پزشکی بالینی

الا‌ستوگرافي؛ تصوير ريز به ريز و غير تهاجمي

خاصيت الاستيك،  ويژگي فيزيكي بسيار مهمي از مواد جامد است؛ در حوزه كاربرد باليني، از خاصيت الاستيك بافت در چند مورد تست فيزيكي مانند تست لمس ( Palpation) و دق (Percussion ) استفاده مي‌شود. خواص الاستيك بافت‌هاي نرم به بلوك هاي ملكولي سازنده آن‌ها و تشكيلات ساختاري ماكروسكوپي و ميكروسكوپي اين بلوك ها بستگي دارد. تغييرات در بافت (آسيب هاي بافتي) عموما با تغييرات در ميزان سفتي (stiffness) بافت همراه هستند؛ براي نمونه بسياري از سرطان‌ها مانند سرطان سينه به صورت نواحي بسيار سفت در بافت نرم ظاهر مي شوند. از اين‌رو تفاوت در الاستيسيته مي تواند تشخيص تومورها و تشخيص ميزان پيشرفت آن‌ها را تسهيل كند؛ براي نمونه تكنيك لمس،كه درآن اعمال فشار بر سطح بافت نرم به منظور احساس حالات غيرطبيعي دربافت صورت مي گيرد، ابزار تشخيص متداولي است كه مبتني بر اختلاف در الاستيسيته يك ضايعه بافتي و محيط در بردارنده آن است. اين تكنيك درطول صدها سال استفاده شده است و اولين ابزارتشخيص برخي بيماري ها است. ازنمونه كاربردهاي اين تكنيك مي توان به تست سينه به منظور تشخيص توده هاي احتمالي در سينه  يا تست ديجيتال ركتال به منظور تشخيص سرطان پروستات اشاره كرد. تشخيص بيماري ها با استفاده از اين تكنيك وابسته به فرد و تجربيات فرد است و همچنين اين تكنيك تشخيص، حساسيتي نسبت به حالات غيرطبيعي كوچك كه درسطوح زيرين پوست و در اعماق بافت ها قرار دارند، ندارد.

به منظور اندازه گيري خاصيت الاستيك يك بافت با استفاده از تكنيك هاي متداول اندازه گيري لازم است كه قسمتي از بافت موردنظر از بدن خارج شود؛ خاصيت الاستيك بافت موردنظر با اندازه گيري مقدار تغييرشكل بافت در اثر اعمال نيروهاي خارجي مشخص بر آن محاسبه مي‌شود. ازاين‌رو اندازه گيري الاستيسيته يا ميزان سفتي بافت، كه شاخصي بسيارمهم از خاصيت الاستيك بافت و شاخصي كمي در تشخيص بيماري هاي مختلف است، درحالتي كه بافت در داخل بدن در محل طبيعي خود (in   vivo   and   in situ) قراردارد، با استفاده از تكنيك هاي تصوير برداري موجود امكان پذير نيست. 

تكنيك جديد تصويربرداري كه الاستوگرافي تشديد مغناطيسي  Magnetic Resonance Elastography) MRE‌) ناميده مي‌شود، توسط Muthipillai و همكارانش درسال 1995 در كلينيك Mayo با هدف اندازه گيري غير تهاجمي و غيرمخرب الاستيسيته بافت انساني با استفاده از تكنيك تصويربرداري تشديد مغناطيسي MRI ‌مطرح شد. تحقيقات و مطالعات انجام گرفته در طول يك دهه گذشته در زمينه اين تكنيك برتوانايي وكارايي آن در تعيين مقاديركمي از خواص مكانيكي ارگان ها، بافت ها، سلول ها و بيو مواد دلالت دارد.    
تخمين الاستيسيته يك محيط در پروسه الاستوگرافي كه توسط Ophir وهمكارانش در سال 1991 مطرح شد، در سه مرحله صورت مي گيرد: (1) اعمال فشار مكانيكي ثابت static)) ‌يا متناوب  (cyclic) مشخص بر بافت؛ (2) اندازه گيري ميزان تغييرشكل ايجادشده در محيط در پاسخ به فشاراعمال شده بر بافت؛ (3)محاسبه ضرايب الاستيك محيط از روي مقادير به دست آمده از اندازه گيري ميزان تغييرشكل بافت. درتكنيك الاستوگرافي تشديد مغناطيسي ازامواج صوتي عرضي هارمونيك با فركانس كم (در محدوده فركانسي بين Hz  10-1/1) به عنوان منبع فشار مكانيكي خارجي استفاده مي شود. در اثرانتشار اين امواج صوتي در بافت جابجايي هاي متناوب كوچكي ( در حدود چندده ميكرون ) در بافت ايجاد مي شود. از آنجا كه به منظور ايجاد تغييرشكل در بافت از امواج مكانيكي استفاده مي شود، ضرايب الاستيك محلي به سادگي قابل محاسبه هستند؛ اين ضرايب محلي به طور مستقيم از روي طول موج محلي و بدون نياز به تخمين توزيع استرس ثابت محلي محاسبه مي‌شوند.
مشخصه پايه الاستيسيته توسط قانون هوك( Hooke's law) توصيف مي‌شود. براساس اين قانون ميزان كشيدگي يك فنرمتناسب با نيروي اعمال شده بر آن است؛ به عبارت ديگر قانون هوك به صورت زير توصيف مي‌شود:           
                                                             

در اين رابطهf نيروي اعمال شده بر فنر،Xميزان كشيدگي فنر وk ثابت فنر را نشان مي‌دهند. جسم مكعب شكل الاستيك با ارتفاعl ، همانگونه كه در شكل (1)، مكعب سمت چپ، نشان داده شده است، به جاي فنر در نظر گرفته مي شود. وقتي اين جسم توسط نيرويFn بر واحد سطح، كه استرس (stress) ناميده مي شود، متراكم مي‌شود، ارتفاع جسم به ميزان dكاهش مي يابد. در صورتي كه ميزان استرين strain) ،Sn) كه با رابطه Sn=d/L تعريف مي‌شود، جزئي باشد، رابطه بين استرس و استرين از قانون هوك تبعيت مي‌كند:

                                                        
در اين رابطه ثابت تناسبيE ضريب يانگ( Young's modulus) ناميده مي شود. اين ثابت يكي از ثابت‌هاي الاستيك جسم و مشخصه‌اي از ميزان سفتي آن است.
 ثابت الاستيك مهم ديگرسختي (rigidity)،كه ضريب برشي(shear modulus) نيز ناميده مي شود، است. اين ضريب ميزان تغييرشكل يك جسم را تحت نيرويي كه درجهتي موازي با سطح جسم بر آن اعمال مي شود، نشان مي دهد. جسم مكعب شكل الاستيك با ارتفاعH، همانگونه كه در شكل (1)، مكعب سمت راست، نشان داده شده است، در نظر گرفته مي شود.

وقتي نيرويي موازي با سطح فوقاني جسم بر آن اعمال مي شود، موقعيت سطح فوقاني جسم به ميزانd تغيير مي كند. در اين حالت رابطه بين استرس برشي،Fs و استرين برشي،S S، كه با رابطه Ss=d/H تعريف مي‌شود، از قانون هوك تبعيت مي‌كند: 
 

                                                        
در اين رابطه ثابت تناسبG  ضريب برشي ناميده مي شود.
ضريب كشيدگي (bulk modulus،K)  و نسبت پويسون (Poisson's ratio) نيز ثابت هاي الاستيك ديگري از جسم هستند. اين دو ثابت توصيف كننده الاستيسيته مرتبط با تراكم اعمال شده و استرين سه بعدي جسم هستند. فقط دو ضريب از ضرايبي كه تاكنون تعريف شد، مستقل هستند؛ از اين‌رو با دانستن مقدار هردو ثابت الاستيك، دو ثابت الاستيك ديگر مي‌توانند محاسبه شوند؛ براي نمونه روابط بين ضريب كشيدگي،K، و نسبت پويسون،، با ضريب يانگ،E، و ضريب برشي،G، با معادلات زير خلاصه مي‌شوند:         

درتكنيك الاستوگرافي تشديد مغناطيسي ضريب برشي و ضريب يانگ از روي برخي پارامترهاي امواجي كه جسم را از خارج دچار ارتعاش مي سازند، محاسبه مي‌شوند.
اعمال ارتعاشات متعدد بر جسم باعث مي شود كه امواج استرين صوتي درجسم ايجاد شود؛ اين امواج به سمت قسمت هاي داخلي جسم پيش مي روند. دو نوع امواج استرين صوتي وجود داردكه با نام هاي امواج طولي (longitudinal wave) و امواج عرضي (transverse wave ) شناخته مي شوند. در شكل 2 انتشار موج استرين در يك جسم الاستيك نشان داده شده است.
هنگامي كه استرس هاي برشي به سطح فوقاني يك ماده سخت و مقاوم مانند فولاد اعمال مي شوند، استرين هاي برشي به سرعت به سمت قسمت تحتاني جسم انتشار مي يابند. اگرنوسانات استرس هاي برشي فركانس ثابتي داشته باشد، امواج استرين به سرعت به سمت قسمت تحتاني جسم سير مي كنند(همانگونه كه در شكل 2، مكعب سمت چپ، نشان داده شده است.) به عبارت ديگر در اين حالت موج استرين طول بزرگي داشته و فاز آن در قسمت تحتاني و قسمت فوقاني جسم تقريبا يكسان است. از طرف ديگراسترس هاي برشي در يك ماده نرم مانند لاستيك به تدريج به سمت قسمت تحتاني جسم انتشار مي يابند. برخلاف حالت قبل، در اين حالت سرعت امواج استرين كم است؛ طول موج آن‌ها كوتاه است وامواج با يك حركت متناوب در جسم سير مي كنند؛ همانگونه كه در شكل 2، مكعب سمت راست، نشان داده شده است. ويژگي هاي ذكرشده در مورد امواج طولي نيز صادق است با اين تفاوت كه سرعت انتشار اين امواج در جسم بسيار بيشتر است.
روابط زير بين سرعت انتشار امواج استرين صوتي و ثابت هاي الاستيك برقرار است:
                                           

در اين رابطه و به ترتيب سرعت هاي امواج عرضي و طولي، Eضريب يانگ، Gضريب برشي وpچگالي ماده است. رابطه سرعت طولي برحسب دو ثابت الاستيك ضريب كشيدگي،K، وضريب برشي،G، به صورت زير است: 
                                       
                  

مقايسه دو رابطه (6) و (8) نيز سرعت بالا ترامواج طولي را در مقايسه با امواج عرضي تاييد مي‌كند.
از آنجا كه بين سرعت موج،V، فركانس نوسانات،F، و طول موج،، رابطه  برقرار است، روابط (6) و(7) مي توانند به صورت روابط 10و9 نيز بيان شوند: 
                                                              

در اين روابط  ،  به ترتيب فركانس و طول موج امواج عرضي و طولي را نشان مي دهند.
در تكنيك الاستوگرافي تشديد مغناطيسي ارتعاشات خارجي در يك فركانس مشخص بر ماده اعمال مي شود. امواج استرين صوتي ايجاد شده در نتيجه ارتعاشات به كمك تكنيك تصويربرداري تشديد مغناطيسي تصوير مي‌شوند. پس از اندازه گيري طول موج از روي تصاوير، ضريب برشي و ضريب يانگ با استفاده از معادلات (9) و (10) محاسبه مي شوند. لازم است كه چگالي ماده نيز به منظور دستيابي به مقادير دقيق از اين ضرايب اندازه گيري شود؛ البته در صورت استفاده از بافت انسان مقدار چگالي آن مي‌توانديك در نظر گرفته شود.
هنگامي كه وقتي سطح يك ماده با فركانس مشخصي مرتعش مي‌شود، امواج استرين در ماده انتشار مي يابند؛ در نتيجه هر ذره در ماده شروع به نوسان در ابعاد ميكرون خواهدكرد.
 تصويربرداري تشديد مغناطيسي حساسيت لازم را نسبت به اين حركت ها در ابعاد ميكرون دارا ست.
در ادامه به كاربردهاي تكنيك الاستوگرافي تشديد مغناطيسي به طوراجمالي اشاره مي شود؛ استفاده از تكنيك الاستوگرافي تشديد مغناطيسي به منظور توليد تصاوير كمي از خواص مكانيكي بيو مواد، ساختارهاي مصنوعي شبيه بافت، نمونه هاي بافت در خارج از بدن و بافت‌ها و ارگان‌هاي داخلي بدن حيوانات و انسان‌ها تا‌كنون با موفقيت همراه بوده است.
اين تكنيك تصويربرداري مي تواند امواج برشي صوتي با دامنه هاي جابجايي كمتراز 100 نانومتر در بافت ها را تصوير كند. نتايج اندازه گيري ضريب برشي نمونه‌هاي ژلاتيني شبيه سازي شده از بافت منطبق بر نتايج آزمايش هاي مكانيكي مستقل بر روي نمونه‌ها هستند.
نتايج تحقيقات نشان داده است كه اين تكنيك مي تواند خواص مكانيكي ساختارهاي مصنوعي شبيه بافت را به صورت كمي مورد ارزيابي قراردهد. همچنين با استفاده از اين تكنيك محققان مي توانند رفتارو تغييرات به وجودآمده در سلول هاي اين بافت ها را به صورت غير تهاجمي مورد مطالعه قرار دهند.  

شکل 3) (a) تصویر الاستوگرافی تشدید مغناطیسی به دست آمده از یک داوطلب با کبد سالم و (b) الاستوگرام به دست آمده از یک داوطلب با بیماری فیروز کبدی را نشان می‌دهد.

استفاده از اين تكنيك به منظور مطالعه نمونه هاي ارگان ها و بافت ها الاستوگرام ها، تصاوير الاستوگرافي، را كه خواص مكانيكي بافت هاي مغز، عضله، تيروئيد، سينه، قلب، ديواره آئورت، ريه، طحال، لوزالمعده، كليه، كبد، چشم، چربي و ساير بافت ها را نمايش مي‌دهند، در اختيار محققان قرار داده است. مطالعه نمونه هاي آسيب ديده از بافت هاي بدن قابليت اين تكنيك در تشخيص ضايعات بافتي در بافت هاي سينه و پروستات را نشان مي دهد.  
اولين كاربرد باليني تكنيك الاستوگرافي تشديد مغناطيسي كه در نتيجه تحقيقات انجام شده اطلاعات جامع در مورد آن وجود دارد، بررسي بيماري كبد است. بيماري مزمن كبد بيماري خطرناك با شيوع جهاني است و فيبروزكبدي (تشكيل بافت ليفي در كبد)  مهم ترين پيامد آن است؛ درصورتي كه اين بيماري تشخيص داده نشده يا درمان نشود، به بيماري سيروز كبدي (التهاب يك عضو به‌خصوص در كبد) منتهي مي شود كه آسيبي جبران ناپذير به كبد با تلفات بسيار است. تكنيكي كه هم اكنون به منظور تشخيص و تعيين ميزان پيشرفت فيبروز كبدي استفاده مي شود، بافت برداري سوزني                (needle biopsy) است و تكنيكي تهاجمي وگران است كه خطاي نمونه برداري نيز بر نتايج آن اثر مي گذارد. نتايج مطالعات باليني بسيار نشان داده است كه تكنيك الاستوگرافي تشديد مغناطيسي شيوه اي دقيق در تشخيص فيبروز كبدي است؛ در اين كاربرد به طور معمول از امواج برشي كه فركانسي در محدوده Hz90-40 دارند، استفاده مي شود. ميزان سفتي كبد كه متناسب با ميزان پيشرفت فيبروز كبدي افزايش مي يابد، در الاستوگرام به طور كمي نشان داده مي شود. نتايج بررسي هاي تجربي در سال هاي اخير نشان مي دهد كه اين تكنيك حساسيت sensitivity) 98) درصد و تشخيص specificity) 99) درصد در تشخيص فيبروز كبدي دارد و مي تواند بيماران با فيبروز متوسط و شديد را از بيماران با فيبروز خفيف با حساسيت 86 درصد و تشخص 85 درصد از يكديگر تفكيك كند. همچنين اين نتايج بر امكان استفاده از تكنيك الاستوگرافي تشديد مغناطيسي در تعيين ويژگي هاي ضايعات موضعي كبد دلالت دارد. اين نتايج نشان مي دهندكه توده هاي موضعي خوش خيم كبد مانند همانژيوم غاري، آدنوم كبدي و هيپرپلازي گرهي موضعي معمولا مقادير سفتي در حدود kPa3 دارند كه كمي بيشتر از مقدار سفتي بافت اصلي طبيعي كبد است؛ در حالي كه توده هاي موضعي بدخيم كبد مانند كارسينوم ياخته كبدي، متاستاز وكارسينوم مجراي صفراوي بسيار سفت تر از بافت اصلي كبد هستند. اين ويژگي امكان تفكيك ضايعات موضعي خوش خيم و بدخيم كبد را با دقت بالا فراهم مي آورد. 

شکل 4) (a) بخشی از مغز که تصویر الاستوگرافی تشدید مغناطیسی از آن به دست آمده است و  (b) مدل تغییرات الاستیسیته (ردیف فوقانی) و ویسکوسیته (ردیف تحتانی) از بخش مشخص شده از مغز یک داوطلب در دو فرکانس تحریک 25HZ و 50HZ را نشان می‌دهد. محدوده مقیاس خاکستری تصاویر برای الاستیسیته برشی Kpa 0-4 و برای ویسکوسیته برشی Kpa 0-1 است.

مطالعات انجام گرفته بر روي مغز داوطلبان با استفاده از تكنيك الاستوگرافي تشديد مغناطيسي تصاوير كمي از الاستيسيته مغز را در اختيار محققان قرار داده است؛ اين تصاوير براي نمونه نشان مي دهند كه ماده سفيد مغز ضريب برشي بزرگ‌تري نسبت به ماده خاكستري آن دارد. نتايج تحقيقات بر روي مغز انسان نشان داده است كه اين تكنيك قابليت تصوير كردن كمي خواص مكانيكي مواد خاكستري و سفيد مغز را دارد و در نتيجه مي تواند به عنوان ابزار جديدي در تعيين خواص، تشخيص و مدل كردن مكانيكي تغييرات و آسيب‌هاي مغزي مانند ازدياد غيرعادي مايع مغزي-نخاعي در مغز استفاده شود. همچنين مطالعات نشان داده است كه نمونه اي تغيير يافته از اين تكنيك كه در آن از ضربه هاي مكانيكي استفاده مي‌شود،امكان تصويركردن پوياي استرين هاي درسطح ميكرون را درزماني كه امواج ناپايدار مكانيكي درمغز انتشار مي يابند، فراهم مي آورد و درنتيجه شيوه مستقيمي براي مطالعه خواص بيومكانيكي زخم ها و جراحت هاي مغزي در اختيار مختصصان قرار مي دهد. در سال هاي اخير محققان به بررسي كاربردهاي اين تكنيك در مطالعه بافت هاي غير طبيعي و ناهنجار در انسان مانند تومورهاي مغزي و عضلات اسكلتي در بيماري هاي عضلاني پرداخته‌اند.
تحقيقات بر روي بيماران و داوطلبان نشان داده است كه به كمك تكنيك الاستوگرافي تشديد مغناطيسي امكان تصوير كردن آناتومي سينه طبيعي وهمچنين تشخيص وجود تومورهاي سرطاني در سينه وجود دارد؛ از اين‌رو محققان بسياري در سراسر جهان در حال ارزيابي قابليت اين تكنيك در تشخيص تومورهاي سينه و تعيين ويژگي هاي آن‌ها هستند.
به طور خلاصه مي توان گفت تكنيك الاستوگرافي تشديد مغناطيسي يك روش جديد تصويربرداري است كه از امواج صوتي عرضي هارمونيك با فركانس كم به منظور ايجاد تغيير شكل در بافت و از تكنيك تصويربرداري تشديد مغناطيسي به منظور تعيين ميزان تغيير شكل بافت و در ادامه تخمين برخي خواص مكانيكي بافت مانند سفتي استفاده مي كند؛ نتايج تحقيقاتي كه به بررسي تكنيك الاستوگرافي تشديد مغناطيسي و كاربردهاي باليني آن پرداخته اند، ثابت مي كنند كه به كمك اين تكنيك مي توان تست لمس را به صورت غير تهاجمي براي ناحيه هايي از بدن كه درسطوح زيرين پوست و در اعماق بافت ها قرار دارند و در دسترس نيستند، انجام داد، با استفاده از اين تكنيك امكان تصوير كردن غير تهاجمي خواص ويسكوالاستيك بافت ها در حالتي كه بافت در محل طبيعي خود دربدن قرار دارد، به وجود مي آيد؛ براي نمونه به كمك اين روش مي توان ضريب برشي، چسبندگي برشي و ناهمساني را كه از خاصيت ويسكوالاستيك بافت نتيجه مي شوند،  به عنوان پارامترهاي توصيفي جديد بافت اندازه گيري كرد.  به كمك اين شيوه مي توان برخي بيماري ها مانند فيبروز كبدي وخوش خيم و بدخيم بودن ضايعات و آسيب هاي بافتي را بدون نياز به بافت برداري به صورتي ايمن تر، ارزان تر و احتمالا با دقت بالا تر تشخيص داد؛ به علاوه به نظر مي رسد كه به كمك تكنيك الاستوگرافي تشديد مغناطيسي امكان تعيين مقادير كمي از ويژگي هاي مكانيكي انواع مختلف بافت ها، در راه رسيدن به پاسخ سوالاتي كه در حوزه بيولوژي مكانيكي ملكولي وجود دارد و همچنين گسترش حوزه مورد بررسي تجربي در علم صوت وعلم مواد فراهم مي شود.

منبع: نشریه مهندسی پزشکی شماره ۹۴