간의 섬유화를 간편하고 정확하게 측정하는 Ultrasound shear wave elastography (SWE)

간섬유화를 간편하고 정확히 알 수 있는 Ultrasound shear wave elastography 에 대한 내용입니다.

비만인 인구가 늘어나면서 비알코올성 지방간도 많아졌습니다. 단순 지방간이라도 제대로 관리하지 않으면 10~30% 정도는 지방간염 (NASH) 으로 발전하고, 지방간염이 생기면 5년내로 5~10% 의 확률로 간경화로 진행 할 수 있습니다. 간경화로 진행하면 아무리 관리를 잘한다고 해도 원래 건강한 간으로 되돌아 갈 수 없으며, 3년 이내에 1/8 의 확률로 간암이 생깁니다. 따라서 지방간염을 정확히 진단하고 간의 섬유화 정도를 평가하는 것이 중요합니다.

예전에는 간섬유화의 정도를 보기위해 간 조직검사를 해야만 했으나, 최근 조직검사를 하지 않고도 비침습적인 방법으로 간단히 간섬유화 정도를 유추할 수 있는 다양한 방법들이 개발되었습니다. 그 중 하나가 초음파를 이용한 shear wave elastography (= dynamic elastography) 입니다.

Table of contents

간섬유화의 5단계 (METAVIR scoring system)

shear wave elastography — https://radiologykey.com/introduction-57/

F0 (no fibrosis)
F1 (mild fibrosis, portal fibrosis without septa)
F2 (significant fibrosis, portal fibrosis with few septa)
F3 (severe fibrosis, numerous septa without cirrhosis)
F4 (cirrhosis)

NAFLD fibrosis score & FIB-4 score

참고자료 : FIB-4 계산기

Ultrasound shear wave elastography

(1) transient elastography (TE)
- 간의 stiffness 를 평가하기 위해 피부 표면에서 기계적으로 만들어진 shear wave 의 속도를 측정하는 방식입니다. 간경화와 간섬유화를 평가하는데 괜찮은 도구지만, 비만인 환자에서 측정값이 정확하지 않다는 큰 단점을 가졌습니다. 지방이 많기 때문에 초음파와 elastic wave 를 감쇄시키기 때문입니다.
(2) point shear wave elastography (pSWE)
(3) two-dimensional shear wave elastography (2D-SWE)

Two-dimensional shear wave elastography (2D-SWE)

처음 2005년 소개된 장치 (Aixplorer (SuperSonic Imagine, Aix-en-Provence, France))로 현재는 기존의 초음파 기계에 탑재하여 사용할 수 있습니다.

Tissue 에서 생성된 shear wave 의 전파속도를 측정하여 간의 섬유화 정도를 추정합니다. 간의 섬유화 정도는 초음파 펄스로 생성된 shear wave 에 의해 실시간으로 평가되는데, 해부학적인 구조를 알 수 있는 초음파 영상을 동시에 확인이 가능합니다.

Shear waves 는 조직 (elastic medium) 에 periodic directional force 를 가할 때 생성되는 transverse wave 입니다. ‘Shear’ 는 부피의 변화 없이 발생하는 substance layer 의 모양 변화로 정의됩니다. 이는 한 쌍의 똑같은 힘이 layer의 마주보는 면을 따라 반대 방향으로 작용할 때 발생합니다. shear interaction 이 후 처음 layer 는 인접한 layer들이 shear 되는 동안 원래 모양으로 되돌아갈 것입니다. 그러면서 transverse wave 의 형태로 shear wave 는 퍼져갈 것입니다.

초음파 프로브에서 나오는 focused radiation force 로 인해 shear wave 가 생성되는데, 이 자체로 조직에서 local stress 와 local displacement 를 만들어냅니다. 만들어진 shear wave 는 인접한 조직의 transverse 면으로, primary wave 의 수직방향으로, 훨씬 더 느린 속도로 전파되어 갑니다.

Fast plane wave exitation 은 tissue displacement 와 shear wave velocities (shear wave 가 전파되는 속도) 를 추적하는데 사용됩니다.

focused ultrasound 에 의해 생성된 shear waves 는 생성된 위치의 간의 stiffness 와 직접적인 관련이 있습니다. 이 shear waves 는 체표면에서 생성된 것이 아니라 간 실질의 ROI (region of interest) 근처에서 생성된 것입니다. 초음파 프로브는 국소적인 ROI 깊은 곳에서부터 localized radiation force 를 만들어 이 지점에서 전파되는 shear wave 를 유도해 냅니다.

Basic physics of SWE

Step 1 : shear waves are generated using acoustic radiation force; they propagate perpendicularly to the primary US wave at a lower velocity.
Step 2 : fast plane wave excitation is used to track displacement and velocity as shear waves propagate, and tissue displacement is calculated using a speckle tracking algorithm.
Step 3 : tissue displacements are used to calculate shearwave velocity (Cs) and shear modulus

shear wave 의 속도를 측정하여 조직의 stiffness 를 평가하는데, m/s 단위로 표시하거나 Young’s modulus kilopascals (kPa) 로 표시합니다.

Tissue displacement map 은 shear wave velocity (Cs) 를 계산하는데 사용되며, 이는 주로 m/s 로 표현됩니다. shear wave velocities 의 각 pixel 은 shear modulus (G) 와 직접 연결됩니다. 단순한 계산 공식으로 산출하며, tissue stiffness 와 elasticity 를 Pressure 단위 (kPa) 로 표시합니다. (공식은 아래와 같으며, p 는 materal densitiy 를 의미합니다.)

아래 사진은 2D-SWE 의 예시입니다. 붉은색과 파란색은 각각 조직의 단단함과 부드러움을 나타내는 색깔입니다. 실시간으로 초음파의 B-mode 이미지 위에 color map 을 표시할 수 있습니다. ROI (regions of interest 또는 Q-box) 에서 측정됩니다. ROI는 간 우엽에서 캡슐로부터 1.5cm ~ 2cm 아래에 위치해야 합니다.