Акустические и ЯМР методы визуализации сдвиговой упругости мягких тканей организма тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

о

ИНСТИТУТ МАТЕМАТИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БИОЛОГИИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

ЕМЕЛЬЯНОВ Станислав Юрьевич

УДК 534.8; 539.37

АКУСТИЧЕСКИЕ И ЯМР МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ СДВИГОВОЙ УПРУГОСТИ МЯГКИХ ТКАНЕЙ ОРГАНИЗМА

01.04.06 - акустика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Пуншно — 1993

Работа выполнена в Институте математических /цхюлсм биологии Российской Академии наук, г. Пушино

Научный руководитель —

кандидат физико-математических наук Сковорода А. Р.

Оф! щиальные оппоненты

доктор технических наук Гаврилов Д Р.

доктор физико-математических наук Твердислов В. А.

Ведущая организация

Институт теоретической и экаюрименталыюйЧ1шики Российской Академии наук, г. Пущино

Зашита состоится 2.1 июня 1993 г. с 15-30 часов в аудитории 5-1! на заседании Специализированного Совета К.053.05.92 отделени; радиофизики физического факультута Московского Государственной Университета им М.В.Ломоносова по адресу:

119899, г. Москва, Воробьевы горы, МГУ, Физический факультет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физическог факультета МГУ.

Автореферат |>азослан мая 1993 года. Ученый секретарь

Специализированного Совета К.053.05.92 {(//г

Отделения радиофизики Физического ф-та МГУ, -МуС-^^"

ст. науч. сотрудник И.В.Лебедсва

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Аюуалы1шпг__ра£>аш, Метод пальпации, основанный ira прощупывании ткани с целью обнаружения различающихся по твердости включений, в течение длительного времени оставался первичным методом обнаружения опухолей. Даже сегодня, наряду с использованием современных клинических систем визуализации, пальпация широко применяется для обнаружения новообразований в мягких тканях. Физической основой этого метода является отличие механических характеристик новообразований разных типов от характеристик нормальных, тканей, что приводит к различному характеру деформирования исследуемого объекта при заданном внешнем механическом воздействии. Метод пальпации имеет ряд существенных ограничений. Во-первых, он высоко субъективен и не может позволить количественно оценивать "твердость" найденного включения и, во-вторых, неэффективен для обнаружения опухолей, удаленных от поверхности кожного покроза. Тем ¡se менее, успех з ранней диагностике заболеваний мягких тканей организма тса;о связан как с массовым использованием пальпации, так и с периодическим прохождением медицинских осмотров, включаю;« :х носдедозания поп помощи современной клинической аппаратуры. Объективная количественная оценка упругих свойств биологических мягких тканей может быть использована как важный диагностический метод в выявлении различного вида опухолевых включений, а также и в диагностике ряда других заболеваний. При этом ключевым является то обстоятельство, что при лефорчирокапг.и биологических мягких тканей, являющихся слабосжимаемнми материалами, ведущую роль играет их модуль сдвига, который, как показывают исследования, отражает физиолопгес сое состояние ткани и характер патологий [Сарвазян А.П., Сковорода А.Р. и др, 1993].

Существующие системы визуализации внутренних структур организма обеспечивают получение прямой или косвенной

информации, прежде всего геометрического характера, о структуре исследуемого объекта, но ни один из современных методов визуализации, используемых в клинической практике, не обеспечивает получения информации об упругих сдвиговых свойствах тканей, что непосредственно соответствует понятию "твердость", используемому при характеризации включений методом пальпации. Так, например, информация, получаемая при помощи ультразвуковых сканеров, связана, в основном, с вариациями акустического импеданса тканей, являющегося комбинацией модуля всестороннего сжатия и плотности ткана Информация, получаемая при помощи компьютерных томографических сканеров, относится к пространственному распределению затухания рентгеновских лучей, где первичный механизм затухания связан с плотностью ткани. Информация, получаемая при помощи ЯМР сканеров, отражает молекулярный состав исследуемого объекта, вследствии чего в частности ЯМР изображения очень чувствительны к содержанию воды и жиров в тканях.

Информация, которая может быть получена при визуализации сдвиговой упругости тканей, является независимой, но в настоящее время ее получение не обеспечивается ни одним из существующих методов визуализации. Наличие такой информации может существенно повысить диагностические критерии и будет служить важным методом в диагностике состояния мягких тканей. Визуализация сдвиговой упругости тканей позволит провести оценку состояния тканей и выявление в ней патологических отклонений. При этом количественное определение модуля сдвиговой упругости может обеспечить резкий контраст между нормальными и патологически измененными тканями, благодаря очень большому относительному различию этого параметра для различных типов тканей.

Исходя из изложенного, основной задачей настоящей работы являлось исследование возможности использования современных систем визуализации внутренних структур организма (на примере

ультразвуковых и ЯМР сканеров) для количественной характеризации их сдвиговых упругих свойств.

теоретически обоснована возможность визуализации сдвиговой упругости мягких тканей организма с использованием ультразвуковых и ЯМР сканеров. На основе разработанного нового метода ультразвуковых прецизионных измерений движения внутренних участков ткани под действием приложенных внешних сил впервые удалось получить оценку абсолютных смещений внутренних участков ткани в достаточно широком диапазоне (от нескольких микрон до нескольких миллиметров) и соответствующих им деформаций, что является необходимым для дальнейшей реконструкции пространственного распределения модуля сдвига ткани. Впервые в целях визуализации сдвиговой упругости мягких тканей были применены методы оценки движения участков тканей внутренних структур организма при помощи ЯМР сканеров. С использованием полученных экспериментальных данных обоснована применимость модели линейно-упругой несжимаемой среды для проведения количественной диагностики состояния мягких тканей организма.

Научно-практическая ценность. Полученные результаты направлены на развитие методов визуализации упругих сдвиговых свойств мягких тканей внутренних структур организма. Разработан новый ультразвуковой метод оценки абсолютных смещений и деформаций гкани под действием приложенных внешних сил, позволяющий доводить прецизионные измерения в широком диапазоне смещений щутрешшх участков тканей. Этот метод может быть использован три создании нового поколения сканеров, визуализирующих не олько внутренние структуры, но и сдвиговую упругость мягких каней организма. Разработанные алгоритмы могут быть применены :ак в задачах медицинской диагностики, так и в биофизических ^следованиях микроструктуры биологических объектов, при олучении данных о деформации в исследуемом образце не только с

помощью ультразвуковых или Л MP сканеров, но и при использовании световых или акустических микроскопов. Предложенные методы могут найти применение в материаловедении при анализе механических свойств мягких композитных материалов в процессе их эксплуатации.

Апробация работы. Основные результаты диссертации

докладывались на Международном симпозиуме "Механизмы акустических биоэффектов" (Пущино, 1990), на Всесоюзной конференции "Актуальные проблемы организации и повышения качества ультразвуковой диагностики опухолей" (Москва, 1990), на 78-й Научной ассамблее радио- логического общества США (Chicago, USA, 1992), на Международном симпозиуме по ультразвуку Американского института инженеров по электронике и радиотехнике (Tucson, USA, 1992), а также на семинарах Института математических проблем биологии РАН, Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Лаборатории ультразвуковых исследований Мичиганского университета (Ann Arbor, USA).

Всесоюзной и Международных конференциях и 1 статья, 3 статьи находятся в печати.

Структура jl <Х>ъем_ работы, Диссертация состоит из введения и трех глав с изложением анализа литературных данных, результатов собственных экспериментов и расчетов, их обсуждения, заключения и выводов. Список литературы включает 105 ссылок на работы отечественных и зарубежных авторов. Текст изложен на 142 страницах и содержи' 39 рисунков.

Но теме диссертации опубликованы 4 тезисов на

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во_вв£денш обосновывается актуальность темы, описываются главные проблемы, изучению которых посвящена диссертационная работа, сформулированы основные задачи исследования.

В первой главе диссертации дан обзор экспериментальных работ, посвященных различным методам вгоуалиации внутренних структур организма с точки зрения их возможного использования в задаче визуализации сдвиговой упругости биологических мягких тканей. Проанализированы имеющиеся в литературе результаты теоретических исследований по изучаемой проблеме. Сделан вывод о том, что информация, которая может быть получена при визуализации сдвиговой упругости тканей, является независимой и на настоящее время ее получение не обеспечивается ни одним из существующих методов визуализации. Глава состоит из пяти параграфов.

В первом параграфе обсуждается содержание проблемы визуализации сдвиговой упругости биологических мягких тканей и анализируется существующие методы визуализации внутренних структур организма с точки зрения их возможного использования для получения необходимой экспериментальной информации.

Второй параграф диссертации посвящен анализу механических свойств мягких тканей. На основе обработки имеющихся литературных данных показано, что основную роль при деформировании мягких тканей организма играет их модуль сдвига.

В третьем параграфе проанализированы существующие контактные методы измерения сдвиговой упругости мягких тканей и обсуждены ограничения в применении этих методов.

Четветый параграф посвящен дистанционным неинвазивным методам с применением существующих систем визуализации внутренних структур органима. Рассмотрены возможности использования ультразвуковых, ЯМР и других типов сканероа

Использование моделей упругой среды в описании механических свойств обсуждено в последнем параграфе этой главы.

По второй главе диссертации излагаются теоретические и экспериментальные методы, использованные при выполнении работы. Глава состоит из трех параграфов.

Первый параграф этой главы посвящен теоретическим аспектам описания процессов деформирования мягких тканей в рамках модели линей! ю-унругого тела. При таком подходе уравнения динамического равновесия в двухмерном случае имеют вид:

+ / А.

1=1 ск, а

где Сту — компоненты тензора напряжений, 11; — компоненты вектора смещений в х, направлении, ^ — компоненты массовых сил, действующих на единицу объема, р — плотность материала и 1 — время. Для замыкания этой системы уравнений использована линейная связь между компонентами тензора напряжений и тензора деформации, которые полагаются малыми. Обсуждены специфические особенности конкретных краевых условий. Рассмотрены случаи сжимаемой и слабосжимаемой среды. Обсуждены пределы применимости используемой линейной модели.

Во втором параграфе этой главы дано описание нового метода ультразвуковых изме^пий смещений и деформаций внмренних участков тканей, подставлены разработанная методика ульт)швукоюго эксперимента и созданная для ее реализации экспериментальная установка.

Разработанный метод позволил проводить прецизионные измерение абсолютных смещений вдоль линии ультразвукового луча внутренних точек (п,т) дискретного ультразвукового изображения как:

= + £¿4/= 2 <4,

4=1,1=; 11=1.1=1

где Уу — известное смещение кокой-либо точки (У), суммирование

производится по произвольному пути, соединяющему эти точки, а относительные смещения ЛУпт определяются по формуле

Здесь о — циклическая частота ультразвукового сигнала, с — скорость распространения ультразвука в среде, — отраженные ультравуковые сигналы, полученные с некоторой задержкой по времени, а символ '*' означает комплексное сопряжение.

Этот метод применен для измерения больших абсолютных (несколько длин ультразвуковых волн) смешений внутренних точек объекта на основе использования набора ультразвуковых изображений, полученных на промежуточных стадиях деформирования образца. Так, например, смещения поверхности исследуемых образцов достигали 5 мм. Кроме того, предложена и реализована процедура определения деформаций (пространственных производных от смещений) на основе прямой обработки сигналов Х'Л(0- Это значительно повысило точность измерения деформаций, необходимых для реконструкции сдвиговых упругих свойств объекта.

Эксперименты проводились на специально приготовленных желатиновых фантомах, имеющих форму цилиндров диаметром 88 мм и длиной приблизительно 140 мм, изготовленных из раствора желатина различной концентрации и моделирующих ткань с локальным включением, которое не прощупывалось с боковой поверхности. Фантом помешался в водяную ванну так, что его продольная ось была перпендикулярна к оси ультразвукового излучателя, представляющего из себя одномерную фазированную решетку, содержащую 128 элементов и работающих на частоте 3.5 МГц, а плоскость изображения примерно совпадала с центральным топеречным сечением фантома. Нагружение фантомов осуществлялось три помощи поршня по всей их длине.

В третьем параграфе описан ЯМ!' метод измерения смещений шутренних участков тканей и представлена его экспериментальная хзалиация.

Для оценки смещений внутренних участков фантома в этом случае использовался так называемый БРАММ метод, суть которого состоит в создании в недеформированном исследуемом объекте искуственных "меток", представляющих собой два семейства областей насыщенного сигнала, являвшихся тонкими слоями. Эти слои, или "плоскости", были перпендикулярны между собой и параллельны продольной оси фантома, и наносились с фиксированным пространственным шагом. При изображении поперечного сечения фантома эти плоскости давали равномерную прямоугольную сетку, покрывающую всю площадь сечения. Эта "вмороженная" сетка в процессе деформирования фантома искажалась, что давало возможность оценить деформации внутри фантома.

Эксперименты проводились на силиконовом цилиндрическом фантоме диаметром 85 мм и длиной приблизительно 90 мм. Внутри него находились цилиндры диаметром 9 мм, сделанные из более жесткого вида силиконовой резины и игравшие роль включений. Отношение модулей Юига материала включений и окружающего материала, измсртшос независимым способом, находилось в диапазоне 10.5+1.5. Фантом помещался в компрессионное устройство так, что его продольная ось была параллельна двум плоским пластинам, при помощи которых осуществлялось периодическое во времени сжатие фантома. Процедура периодического пагружения фантома, сопровождавшаяся обновлением искусственных меток, была обусловлена известными недостатками БРАММ метода, связанными с ограниченностью времени существования этих меток.

Третья_слава диссертации посвящена анализу полученных

результатов. Она состоит из двух параграфов.

Первый из них посвящен ультразвуковым методам исследования. Приводятся полученные экспериментальные данные и результаты численных расчетов и проводится их сравнение. Е качестве примера, на рис 1 приведены данные, полученные дл> однородного фантома (средний вертикальный ряд) и фантомов (

мягким (левый ряд) и жестким (правый ряд) центральными включениями. На трех верхних изображениях приведены пространственные распределения вертикального смещения, полученные в эксперименте. Ниже для сравнения приведены аналогичные реультаты, полученные численно с использованием линейно-упругой модели среды. На этих изображениях белый цвет соответствует максимальному смещению (область вблизи поршня), а черный — его отсутствию (вблизи ультразвукового излучателя, прикрепленного к дну водяной ванны). Аналогично два нижних ряда изображений представляют экспериментальные и расчетные распределения вертикальной компоненты Б,, тензора деформации. 1х;лый цвет соответствует наибольшим значениям величины е22, а черный — наименьшим. На рис. 2 приведены зависимости е22 от координаты вдоль центральной вертикальной линии изображений, приведенных на рис 1. Левая часть рис. 2 соответствует однородному фантому, а правая — фантому с жестким включением диаметром 32 мм. Сплошными линиями приведены экспериментальные данные, а пунктиром — расчетные. На рис 3 приведены аналогичные зависимости. При этом на левых рисунках приведены экспериментальные данные, а на правых — расчетные. Сплошными линиями приведены данные для однородных фантомов, а пунктирными — для неоднородного с мягким включением (верхний ряд) и жестким включением (нижний ряд). Модуль сдвига материала включения был соответственно в 2.5 раза меньше (больше), чем модуль сдвига окружающега материала.

Второй параграф этой, главы посвящен исследованию возможности применения ЯМР сканеров в целях получения данных о деформированном состоянии объекта. Здесь также приводятся полученные экспериментальные данные и результаты численных расчетов и проводится их сравнение Так, на рис 4 слева приведено изображение поперечного сечения силиконового фантома с двумя жесткими включениями после его деформирования. Справа на том же рисунке приведено изображение того же сечения фантома,

Расстояние, мл

я w

20 40 60

Расстояние,

Рас.

20 40 60 80

PaccToaiíia, :,,¡.í

/ Ь^Г

ri V? ;

v'i

I'C j'v-

0 2» 40 60

Расстояние, мм

20 40 60 80

Расстояние,

20 40 60 80

Расстояние, ш

0.075

0.0Î0

о.ооо

Расстояние, мм

Рис. 5

^г-'-Г-г^.". -т-

_--Г—г-;-;

[¿^ЛЗ^г: — ---Г ? | 1'" '

Г-*'. V \ ' __1—

Расстояние, мм

полученное в результате численного расчета смещений на основе линейно-упругой модели. Этот рисунок иллюстрирует качественное совпадение экспериментального поля смещений и полученного численно. Следует обратить внимание на видимую малость деформаций в окрестности жестких включений. Рисунок 5 иллюстрирует результаты количественных сравнений. На этом рисунке приведены зависимости вертикальной компоненты б22 тензора деформации от координаты вдоль горизонтальной линии, прохоящей через центр бокового включения (левая часть рисунка), и от координаты вдоль вертикальной линии, проходящей через центр того же включения (правая часть рисунка). Экспериментальные данные показаны точками, а результаты численного расчета — сплошными линиями.

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод о возможности использования ультразвуковых и ЯМР сканеров для получения экспериментальной информации, необходимой для проведения количественной характеризании сдвиговых упругих свойств биологических мягких тканей и о применимости модели линейно-упругого тела при количественной интерпретации полученных данных. Для обоих использованных способов получения данных о деформированном состоянии неоднородной среды получены результаты, как качественно, так и количественно отражающие специфику ее деформщювания в окрестности включений.

Низгчл.'оюша с*орчулиро;ш!Ы основные выводы работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Показано, что визуализация сдвиговых упругих свойств биологических мягких тканей может быть осуществлена на основе измерения смещений и деформаций внутренних участков тканей, проведенных при помощи современных ультразвуковых и ЯМР систем визуализации. Тем самым применимость данных типов сканеров в задачах медицинской диагностики может быть существенно расширена.

2. Разработан новый метод ультразвуковых прецизионных измерений абсолютных смещений внутренних участков тканей в широком динамическом диапазоне (от нескольких микрон до нескольких миллиметров) и соответствующих им деформаций. Этот метод позволяет также проводить прямые измерения деформаций внутренних участков ткани без необходимости расчета их смещений.

3. Показаны высокая точность и пространственное разрешение разработанного метода. Например, при использовании ультразвукового излучателя, работающего на частоте 3.5 МГц и при смещениях поверхности исследуемого образца в диапазоне до 5 мм регистрировались продольные смещения порядка нескольких микрон.

4. Впервые в целях визуализации сдвиговой упругости мягких тканей использованы ЯМР методы оценки движения внутренних участков тканей. Проведены экспериментальные исследования, показывающие применимость используемого ЯМР метода оценки движения внутренних участков в широком диапазоне деформаций материала. Предложено применение этого метода для изучения упругих свойств тканей при наличии периодической формы их движения (движение сердечной мышцы или дыхательной диафрагмы и т. д.).

5. С использованием полученных результатов обоснована применимость модели линейно-упругой несжимаемой и слабосжимаемой среды для проведения количественной диагностики состояния мягких тканей организма.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Skovoroda AR, Yemelyanov SY, Manokhin A. 1990, Theoretical approaches to evaluation of mechanical properties of soft tissues by the method of dopplerelastography. Abstracts of International Symposium "Mechanism of Acostical Bioeffects." Pushchino, 14-18 May, 1990.

2 Parker KJ, Sarvazyan AP, Skovoroda AR, Yemelyanov SY. 1990, Dopplerelastography - a new method of ultrasonic medical diagnostics. Abstracts of International Symposium "Mechanism of Acostical Bioeffects." Pushchino, 1418 May, 1990.

! Емельянов СЮ. 1990, Акустические пюйстпа тканей галопного мозга человека в нормальном состоянии и при некоторых видах патологий. Телки иссшкшой конференции "Актуальные проблемы организации и повышения качества ультразвуковой диагностики опухолей." Москва. 9—11 октября 1990, с 64. I Yemelyanov SY, Skovoroda AR, Lubinski MA, Shapo BM and O'Donnell M.

1992, Ultrasound elasticity imaging using Fourier based speckle tracking algorithm. Procs. of the 1992 IEEE Ultrasonics Symposium, 2:1065-1068 Fowlkes JB, Yemelyanov SY, Pipe JG, Carson PL, Adler RS, Sarvazyan AP, Skovoroda AR. 1992, Possibility of cancer detection through measurement of elasticity properties Procs. of 78th Scientific Assembly of the Radiological Society of North America.

Sarvazyan AP, Skovoroda AR, Fowlkes JB, Emelianov SY, Pipe JG, Adler RS, Buxton RB, Carson PL. 1993 Cancer detection using tissue elasticity imaging." Physics in Med & Biol, (submitted for publication).

O'Donnell M, Skovoroda AR, Shapo BM and Emelianov SY. 1993, Internal displacement and strain imaging using ultrasonic speckle tracking. IEEE Transactions on Ultrasonic Ferroelectrics and Frequency Control (submitted for publication)

Skovoroda AR, Emelianov SY, Lubinski MA, Sarvazyan AP and O'Donnell M.

1993, Theoretical analysis and verification of ultrasound displacement and strain imaging. IEEE Transactions on Ultrasonic Ferroelectrics and Frequency Control (submitted for publication).