L ÉLASTOGRAPHIE ULTRASONORE

L ÉLASTOGRAPHIE ULTRASONORE MATHILDE WAGNER, OLIVIER LUCIDARME 1 SERVICE DE RADIOLOGIE DIAGNOSTIQUE ET ONCOLOGIQUE HÔPITAUX UNIVERSITAIRES PITIÉ-SALPÊTRIÈRE CHARLES FOIX 2 LABORATOIRE D IMAGERIE BIOMÉDICALE PARIS, FRANCE

PRINCIPES PHYSIQUES

PRINCIPES PHYSIQUES: GÉNÉRALITÉS L objectif des méthodes d élastographie est de mesurer la dureté des tissus. La mesure de la dureté des tissus par élastographie ultrasonore repose sur 3 étapes: Excitation: transmission d une contrainte dans le tissu (mécanique, vibratoire, cisaillement) Acquisition: recueil des signaux des tissus déformés par la contrainte (données RF ou B-mode) Post-traitement: analyse de la déformation du tissu induite par la propagation de la contrainte

PRINCIPES PHYSIQUES: GÉNÉRALITÉS L application d une contrainte est à l origine de 2 types d ondes mécaniques Des ondes de cisaillement: Provoquant un glissement des couches de tissu les unes par rapport aux autres; Se déplaçant par des mouvements successifs perpendiculaire à la vitesse de déplacement Des ondes de compression: Comprimant le tissu de proche en proche; Provoquant un déplacement du milieu de direction parallèle à la vitesse de propagation. Genisson, Diag Inter Imaging 2013

COMPRESSION Le corps humain a un comportement mécanique s apparentant à celui d un solide mou (matériau élastique linéaire homogène et isotropique). La dureté des tissus est mesurée par le module élastique dit de Young en kilopascals. Une contrainte externe S produit une déformation e, dépendante de la dureté du tissu. La dureté E est définie par le rapport entre contrainte et déformation. contrainte S s déformation e Module de Young E = S/e E : dureté S : contrainte externe e : déformation Loi de Hooke : E élevé signifie «dur»

ELASTOGRAPHIE DE CONTRAINTE Module de Young (E) «Echosismographie» en 1983 «Elastographie» en 1991 Par compression manuelle Sein 1993 Thyroide 2005 Hitachi 2002 Siemens 2005 => estimation relative du module de Young par rapport aux tissus alentours Loi de Hooke : E = S/e = F/a dx/x => E élevé signifie «dur»

STRAIN ELASTOGRAPHY On analyse la déformation du tissu induite par la propagation de la contrainte: Par comparaison des données avant et après contrainte, on estime des composantes du déplacement ou du tenseur des déformations e. La contrainte S (=F/a) est non mesurable: la carte obtenue ne donne pas le module d Young. F/a Variabilité +++ DL ELASTOGRAPHIE QUALITATIVE (élasticité relative) L dur mou dur mou L-DL Une structure molle se déplace et se déforme; une structure très rigide se déplace seulement.

STRAIN ELASTOGRAPHY On obtient des cartes paramétriques, qui permettent de différencier les structures «dures» de celles «molles». Ces cartes sont en échelle de gris ou de couleur selon le constructeur. Plusieurs constructeurs proposent cette technique: Hitachi: real time tissue elastography, emode Siemens: mode esie Touch elastography imaging General electrics: Ultrasound elastography imaging Philips: strain based elastography (iu22) Toshiba: Real-time elastography Ultrasonix Contrainte Sonde US élastogramme Esaote: ElaXto Tissu mou Tissu rigide

CISAILLEMENT Les différentes techniques d élastographie ultrasonore par cisaillement ne mesurent pas directement la dureté mais la vitesse V c de propagation des ondes de cisaillement. La vitesse V c de propagation des ondes de cisaillement est relié au module de cisaillement μ (shear): Module de cisaillement μ = ρv c 2 avec ρ = densité du milieu Le module de cisaillement μ est lui même relié au module élastique E: E = 3μ La mesure de la vitesse V c de propagation des ondes de cisaillement permet de déduire le module élastique E. Pour les calculs, la densité du milieu est supposée constante et égale à 1000 kg/mm 3.

PRINCIPES PHYSIQUES: GÉNÉRALITÉS Il existe plusieurs méthodes d élastographie ultra sonore. ELASTOGRAPHIE US QUASI STATIQUE Contrainte continue au milieu IMPLUSIONNELLE Excitation par une impulsion Tissu élastographie en temps réel (strain imaging) QUALITATIVE Estimation du déplacement -> strain e connu mais contrainte S non connue -> E indéterminé -> élasticité relative (soft/hard) Ultrasonore Accoustic radiation force imaging (ARFI) Shear wave elastography (SWE) QUANTITATIVE (E en kpa) Mécanique Transient élastographie Estimation de la vitesse de cisaillement -> m -> E

ELASTOGRAPHIE IMPULSIONNELLE ULTRASONORE MÉCANIQUE : TRANSIENT ELASTOGRAPHY Il s agit de la technique utilisée par FibroScan TM (Echosens). Elle utilise une sonde (3,5 MHz) contenant un vibreur et un transducteur échographique. Il n y a pas de système de guidage échographique et la sonde est positionnée de manière aléatoire à la surface cutanée. Les mesures sont réalisées à une profondeur entre 25 et 65 mm. La vitesse Vc mesurée est convertie en kilopascals. Cette vitesse est un reflet de la dureté du tissu. Peau Sonde Vibreur ROI Onde de cisaillement chu-rouen.f Transducteur ELASTOGRAPHIE QUANTITATIVE

ELASTOGRAPHIE IMPULSIONNELLE ULTRASONORE Elle permet une estimation de la rigidité des tissus profonds non accessibles par compression externe. Elle permet une mesure quantitative de l élasticité E, exprimée en kilopascals par mesure ultrasonore de la vitesse de l onde de cisaillement qui se propage perpendiculairement La mesure d élasticité E en kilopascals kpa est déduite de la vitesse des ondes de cisaillement selon la formule E = 3ρV c 2 Etape 1: impulsion US sonde Impulsion US ELASTOGRAPHIE QUANTITATIVE Etape 2: imagerie ultra-rapide Onde de compression Ondes de cisaillement

ARFI ARFI = Acoustic Radiation Force Imaging Impulsion ultra-sonore focalisée de 0,3s. Puis mesure de la propagation dans le volume d intérêt développé par Siemens Donne la vitesse en m/s

nguyenthienhung.com SHEAR WAVE ELASTOGRAPHY Grâce à la technique d imagerie ultra rapide plusieurs impulsions ultrasonores focalisées sont générées à des profondeurs différentes. Création d une onde de cisaillement plane sur une grande surface. la propagation «du plan» de cisaillement est mesurée en temps réel par imagerie. Des cartes paramétriques sont fournies en temps réel.

Elastographie Quasi-Statique Dynamique Méthode Strain imaging TE Transient Elasto. Mode d excitation Application de la force Mécanique (compression externe) ou Physiologique Surface ou Structure Interne Mécanique (impulsion par vibreur externe) Surface ARFI Ultrasonore (Force de radiation) Différentes profondeurs Un seul point Ultra-fast Shear Wave Elastography Ultrasonore (Force de radiation) Différentes profondeurs Une ligne Module impliqué Young Cisaillement Cisaillement Cisaillement Propriété mesurée Déplacement -> Strain Vitesse de cisaillement Vitesse de cisaillement Vitesse de cisaillement Visualisation Images temporelles de strain Une mesure le long de la ligne de tir Une image figée Petite surface Images temporelles (cadence de plusieurs/sec) Large surface Quantification Non Oui Oui Oui Systèmes commerciaux GE, Hitachi, Philips, Siemens, Toshiba, Ultrasonix, Easote Echosens (Fibroscan) Siemens SuperSonic Imagine (Aixplorer)

Elastographie Méthode Avantages Inconvénients Quasi-statique Strain imaging Simple Courante Contrainte opérateurdépendant Applicable surtout aux organes superficiels Méthode qualitative TE Transient Elasto Méthode quantitative Méthode validée ++ (fibrose hépatique) Facile Limites si surpoids, ascite Dynamique ARFI SWE Méthode quantitative Apnée courte Profondeur limitée à 8cm SWE Shear Wave Elastography Méthode quantitative Carte de dureté haute résolution Profondeur limitée à 8cm

APPLICATIONS CLINIQUES

FOIE La principale application est l évaluation de la fibrose hépatique, ou les techniques d élastographie et en particulier le FibroScan sont validées. L élastographie peut être également utilisée pour La prédiction des complications de la cirrhose Le suivi sous traitement des hépatites Le diagnostic de complications après TH L évaluation de la stéatose La caractérisation des tumeurs hépatiques L élastographie quasi statique est détrônée

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Surveillance annuelle de la progression de la fibrose Traitement anti viraux Echographie tous les 6 mois preventionnotacure.blogspot.fr intechopen.com http://www.bio.ri.ccf.org http://www.apcd.info

Ponction biopsie hépatique Echantillon parcellaire représentatif? 20% sur et sous estimation (vs biopsie chirurgicale) 1 1/50 000 de la masse hépatique Complications Douleurs : 30%, hémorragies 0,16 à 0,32% Difficile à répéter trop souvent hepatoweb.com/informationbiopsiedufoie Imagerie? Plutôt bonne pour repérer les F4 (cirrhoses) Pas bonne pour les stades F1-F3 1. Bedossa P, Dargère D, Paradis V. Sampling variability of liver fibrosis in chronic hepatitis C. Hepatology 2003;38:1449 1457.

Fibrotests Precision : F2 = 0,78-0,85 / F4 = 0,89-0,92 Elastographie : la fibrose modifie l élasticité Il faut quantifier l élasticité pour pouvoir être comparatif

FOIE Friedrich-Rust, J Viral Hepat 2013 Ferraioli, Hepatology 2012 Friedrich-Rust, Gastroenterol 2008 Fraquelli, Gut 2007 Réalisation Avantages Inconvénients FibroScan En décubitus dorsal, bras droit levé A travers un espace intercostal 10 mesures Rapide, indolore Résultat immédiat Excellente reproductibilité (ICC 0,98) Bonne performance Validé Echec si ascite Echec +/- si obèse (nouvelle sonde spécifique) Absence de guidage échographique -Ciblage aléatoire -Absence d étude morphologique du foie Analyse que du foie Droit Courbe d apprentissage Profondeur de la mesure imposée Valeurs F0-F1 F2 F3 F4 Performances 5,6 6,4 9,1 19,8 Corrélation valeur au FS et stade de fibrose Précision dg > aux tests non invasifs F2 F3 F4 AUROC 0,82-0,84 0,88 0,94

FOIE Réalisation Avantages Inconvénients Valeurs (m/s) mediane (moy±sd) ARFI SW En décubitus dorsal, bras droit levé ROI à 2cm de la capsule et à distance des vaisseaux,à une profondeur max de 8 cm En apnée douce 10 mesures dans le foie droit Rapide, indolore, facile Bonne reproductibilité (ICC 0,9 pour intra/0,81 pour inter) Contrôle visuel Choix de la profondeur Bonne performance Analyse morpho associée Pas de mesure en temps réel, 1 acquisition à la fois Pas de possibilité de mesure rétrospectivement Taille de la zone de mesure imposée Mesure uniquement de la valeur moyenne Pas de critères de qualité Friedrich-Rust, J Viral Hepat 2013 Friedrich-Rust, J Viral Hepat 2012 Sporea, World J Radiol 2011 Rizzo, AM j Gastroenterol 2011 F0 F1 F2 F3 F4 1,10(1,10±0,15) 1,14(1,19±0,31) 1,23(1,20±0,21) 1,60(1,63±0,35) 1,75(2,02±0,51) Performances (toutes causes / VHC) F2 F3 F4 AUROC 0,87 / 0,893 0,91 / 0,908 0,93 / 0,937 Seuil kpa 0,87 / 1,33 0,91 / 1,43 0,93 / 1,55 Performance = fibroscan (parfois retrouvé < pour les stades F2

FOIE Réalisation Avantages Inconvénients SWE SSI En décubitus dorsal, bras droit levé ROI à 1cm de la capsule et à distance des vaisseaux En apnée douce Attendre 2-3 secondes pour la stabilisation du signal Rapide, indolore, facile Bonne reproductibilité (ICC 0,84-0,95 pour intra/0,88 pour inter) Résultat immédiat Contrôle visuel Choix de la profondeur Choix de la taille de la Qbox Possibilité de mesure a porstériori Analyse morpho associée Peu évaluée Ferraioli, Eur J Radiol 2012 Ferraioli, Hepatology 2012 Valeurs F0-F1 F2 F3 F4 6,2 (4,5-9.3) 7.6 (5,5-13) 10 (8,9-12) 15,6 (8-22.5) Performances F2 F3 F4 AUROC 0,92 0,98 0,98 Seuil kpa 7,1 8,7 10,4 Serait > au fibroscan

FOIE Concernant les hépatites virales, une diminution des valeurs d élasticité serait un marqueur de réponse. Mes ces résultats doivent encore être interprétés avec prudence. Enfin, les techniques d élastographie peuvent permettre de mettre en évidence une atteinte du greffon, récidive virale ou rejet après transplantation, en montrant une augmentation de l élasticité. - Atteinte du greffon (graft damage) par Fibroscan: 7,8 kpa (5,4-27,4) vs 5,3 kpa (3,1-7,4) (p<0,001) - Rejet par SSI: 12.29±8.13 kpa vs. 6.33±2.10 kpa, p<0.001 Vergniol, J Viral Hepat 2009 Ogawa, Antiviral Res 2009 SWE moy = 4,50 kpa Absence d anomalie à la biopsie SWE moy = 33,50 kpa Présence d anomalie à la biopsie Yoon, Eur Radiol 2013 Rigamonti, Liver Transpl 2012

FOIE Tumeurs la technique pourrait différencier : - Adénome et HNF - CHC et cholangiocarcinome. Ces résultats doivent cependant être confirmés. Exemples: HNF 30,5 kpa Adénome 9,4 k Pa (Guibal et al) Elasticité en Kpa (Moyenne ± SD) Adénome 9,4±4,3 Angiome 13,8±5,5 HNF 33±14,7 CHC 14,86±10 Métastases 28,8±16 Guibal, Eur Radiol 2013 Cholangiocarcinome 56,9±25,6

SEIN Toutes les techniques d élastographie ultra sonore sont applicables au sein. L application de l élastographie ultrasonore dans la pathologie mamaire est la caractérisation d une lésion détectée en mode B et repose sur le fait que les nodules malins sont plus durs.

SEIN L élastographie augmente les performances du Bi-Rads dans lequel elle va bientôt être intégrée (carte couleur uniquement). Elle ne doit pas être utilisée seule mais en complément. Son intérêt est principalement pour les lésions Bi-Rads 3 ou 4a pour lesquelles elle peut modifier la prise en charge. Elle ne présente aucun intérêt pour les lésions bénignes Bi-Rads 2 et les lésions modérément ou fortement suspectes de malignité Bi-Rads 4b ou 5. Les faux positifs sont principalement les fibroadénomes fibreux et des lésions cicatricielles. Les faux négatifs sont: cancer mucineux, cancer à stroma inflammatoire, lésion < 5 mm, lésion profonde, lésion au sein d un parenchyme mammaire de densité élevée.

SEIN Lésion ovale classifiée BI-RADS 3 en mode B (image du bas). L étude élastographique (image du haut) montre une lésion de couleur hétérogène avec une zone de dureté de contours irréguliers et une valeur maximale de 180 kpa. La biopsie a démontré un carcinome canalaire invasif de grade III. Lésion ovale classifiée BI-RADS 4a en mode B (image du bas). L étude élastographique (image du haut) montre une lésion de couleur bleu foncé homogène avec une valeur maximale de 51 kpa. Cette lésion aurait pu donc être reclassée BI-RADS 3. Berg, Radiology 2012

SEIN ARFI Cancer: Vc > 2m:s Seuil variable selon les études: 2,20-4,5 m/s Pour 3,6 m/s Se 91%, Sp = 80,6% Elastographie par onde de cisaillement SSI Cancer : E>120kPa Lésion bénigne: E<80kPa + forme ovale Seuil variable selon les études: 146-153 kpa Augmente la spécificité comparativement au mode B seul (78,5 vs 61,1%) -78,5% pour l échelle de couleur -69,4% pour la forme en élasto -77,4% avec valeurs seuils (<80 et <160kPa) A utiliser en complément du Bi-Rads (Se 100% pour l association des deux) Tozaki; Eur J Radiol 2011 Meng, Ultrasound Med Biol 2011 Barr; J Ultrasound Med 2012 Reproductibilité élevée Berg, Radiology 2012 Evans, Breast Cancer Res 2010 Tanter, Ultrasound Med Biol 2008 Athanasiou, Radiology 2010 Chang, Breast Cancer Res 2011 Evans, Br J Cancer 2012 Cosgrove, Eur Radiol 2012

Elastographie de contrainte (relative) Sensibilité : 92-97% VPN : 98% SWE Seuil 66kPa Sensibilité : 97% VPN : 99% les cancers papillaires sont durs les cancers folliculaires ne le sont pas => dépend de la proportion de cancer folliculaires (VPN 50%) Utile surtout en cas de manque d expérience Remerciements Dr Monpeyssen Pitié-Salêtière Cantisani v. Eur J Radiol 2012;81:2678-83 Veyrieres JB, Eur J Radiol 2012;81:3965-72

Cantisani, Eur J Radiol 2012 Ning Eur J Radiol 2012 Wang, Clin Imaging 2013 THYROÏDE Score d Asteria (et score Rago, proche) ES1 ES2 ES3 ES4 Lésion entièrement élastique Large portion de la lésion élastique Large portion de la lésion rigide Lésion entièrement rigide Elastographie statique Asteria, Thyroid 2008 Rago, J Clin Endocrinol Metab 2007 Couleur verte homogène Majorité de la lésion verte, avec qlq zones centrales ou périphériques vertes Majorité de la lésion bleue avec qlq zones vertes et rouges Lésion bleue de manière homogène Analyse qualitative Se = 92 (IC95 88-96), Sp = 90 (IC95 85-95) Bojunga, Thyroid 2010

THYROÏDE Exemple de carcinome papillaire, en mode B et en élastography statique: score 3 Exemple de carcinome papillaire Mode B(image du bas): nodule hypoéchogène de contours irréguliers Elasto SSI(image du haut):lésion hétérogène avec des valeurs de dureté élevées (Emoy 165,7 kpa, Emin 139,6 kpa, Emax 172,7 kpa) Kim, Eur Radiol 2013 Exemple de lymphome thyroïdien, en mode B et en élastography statique: score 4 Asteria,Thyroid 20083

REIN L utilisation des techniques d élastographie ultrasonore est complexe dans les reins. La dureté du tissu rénale est fonction: De la présence de fibrose; De la vascularisation; De l anistropie (et donc de la direction de l émission du faisceau US / à celle des structures rénales); De la présence d une hydronéphrose. Peu d étude ont rapporté des valeurs d élasticité normale: 5.0 ± 2.9 kpa pour le cortex renal, 23.6 ± 5.4 kpa pour le bassinet (Arda K, AJR 2011) (technique SSI) Arda, AJR 2011 Les deux applications de l élastographie sont: La mesure de la fibrose intra-rénale; La caractérisation des tumeurs rénales.

Rein TECHNIQUES APPLICABLES TECHNIQUES NON APPLICABLES Les système d élastographie ultrasonore de type ARFI et SWI Mesure effectuée dans la suite de l examen en mode B, avec la sonde convexe. Leurs reproductibilités sont évaluées à: 22-24% pour le système ARFI; 12-20% pour le système SWI (de SSI). Techniques d élastographie statique en raison : de la topographie profonde des reins; et de l impossibilité de comparer à du tissu rénal normal dans le cadre de l étude des pathologies diffuses. Le système Fibroscan (pour les reins natifs) en raison: du caractère aléatoire du positionnement de la sonde du fait de l absence de système de guidage échographique. Syversveen, Transpl Int 2011 Grenier, Eur radiol 2012

REIN La caractérisation des lésions tumorales rénales est une question diagnostiques fréquentes. Deux études ont regardé l apport de l élastographie: La 1 ère rapporte une série de 15 cas (2 pseudo-tumeurs, 2 kystes hémorragiques, 8 carcinomes à cellules claires, 1 carcinome à cellules chromophobes, 2 carcinomes tubulo-papillaires), étudiés par la technique ARFI, avec des valeurs entre 1,61 et 3,97 m/s, sans distinction entre les différents types; La seconde a comparé les patterns des cartes de déformation (strain imaging) et les ratios avec le parenchyme adjacent entre 28 angiomyolipomes et 19 carcinomes à cellules claires, et retrouvent une différence entre les 2 groupes (p<0,001). Clevert, Clin Hemorheol Microcirc 2009 Tan, AJR 2013

REIN Exemple de carcinome à cellules claires: la lésion est dure (bleue) Exemple d angiomyolipome: la lésion est plus molles (verte) Tan, AJR 2013

Est-ce que l élastographie 2D améliore la visibilité des petits cancers en échographie? Permettre un diagnostic sans IRM Faciliter les biopsies Elastographie par contrainte Elastographie par SWE Améliorent la détection des cancers et la réussite des biopsies Mais très variable Pas de bénéfice par rapport aux biopsies randomisées Plus simple Pas de courbe d apprentissage Si valeur seuil 37 kpa Sensiblité :63-89% VPN : 91-99% Plus reproductible (quantitatif)

Etude hôpital necker/ chez 184 hommes SWE faisable chez tous les patients Si valeur seuil 37 kpa Sensiblité : 89% Vpn : 99% Information additionnelle pour caractérisation d une zone/nodule détecté en irm ou en us Détection d un nodule isoéchogène dur biopsies guidées sur l élastographie P < 0.002

Remerçiements Pr JM Correas, Necker

Anapath: inflammation sauf pour le nodule biopsié => ADK 8 mm Gleason 7 Remerçiements Pr JM Correas, Necker

CONCLUSION 1. L élastographie permet de quantifier la fibrose et la stéatose hépatique. 2. La caractérisation des lésions hépatiques par élastographie est encore très limitée. 3. L élastographie doit être utilisée en complément du score Bi Rads pour la caractérisation des lésions mammaires. 4. L élastographie doit être utilisée en complément du mode B pour la caractérisation des lésions thyroïdiennes. 5. L élastographie est complexe dans la pathologie rénale en raison de différentes contraintes (profondeur des reins, anisotropie,..). 6. L élastographie dans la prostate peut être utilisé pour caractériser une anomalie échographique et guider les biopsies.