Elastography has been one of the most intensely investigated additions to clinical
ultrasound examinations for almost two decades. Elastography guidelines for many different
anatomical regions have been published by different medical scientific societies [1]
[2]
[3]
[4]
[5]. In general, two different methods of elastography are available – strain (SE) and
shear wave elastography (SWE) [6]
[7]. Shear wave elastography has been most extensively researched for liver applications,
but within recent years the method has also been evaluated for focal lesions in the
breast, the thyroid and other organs. In shear wave elastography, the speed of shear
waves, which arise perpendicularly to a push pulse from the transducer, is measured.
In strain elastography, mechanical stress is applied to the transducer, and the deformation
of tissue is shown on a color map, which may be interpreted visually or semi-quantitatively
calculating a ratio. This method is mainly used for the evaluation of focal lesions.
One of the first and most widely examined clinical applications for ultrasound elastography
was the evaluation of breast tumors. In breast elastography, the evaluation of the
strain images may be performed qualitatively or semi-quantitatively. The qualitative
method uses the Tsukuba score with 5 categories, where an increasing number indicates
an increased risk of malignancy [8]. The semi-quantitative measure is based on calculating a strain ratio, which is
the deformation of a lesion relative to the surrounding tissue [9]. Several groups have tried to establish a cut-off for strain ratios to separate
benign and malignant lesions, but without reaching consensus. Recent research has
indicated that strain elastography may play a role mainly in distinguishing BIRADS
3 and 4 lesions [10]
[11].
Early studies of ultrasound elastography focused on the feasibility of the different
techniques and the comparison of elastography compared to B-mode ultrasound as a stand-alone
examination [8]
[12]
[13]
[14]. Most studies found, that elastography could not replace the B-mode examination,
although specificity tended to be higher than for B-mode examinations as also demonstrated
by a recent article in EJU [15]. Later, the combination of ultrasound elastography with the conventional B-mode
examination was the primary focus of several studies, generally showing convincing
results [11]
[16]. In accordance with this, the latest edition of the BI-RADS classification system
incorporated ultrasound elastography, either SE or SWE, as one of the associated features
to assess the risk of malignancy [17].
More recently the focus of the diagnostic work-up of breast tumors with elastography
has been centered on the evaluation of the difficult intermediate-risk BI-RADS classes,
namely BI-RADS 3 and 4a, as was the case with a recent article published here in EJU
[10]. In this study of more than 1000 breast tumors the pre-test probability of breast
cancer of 1.3 % for BI-RADS 3, was improved to a post-test probability of 29.8 after
using strain ratio calculation. Likewise, for BI-RADS 4 the pre-test probability of
breast cancer was improved from 8.5 % to a post-test probability of 48.7 % following
strain ratio calculation. In another study using both strain- and shear-wave imaging,
290 out of 494 BI-RADS 4a tumors were downgraded to BI-RADS 3 with only one malignant
lesion incorrectly downgraded [18]. A study using known breast cancer risk factors to stratify women with BI-RADS class
4a in to average risk and high risk patients, strain elastography could additionally
subdivide the former group in to a soft and non-soft tumor group with only 1.5 % malignancies
in the soft tumor group, making the frequency of malignancies comparable with BI-RADS
3 tumors [19]. In another large study, SWE was used to both upgrade BI-RADS 3 and downgrade BI-RADS
4a tumors thereby improving the overall specificity of the examination without lowering
sensitivity [11]. Both EFSUMB and WFUMB guidelines for ultrasound elastography encourage the addition
of elastography to the B-mode examination of breast tumors and agree, that elastography
could be used to upgrade stiff BI-RADS class 3 lesion for immediate biopsy [1]
[20].
Most recently the focus of several research publications has been the evaluation of
breast tumor response to neoadjuvant chemotherapy using ultrasound elastography. In
one recent article here in EJU 3D shear-wave elastography was shown to be a feasible
imaging modality to evaluate volumetric changes in breast tumors following neoadjuvant
chemotherapy, while an article published last year showed conventional 2D shear-wave
elastography to be able to better predict pathological complete response to neoadjuvant
chemotherapy after three cycles of treatment than both conventional US and MRI [21]
[22]. These results have been substantiated by articles showing that strain elastography
can predict pathological complete response after two weeks of chemotherapy treatment
and that results may further be improved when combining elastography with contrast-enhanced
ultrasound [23]
[24]
[25].
3D SWE has also been used for tumor size assessment in breast cancer in a recent study
[26]. When compared to 2D SWE, strain elastography and B-mode ultrasound, conventional
B-mode imaging was superior, although 3D SWE was more accurate than 2D SWE and SE
for the subgroup of invasive ductal carcinoma.
To automate elastography exams, computer-aided tools have been evaluated, and a study
using texture analysis in SWE for tumor classification showed improvements of specificity,
sensitivity, and accuracy when compared to conventional SWE evaluation [27]. In another study evaluating real-time strain elastography (SE), a method was devised
to calculate four SE features improving specificity from 54.5 % to 95.2 % when B-mode
US was combined with computer-aided SE [28].
In these years artificial intelligence (AI) has gained much attention in medical science,
and breast imaging is one of the focus areas [29]. New use of elastography has been proposed for segmentation, which is a crucial
step for AI performance. An algorithm for automatic segmentation of breast tumors
was proposed by fusing B-mode, Power Doppler and SWE elastography images [30]. In a retrospective study, SWE and B-mode images were segmented and analyzed, and
data were fed into an algorithm for learning and classification. The study showed
sensitivity, specificity, and accuracy of 97.8 %, 94.1 %, and 95.6 %, and could potentially
become a non-invasive tool for diagnosis avoiding unnecessary biopsies [27].
Elastography has become a useful tool in the work-up of breast imaging and tumor assessment
and is becoming an integrated part of the breast examination. With the arrival of
3D elastography, and computer-aided tools and AI designed for elastography, new possibilities
will emerge, which further will enhance the use of this powerful ultrasound technique.
Elastografie in der Brustbildgebung
Die Elastografie ist seit fast zwei Jahrzehnten eine der am intensivsten untersuchten
additiven Verfahren zu klinischen Ultraschalluntersuchungen. Richtlinien zur Elastografie
vieler unterschiedlicher anatomischer Regionen wurden von verschiedenen medizinischen
Fachgesellschaften veröffentlicht [1]
[2]
[3]
[4]
[5]. Im Allgemeinen stehen zwei elastografische Verfahren zur Verfügung, Strain-Elastografie
(SE) und Scherwellen-Elastografie (SWE) [6]
[7]. Die Scherwellen-Elastografie wurde am intensivsten bei Leberanwendungen erforscht,
aber in den letzten Jahren wurde diese Methode auch für fokale Läsionen der Mamma,
Schilddrüse und anderer Organe evaluiert. In der Scherwellen-Elastografie wird die
Geschwindigkeit von Scherwellen gemessen, die durch Druckimpuls senkrecht aus dem
Schallwandler entstehen. In der Strain-Elastografie wird durch den Schallwandler mechanisch
Druck ausgeübt und die Verformung des Gewebes wird auf einer Farbkarte dargestellt,
die visuell oder semi-quantitativ durch Bildung einer Ratio interpretiert werden kann.
Diese Methode wird hauptsächlich zur Beurteilung von fokalen Läsionen eingesetzt.
Eine der ersten und am weitesten verbreiteten klinischen Anwendungen für die Ultraschall-Elastografie
war die Untersuchung von Mammakarzinomen. In der Brust-Elastografie kann die Auswertung
der Strain-Bilder qualitativ oder semi-quantitativ erfolgen. Die qualitative Methode
verwendet den Tsukuba-Score mit 5 Kategorien, wobei mit zunehmendem Score ein steigendes
Risiko für Malignität angezeigt wird [8]. Die semi-quantitative Messung basiert auf der Bildung der Strainratio, welche die
Verformung einer Läsion im Verhältnis zum umgebenden Gewebe angibt. Mehrere Forschergruppen
haben versucht, einen Cut-off-Wert für die Strainratio zur Differenzierung von gutartigen
und malignen Läsionen zu etablieren, ohne jedoch einen Konsens zu erzielen. Neuere
Forschungen haben gezeigt, dass die Strain-Elastografie vor allem bei der Unterscheidung
von BI-RADS 3 und 4 Läsionen eine Rolle spielen kann [10]
[11].
Erste Studien zur Ultraschall-Elastografie konzentrierten sich auf die Durchführbarkeit
der verschiedenen Methoden und die Elastografie als eigenständige Untersuchung im
Vergleich zum B-Mode-Ultraschall [8]
[12]
[13]
[14]. Die meisten Studien fanden heraus, dass die Elastografie eine B-Mode Untersuchung
nicht ersetzen konnte, obwohl die Spezifität tendenziell höher war als im B-Mode,
wie auch ein aktueller Artikel in der EJU zeigt [15]. Später lag der primäre Fokus mehrerer Studien auf der Kombination von Elastografie
und konventionellem B-Mode-Ultraschall und diese zeigten weitgehend überzeugende Resultate
[11]
[16]. Dementsprechend wurde in der neuesten Auflage des BI-RADS-Klassifizierungssystems
die Ultraschall-Elastografie, wahlweise SE oder SWE, als Zusatzmodalität zur Beurteilung
des Malignitätsrisikos aufgenommen [17].
In jüngster Zeit liegt der Schwerpunkt der Diagnostik von Mammakarzinomen mittels
Elastografie auf der Bewertung der schwierigen BI-RADS-Klassifikationen mit mittlerem
Risiko, nämlich BI-RADS 3 und 4a, wie bei einer kürzlich hier in der EJU veröffentlichten
Arbeit [10]. In dieser Studie mit mehr als 1000 Mammakarzinomen wurde die Prä-Test-POD („probability
of disease“) von Brustkrebs von 1,3 % für BI-RADS 3 auf eine Post-Test-POD von 29,8 %
nach Berechnung der Strainratio verbessert. Ebenso wurde für BI-RADS 4 die Prä-Test-POD
von Brustkrebs von 8,5 % auf eine Post-Test-POD von 48,7 % durch die Strainratio erhöht.
In einer weiteren Studie, die sowohl die Strain- als auch die Scherwellen-Bildgebung
verwendete, wurden 290 von 494 BI-RADS 4a Tumore auf BI-RADS 3 heruntergestuft, wobei
nur eine maligne Läsion fälschlicherweise degradiert wurde [18]. In einer Studie, in der Frauen mit BI-RADS-Klassifikation 4a aufgrund der bekannten
Brustkrebs-Risikofaktoren in zwei Gruppen (durchschnittliches Risiko und Hochrisiko)
unterteilt wurden, wurden Frauen mit durchschnittlichem Risiko mittels Strain-Elastografie
zusätzlich in solche mit weichen und nicht-weiche Läsionen unterteilt. Mit einer Malignitätsrate
von 1,5 % in der Untergruppe mit weichen Läsionen ist diese Häufigkeit vergleichbar
mit BI-RADS 3 Tumoren [19]. In einer weiteren großen Studie wurde die SWE sowohl zum „Upgrade“ von BI-RADS
3 als auch zur Herabstufung von BI-RADS 4a Tumoren verwendet, wodurch die Gesamtspezifität
der Untersuchung verbessert wurde, ohne entsprechende Einbußen bei der Sensitivität
[11]. Sowohl die EFSUMB- als auch die WFUMB-Leitlinien zur Ultraschall-Elastografie sprechen
für diese als Ergänzung zur B-Mode-Untersuchung bei Mammakarzinomen und stimmen zu,
dass die Elastografie eingesetzt werden kann, um steife Läsionen der BI-RADS 3 Kategorie
für eine umgehende Biopsie höher zu stufen [1]
[20].
In jüngster Zeit lag der Schwerpunkt mehrerer Forschungspublikationen auf der Bewertung
des Ansprechens von Mammakarzinomen auf neoadjuvante Chemotherapie durch Ultraschall-Elastografie.
In einem kürzlich in der EJU erschienenen Artikel wurde gezeigt, dass die 3D-Scherwellen-Elastografie
eine praktikable bildgebende Methode zur Bewertung volumetrischer Veränderungen von
Mamma-Karzinomen nach neoadjuvanter Chemotherapie ist. Darüber hinaus konnte eine
im vergangenen Jahr veröffentlichte Arbeit zeigen, dass die konventionelle 2D-Scherwellen-Elastografie
die pathologische Komplettremission nach neoadjuvanter Chemotherapie nach drei Behandlungszyklen
besser vorhersagen kann, als konventioneller US und MRT zusammen [21]
[22]. Diese Ergebnisse wurden durch Publikationen untermauert, die aufzeigen, dass die
Strain-Elastografie nach zwei Wochen Chemotherapie eine pathologische Komplettremission
vorhersagen kann und dass die Ergebnisse durch die Kombination von Elastografie mit
kontrastverstärktem Ultraschall weiter verbessert werden können [23]
[24]
[25].
Die 3D-SWE wurde auch für die Beurteilung der Tumorgröße bei Brustkrebs in einer aktuellen
Studie verwendet [26]. Im Vergleich zur 2D-SWE, Strain-Elastografie und zum B-Mode Ultraschall war die
konventionelle B-Mode Bildgebung überlegen, obwohl 3D-SWE in der Untergruppe mit invasiv-duktalem
Karzinom genauer war als 2D-SWE und SE.
Um elastografische Untersuchungen zu automatisieren wurden computergestützte Methoden
bewertet und eine Studie mit Texturanalyse bei SWE zur Tumorklassifizierung zeigte
Verbesserungen der Spezifität, Sensitivität und Genauigkeit im Vergleich zur herkömmlichen
SWE-Auswertung [27]. In einer weiteren Studie zur Auswertung der Echtzeit-Strain-Elastografie (SE) wurde
ein Verfahren zur Berechnung von vier SE-Merkmalen entwickelt, die die Spezifität
von 54,5 % auf 95,2 % verbessern, wenn der B-Mode US mit der computergestützten SE
kombiniert wurde [28].
In diesen Jahren hat die künstliche Intelligenz (KI) in der Medizin viel Aufmerksamkeit
erlangt und die Mamma-Bildgebung ist einer ihrer Schwerpunkte [29]. Für die Segmentierung, ein entscheidender Schritt für die Leistungsfähigkeit der
KI, wurde der Einsatz der Elastografie neu vorgeschlagen. Ein Algorithmus zur automatischen
Segmentierung von Brusttumoren wurde durch Bildfusion von B-Modus, Power-Doppler-
und SWE-Elastografie vorgeschlagen [30]. In einer retrospektiven Studie wurden SWE- und B-Mode-Bilder segmentiert, analysiert
und die Daten wurden in einen Lern- und Klassifizierungs-Algorithmus eingegeben. Die
Studie zeigte eine Sensitivität von 97,8 %, eine Spezifität von 94,1 % und eine Genauigkeit
von 95,6 % und könnte somit möglicherweise ein nicht-invasives diagnostisches Verfahren
werden, um unnötige Biopsien zu vermeiden [27].
Die Elastografie ist zu einem nützlichen diagnostischen Hilfsmittel der Mamma-Bildgebung
und Tumorbewertung geworden und wird immer mehr zu einem integralen Bestandteil der
Brustdiagnose. Mit der Einführung der 3D-Elastografie sowie den computergestützten
Methoden und der für die Elastografie entwickelten KI werden sich neue Möglichkeiten
ergeben, die den Einsatz dieser leistungsstarken Ultraschalltechnik weiter verbessern.
Jonathan Frederik Carlsen
Kristoffer Lindskov Hansen
Caroline Ewertsen
Michael Bachmann Nielsen
