Ultraäänen maksakuvantaminen metabolisen toimintahäiriön yhteydessä olevan rasvamaksan luokitteluun

1. Tarkoitus Tämän tutkimuksen päätarkoitus on kehittää ultraäänimenetelmiä, jotka voivat tunnistaa metabolisen toimintahäiriön liittyvän rasvamaksan sairauden (MASLD) vaiheet magneettiresonanssi-elastografian (MRE), MRI:n protonitiheysrasvapitoisuuden (PDFF) ja biopsian perustotuuksina.
2. Hypoteesi Ultraääni voi korvata MRI:n rasvoituksen ja fibroosin vaiheiden määrittämisessä. Ultraääni voi parantaa tulehduksen vaiheiden määrittämistä.

3. Perustelu Laaja kirjo patologioita voi aiheuttaa muutoksia ihmisen kudoksen mekaanisissa ominaisuuksissa. Tästä syystä keinon löytäminen kudoksen jäykkyyden arvioimiseksi ei-invasiivisesti osoittautuu kliinisesti hyödylliseksi. Monet eri etiologioista riippuvat maksasairaudet, kuten hepatiitti, rasvamaksa, alkoholismi ja muut, ilmenevät lisääntyneenä maksan jäykkyytenä fibroosin vuoksi. Fibroosi voi johtaa erilaisiin maksasyöpiin tai siirrokseen, mikä joskus aiheuttaa kuoleman. On arvioitu, että siirroksen esiintyvyys on 4,5 % - 9,5 % yleisestä väestöstä, mikä osoittaa, että paljon suurempi ryhmä kärsii fibroosin eri vaiheista. Jos fibroosin aiheuttamaa dramaattista maksan jäykkyyden lisääntymistä voidaan havaita varhaisessa vaiheessa, hoitoa voidaan räätälöidä potilaan tarpeiden mukaan, ja tuloksia voidaan seurata lisätäkseen käänteentekemisen todennäköisyyttä ja hidastaakseen vaurioittavia vaikutuksia.

   Biopsia on perinteisesti ollut standardimenetelmä maksan tilojen diagnosoimiseen ja seurantaan, ja sitä on käytetty laajasti vuodesta 1958 lähtien. Biopsian etuja sisältävät rasva- ja rautakertymien visualisointi. Valitettavasti biopsiat eivät pysty näyttämään fibroosin heterogeenisyyttä, koska lukema otetaan usein samasta paikasta ja se koostuu vain 1/50 000 osasta maksan tilavuudesta. Tutkimukset ovat osoittaneet biopsiatulosten eroavaisuuden vasemmasta ja oikeasta lohkosta 33 % tapauksista ja 30 % siirroskirroottujen tapausten väärinluokittelua. Lisäksi tutkimukset ovat osoittaneet merkittävää havainnoitsijoiden välistä ja havainnoitsijan sisäistä vaihtelua. Lopuksi biopsian haittapuoli, joka on edesauttanut siirtymistä ei-invasiivisiin diagnostisiin menetelmiin, kuten elastografiaan, on siihen liittyvä kipu, verenvuoto ja kuolleisuusriski.

   Eri elastografiamenetelmiä on kehitetty ja sovellettu maksaan. Transient elastografia, FibroScan (EchoSens, Pariisi) on yleisin elastografiatyyppi, jota tällä hetkellä sovelletaan maksaan jäykkyyden mittaamiseksi, mikä osoittaa fibroottista aktiivisuutta. Se käyttää ultraääniteknologiaa yksidimensionaalisella anturilla leikkausaaltojen nopeuden mittaamiseen. Siitä on tullut hoitostandardi joissakin klinikoissa maailmanlaajuisesti edullisena laitteena, joka on diagnostisesti luotettava. Vaikka se on kivuton, nopea ja kätevä, se pystyy keräämään vain hyvin pienen näytteen maksan oikeasta lohkosta, joten se ei voi havaita heterogeenisyyttä ja voi vääristää koko elimen tilaa. Lisäksi tutkijoiden parhaan tietämyksen mukaan FibroScan-lukemista saatuja jäykkyysarvoja ei ole korreloitu magneettiresonanssi-elastografian arvoihin suorassa vertailussa kirjallisuudessa, ja ne antavat vähemmän luotettavia tuloksia fibroosin varhaisemmissa vaiheissa.

   Magneettiresonanssi-elastografia on toinen elastografiatyyppi, jota sovelletaan maksaan. Se on osoittanut erittäin korkean diagnostisen tarkkuuden potilaiden vaiheistamisessa fibroottisiin vaiheisiin, ja sitä käytetään joissakin yksityisklinikoissa, pääasiassa Yhdysvalloissa. Se sallii joustavuutta sovelluksessaan ja käytetyissä protokollissa tiedon keräämiseksi. Se on osoittanut erinomaista toistettavuutta ja jäljitettävyyttä, ja se on usein tehokas potilailla, joilla on korkeampi painoindeksi (BMI). MRI-skannaukseen liittyvät korkeat kustannukset ja monimutkaisuus rajoittavat sen hyödyllisyyttä monilla maksasairauksista kärsivillä alueilla.

   Tutkijoiden S-WAVE-menetelmä on ultraäänimenetelmä, joka tuottaa kaksi- ja kolmiulotteisia kuvia, mahdollistaen maksan täydellisen visualisoinnin. Se on säädettävä monitaajuustekniikka, joka voi näyttää suuria osia elimestä tilavuuselastisuuskarttoina. Se on edullinen ja toteutettava laajasti kliinisissä ympäristöissä ultraäänilaitteen yksinkertaisten laitevaatimusten vuoksi.

   Ultraäänidataa, jota käytetään kudoksen jäykkyyden mittaamiseen, voidaan käyttää myös kudoksen rasvapitoisuuden arvioimiseen. Itse asiassa rasvakudos vaimenuttaa ultraääntä enemmän kuin normaali kudos. Myös muut ultraäänidatan (radio taajuus- tai RF-data) ominaisuudet muuttuvat, kun kudoksesta tulee rasvainen. MASLD:n ensimmäinen vaihe on steatoosi, rasvan osuuden lisääntyminen maksakudoksessa, jota seuraa tulehdus, ja sitten kudoksen arpeutuminen ja fibroosi.

4. Tavoitteet

   • Verrata MRE:n, S-WAVE:n ja FibroScanin antamia jäykkyystuloksia terveillä vapaaehtoisilla ja potilailla osoittaakseen vahvan yhtäläisyyden S-WAVE:n ja MRE:n välillä fibroosin arvioinnissa.
   • Verrata MRI:n protonitiheysrasvapitoisuutta ultraäänivaimennukseen ja muihin mittauksiin osoittaakseen vahvan yhtäläisyyden ultraäänen ja MRI-PDFF:n välillä steatoosin arvioinnissa.
   • Osoittaa, että ultraääni voi arvioida koko MASLD-spektrin, mukaan lukien steatoosin, fibroosin ja tulehduksen, biopsian perustotuuksina.

5. Tutkimusmenetelmät 40 koehenkilöä ilman maksasairauden historiaa, joista pääasiassa rekrytoidaan UBC:n jatko-opiskelijoiden väestöstä, ja 105 koehenkilöä, joilla on eri vaiheissa fibroosia, rekrytoidaan Gastroenterologian tutkimusinstituutissa (GIRI) Vancouverissa, ja VGH:ssä heille tehdään FibroScan, S-WAVE ja MRI-skannaukset, mukaan lukien PDFF ja MRE.

   FibroScan ja S-WAVE suoritetaan teknikon ja ultraäänilääketieteen asiantuntijan toimesta GIRI:ssä tai VGH:ssä.

   MR-tutkimus suoritetaan UBC:n MRI-tutkimuskeskuksessa.

   Kymmenen FibroScan-lukemaa saadaan oikeasta lohkosta potilaan kylkiluunvälistä. FibroScan näyttää mediaanijäykkyyden kPa:ssa sekä kvartiilivälin. FibroScan-lukemien hyväksymiseksi vaaditaan vähintään 80 % onnistumisprosentti ja kvartiiliväli alle 30 % jäykkyysarvosta. Jokainen koehenkilö käy läpi prosessin kerran.

   S-WAVE on UBC:ssä kehitetty elastografiatekniikka, joka käyttää kudoksen vasteita monitaajuisille värähtelyille kudoksen mekaanisten ominaisuuksien arvioimiseksi. Värähtelyt synnyttävät stationaarisia leikkausaaltoja kudoksessa. Sarja ultraäänikuvia tallentaa kudoksen leikkausaaltoliikettä, ja kudosmallia käytetään taustalla olevien mekaanisten ominaisuuksien arvioimiseksi. Sitä on jo onnistuneesti sovellettut eturauhasen, rinnan, istukan ja maksan kuvantamiseen.

   Käytetty virityslaite on levy, joka asetetaan potilaan alle tutkimussängylle. Sovelletut taajuudet vaihtelevat 45 Hz:stä 80 Hz:ään. Valittu amplitudi on riittävä tuottamaan riittävät aallot kiinnostuksen kohteena olevalla alueella ja potilaan mukavuustasolla. 3D-ultraäänianturia käytetään kuvatilavuuksien saamiseksi, kun ultraäänilääketieteen asiantuntija pitää sitä paikallaan. Lisäksi 2D-ultraäänimuunninta liikutetaan kuvatilavuuksien saamiseksi suunnilleen samasta paikasta.

   Kylkiluunvälistä ja vatsan läpi otettuja kuvia saadaan toistettavan protokollan mukaisesti.

   Kaikki S-WAVE-skannaukset suorittavat kaksi koulutettua ja erittäin kokeneita ultraäänilääketieteen asiantuntijoita, neiti Vickie Lessoway ja neiti Jan Reid.

   Magneettiresonanssi-elastografia suoritetaan 3T Philips Elition MR-skannerilla, joka sijaitsee UBC:n MRI-tutkimuskeskuksessa. Skannaus alkaa aksiaalisilla T1- ja T2-kuvilla, joita seuraa diffuusiopainotettu kuvantaminen.

   Sitten suoritetaan MR-elastografiatutkimus käyttäen eXpresso-sekvenssiä ja samanaikaista kudoksen viritystä. eXpresso-sekvenssiä on käytetty fantomi-, maksa- ja eturauhastutkimuksissa. Viritysjärjestelmä on sähkömagneettinen aktuaattori, joka on rakennettu paikallisesti ja koostuu langansilmukoista, jotka on järjestetty kelaksi. Värähtelyt syntyvät, kun sähkövirtaa johdetaan lankojen läpi MR-skannerin magneettikentän läsnä ollessa. Se on synkronoitu MRI-kuvantamissekvenssin kanssa. Värähtelijä asetetaan koehenkilön oikean kylkiluuston päälle, kun hän makaa selällään. Se kiinnitetään paikoilleen tarranauhalla välttääkseen liikettä. Värähtelijälevyn halkaisija on 5-10 cm leveä. Järjestelmä on hyvin samanlainen kuin aiemmissa tutkimuksissa muualla ja eturauhasen ja maksan kuvantamisessa käytetty.

   Koko MR-kuvantamistilaisuus kestää alle 90 minuuttia.

   MRE- ja VE-datan käsittely tapahtuu offline-tilassa mekaanisten ominaisuuksien ja rasvapitoisuustiedon erottamiseksi. Nämä voidaan sitten näyttää visuaalisesti ja verrata. Molemmat sisältävät raaka-ultraäänikaikudatan käsittelyn.

6. Datan käsittely Kaikki S-WAVE-data käsitellään UBC:n Robotiikan ja ohjauksen laboratoriossa kehitetyn ohjelmiston avulla. Tämä ohjelmisto pystyy arvioimaan jäykkyysarvon kaikissa kuvatuissa pisteissä kudosmallin perusteella. Tulosteena on kudoksen jäykkyyden tilavuuskartta, joka voidaan asettaa päällekkäin vastaavaan B-moodi-kuvaan. Kiinnostuksen kohteena olevat alueet valitaan homogeenisten alueiden perusteella, joissa on vähän verisuonia.

Raaka MRE-kuvat käsitellään paikallisesti kehitetyn ohjelmiston avulla, joka suodattaa datan ja soveltaa malleja dynaamisen leikkausmoduulin (Gd) ja viskositeetin (Gl) laskemiseksi jokaiselle pikselille. Nämä mekaaniset ominaisuudet muodostavat uuden kuvan, joka sitten asetetaan päällekkäin standardi T2-painotettuihin kuviin helpon visualisoinnin vuoksi. Valitaan kiinnostuksen kohteena olevat alueet, joissa on vähän verisuonia. Gd:n ja Gl:n keskiarvo ja keskihajonta lasketaan.

Kudoksen rasvapitoisuus määritetään standardi MRI PDFF-sekvensseillä. Kudoksen rasvapitoisuus määritetään ultraäänestä perustuen raaka-ultraäänen RF-datan kvantitatiiviseen analyysiin.

Ultraäänikuvankäsittelyä optimoidaan vastaamaan MRI-kuvia (MRI perustotuuksina fibroosin ja steatoosin arvioinnille).

Ultraäänikuvankäsittelyä optimoidaan ennustamaan tulehdusta, biopsiatulosten perustotuuksina.