Developments Towards Functional Time-Resolved Elastography for the Detection of Hemodynamic-Mechanical Soft Tissue Interactions

Abstract

Elastography is well established for quantifying viscoelastic properties of soft tissues and is routinely used in clinical practice to detect liver fibrosis. The viscoelasticity of vascularized tissue is influenced by hemodynamic function parameters such as blood volume and perfusion pressure, as has been shown in patients with portal or intracranial hypertension. However, the specific mechanisms behind the relationship of vascular properties, viscoelasticity, and tissue function are not completely understood. We hypothesize that assessment of changes in viscoelasticity can reveal information on rapid, functional hemodynamic-mechanical interactions. Current elastography techniques cannot sufficiently resolve vessel-tissue-matrix-related interactions due to limited spatiotemporal resolution. To increase the sensitivity of elastography to soft-tissue hemodynamic-mechanical interactions, three studies were conducted: First, we focused on ground truth values of magnetic resonance elastography (MRE) in highly perfused organs and addressed the issue of inconsistencies in values obtained with different methods. We developed an open access platform providing multiple state-of-the-art MRE inversion methods and compared these on a phantom dataset and in vivo kidneys and brains prospectively acquired in healthy volunteers. While there was agreement in relative stiffness differences, the pipelines differed in absolute values, high-lighting the importance of comparing inversion methods for establishing in vivo ground truth values. Wavenumber-based k multifrequency dual elasto-visco inversion (k-MDEV) yielded the best in vivo detail resolution. In a second study, ultrasound time-harmonic elastography (THE) with k-MDEV inversion and one-second temporal resolution was used to investigate effects of the Valsalva maneuver on liver and spleen stiffness. Effects on spleen stiffness were never reported before while mixed effects were reported for the liver. We found both organs to soften, suggesting a link between stiffness of vascularized tissue and a Valsalva-induced drop in blood pressure. The study demonstrates sensitivity of THE to hemodynamic-mechanical interactions on a one-second time scale. In a third study, advanced time-resolved THE with sub second temporal resolution was developed and used to investigate how pulsatile cerebral blood flow (CBF) variations affect cerebral stiffness. CBF in the middle cerebral artery and time-resolved cerebral stiffness were simultaneously acquired. A modulation of cerebral stiffness in synchrony with the cardiac cycle and pulsatile CBF was found. The observed modulation verified our hypothesis of rapid function-related hemodynamic-mechanical interactions, previously inaccessible by slower elastography methods. Taken together, these studies open a window into measuring hemodynamic-mechanical interactions in soft tissues as novel function-related diagnostic biomarkers using quantitative elastography with high temporal resolution.

Elastographie ist eine Methode zur Quantifizierung viskoelastischer Eigenschaften von Weichgewebe und ist klinisch etablierte für die Erkennung von Leberfibrose. In vaskularisiertem Gewebe wird die Viskoelastizität durch hämodynamische Funktionsparameter wie Blutvolumen und Perfusionsdruck beeinflusst. Die spezifischen Mechanismen hinter der Beziehung zwischen vaskulären Eigenschaften, Viskoelastizität und Gewebefunktion, sind jedoch nicht vollständig geklärt. Unsere Hypothese ist, dass die Quantifizierung von Viskoelastizitätsänderungen Ausschluss über funktionelle, hämodynamisch-mechanische Wechselwirkungen ermöglichen kann. Jedoch sind aktuelle Elastographiemethoden aufgrund begrenzter räumlicher und zeitlicher Auflösung hierfür nicht ausreichend sensitiv. Es wurden daher drei Studien durchgeführt, um die Sensitivität der Elastographie hierfür zu optimieren: Zuerst konzentrierten wir uns auf Referenzwerte in stark perfundierten Organen mittels Magnetresonanz-Elastographie (MRE) und adressierten Inkonsistenzen zwischen Wer-ten unterschiedlicher Inversionsmethoden. Wir entwickelten eine frei zugängliche Platt-form, die mehrere MRE-Inversionsmethoden anbietet und nutzten diese, um verschiedene Methoden anhand eines Phantomdatensatzes und prospektiv aufgenommener Nieren- und Gehirndatensätze gesunder Freiwilliger zu vergleichen. Die Methoden stimmten in relativen Steifigkeitsunterschieden überein, zeigten jedoch Unterschiede in absoluten Werten, was die Bedeutung des direkten Methodenvergleichs unterstreicht. Die beste in-vivo Detailauflösung wurde mit k-MDEV-Inversion erzielt. In einer zweiten Studie wurde zeitharmonische Ultraschall-Elastographie (THE) mit k-MDEV-Inversion und einer zeitlichen Auflösung von einer Sekunde verwendet, um die Auswirkungen des Valsalva-Manövers auf die Leber- und Milzsteifigkeit zu untersuchen. Für die Milz gab es hierzu bisher keine Berichte und für die Leber wurden zuvor gemischte Effekte berichtet. Wir fanden eine Erweichung in beiden Organen, was auf einen Zusammenhang zwischen Steifigkeit in vaskularisierten Organen und reduziertem Druck durch das Valsalva-Manöver hinweist. Die Studie zeigt die Sensitivität von THE für hämodynamisch-mechanischen Wechselwirkungen. In einer dritten Studie wurde die zeitaufgelöste THE mit einer zeitlichen Auflösung von unter einer Sekunde entwickelt und verwendet, um die Wechselwirkungen zwischen der Pulsation des zerebralen Blutflusses (CBF) der mittleren Zerebralarterie auf die zerebrale Steifigkeit zu untersuchen. Es wurde eine Modulation der zerebralen Steifigkeit synchron zum Herzzyklus und der CBF-Modulation beobachtet. Dies bestätigte unsere Hypothese Insgesamt ermöglichen die Studien neue funktionsbezogene, diagnostische Biomarker für hämodynamisch-mechanische Interaktionen in Weichgeweben durch quantitative Elastographie mit hoher zeitlicher Auflösung.