Tổng số lượt xem trang

Thứ Ba, 28 tháng 6, 2011

Tissue Strain Analytics - Virtual Touch Tissue Imaging and Quantification

Tissue Strain Analytics - Virtual Touch Tissue Imaging and Quantification
Phân tích biến dạng mô - Tạo hình mô và Định lượng mô Virtual Touch của Siemens ACUSON ™

Roee Lazebnik S., MD Ph.D., Siemens Medical Solutions, USA, Inc, Mountain View, CA USA, 2008.

Giới thiệu

Máy Siemens ACUSON ™ cung cấp một loạt ứng dụng phân tích độ biến dạng mô (tissue strain analytics) có thể khảo sát định tính và định lượng độ cứng (đàn hồi) của mô cơ thể. Chiều kích chẩn đóan mới này chưa có trong tạo hình siêu âm quy ước, và là một bước phát triển quan trọng nhất từ sau kỹ thuật siêu âm Doppler. Thông tin vể độ cứng của mô là một bổ sung và độc lập với thông tin về trở kháng âm của B-mode cũng như về dòng chảy mạch máu của siêu âm Doppler (H.1). Như vậy, phân tích độ cứng mô cung cấp thông tin bổ sung cho những thông tin siêu âm khác trong thử thách tiếp cận chẩn đoán (H.2).



Hình 1. Những thành phần mô liền kề có thể biểu hiện giống hệt nhau trong siêu âm B-mode quy ước hoặc Doppler (A). Tuy nhiên, khi có một đè nén (lực theo trục, axial force) tác động trên mô, các thành phần mô có thể có biến dạng lớn khác nhau (B). Bằng cách so sánh hình ảnh ban đầu và thông tin về tạo hình đè nén, các yếu tố mô riêng lẽ có độ biến dạng tương đối khác nhau. Màu nhạt có nghĩa mô tương đối mềm (đàn hồi), trong khi màu tối hơn cho thấy mô tương đối cứng (không đàn hồi) (C).


Tạo hình xung lực bức xạ âm (ARFI) là công nghệ mới tạo hình biến dạng mô, sử dụng sóng âm để khảo sát đặc tính độ cứng cơ học của mô. Tạo hình mô Virtual Touch ™ và định lượng mô Virtual Touch ™ là ứng dụng đầu tiên của công nghệ này và đã được đưa ra thị trường. Các ứng dụng được độc quyền cài đặt trong máy siêu âm ACUSON S2000™ .

Không giống như siêu âm B-mode, cung cấp chi tiết giải phẫu dựa trên khác biệt trở kháng âm, tạo hình Virtual Touch mô tả đặc điểm độ cứng vật lý tương đối của mô. Trong ý nghĩa này, tạo hình Virtual Touch tương tự như một sự khám vật lý của mô bằng cách sờ hơn là đánh giá bằng siêu âm quy ước.

Để bổ sung, định lượng mô Virtual Touch cung cấp các số đo chính xác của độ cứng mô ở vị trí giải phẫu mà người khám xác định. Ví dụ, một tổn thương hay cấu trúc có thể được quan sát hình dung định tính cho độ cứng tương đối tổng thể so với mô xung quanh cũng như độ cứng tương đối nội tại cấu trúc . Sau đó, số đo của tổn thương được thực hiện. Nhìn chung, phần mềm Virtual Touch là một dạng tiên tiến của siêu âm tạo hình và cung cấp thông tin bổ sung cho siêu âm quy ước .





Tổng quan Công nghệ

Điều quan trọng là phải hiểu rằng trong khi siêu âm dựa trên kỹ thuật của phần mềm Virtual Touch, thông tin kết quả và nguồn mô tương phản khác nhau đáng kể hơn so với hình ảnh siêu âm quy ước. Có ba bước chính trong quá trình thực hiện phần mềm Virtual Touch .

Đầu tiên, thu thập một hình ảnh siêu âm B-mode dùng tham chiếu.
Thứ hai, một xung âm "đẩy" ngắn (khoảng 100 microgiây) được truyền qua mô. Khi xung qua vùng khám ROI, mô sẽ nhớ một lực cơ học dời chỗ nhỏ. Tùy theo đặc điểm độ cứng chuyên biệt, mô sẽ dời chỗ khoảng từ 1 đến 20 microns. Trong khi mô mềm dời chỗ xa, mô cứng dời chỗ rất ít hoặc không dời chỗ. Một khi xung đẩy đã qua, mô sẽ bắt đầu giãn về phía định hình ban đầu.
Thứ ba, chùm siêu âm quy ước được dùng trong quãng giữa ngắn (vài miligiây) sẽ cung cấp thông tin được so sánh với hình tham chiếu khi tính toán độ dời chỗ mô của xung đẩy.
Mặc dù chùm tia siêu âm được sử dụng vừa để nén mô cũng như khảo sát đáp ứng động học mô (dynamic tissue behavior), phần mềm Virtual Touch hoạt động theo hướng dẫn năng lượng âm tiêu chuẩn. Cả năng lượng lắng đọng mô cũng như cường độ âm đỉnh (peak acoustic power) được so sánh với hình ảnh siêu âm thông thường và điều chỉnh tương tự. Điều này được thực hiện bởi cấu trúc siêu nhạy của máy ACUSON S2000 sao cho phát hiện được những dời chỗ mô rất nhỏ do xung đẩy âm tạo ra. Quá nhiệt đầu dò được tự động ngăn ngừa bằng cách hạn chế tần số và độ lớn của xung đẩy. Với mỗi thực hiện, phần mềm Virtual Touch xem lại các thông số như kích thước vùng (ROI) và chiều sâu để tính toán một delay (thì trễ) trước khi tạo ra xung đẩy tiếp theo.

Ưu điểm Công nghệ

Có một số lợi thế của phần mềm Virtual Touch so với các phương pháp khác của tạo hình biến dạng mô (tissue strain imaging). Trước đây có sẵn các phương pháp đòi hỏi ấn mô bằng tay với đầu dò siêu âm hoặc dựa vào chuyển động sinh lý trong cơ thể (tim, hô hấp, vv). Những phương pháp tiếp cận này bị giới hạn chiều sâu và vị trí tạo hình và gây ra xảo ảnh cho lực nén toàn bộ. Hơn nữa, hình ảnh kết quả có thể thay đổi do nhiều lực khác nhau. Ví dụ, lực theo trục không đủ được truyền đến lớp mô mềm ở sâu gây ra một mô tả sai  là mô cứng. Ngược lại, sử dụng phần mềm Virtual Touch chỉ có các mô mục tiêu được "đẩy", và dời chỗ mô được trong sâu.  Ngoài ra, lực dời chỗ xuyên thấu vào các mô nằm sâu tốt hơn thâm nhập trên một bề mặt cứng. Mô bao quanh bởi một môi trường ma sát thấp, hoặc tách biệt với mô nền của nó, cũng tạo hình được. Nhìn chung, so với một số phương pháp khác, hiệu quả chuyển giao tương phản  (contrast-transfer-efficiency) được tăng lên dẫn đến chất lượng hình ảnh cao, và tăng khả năng lập lại (reproducibility) và  giảm khác biệt giữa các người khám (interoperator variability).

Tạo hình mô Virtual Touch

Hình ảnh phần mềm Virtual Touch là một bản đồ định tính màu xám của độ cứng mô tương đối (bản đồ đàn hồi, elastogram) cho một xác định ROI (H. 3). Thông tin này được tính toán bằng cách khảo sát dời chỗ tương đối của yếu tố mô do một xung đẩy âm. Đối với một hình elastogram, các vùng sáng là mô đàn hồi (ít cứng) hơn các vùng tối. Trong khi đó một hình phần mềm Virtual Touch có thể được hiển thị cạnh bên (side-by-side) với hình siêu âm B-mode quy ước tương ứng với ranh giới rõ, khác với những hình ảnh khi dựa vào cơ chế tương phản mô khác nhau.

Ứng dụng tạo hình Virtual Touch tạo ra một hình ảnh bằng cách kết hợp thông tin nhiều dòng trục (axial line) độc lập. Bắt đầu với đường trục bên trái nhất trong vùng ROI, một mô tả tín hiệu siêu âm quy ước cơ sở của mô thu được. Tiếp theo, một xung đẩy được thực hiện theo cùng dòng này. Chùm siêu âm tracking quy ước theo cùng một dòng để có được những tín hiệu mô dời chỗ. Các tín hiệu tham chiếu và tín hiệu sau xung đẩy được so sánh bằng cách sử dụng thuật toán tương quan chéo (cross-correlation algorithm). Điều này cho phép tính toán các vị trí mô khác nhau, tại mỗi điểm dọc theo đường trục, giữa trạng thái giãn và nén. Các khác biệt tính được có liên quan đến dời chỗ tối đa ở một vị trí không gian nhất định của mô do tính chất đàn hồi mô tại địa điểm đó. Các yếu tố mô càng đàn hồi, mô càng bị dời chỗ. Tiến trình trên được lặp lại cho mỗi dòng trục trong vùng ROI như với scan B-mode quy ước. Cuối cùng, tất cả dời chỗ trong vùng ROI được tính toán và chuyển đổi thành một hình bản đồ đàn hồi, mô tả tương đối độ cứng của mô (H.4).

 
Hình 3. Tạo hình Virtual Touch dùngcác xung âm đẩy (màu cam) và chùm siêu âm tracking (mủi tên màu xanh lá cây), trình tự hóa trong vùng ROI được chọn bởi người khám, để tạo ra một bản đồ đàn hồi (elastogram) mô tả độ cứng mô tương đối.

Hình 4. Tạo hình Virtual Touch thể hiện một tổn thương rất cứng (ít đàn hồi) hơn mô xung quanh. Hình siêu âm quy ước (trái) được dùng để xác định vùng ROI xung quanh một tổn thương tinh tế để tạo ra elastogram (phải).



 


Hình 5. Định lượng mô Virtual Touch dùng một xung đẩy âm (màu cam) để tạo ra sóng biến dạng (màu xanh) trong vùng ROI. Khi xung phát hiện (mủi tên màu xanh lá cây) tương tác với sóng biến dạng đi qua, vị trí của sóng được nhận biết tại một thời điểm cụ thể, cho phép tính toán của tốc độ sóng biến dạng. Giá trị số này có liên quan đến độ cứng của các mô trong vùng ROI.



Hình 6. Sử dụng định lượng mô Virtual Touch, tốc độ sóng biến dạng đi qua một tổn thương gan hyperechoic có thể đo được dễ dàng. Giá trị này có liên quan đến độ cứng mô tại vùng giải phẫu được người khám xác định bằng các sử dụng hình ảnh siêu âm quy ước.




Định lượng mô Virtual Touch 


Ngoài tạo hình định tính, công nghệ ARFI có thể được sử dụng để đo lường một số giá trị của tốc độ sóng biến dạng (shear wave speed) như khi thực hiện định lượng mô Virtual Touch  (H.5). Nói chung, trong một vùng mô càng cứng, tốc độ sóng biến dạng càng lớn qua khu vực này. Như vậy, tốc độ sóng biến dạng đo được là một đặc tính nội tại có thể lập lại của mô cơ thể. Sóng biến dạng được tạo ra và truyền thẳng góc với một xung âm đẩy, gây ra dời chỗ mô giống như những gợn sóng do một hòn đá ném xuống ao. Như vậy, ngược lại với sóng siêu âm quy ước theo hướng trục, sóng biến dạng không trực tiếp tương tác với đầu dò. Ngoài ra, không giống như sóng siêu âm quy ước, sóng biến dạng yếu dần khoảng 10.000 lần nhanh hơn, và do đó cần độ nhạy cao hơn để đo. Tuy nhiên, khi mặt đầu sóng biến dạng (shear wavefront) đi qua mô, sự dời chỗ gây ra sẽ được phát hiện bằng chùm siêu âm tracking. Bằng cách quan sát các mặt đầu sóng biến dạng ở nhiều vị trí, và tính tương quan các số đo với thời gian trôi qua, tốc độ sóng biến dạng được định lượng.


Đối với định lượng mô Virtual Touch, chọn một vị trí giải phẫu để đo là trước hết xác định vùng ROI trên một hình ảnh siêu âm quy ước. Một xung âm đẩy được đặt ngay bên vị trí này để gây ra một sóng biến dạng đi qua vùng ROI. Chùm tracking, nhạy hơn 1/100 độ dài sóng âm, được đặt ngay trên đường xung đẩy. Những chùm tracking liên tục được truyền đi cho đến khi phát hiện được mặt đầu sóng biến dạng đi qua. Thời gian giữa tạo sóng biến dạng và phát hiện đỉnh sóng được sử dụng để tính tốc độ sóng biến dạng (shear wave velocity). Nhiều số đo được thực hiện cho một vị trí trong không gian nhất định trước một giá trị được ghi nhận để đảm bảo chất lượng đo đạc (H. 6).

Kết luận

Tạo hình và định lượng mô Virtual Touch là triển khai đầu tiên và có tính chất thương mại của tạo hình xung lực bức xạ âm (acoustic radiation force impulse imaging, ARFI). Thông qua phương thức này, việc không thể khám độ đàn hồi hoặc khó khăn trước đây được thực hiện chính xác và có thể thực hành.

Quan trọng nhất, công nghệ phần mềm Virtual Touch cho phép thực hiện một chiều kích mới về thông tin của mô cơ thể để khám sàng lọc, chẩn đoán và ứng dụng điều trị lâm sàng.

Không có nhận xét nào :