Перспективы развития эластометрического метода исследования биологических тканей при диагностике заболеваний предстательной железы

Ключевые слова: диагностика, эластометрия

Ткани организма, наряду с морфологическими и функциональными особенностями обладают рядом физических свойств, изменения которых могут отражать различные патологические процессы. Создание диагностических систем, позволяющих регистрировать характер таких изменений, считается одним из перспективных направлений развития современной диагностической техники. 

Эластометрия - новая технология в диагностике заболеваний, основанная на измерении упругости биологических тканей и позволяющая объективизировать данные, получаемые при пальпаторном исследовании. 

Основу технологии составляет экспериментально установленный закон Гука, согласно которому: сила упругости, возникающая при деформации тела, пропорциональна удлинению тела и направлена противоположно направлению перемещения частиц тела относительно других частиц при деформации. 

Таким образом: упругость – это свойство тела изменять форму и размеры под действием внешних нагрузок и восстанавливать исходную конфигурацию при снятии нагрузок.

Закон Гука описывается следующим уравнением:

                                           F_x=F_упр=–kx (1)

Где x – удлинение тела; к – коэффициент пропорциональности или жесткость. 

В физике закон Гука для деформации растяжения или сжатия принято записывать в другой форме - через зависимость между относительной деформацией тела и приложенной силе или напряжения.

ε = x / l                (2)

σ = F /S = –Fупр /S (3)

Отношение (2) называется относительной деформацией, а отношение (3), где S – площадь поперечного сечения деформированного тела, называется напряжением. 

В таком случае закон Гука можно сформулировать так:

σ       

относительная деформация ε пропорциональна напряжению 

Коэффициент E, обратный коэффициенту пропорциональности, называется модулем Юнга. У различных материалов модуль Юнга меняется в широких пределах и измеряется в Н/м2 или в кПa.

Модуль Юнга зависит только от физических свойств материала и не зависит от размеров и формы тела. Такая особенность модуля позволяет применять его в качестве достоверного количественного биофизического параметра при оценке эластических свойств мягких биологических объектов.

Анализ упругих характеристик патологически измененных мягких биологических тканей предпринимался многими исследователями с середины 80–ых. Однако отсутствие мощной вычислительной техники и сверхточных датчиков сдавления не позволяло однозначно оценивать результаты исследований. 

В 1989 А.Р. Сковорода, А.Н. Клишко, Д.А. Гусакян и др., [7] провели количественный анализ механических характеристик патологически измененных мягких биологических тканей, а именно предстательных и молочных желез, полученных из операционного материала. Исследованию подверглись нормальные железы, а так же железы с различными формами гиперплазии и рака. Средняя толщина исследуемых образцов составляла 7 мм. В образцы с постепенно нарастающей силой вдавливался штамп с известным диаметром, и с помощью математических преобразований проводилась реконструкция модуля Юнга. Результаты исследований выявили достоверную разницу в упругих характеристиках нормальных тканей, аденом, фиброаденом и инфильтративно-протоковых раков. Авторами была отмечена необходимость в сопоставлении данных полученных у одного и того же пациента из пораженных и непораженных участков, и было выдвинуто предположение о наличии индивидуальной нормы конкретного пациента. 

В последующем R.Q. Erkamp, P. Wiggins и M.O. Donnell [1] совместно с кафедрой биомедицинской инженерии Мичиганского университета и институтом математических проблем в биологии РАН, создали и апробировали собственный прибор, позволяющий измерять модуль эластичности Юнга малых образцов нормальных и патологически измененных мягких биологических тканей. Проведенные исследования показали, что оптимальный объем образцов отбираемых для исследования должен составлять 1,5 см3, а сила, с которой сдавливается образец, должна находиться в пределах 10–80 кПa. В этом случае достигается линейная зависимость величины модуля Юнга от воздействующей силы.

Предварительно измерению подвергались искусственные пластизолевые образцы с установленным модулем Юнга, с помощью которого были выявлены оптимальный объем образца и воздействующая сила, затем были измерены ткани нормальных и измененных почек полученных от экспериментальных животных. В отличие от [7], авторы заключали образцы в цилиндры, благодаря чему достигалось линейное приложение деформирующей силы во всех направлениях, что увеличивало точность исследований. 

В результате данного исследования было выявлено, что для мягких тканей сила сдавления в среднем составляет 11,6 кПа, полужестких - 34,1 кПа, жестких - 76,5 кПа.

Началом целенаправленного изучения эластических свойств мягких тканей приме-нительно к медицинской практике следует считать предпринятое в 1998 Thomas A. Krouskop с соавторами [3] детальное исследование образцов тканей предстательных и молочных желез с последующей реконструкцией модуля Юнга. Так, авторы показали отсутствие достоверной разницы в значениях модуля среди образцов, измеренных через 25 мин. или через 4 ч после удаления. Была установлена оптимальная температура - 23,80C30C (комнатная температура) среды, при которой следует проводить эластометрию, и выявлена разница в полученных значениях модуля Юнга при различных заболеваниях опухолевой и не опухолевой этиологии. 

Постоянное совершенствование диагностических методов исследования пациентов, основными задачами которых является доклиническая или ранняя клиническая диагностика заболеваний, атравматичность, эффективность, доступность и целесообразность (cost effective), привело к развитию совершенно нового направления в медицине – воспроизведение изображения основанное на механических свойствах (MI–mechanic imaging, MBI-model based imaging). В основе технологии лежат поэтапные измерения эластических (упругих) свойств биологических тканей (модуля Юнга) с последующей трехмерной реконструкцией изображения целого органа с локализацией патологического очага.

Созданные на основе MI и MBI диагностические системы [4,5], как портативные, так и стационарные успешно проходят доклинические и клинические испытания и хорошо зарекомендовали себя при диагностике таких заболеваний, как рак молочной железы и рак простаты. MI позволяет объективизировать субъективные данные, полученные при пальпации патологически измененных органов и тканей, не требует специальной подготовки, атравматичен и не подвергает пациентов воздействию магнитных, ультразвуковых, рентгеновских или иных излучений.

В прогностическом плане перспективным является комбинирование систем ультразвуко-вой и MRI [2] диагностики с системами регистрации модуля эластичности биологических тканей. С помощью одной из таких систем Y.P. Zheng и соавторы в 1999 показали возможность прогнозирования развития у больных сахарным диабетом язвенных осложнений нижних конечностей. 

Однако, для широкого внедрения представленной технологии в повседневную клини-ческую практику необходима обширная база, содержащая все возможные варианты значений модуля Юнга для нормы и патологии по каждому органу, что, в свою очередь, требует систематического исследования физических свойств мягких биологических тканей. 

С этой целью нами изучались изменения модуля эластичности Юнга предстательных желез в норме и при патологиях. Биофизические исследования проводились на микроэластометре американской компании ARTANN Labs, занимающейся разработкой и внедрением измерительной биологической аппаратуры. В результате были получены базы данных модулей эластичности простаты для нормы, доброкачественной гиперплазии и рака, а также разработаны протоколы забора материала из органа. Технические характеристики микроэластометра TME–03 (Tissue MicroElastometer TME–03) представлены в табл. 1.

Таблица 1. Технические характеристики микроэластометра TME–03

Микроэластометр представляет собой полностью автономный прибор, оснащенный микропроцессором для обсчета модуля эластичности и оперативной памятью для хранения информации на более чем 50 измерений. Он также оснащен жидкокристаллическим дисплеем, что позволяет настраивать работу прибора и считывать полученные данные. Прибор имеет последовательный RS–232 порт позволяющий обмениваться данными с персональным компьютером. В поставку прибора входит программное обеспечение с помощью которого все измерения можно проводить непосредственно под визуальным контролем на компьютере. Портативная конструкция прибора позволяет максимально сократить время между забором материала и последующей биометрией.

Образцы для эластометрии мы получали с помощью биопсийных игл (Programmable Automatic Biopsy System, G=14) из операционного и биопсийного материала согласно специально разработанным протоколам. Эластометрические исследования проводились при комнатной температуре (23,830C). Продолжительность исследования одного образца в среднем составляла 5–10 мин.

Результаты собственных исследований подтверждают данные литературы [3], что для проведения эластометрии оптимальной является комнатная температура. 

Была показана достоверная разница в значениях модуля эластичности при различных опухолевых и неопухолевых процессах в простате. Методом эластометрии выявлялись патологические очаги, которые не определялись при пальпаторном исследовании. Высокая разрешающая способность прибора позволила регистрировать изменения значений модуля эластичности нормальных органов в разных возрастных категориях [6]. 

При этом нами были составлены таблицы возрастных колебаний нормальных значений модуля Юнга в простате, что увеличило чувствительность метода при определении характера патологического процесса. 

Следует отметить, что использование данного метода значительно упростило первичных отбор материала для последующих гистологических исследований и значительно сократило затраты связанные с выявлением патологических очагов в органах. 

Таким образом, целенаправленное исследование эластических свойств не только простаты, но и других органов и мягких тканей, с составлением соответствующих баз данных, позволит широко внедрить технологию MI в клинику в качестве доступного диагностического метода.

Литература

1. Erkamp R.Q., Wiggins P.A., Skovoroda A.R., Emelianov S.Y., O’Donnell, M. Measuring the elastic modulus of small tissue samples. Ultrasonic Imaging. 1998, 20, pp. 17-28.
2. Chenevert T.L., Skovoroda A.R., O’Donnell M., Emelianov S.Y. Elasticity reconstructive imaging via stimulated echo MRI. Magnetic Resonance in Medicine, 1998, 39, pp. 482-490.
3. Krouskop T.A., Wheeler T.M., Kallel F., Garra B.S., Hall T. Elastic moduli of breast and prostate tissues under compression. Ultrasonic Imaging. 1998, 20, pp. 260-274.
4. Sarvazyan A. P. Model-based imaging. Ultrasound in Med. & Biol., Vol. 32, No. 11, pp. 1713–1720, 2006.
5. Egorov V, Ayrapetyan S, Sarvazyan A. Prostate Mechanical Imaging: 3-D Image Composition and Feature Calculations. IEEE transactions on medical imaging, vol. 25, no. 10, october 2006. 
6. Sampson S., Untergasser G., Plas E., Berger P. The Ageing Male Reproductive Tract J. Pathol. 2007 Jan;211(2):206-18.
7. Сковорода А.Р. Применение модели слоистой упругой среды для диагностики патологий мягких тканей при помощи датчиков типа штампа. Препринт АН СССР, Пущино ОНТИ НЦБИ, 1989, 25 с.

Вопросы, ответы, комментарии