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Elastografía

La elastografía es una modalidad de imágenes médicas que mapea las propiedades elásticas y la rigidez de los tejidos blandos . [1] [2] La idea principal es que el hecho de que el tejido sea duro o blando brindará información diagnóstica sobre la presencia o el estado de la enfermedad . Por ejemplo, los tumores cancerosos a menudo serán más duros que el tejido circundante y los hígados enfermos serán más rígidos que los sanos. [1] [2] [3] [4]

Las técnicas más destacadas utilizan la ecografía o la resonancia magnética (RM) para realizar tanto el mapa de rigidez como una imagen anatómica para su comparación. [ cita requerida ]

Antecedentes históricos

La palpación se ha utilizado desde hace mucho tiempo para detectar enfermedades. En un autoexamen de mama , las mujeres buscan bultos duros, ya que el cáncer suele ser más rígido que el tejido sano.

La palpación es la práctica de sentir la rigidez de los tejidos de una persona o un animal con las manos del médico. La palpación manual se remonta al menos al año 1500 a. C., y tanto el papiro egipcio de Ebers como el de Edwin Smith ofrecen instrucciones sobre el diagnóstico mediante palpación. En la antigua Grecia , Hipócrates dio instrucciones sobre muchas formas de diagnóstico mediante palpación, incluida la palpación de los senos, las heridas, los intestinos, las úlceras, el útero, la piel y los tumores. En el mundo occidental moderno, la palpación se consideró un método respetable de diagnóstico en la década de 1930. [1] Desde entonces, la práctica de la palpación se ha generalizado y se considera un método eficaz para detectar tumores y otras patologías.

La palpación manual tiene varias limitaciones importantes: se limita a los tejidos accesibles a la mano del médico, se distorsiona con cualquier tejido que intervenga y es cualitativa pero no cuantitativa. La elastografía, la medición de la rigidez de los tejidos, busca abordar estos desafíos.

Cómo funciona

Existen numerosas técnicas elastográficas, en etapas de desarrollo desde la investigación inicial hasta la aplicación clínica extensiva. Cada una de estas técnicas funciona de manera diferente. Lo que todos los métodos tienen en común es que crean una distorsión en el tejido, observan y procesan la respuesta del tejido para inferir las propiedades mecánicas del tejido y luego muestran los resultados al operador, generalmente como una imagen. Cada método elastográfico se caracteriza por la forma en que realiza cada una de estas cosas.

Inducir una distorsión

Para visualizar las propiedades mecánicas de un tejido, necesitamos ver cómo se comporta cuando se deforma. Existen tres formas principales de inducir una distorsión para observarla:

Observando la respuesta

La principal forma de clasificar las técnicas elastográficas es según la modalidad de imagen (tipo) que se utilice para observar la respuesta. Las técnicas elastográficas utilizan ultrasonidos , imágenes por resonancia magnética (IRM) y sensores de presión/estrés en imágenes táctiles (IT) utilizando sensores táctiles . También existen otros métodos.

La observación de la respuesta del tejido puede adoptar muchas formas. En términos de la imagen obtenida, puede ser unidimensional (es decir, una línea), bidimensional (un plano), tridimensional (un volumen) o tridimensional (un valor único), y puede ser un vídeo o una única imagen. En la mayoría de los casos, el resultado se muestra al operador junto con una imagen convencional del tejido, que muestra en qué parte del tejido se producen los diferentes valores de rigidez.

Procesamiento y presentación

Una vez observada la respuesta, se puede calcular la rigidez a partir de ella. La mayoría de las técnicas de elastografía determinan la rigidez del tejido basándose en uno de dos principios fundamentales:

Algunas técnicas simplemente mostrarán la distorsión y/o la respuesta, o la velocidad de la onda al operador, mientras que otras calcularán la rigidez (específicamente el módulo de Young o un módulo de corte similar ) y la mostrarán en su lugar. Algunas técnicas presentan resultados cuantitativos, mientras que otras solo presentan resultados cualitativos (relativos).

Elastografía por ultrasonido

Existen muchas técnicas elastográficas por ultrasonidos. A continuación se destacan las más destacadas.

Elastografía cuasiestática / imágenes de deformación

Elastografía de compresión manual (cuasiestática) del carcinoma ductal invasivo , un cáncer de mama .

La elastografía cuasiestática (a veces llamada simplemente "elastografía" por razones históricas) es una de las primeras técnicas de elastografía. En esta técnica, se aplica una compresión externa al tejido y se comparan las imágenes de ultrasonido antes y después de la compresión. Las áreas de la imagen que están menos deformadas son las más rígidas, mientras que las áreas más deformadas son las menos rígidas. [3] Generalmente, lo que se muestra al operador es una imagen de las distorsiones relativas ( deformaciones ), que a menudo es de utilidad clínica. [1]

Sin embargo, a partir de la imagen de distorsión relativa, a menudo se desea hacer un mapa de rigidez cuantitativo . Para ello es necesario hacer suposiciones sobre la naturaleza del tejido blando que se está visualizando y sobre el tejido fuera de la imagen. Además, bajo compresión, los objetos pueden moverse dentro o fuera de la imagen o alrededor de ella, lo que causa problemas de interpretación. Otra limitación de esta técnica es que, al igual que la palpación manual, tiene dificultades con los órganos o tejidos que no están cerca de la superficie o que se comprimen fácilmente. [4]

Imágenes por impulsos de fuerza de radiación acústica (ARFI)

Imagen ARFI de un nódulo tiroideo en el lóbulo tiroideo derecho. La velocidad de onda transversal dentro de la caja es de 6,24 m/s, lo que refleja una alta rigidez. La histología reveló un carcinoma papilar .

La imagenología por impulsos de fuerza de radiación acústica (ARFI, por sus siglas en inglés) [5] utiliza ultrasonidos para crear un mapa cualitativo en 2D de la rigidez del tejido. Lo hace creando un "empujón" dentro del tejido utilizando la fuerza de radiación acústica de un haz de ultrasonidos enfocado. La cantidad de tejido empujado hacia abajo a lo largo del eje del haz refleja la rigidez del tejido; el tejido más blando se empuja más fácilmente que el tejido más rígido. La ARFI muestra un valor de rigidez cualitativo a lo largo del eje del haz que empuja. Al empujar en muchos lugares diferentes, se construye un mapa de la rigidez del tejido. La cuantificación de imágenes táctiles virtuales (VTIQ, por sus siglas en inglés) se ha utilizado con éxito para identificar ganglios linfáticos cervicales malignos. [6]

Imágenes de elasticidad por ondas transversales (SWEI)

En la obtención de imágenes de elasticidad por ondas transversales (SWEI, por sus siglas en inglés), [7] de manera similar a la ARFI, se induce un "empujón" en la profundidad del tejido mediante la fuerza de la radiación acústica . La perturbación creada por este empuje viaja lateralmente a través del tejido como una onda transversal . Al utilizar una modalidad de imagen como la ecografía o la resonancia magnética para ver qué tan rápido llega la onda a diferentes posiciones laterales, se infiere la rigidez del tejido intermedio. Dado que los términos "imágenes de elasticidad" y "elastografía" son sinónimos, el término original SWEI que denota la tecnología para el mapeo de elasticidad utilizando ondas transversales a menudo se reemplaza por SWE. La principal diferencia entre SWEI y ARFI es que SWEI se basa en el uso de ondas transversales que se propagan lateralmente desde el eje del haz y crean un mapa de elasticidad midiendo los parámetros de propagación de las ondas transversales, mientras que ARFI obtiene información de elasticidad del eje del haz que empuja y utiliza múltiples empujones para crear un mapa de rigidez 2-D. No hay ondas transversales involucradas en ARFI y no hay evaluación de elasticidad axial involucrada en SWEI. SWEI se implementa en imágenes de corte supersónico (SSI).

Imágenes de cizallamiento supersónico (SSI)

Imágenes de cizallamiento supersónico de la rigidez durante la contracción de los músculos de la mano abductor del meñique (A) y primer interóseo dorsal (B). La escala está en kPa de módulo de cizallamiento.

La obtención de imágenes supersónicas de cizallamiento (SSI) [8] [9] proporciona un mapa cuantitativo y bidimensional en tiempo real de la rigidez del tejido. La SSI se basa en SWEI: utiliza la fuerza de la radiación acústica para inducir un "empujón" dentro del tejido de interés, generando ondas de corte, y la rigidez del tejido se calcula a partir de la velocidad a la que la onda de corte resultante viaja a través del tejido. Los mapas de velocidad local del tejido se obtienen con una técnica de seguimiento de motas convencional y proporcionan una película completa de la propagación de la onda de corte a través del tejido. Hay dos innovaciones principales implementadas en la SSI. En primer lugar, al utilizar muchos empujones casi simultáneos, la SSI crea una fuente de ondas de corte que se mueve a través del medio a una velocidad supersónica. En segundo lugar, la onda de corte generada se visualiza utilizando una técnica de obtención de imágenes ultrarrápidas. Mediante algoritmos de inversión, la elasticidad de corte del medio se mapea cuantitativamente a partir de la película de propagación de la onda. La SSI es la primera tecnología de obtención de imágenes ultrasónicas capaz de alcanzar más de 10 000 fotogramas por segundo de órganos profundos. SSI proporciona un conjunto de parámetros cuantitativos e in vivo que describen las propiedades mecánicas del tejido: módulo de Young, viscosidad, anisotropía.

Este enfoque demostró un beneficio clínico en las imágenes de mama, tiroides, hígado, próstata y musculoesqueléticas . La SSI se utiliza para el examen de mama con una serie de transductores lineales de alta resolución. [10] Un gran estudio multicéntrico de imágenes de mama ha demostrado tanto reproducibilidad [11] como una mejora significativa en la clasificación [12] de las lesiones mamarias cuando se agregan imágenes de elastografía de onda transversal a la interpretación de imágenes de ultrasonido estándar en modo B y modo color.

Elastografía transitoria

En la industria alimentaria, los ultrasonidos de baja intensidad ya se han utilizado desde la década de 1980 para proporcionar información sobre la concentración, la estructura y el estado físico de los componentes de alimentos como verduras, carnes y productos lácteos y también para el control de calidad [13] , por ejemplo para evaluar las cualidades reológicas del queso. [14]

Mapas de propagación de ondas transversales obtenidos mediante la técnica de elastografía transitoria VCTE en un hígado normal (arriba) y en un hígado cirrótico (abajo). La rigidez hepática es significativamente mayor en el hígado cirrótico.

La elastografía transitoria se denominó inicialmente elastografía de pulsos con resolución temporal [15] cuando se introdujo a finales de los años 90. La técnica se basa en una vibración mecánica transitoria que se utiliza para inducir una onda transversal en el tejido. La propagación de la onda transversal se rastrea mediante ultrasonidos para evaluar la velocidad de la onda transversal a partir de la cual se deduce el módulo de Young bajo la hipótesis de homogeneidad, isotropía y elasticidad pura (E=3ρV²). Una ventaja importante de la elastografía transitoria en comparación con las técnicas de elastografía armónica es la separación de las ondas transversales y las ondas de compresión. [16] La técnica se puede implementar en 1D [17] y 2D, lo que requirió el desarrollo de un escáner de ultrasonidos ultrarrápido. [18]

La elastografía transitoria proporciona una imagen cuantitativa unidimensional (es decir, una línea) de la rigidez del "tejido". Funciona haciendo vibrar la piel con un motor para crear una distorsión pasajera en el tejido (una onda transversal ) y obteniendo imágenes del movimiento de esa distorsión a medida que pasa más profundamente en el cuerpo utilizando un haz de ultrasonidos 1D. Luego, muestra una línea cuantitativa de datos de rigidez del tejido (el módulo de Young ). [19] [20] Esta técnica se utiliza principalmente en el sistema Fibroscan, que se utiliza para la evaluación del hígado, [21] por ejemplo, para diagnosticar cirrosis . [22] Se ha desarrollado una implementación específica de la elastografía transitoria 1D llamada VCTE para evaluar la rigidez hepática promedio que se correlaciona con la fibrosis hepática evaluada mediante biopsia hepática. [23] [24] Esta técnica se implementa en un dispositivo que también puede evaluar el parámetro de atenuación controlada (CAP), que es un buen marcador sustituto de la esteatosis hepática . [25]

Elastografía por resonancia magnética (ERM)

Imagen de resonancia magnética anatómica de un cerebro (arriba) y elastograma de resonancia magnética del mismo cerebro (abajo). La rigidez se expresa en kPa del módulo de corte .

La elastografía por resonancia magnética (ERM) [26] se introdujo a mediados de la década de 1990 y se han investigado múltiples aplicaciones clínicas. En la ERM, se utiliza un vibrador mecánico en la superficie del cuerpo del paciente; esto crea ondas de corte que viajan hacia los tejidos más profundos del paciente. Se utiliza una secuencia de adquisición de imágenes que mide la velocidad de las ondas y esto se utiliza para inferir la rigidez del tejido (el módulo de corte ). [27] [28] El resultado de una exploración por ERM es un mapa cuantitativo en 3D de la rigidez del tejido, así como una imagen de resonancia magnética en 3D convencional.

Una de las ventajas de la elastografía por resonancia magnética es el mapa de elasticidad tridimensional resultante, que puede cubrir un órgano entero. [2] Como la resonancia magnética no está limitada por el aire o los huesos, puede acceder a algunos tejidos a los que la ecografía no puede acceder, en particular el cerebro. También tiene la ventaja de ser más uniforme entre los operadores y depende menos de la habilidad del operador que la mayoría de los métodos de elastografía por ultrasonido.

La elastografía por resonancia magnética ha logrado avances significativos en los últimos años, con tiempos de adquisición de hasta un minuto o menos, y se ha utilizado en diversas aplicaciones médicas, incluida la investigación cardiológica en corazones humanos vivos. El corto tiempo de adquisición de la elastografía por resonancia magnética también la hace competitiva con otras técnicas de elastografía.

Elastografía óptica

La elastografía óptica es una técnica emergente que utiliza la microscopía óptica para obtener imágenes de tejidos. La forma más común de elastografía óptica, la elastografía de coherencia óptica (OCE), se basa en la tomografía de coherencia óptica (OCT), que combina la interferometría con el escaneo de haz lateral para la adquisición rápida de imágenes en 3D y logra resoluciones espaciales de 5-15 μm. [29] Para la OCE, se aplica una carga mecánica al tejido y la deformación resultante se mide utilizando el seguimiento de motas o la detección sensible a la fase. [30] Las primeras implementaciones de la OCE implicaban la aplicación de una compresión cuasiestática al tejido, [31] aunque más recientemente se ha logrado una carga dinámica mediante la aplicación de una modulación sinusoidal a través de un transductor de contacto o una onda acústica. [29] También se han introducido otras modalidades de obtención de imágenes con mayor resolución óptica para la elastografía óptica para sondear la microescala entre las células y los tejidos completos. [29] La OCT se basa en longitudes de onda más largas, de 850 a 1050 nm, y por lo tanto proporciona una resolución óptica más baja en comparación con la microscopía óptica común, que utiliza longitudes de onda visibles de 400 a 700 nm, y proporciona resoluciones espaciales laterales de <1 μm. Los ejemplos de análisis de mayor resolución incluyen el uso de microscopía confocal y de lámina de luz respectivamente para la caracterización mecánica de esferoides multicelulares [32] y para el análisis estructural de organoides 3D con una resolución de célula única. [33] Cuando se utilizan estas modalidades de imágenes, se puede inducir una compresión cuasiestática en la muestra de tejido mediante un dispositivo de microindentación, como una micropinza. [32] La deformación resultante se puede medir a partir de las imágenes de microscopía utilizando algoritmos de seguimiento nodal basados ​​en imágenes, [32] [33] y las propiedades mecánicas se pueden discernir utilizando análisis del método de elementos finitos (FEM).

Aplicaciones

Aunque no es visible en la ecografía convencional en escala de grises (izquierda), una imagen de elastografía de deformación (centro) de la glándula prostática detecta un cáncer (área roja oscura en la parte inferior izquierda). El hallazgo se confirma mediante histología .

La elastografía se utiliza para la investigación de muchas enfermedades en muchos órganos. Puede utilizarse para obtener información diagnóstica adicional en comparación con una simple imagen anatómica y puede utilizarse para guiar biopsias o, cada vez más, reemplazarlas por completo. Las biopsias son invasivas y dolorosas, y presentan riesgo de hemorragia o infección, mientras que la elastografía es completamente no invasiva.

La elastografía se utiliza para investigar enfermedades del hígado. La rigidez del hígado suele ser indicativa de fibrosis o esteatosis ( enfermedad del hígado graso ), que a su vez son indicativas de numerosas enfermedades, incluidas la cirrosis y la hepatitis . La elastografía es particularmente ventajosa en este caso porque cuando la fibrosis es difusa (se extiende en grupos en lugar de cicatrices continuas), una biopsia puede pasar por alto fácilmente la muestra del tejido enfermo, lo que da como resultado un diagnóstico erróneo de falso negativo .

Naturalmente, la elastografía se utiliza en órganos y enfermedades en los que la palpación manual ya estaba muy extendida. La elastografía se utiliza para la detección y el diagnóstico de cánceres de mama , tiroides y próstata . Ciertos tipos de elastografía también son adecuados para la obtención de imágenes musculoesqueléticas y pueden determinar las propiedades mecánicas y el estado de los músculos y tendones .

Debido a que la elastografía no tiene las mismas limitaciones que la palpación manual, se está investigando en algunas áreas para las que no hay antecedentes de diagnóstico con palpación manual. Por ejemplo, la elastografía por resonancia magnética es capaz de evaluar la rigidez del cerebro [ 34] y existe un creciente cuerpo de literatura científica sobre la elastografía en cerebros sanos y enfermos.

En 2015, se publicaron informes preliminares sobre la elastografía utilizada en riñones trasplantados para evaluar la fibrosis cortical que mostraban resultados prometedores. [35] En el estudio Children of the 90s de la Universidad de Bristol , se encontró mediante ecografía a la edad de 18 años que el 2,5% de 4000 personas nacidas en 1991 y 1992 tenían enfermedad del hígado graso no alcohólico; cinco años después, una elastografía transitoria encontró que más del 20% tenía depósitos grasos en el hígado de esteatosis, lo que indica enfermedad del hígado graso no alcohólico; la mitad de ellos se clasificaron como graves. Las exploraciones también encontraron que el 2,4% tenía cicatrices hepáticas de fibrosis , que pueden provocar cirrosis . [36]

Otras técnicas incluyen la elastografía con tomografía de coherencia óptica [37] (es decir, luz).

La obtención de imágenes táctiles implica traducir los resultados de un "toque" digital en una imagen. Se han explorado muchos principios físicos para la realización de sensores táctiles : principios resistivos, inductivos, capacitivos, optoeléctricos, magnéticos, piezoeléctricos y electroacústicos, en una variedad de configuraciones. [38]

Notas

† ^ En el caso de las imágenes de movimiento endógeno, en lugar de inducir una perturbación, se observan perturbaciones creadas naturalmente por los procesos fisiológicos.

Referencias

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