L ÉLASTOGRAPHIE ULTRASONORE

L’ÉLASTOGRAPHIE ULTRASONOREMATHILDE WAGNER, OLIVIER LUCIDARME

1 SERVICE DE RADIOLOGIE DIAGNOSTIQUE ET ONCOLOGIQUE

HÔPITAUX UNIVERSITAIRES PITIÉ-SALPÊTRIÈRE – CHARLES FOIX2 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


• 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.

Module de Young

E = S/e

E : dureté

S : contrainte externe

e : déformation

s

déformation e

contrainte S

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.

LL-DL

DL

durdur

moumou

Une structure molle se déplace et

se déforme; une structure très

rigide se déplace seulement.

ELASTOGRAPHIE QUALITATIVE

(élasticité relative)

Variabilité +++F/a

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

• Esaote: ElaXto

Sonde USContrainte

Tissu rigide

Tissu mou

élastogramme

CISAILLEMENT

• Les différentes techniques d’élastographie ultrasonore par cisaillement ne mesurent pas directement

la dureté mais la vitesse Vc de propagation des ondes de cisaillement.

• La vitesse Vc de propagation des ondes de cisaillement est relié au module de cisaillement μ (shear):

• Le module de cisaillement μ est lui même relié au module élastique E:

• La mesure de la vitesse Vc 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/mm3.

Module de cisaillement μ = ρVc

2

avec ρ = densité du milieu

E = 3μ

ELASTOGRAPHIE US

QUASI STATIQUE IMPLUSIONNELLE

Contrainte continue au milieu Excitation par une impulsion

Tissu élastographie en

temps réel

(strain imaging)

Ultrasonore Mécanique

QUALITATIVE

QUANTITATIVE (E en kPa)

Accoustic radiation

force imaging (ARFI)

Shear wave

elastography (SWE)

Transient

élastographie

Il existe plusieurs méthodes d’élastographie ultra sonore.

Estimation du déplacement -> strain e connu mais

contrainte S non connue -> E indéterminé -> élasticité

relative (soft/hard) Estimation de la vitesse de cisaillement -> m -> E


ELASTOGRAPHIE IMPULSIONNELLE ULTRASONORE MÉCANIQUE : TRANSIENT ELASTOGRAPHY

• Il s’agit de la technique utilisée par FibroScanTM (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.

ELASTOGRAPHIE QUANTITATIVE

Sonde

Vibreur

Onde de

cisaillement

ROI

Transducteur

Peau

chu-rouen.f

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 = 3ρVc2

ELASTOGRAPHIE QUANTITATIVEsonde

Impulsion US

Onde de

compression

Etape 1:

impulsion USEtape 2:

imagerie ultra-rapide

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

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.

ng

uye

nth

ien

hu

ng

.co

m

Elastographie Quasi-Statique Dynamique

Méthode Strain imaging TE

Transient Elasto.

ARFI Ultra-fast

Shear Wave

Elastography

Mode d’excitation Mécanique

(compression

externe) ou

Physiologique

Mécanique

(impulsion par

vibreur externe)

Ultrasonore

(Force de

radiation)

Ultrasonore

(Force de

radiation)

Application de la

force

Surface ou

Structure Interne

Surface Différentes

profondeurs

Un seul point

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 opérateur-

dépendant

Applicable surtout aux

organes superficiels

Méthode qualitative

Dynamique

TE

Transient ElastoMéthode quantitative

Méthode validée ++

(fibrose hépatique)

Facile

Limites si surpoids, ascite

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

preventionnotacure.blogspot.frintechopen.com


http://www.apcd.infohttp://www.bio.ri.ccf.org


Surveillance annuelle de la progression de la fibrose

Echographie tous les 6 moisTraitement anti viraux

http://www.apcd.infohttp://www.bio.ri.ccf.org

• 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

• Imagerie?

• Plutôt bonne pour repérer les F4 (cirrhoses)

• Pas bonne pour les stades F1-F3

hepatoweb.com/informationbiopsiedufoie

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

FibroScan

Réalisation En décubitus dorsal, bras droit levé

A travers un espace intercostal

10 mesures

Avantages Rapide, indolore

Résultat immédiat

Excellente reproductibilité (ICC 0,98)

Bonne performance

Validé

Inconvénients 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

5,6 6,4 9,1 19,8

Performances 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

Friedrich-Rust, J Viral Hepat 2013

Ferraioli, Hepatology 2012

Friedrich-Rust, Gastroenterol 2008

Fraquelli, Gut 2007

FOIE

ARFI SW


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

Avantages 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

Inconvénients 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

Valeurs (m/s)

mediane (moy±SD)

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



Sporea, World J Radiol 2011

Rizzo, AM j Gastroenterol 2011

FOIE

SWE SSI


ROI à 1cm de la capsule et à distance des vaisseaux

En apnée douce

Attendre 2-3 secondes pour la stabilisation du signal

Avantages 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

Inconvénients Peu évaluée

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

Ferraioli, Eur J Radiol 2012

Ferraioli, Hepatology 2012

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

Yoon, Eur Radiol 2013

Rigamonti, Liver Transpl 2012

SWEmoy = 4,50 kPa

Absence d’anomalie à la biopsie

SWEmoy = 33,50 kPa

Présence d’anomalie à la biopsie(Yoon et al)

FOIE

• Tumeurs

• la technique pourrait différencier :

- Adénome et HNF

- CHC et cholangiocarcinome.

• Ces résultats doivent cependant

être confirmés.

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

Cholangiocarcinome 56,9±25,6

Exemples:

HNF 30,5 kPa

Adénome

9,4 k Pa (Guibal et al)

Guibal, Eur Radiol 2013

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

Elastographie par onde de cisaillement

ARFI SSI

Cancer: Vc > 2m:s Cancer : E>120kPa

Lésion bénigne: E<80kPa + forme ovale

Seuil variable selon les études:

2,20 -4,5 m/s

Seuil variable selon les études: 146-153 kPa

Pour 3,6 m/s

Se 91%, Sp = 80,6%

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)

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

Tozaki; Eur J Radiol 2011

Meng, Ultrasound Med Biol 2011

Barr; J Ultrasound Med 2012

Elastographie de contrainte

(relative)

• Sensibilité : 92-97%

• VPN : 98%

SWE

• Seuil 66kPa

• Sensibilité : 97%

• VPN : 99%

Cantisani v. Eur J Radiol 2012;81:2678-83

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

Veyrieres JB, Eur J Radiol 2012;81:3965-72

THYROÏDE

Elastographie statique

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

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

Asteria, Thyroid 2008

Rago, J Clin Endocrinol Metab 2007

Cantisani, Eur J Radiol 2012

Ning Eur J Radiol 2012

Wang, Clin Imaging 2013

THYROÏDE

Kim, Eur Radiol 2013

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)

Exemple de carcinome papillaire, en

mode B et en élastography statique:

score 3

Exemple de lymphome thyroïdien, en

mode B et en élastography statique:

score 4Asteria,Thyroid 20083

REIN

• L’utilisation des techniques d’élastographie ultrasonore est complexe dans les

reins.

• Les deux applications de l’élastographie sont:

– La mesure de la fibrose intra-rénale;

– La caractérisation des tumeurs rénales.

• 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 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.

ReinTECHNIQUES APPLICABLES TECHNIQUES NON APPLICABLES

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 1ère 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

Tan, AJR 2013

Exemple de

carcinome à

cellules claires:

la lésion est dure

(bleue)

Exemple

d’angiomyolipome:

la lésion est plus

molles (verte)

• 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

• Améliorent la détection des cancers et la réussite des biopsies

• Mais très variable

• Pas de bénéfice par rapport

aux biopsies randomisées

Elastographie par SWE

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.

Documents

L ÉLASTOGRAPHIE ULTRASONORE