあれば、これらの関係に基づいてEを使用する研究もある。 E ＝ 2 G （ 1 + ν ） {\displaystyle E=2G(1+\nu )} ν {\displaystyle \nu} ν ＝ 0.5 {\displaystyle \nu =0.5} E = 3 G {\displaystyle E=3G}

SWEの分類

せん断波エラストグラフィーにはいくつかの異なるカテゴリがあり、歴史的発展と技術的進歩に基づいて分類されています。[引用が必要]

過渡エラストグラフィー（TE）

肝臓の弾性を測定するための過渡エラストグラフィー。

これまでに紹介した方法とは異なり、過渡エラストグラフィー（TE）は、低周波の機械的振動（約50Hz）を用いて組織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することでせん断波を発生させ、皮膚に浸透させます。そして、波が体内に深く浸透するにつれて、超音波トランスデューサーによって組織の歪みの動きを画像化します。[要出典]

トランジェントエラストグラフィーの主な利点は、その簡便性、高速性、そしてリアルタイム測定が可能であることです。トランジェントエラストグラフィーは、特にB型肝炎やC型肝炎などの肝線維化のステージングに広く用いられています。研究では、早期の肝線維化や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などの機器に統合されており、臨床現場における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ています。[19] [20]

点せん断波エラストグラフィー（p-SWE）

音響放射力が組織に変位を発生させるために用いられるようになったことで、超音波エラストグラフィーは新たな時代を迎えました。ARFはもともと組織を一点に押し付け、その変位を測定することで組織の硬さを計算するために用いられていました（いわゆるARFI）。しかし、研究者たちはARFIによって生成される縦波の一部が横波に変換されることをすぐに発見しました。[21] [22]

(a) 数値シミュレーションと (b) 生体筋肉から得られた時間/深度プロファイル。傾きを抽出することで、せん断波の速度、ひいては媒質のヤング率を推定することが可能になる。

ポイントシアウェーブエラストグラフィー（p-SWE）は、音響放射力インパルス（ARFI）を用い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ー技術です。このプロセスで生成される変位は、深度と時間の関数です。次に、単次元超音波トランスデューサー（5MHz）を用いて毎秒1000回以上のフレームレートで記録された逆拡散エコー（超音波スペックル経由）の相関関係から速度を推定します。[20]この速度は直接報告されるか、ヤング率の計算に使用され、組織弾性の定量的な評価を提供します。[要出典]

1Dトランジェントエラストグラフィーとは異なり、p-SWEは従来のプローブを用いて標準的な超音波装置で実施できるため、臨床現場でより容易に実施できます。この技術は、手動による圧迫が不要で、検査者によるばらつきが少ないため、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）

一連の超音速集束点が弾性ファントム内にマッハ3領域を発生させ、平面せん断波を誘起します。図は、6つの異なる時間ステップにおける媒質に誘起された変位を示しています。

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発生させ、マッハコーンが平面せん断波を発生させ、これらのせん断波を別の超高速（5000fps）プローブで画像化する。[24]せん断波の合成はマッハコーンの角度を変えることで実現できる。[要出典]

従来の過渡弾性イメージングでは、外部振動源を用いてせん断波を発生させる手法が用いられてきました。その利点は、患者の動きや境界条件によって生じるアーティファクトの影響を受けないことです。欠点は、外部振動子が大型であること、せん断波の方向モードが特異であること、そして推定値に偏りが生じることです。これらの問題に対する解決策としては、超音波を集束させてARFを生成する、異なる周波数の超音波ビームを2本用いて低周波ビートを生成する、SWEIとARFIを用いて組織内に超音波を長時間集束させ、変位を測定し、変位時間の関数として粘弾性を計算する方法などがあります。しかし、機械的変位はビームの形状、吸収係数、および焦点におけるせん断波の不均一性に依存するため、定量的な評価は困難です。[要出典]

SSIは上記の方法の利点を組み合わせ、ARFを利用して低周波の準平面せん断波を発生させ、30ms以内にせん断弾性係数を算出します。[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み出すことにあります。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え、せん断波の再結合を利用することで、ロバスト性を高めることができます。[要出典]

2次元せん断波エラストグラフィー（2D-SWE）

2次元せん断波エラストグラフィー（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手法です。単一点に焦点を合わせるp-SWEとは異なり、2D-SWEは複数の焦点領域を高速に連続して励起し、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、2次元平面における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・測定することができ、定量的なエラストグラムを作成することができます。[26]

肝硬変に基づく肝細胞癌の69歳男性の2D SWE。A. 平均ヤング率は161.8 kPa、平均せん断波速度は7.3 m/sで、良性病変よりも明らかに高い。B. 腫瘍面積は13.03 cm²。

2D-SWEの大きな利点は、Bモード超音波画像にリアルタイムで色分けされた弾性マップを重ね合わせることができることです。解剖学的情報と硬さ情報を統合することで、異常部位の正確な特定が容易になり、診断精度が向上します。2D-SWEは、肝線維症のステージ分類[27]（図参照）、乳がん病変の性状評価、甲状腺結節の評価など、様々な臨床現場における組織硬さの評価に広く応用されています。

2D-SWEをサポートする市販システムには、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 Healthcareの2D-SWEシステムなどがある。[21] [26] [28]これらのシステムは高い信頼性を提供するが、深部組織における信号減衰や操作者によるばらつきなどの課題があり、現在も研究開発が進められている。[要出典]

2D-SWE の堅牢な機能により、診断精度とリアルタイム画像診断の使いやすさが融合し、臨床現場で好まれる選択肢となっています。[要出典]

3次元せん断波エラストグラフィー（3D-SWE）

線維腺腫を有する66歳女性のコア生検におけるマルチスライス矢状面3D SWE画像。皮膚側から垂直に続く硬直領域が画像中央に局在している（矢印）。この病変はBI-RADSカテゴリー4aに分類された。

3次元せん断波エラストグラフィー（3D-SWE）は、2D-SWEの原理を拡張し、体積画像化機能を追加したものです。3Dカラーコード付き弾性マップを生成し、1回の画像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、より広範囲の体積における組織の硬さの定量評価が可能になり、乳房、肝臓、筋骨格系の評価などに有用です。右図は、線維腺腫を有する66歳女性のコア生検における3D再構成画像の集合を示しており、結果はBI-RADSカテゴリー4aを示しています。

3D-SWEは2次元SWE（2D-SWE）と同等の結果をもたらしますが、多平面可視化と臓器の空間マッピングを提供できるという大きな利点があります。しかしながら、位置や体積に依存する変動やシステム固有の測定差といった課題については、さらなる研究が必要です。陰嚢腫瘤の診断や男性不妊症の評価といった用途があります。3D-SWEは有望ではありますが、特に体積計算の精度向上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必要です。[30]

臨床応用

SWEは、人体の様々な部位における様々な疾患の検査に用いられます。ここでは、SWEの応用例をいくつか示します。[要出典]

肝線維症

せん断波イメージングは​​、肝線維症の非侵襲的評価に可能性を示している。肝線維症の診断においては組織生検が依然として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​​非侵襲的な診断法であり、肝臓全体の線維化状態をよく反映することができる。[31] [32]しかし、肝SWEには欠点もある。例えば、測定値は病的プロセスと正常生理学的プロセスの両方によって左右される可能性がある。さらに、肝炎症や受動性肝うっ血などのいくつかの疾患プロセスもSWEの測定に悪影響を及ぼす可能性がある。[21]

乳癌

乳房病変のBモード超音波画像と色分けされた硬さマップ。赤色は硬さが高いことを示しています。病変の不規則な形状と硬さの増加は悪性腫瘍を示唆しており、生検により乳管腺癌と確認されました。

マンモグラフィーと超音波は最も一般的に使用されている乳がんのスクリーニング方法ですが、どちらも、高濃度乳房マンモグラフィーでは偽陰性の結果が出る、Bモード超音波では特異度が比較的低いなどの限界があります。[33]せん断波エラストグラフィー（SWE）は、乳房病変の非侵襲的な特徴付けを改善するための補完的なツールとして使用できます。[引用が必要]右の写真は、乳がんのSWEの例です。

乳がんの診断におけるSWEには限界があり、標準化されたエラストグラムの色分けが欠如していることや、不均一な病変や深部病変の評価が困難であることなどが挙げられます。良性病変の中には硬く見えるものもあれば、悪性病変の中には柔らかく見えるものもあり、周囲組織の注意深い分析が必要となります。[34] [35]

甲状腺結節

甲状腺結節は一般人口に広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、不必要な甲状腺全摘出を減らす可能性を秘めています。しかし、甲状腺結節の診断におけるSWEには、検査者によるばらつき、石灰化や嚢胞性成分を伴う結節への有効性の限界、大型結節や線維性結節への不正確さなど、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]

腱筋肉

無症状の48歳女性の正常な腓腹筋内側頭とヒラメ筋腱膜の（a）（b）弛緩状態と（c）（d）収縮状態（足首の最大背屈）におけるBモードおよびSWE画像

腱と筋肉のせん断波エラストグラフィー（SWE）に関する最近の研究では、ほとんどが実験的であり一部は臨床的なもので、有望な結果が示されています。[引用が必要]

SWEの調査結果によると、せん断波は健康な腱や筋肉、あるいは収縮した腱や筋肉の方が、病気の腱や筋肉、あるいは弛緩した腱や筋肉よりも速く伝わり、腱の長軸に沿った伝播は短軸に沿った伝播よりも速いことが示唆されている。[38]

これらの知見は、腱と筋肉の健康状態を評価する上でSWEの可能性を浮き彫りにしています。[1]

その他

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 の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、幅広い組織を評価する上でその汎用性を実証し、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。臨床応用が拡大するにつれ、SWEは多くの医療分野において、疾患診断、治療計画、そして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、その有用性が拡大し、SWEは個別化医療に不可欠なツールとして確立される可能性があります。[要出典]

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