[論文レビュー] Quasi-Real Time Multi-Frequency 3D Shear Wave Absolute Vibro-Elastography (S-WAVE) System for Prostate

Tajwar Abrar Aleef, Julio Lobo+8 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2022

Ultrasound Imaging and Elastography被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、直腸内アレイを介したトランスペリネアル機械的励振と電波周波数（RF）超音波データを用いて前立腺がん検出を目的とした準リアルタイムで3次元の多周波数せん断波エラスオグラフィー技術を提示する。バンドパスサンプリングとスペーカー追跡を採用することで、低フレームレートでも高精度な組織の動きの追跡と絶対的弾性の定量的評価が可能となり、組織病理学的相関を用いた周辺域のがん分類においてAUC 0.82 ± 0.01を達成した。

ABSTRACT

This article describes a novel quasi-real time system for quantitative and volumetric measurement of tissue elasticity in the prostate. Tissue elasticity is computed by using a local frequency estimator to measure the three dimensional local wavelengths of a steady-state shear wave within the prostate gland. The shear wave is created using a mechanical voice coil shaker which transmits multi-frequency vibrations transperineally. Radio frequency data is streamed directly from a BK Medical 8848 trans-rectal ultrasound transducer to an external computer where tissue displacement due to the excitation is measured using a speckle tracking algorithm. Bandpass sampling is used that eliminates the need for an ultra fast frame rate to track the tissue motion and allows for accurate reconstruction at a sampling frequency that is below the Nyquist rate. A roll motor with computer control is used to rotate the sagittal array of the transducer and obtain the 3D data. Two CIRS phantoms were used to validate both the accuracy of the elasticity measurement as well as the functional feasibility of using the system for in vivo prostate imaging. The system has been used in two separate clinical studies as a method for cancer identification. The results, presented here, show numerical and visual correlations between our stiffness measurements and cancer likelihood as determined from pathology results. Initial published results using this system include an area under the receiver operating characteristic curve of 0.82+/-0.01 with regards to prostate cancer identification in the peripheral zone.

研究の動機と目的

• 準リアルタイムで3次元的かつ定量的なエラスオグラフィー技術の開発を目的とし、前立腺組織の剛性マッピングを向上させること。
• 高強度の音響パulsesによる信号対雑音比の低さや組織加熱といった従来のせん断波エラスオグラフィーの限界を克服すること。
• ボイスコイルシャッターを用いた多周波数の定常状態機械的励振により、ボリュームワイドで絶対的弾性測定を可能とすること。
• フォントおよび2つの臨床研究（組織病理学的相関を含む）を用いて、システムの正確性と実用性を検証すること。
• 絶対的弾性値が前立腺周辺域のがん巣を同定する臨床的有用性を示すこと。

提案手法

• 機械的ボイスコイルシャッターが前立腺に多周波数のトランスペリネアル振動（75–80 Hz）を供給し、定常状態のせん断波を誘発する。
• BK Medical 8848直腸内プローブから得られる電波周波数（RF）超音波データを外部コンピュータにストリーム送信し、処理を行う。
• スペーカー追跡を用いて、せん断波の動きに起因する組織の変位をマイクロメーター未満の精度で測定する。
• ナイキストレート未満のサンプリングレートでも高周波数の組織の動きを再構成できるバンドパスサンプリングを適用し、超高速フレームレートを必要としない。
• コンピュータ制御のロールモーターによりトランスデューサアレイを回転させ、複数の coronal 平面で3次元ボリュームデータを取得する。
• 局所的なせん断波の波長からローカル周波数推定器を用いて組織の弾性を計算し、複数周波数にわたる平均化により耐性性を高める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多周波数の定常状態せん断波エラスオグラフィー技術は、準リアルタイムのフレームレートで前立腺における高精度で3次元的かつ絶対的弾性測定を達成できるか？
• RQ2 バンドパスサンプリングは、超高フレームレート超音波システムを必要とせずに、高周波数の組織の動きを信頼性高く追跡可能か？
• RQ3 本システムから得られる絶対的弾性値は、組織病理学的確認済のがん組織と数値的および視覚的に相関するか？
• RQ4 臨床現場において、特に周辺域のがん性と良性組織を区別する性能はいかがなっているか？
• RQ5 誤検出や測定値の不一致の原因は何か。生物学的要因（石灰化や浮腫）が結果に与える影響は？

主な発見

• 多パラメータ分類器（弾性とフェーザー情報の統合）を用いた周辺域のがん分類において、受信者操作特性曲線（ROC）下の面積（AUC）は 0.82 ± 0.01 を達成した。
• プロスタトミーおよび局所治療研究の両方において、絶対的弾性マップ上のがん組織の剛性上昇領域と組織病理学的確認済のがん巣との間で、強い数値的および視覚的相関が観察された。
• フォントの検証では、本システムの弾性測定値と磁気共鳴エラスオグラフィー（MRE）による測定値との間に良好な一致が得られた。
• バンドパスサンプリングの適用により、ナイキストレート未満のフレームレートでも高周波数の組織の動きを高精度に再構成でき、ハードウェアおよび計算リソースの要求を低減した。
• 一部の領域で誤検出の剛性上昇が観察されたが、石灰化や浮腫などのアーチファクトが原因である可能性があり、Viscoelasticおよび波動パターン効果のより良いモデリングの必要性を示唆した。
• 本システムは、組織加熱のFDA基準を超えない範囲で、生体内での前立腺3次元ボリュームエラスオグラフィーの実用性を示した。