Konzeption, Implementierung und Anwendung zeitharmonischer Elastographie zur Charakterisierung viskoelastischer Gewebeeigenschaften

Abstract

Palpation ist eine anerkannte diagnostische Methode zur qualitativen Erfassung von Elastizitätsveränderungen oberflächennaher Organe. Bildgebende Verfahren besitzen eine zentrale Rolle in der radiologischen Diagnostik. Elastographie ist die Kombination beider Methoden, bei der als Bildaufnahmeverfahren entweder Ultraschall oder die Magnetresonanz-tomographie eingesetzt werden. Die tastende Hand des Arztes wird durch niederfrequente Vibrationen ersetzt, um quantitative viskoelastische Gewebeparameter auch von tiefliegenden oder von Knochen umgebenen Organen zu bestimmen. So findet die Elastographie in der klinischen Routine bereits ihren Einsatz zur nichtinvasiven Diagnose und Graduierung der Leberfibrose, bei deren Progression gesundes Lebergewebe zunehmend durch Narbengewebe ersetzt wird und mit einer kontinuierlichen Verhärtung der Leber einhergeht. Als Basis zur vorliegenden Arbeit wurde im Rahmen der eigenen Masterthesis eine prototypisch anwendbare Technik zur Berechnung viskoelastischer Gewebekenngrößen auf Basis der zeitharmonischen Ultraschallelastographie (THE) entwickelt. Im Gegensatz zu anderen Ultraschallelastographieverfahren erlaubt die THE Auswertefenster in Weite und Tiefe der B-Mode Bildgebung. Darauf aufbauend wurden in der vorliegenden Arbeit methodische Weiterentwicklungen und eine automatische Visualisierung viskoelastischer Gewebekenngrößen durchgeführt. Damit konnte die Genauigkeit der THE soweit gesteigert werden, dass erstmals die Auswirkungen physiologischer Einflussgrößen auf die Lebersteifigkeit (LS), wie Wasser- und Nahrungsaufnahme, reproduzierbar analysiert werden konnten. Dazu wurde die LS an 10 gesunden Freiwilligen mit der THE pre- und post-prandial sowie vor und unmittelbar nach definierter Wasseraufnahme und zwei Stunden danach untersucht. Zusätzlich wurde bei fünf gesunden Probanden die LS-Zeit-Funktion während kontrollierter Wasseraufnahme über 3 Stunden erfasst. Dazu wurden diese Probanden während der Wasseraufnahme (insgesamt 2 Liter, in 0.25 Liter- Portionen) jeweils 14 Mal untersucht. Es konnte mit hoher Signifikanz nachgewiesen werden, dass die Lebersteifigkeit postprandial um 10% (p = 0.0015) und nach der reinen Wasseraufnahme um 11% (p = 0.0024) gestiegen ist, wobei sich diese Werte ohne weitere Nahrungs- und Wasseraufnahme nach 2 Stunden wieder normalisiert haben. Die LS war nach Übernachtfasten im Vergleich zu Messungen nach zwei Stunden Fastenzeit signifikant niedriger (3%, p = 0.04). Die Analyse der LS-Zeitfunktion bei schrittweiser Wasseraufnahme zeigt bereits 15 Minuten nach der erstmaligen Aufnahme von 0.25 Liter Wasser einen signifikanten Anstieg der LS (p = 0.0312), der während der gesamten Periode weiterer Wasseraufnahme bestehen bleibt. Zusammengefasst wurde in dieser Arbeit erstmals gezeigt, dass mit der THE Änderungen der LS aufgrund physiologischer Leberveränderungen unter vaskulärer Beteiligung mit hoher Sensitivität nachgewiesen werden können. Für die klinische Praxis bedeutet dies, dass Nahrungs- und Wasseraufnahme als Störgrößen berücksichtigt werden müssen. Für reproduzierbare und genaue Elastographiestudien zur LS sind daher ein definierter Nahrungs- und Hydrationszustand zu beachten.

Palpation is an established diagnostic method for qualitative detection of changes in the elasticity of near-surface organs. Elastography combines palpation with one of two common medical imaging methods, ultrasound or magnetic resonance imaging. The palpating hand of the physician is replaced by low-frequency vibrations to quantify viscoelastic tissue parameters of organs which are located deeper in the body or shielded by bones. Elastrography is already used in clinical routine for non-invasive diagnosis and classification of liver fibrosis, which leads to replace healthy liver tissue with scar tissue and subsequently to stiffening of the liver. Within the own master thesis a prototypical technique for quantification of viscoelastic tissue parameters based on the time harmonic ultrasonic elastography (THE) was developed. In contrast to other ultrasonic elastography techniques, THE enables liver examinations at the same depth and field of view as ultrasonic B-mode imaging. In the present work further methodical developments and an automatic visualization of viscoelastic tissue parameters were carried out. With the methodical refinement and the implementation of automatic visualization of viscoelastic tissue parameters described in this work, the accuracy of THE could be increased significantly so that the impact of physiological effects on liver stiffness (LS), such as water and food intake, could be analyzed. Therefore, LS of 10 healthy volunteers was measured with THE pre- and post-prandially, before and immediately after defined water intake and again two hours later. Furthermore, the LS-time function during controlled water intake was measured in five healthy volunteers at 14 time points over three hours, where the subjects consumed a total of 2 liters in portions of 0.25 liters. It could be demonstrated with high significance that liver stiffness increased by 10% (p=0.0015) post-prandially and by 11% (p=0.00024) after water ingestion, and decreased to normal values after 2 hours. LS was lower after overnight fasting than after a 2h-fasting period (3%, p = 0.04). Analysis of the LS-time function shows that LS increased to post-water peak values 15 minutes after drinking 0.25 L water (p=0.0312) and remained unaffected by further water ingestion. In conclusion, this work indicates for the first time that LS measured by THE represents an effective- medium property sensitive to physiological changes in vascular load of the liver. For clinical practice, this means that food and water intake must be considered as confounding factors. As a consequence, establishing defined food and hydration states is recommended for reproducible and exact elastography studies.