Elastography Everywhere – Now Even the Lungs!

Im Jahr 2013 publizierte die European Federation of Societies for Ultrasound in Medicine and Biology (EFSUMB) in dieser Zeitschrift ihre „Guidelines and Recommendations“ zu den physikalischen Grundlagen und Methoden (Teil 1) und zur klinischen Anwendung (Teil 2) der Ultraschallelastografie (US-E) [1] [2]. Im klinischen Teil dieser Empfehlungen liegen die Schwerpunkte auf der US-E der Leber, der Mamma, der Schilddrüse, der Prostata, dem Gastrointestinaltrakt und an der endoskopischen Sonoelastografie, was sich auch durch zahlreiche Publikationen zu diesem Themen in UiM-EJU und anderen Journalen in den letzten Jahren spiegelt [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18]. Unter „zukünftige Entwicklungen“ listen die Autoren des klinischen Teils der EFSUMB-Guidelines aber US-E-Anwendungen auf, die derzeit aufgrund der Datenlage im klinischen Stellenwert nicht ausreichend beurteilt werden können [2]. Einige dieser „exotischen“ Anwendungen finden Sie auch in diesem Heft [19] [20] [21] und betreffen US-E-Evaluierungen von arteriosklerotischen Plaque der A. carotis [19], von pulmonalen Rundherden [20] und der Steifigkeit der Milz [21]. Dabei ist die Machbarkeitsstudie einer Deutschen Arbeitsgruppe zur US-E von pulmonalen Rundherden (RH) nach bestem Wissen die erste Anwendung dieser US-Technik in dieser Fragestellung [20] – wenn auch nicht die erste Studie, die sich mit der bildgebenden Darstellung bzw. Messung der „Elastizität“ der Lunge mit US, CT oder MRT auseinandersetzt [22] [23] [24].

Ad Machbarkeitsstudie: Alles was denkbar ist, ist auch machbar (Sokrates).

In dieser Studie [20] wurden CT-Bilddaten von 8 Patientinnen mit 18 pulmonalen Sekundärblastomen herangezogen, um in CT-Kenntnis der genauen Lokalisation und Größe dieser subpleuralen, aber nicht an die Pleura reichenden RH diese mit Real-time-US und US-E (7,5 mHz Schallkopf, eSie Touch Elasticity Imaging, Accuson Antares, Siemens, Erlangen, Deutschland, in der Arbeit als real-time Elastografie [RTE] bezeichnet) aufzusuchen.

Die Ergebnisse sind überraschend: In der Real-time-Sonografie war, wie zu erwarten, keiner der 18 pulmonalen Rundherde > 1 cm sonografisch fassbar, da keiner der Rundherde einen direkten Kontakt zur Pleura aufwies. Mehr als überraschend konnten aber in der US-E alle 18 Rundherde dargestellt werden, die im Real-time-US nicht zu detektieren waren. Die Größe der Läsionen und der Abstand der Läsionen zur Pleura zeigten eine gute Korrelation zwischen US-E und CT. Die Abb. 3 und 4 dieser Studie [20] zeigen eine einschmelzende, zentral lufthaltige Metastase im linken Unterlappen in der CT und das entsprechende Korrelat in Real-time-US und US-E. Die Bildlegende lautet: „Die Läsion hat einen soliden Randsaum, welcher sich in der RTE als unelastischer, roter Kranz darstellt. Das Zentrum der Läsion erscheint in der RTE elastisch.“ In der Diskussion prognostizieren die Autoren der RTE von RH der Lunge und der RTE der Lunge insgesamt eine bunte, prosperierende klinische Zukunft, trotz mancher Limitationen [20].

Der Artikel wirft Fragen auf:

1. Wie ist es physikalisch-technisch überhaupt möglich, dass im Real-time-US nicht erkennbare, von belüftetem Lungengewebe umgebende solide RH mit US-E darstellbar sind?

   Die Autoren machen sich nur wenige spekulative Gedanken, welche physikalischen Grundlagen ihre doch überraschende Darstellung intrapulmonaler, von ventilierter Lunge umgebene Läsionen mit einer Ultraschalltechnik – Schallwellen! – möglich machen. Die unterschiedliche Schallgeschwindigkeit und die unterschiedliche akustische Impedanz zwischen solidem Gewebe und Gas in den Alveolen der Lunge ermöglichen leider nicht die Real-time-US-Darstellung intrapulmonaler Läsionen, die nicht die Pleura tangieren oder zumindest durch solide Gewebebrücken partiell mit der Pleura verbunden sind. Das ist herrschende Lehrmeinung. Daher sind andere Arbeitsgruppen auch auf die Messung der Oberflächengeschwindigkeit der Lunge zur Abschätzung der Elastizität ausgewichen [22]. Gelten für die hier angewendete Elastografie andere physikalische Gesetze? Recht salopp wird auch eine zentral lufthaltige, zerfallende Metastase beschrieben, und das „gasgefüllte Zentrum der Läsion“ als „elastisch“ angeführt. Aber Gase haben doch weder Form- oder Volumenelastizität! Was bedeutet das RTE-Bild, wie sollen wir die Farbkodierung der RTE in einem gasgefüllten Hohlraum interpretieren? Viele offene Fragen!

   Diese Machbarkeitsstudie erinnert an Real-time-US und Dopplererfahrungen in den 80er- und 90er-Jahren des vorigen Jahrhunderts mit dem Ureter-Jet in der Harnblase, der heute ein etablierter Parameter zur Beurteilung der Physiologie und Pathologie des Harntransportes darstellt [25] [26] [27] [28]. Lange blieb unklar und wurde heftig diskutiert, wie dieses Phänomen eigentlich zustande kommen kann, da der physiologische Urin ja keine zellulären Bestandteile (wie das in Dopplertechniken darstellbare „fließende“ Blut) enthält, die für dieses Phänomen verantwortlich gemacht werden konnten. Theorien erstreckten sich über abgeschilferte Zellbestandteile, Mikrobläschen und Dichteunterschiede des Harns, aber sehr wahrscheinlich sind Turbulenzen in einer teilchenfreien, strömenden Flüssigkeit die Grundlage dieser Schallreflexion [29].

   Diese Machbarkeitsstudie [20] sollte daher dazu führen, diese In-vivo-Ergebnisse durch fundierte In-vitro-Untersuchungen zu erhärten und zu klären, welche physikalischen Ursachen die Darstellung von luftgefüllten Alveolen umgebenen Läsionen ermöglichen.

2. Elastografie der Lunge oder Elastografie von Rundherden und Raumforderungen?

   Die Lunge enthält zahlreiche elastische Fasern und elastisches Bindegewebe, die in der Wiener Küche beim traditionellen Gericht eines „Kalbsbeuschels“ die Grundlage des Essgenusses darstellen [30]. Die Kalbslunge wird vor dem Kochen „pariert“, darunter versteht man die weitgehende Entfernung von Bronchien, großen Gefäßen und festem Bindegewebe, was beim Essen stören würde. Der köstliche Rest ist überwiegend elastisches Bindegewebe.

   Alle Pneumologen wissen viel besser als der diesen Artikel schreibende Radiologe, dass die Elastizität der Lunge, die Compliance, eine wichtige Größe der Physiologie und Pathophysiologie der Beatmung darstellt und Störungen der Lungenelastizität letztendlich zu einer restriktiven Ventilationsstörung führen. Würde es daher nicht Sinn machen, die elastischen Eigenschaften der Lunge, die gerade bei diffusen interstitiellen Prozessen gestört sind, durch eine elastografische Methode zu untersuchen, was auch Ziele anderer Studie sind [22] [23] [24]? Wäre das nicht interessanter und relevanter als die Detektion pulmonaler Rundherde mit US-E?

   Die CT ist heute die etablierte Methode der Wahl zur Erfassung intrapulmonaler Rundherde bei neoplastischen und nicht neoplastischen Erkrankungen. Dies betrifft derzeit im klinischen Alltag viele onkologischen Fragestellungen, welche die umfassende Beurteilung der gesamten Lunge in Diagnose und Staging erfordern. Die Limitierung auf gut zugängliche Läsionen mit US macht hier wenig Sinn. Intrapulmonale Raumforderungen wie primäre oder sekundäre Tumore, aber auch benigne fokale Läsionen sind „harte“, intraoperativ gut tastbare Läsionen in der kollabierten „elastischen“ Lunge. Solange aber mit perkutanem US und US-E nicht die Lunge gesamthaft untersucht werden kann, beschränken sich Indikation zur Sonografie der Lunge auf etablierte diagnostische und interventionelle Fragestellungen [31] [32] [33] [34] [35] [36].

In 2013 the European Federation of Societies for Ultrasound in Medicine and Biology (EFSUMB) published its “Guidelines and Recommendations” regarding the basic principles and technology (part 1) and the clinical applications (part 2) of ultrasound elastography (US-E) [1] [2] in this journal. The clinical portion of these recommendations focuses on US-E of the liver, breast, thyroid, prostate, gastrointestinal tract and on endoscopic sonoelastography as reflected by numerous publications regarding these topics in UiM-EJU and other journals in recent years [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18]. However, under “future developments” the authors of the clinical portion of the EFSUMB Guidelines list US-E applications that currently cannot be sufficiently evaluated with respect to clinical value on the basis of the available data [2]. Some of these “exotic” applications are included in this issue [19] [20] [21] and relate to US-E evaluations of arteriosclerotic plaque of the carotid artery [19], pulmonary nodules [20], and spleen stiffness [21]. To the best of knowledge, the feasibility study by a German workgroup regarding US-E of pulmonary nodules is the first use of this US technique for this purpose [20] even if it is not the first study addressing the imaging or measurement of pulmonary “elasticity” with US, CT, or MRI [22] [23] [24].

Feasibility study: Whatever is conceivable is possible (Socrates).

CT data from 8 patients with 18 pulmonary metastases were included in this study [20] to use real-time US and US-E (7.5 mHz transducer, eSie Touch Elasticity Imaging, Accuson Antares, Siemens, Erlangen, Germany, referred to as real-time elastography (RTE) in the study) to locate these lesions with CT knowledge of the exact location and size of these subpleural nodules that do not extend to the pleura.

The results are surprising: As expected, none of the 18 pulmonary nodules > 1 cm could be visualized with real-time ultrasound since none of the nodules was in direct contact with the pleura. However, it is more than surprising that all 18 nodules that could not be detected with real-time US could be visualized with US-E. There was a good correlation between US-E and CT with regard to the size of the lesions and the distance of the lesions from the pleura. Figures 3 and 4 of this study [20] show a liquefactive metastasis with air in the center located in the left inferior pulmonary lobe in CT and the corresponding correlate in real-time US and US-E. The caption reads as follows: “The lesion showed a spreaching solid border which is reproducible as an inelastic, red margin in RTE. The center of the lesion appeared elastic in RTE.” In the discussion the authors predict a bright future for RTE of pulmonary nodules and RTE of the lung despite certain limitations [20].

The article raises some questions:

1. How is it physically-technically even possible that solid nodules that are surrounded by aerated lung tissue and are not visible with real-time US can be visualized with US-E?

   The authors only speculate briefly as to which physical basic principles allow the surprising visualization of intrapulmonary lesions surrounded by ventilated lung tissue using ultrasound technology (i. e., sound waves!). The different velocities of sound and different acoustic impedances between solid tissue and gas in pulmonary alveoli unfortunately do not allow real-time US visualization of intrapulmonary lesions that are not tangent to the pleura or are at least partially connected to the pleura via solid tissue bridges. That is the prevailing scientific opinion. Therefore, other workgroups have decided to measure the surface wave speed of the lung in order to estimate elasticity [22]. Do other laws of physics apply to the elastography used here? The article rather sloppily describes a liquefactive metastasis with air in the center and then refers to the “gas-filled center of the lesion” as “elastic”. Gases have neither form nor volume elasticity! What does the RTE image mean? How is the RTE color coding in a gas-filled cavity to be interpreted? So many unanswered questions!

   This feasibility study is reminiscent of the use of real-time US and Doppler in the 1980s and 1990s to assess the ureteral jet in the bladder, which is now an established parameter for assessing the physiology and pathology of urine transport [25] [26] [27] [28]. For a long time the mechanism of this phenomenon was unclear and intensely debated since physiological urine does not contain any cellular components (like in the case of “flowing” blood as can be visualized with Doppler techniques) that could explain the phenomenon. Theories included peeled-off cell components, microbubbles, and urine density differences. However, turbulences in a particle-free, flowing liquid are very probably the reason for the sound reflection [29].

   This feasibility study [20] should therefore enhance in-vitro studies to clarify the physical reasons behind the visualization of lesions surrounded by air-filled alveoli.

2. Elastography of the lung or elastography of nodules and masses?

   The lung contains numerous elastic fibers and elastic connective tissue and this is what makes the traditional Viennese calf lung dish such a culinary delight [30]. Prior to cooking, the calf lung is trimmed, which means that the difficult-to-eat bronchi, large vessels, and solid connective tissue are removed. What remains is the delicious elastic connective tissue.

   All pulmonologists know far better than the radiologist writing this article that the elasticity of the lung, the compliance, is an important parameter of the physiology and pathophysiology of ventilation and that lung elasticity defects can ultimately result in a restrictive ventilatory disorder. Therefore, wouldn’t it make sense to use an elastographic method to examine the elastic properties of the lung that are impaired in the case of diffuse interstitial processes in particular as is the objective of other studies [22] [23] [24]? Wouldn’t that be more interesting and more relevant than the detection of pulmonary nodules with US-E?

   CT is currently the established method of choice for detecting intrapulmonary nodules in neoplastic and non-neoplastic diseases. This currently affects many oncological issues in the clinical routine that require comprehensive evaluation of the entire lung for diagnosis and staging. A limitation to lesions that are easily accessible with US does not make much sense here. Intrapulmonary masses such as primary or secondary tumors as well as benign focal lesions are “hard” lesions that are easily intraoperatively palpable in the collapsed “elastic” lung. As long as the lung cannot be examined in its entirety with percutaneous US and US-E, the indication for ultrasound of the lung will be limited to established diagnostic and interventional issues [31] [32] [33] [34] [35] [36].

• Literatur

• 1 Bamber J, Cosgrove D, Dietrich CF et al. EFSUMB Guidelines and Recommendations on the Clinical Use of Ultrasound Elastography. Part 1: Basic Principles and Technology. Ultraschall in Med 2013; 34: 169-184
• 2 Cosgrove D, Piscaglia F, Bamber j et al. EFSUMB Guidelines and Recommendations on the Clinical Use of Ultrasound Elastography. Part 2: Clinical Applications. Ultraschall in Med 2013; 34: 238-253
• 3 Eiler J, Kleinholdermann U, Albers D et al. Standard value of ultrasound elastography using acoustic radiation force impulse imaging (ARFI) in healthy liver tissue of children and adolescents. Ultraschall in Med 2012; 33: 474-479
• 4 Grgurevic I, Cikara I, Horvat J et al. Noninvasive assessment of liver fibrosis with acoustic radiation force impulse imaging: increased liver and splenic stiffness in patients with liver fibrosis and cirrhosis. Ultraschall in Med 2011; 32: 160-166
• 5 Piscaglia F, Salvatore V, DiDonato R et al. Accuracy of virtual touch radiation force impulse (ARFI) imaging for the diagnosis of cirrhosis during liver ultrasonography. Ultraschall in Med 2011; 32: 167-175
• 6 Wiggermann P, Jung E-M, Glöckner S et al. Real-time elastography of hepatic thermal lesions in vitro: Histopathologic correlation. Ultraschall in Med 2012; 33: 170-174
• 7 Pedersen M, Fredberg U, Langberg H. Sonoelastografie as a diagnostic tool in the assessment of musculoskeletal alterations: a systematic review. Ultraschall in Med 2012; 33: 441-446
• 8 Gehmert S, Jung EM, Kügler T et al. Sonoelastography can be used to monitor the restoration of Achilles tendon elasticity after injury. Ultraschall in Med 2012; 33: 581-586
• 9 Sporea I, Vlad M, Bota S et al. Thyroid stiffness assessment by acoustic radiation force impulse elastography (ARFI). Ultraschall in Med 2011; 32: 281-285
• 10 Evans A, Whelehan P, Thomson K et al. Invasive breast cancer: relationship between shear-wave elastograpic findings and histologic prognostic factors. Rad 2012; 263: 673-677
• 11 Berg WA, Cosgrove DO, Dore CJ et al. Shear-wave elastography improves the specificity of breast US. The BE1 multinational study of 939 masses. Rad 2012; 262: 435-449
• 12 Stachs A, Hartmann S, Stubert J et al. Differentiating between malignant and benign breast masses: factors limiting sonoelastograpic strain ratio. Ultraschall in Med 2013; 34: 131-136
• 13 Fischer T, Peisker U, Fiedor S et al. Significant differentiation of focal breast lesions: raw data-based calculation of strain ratio. Ultraschall in Med 2012; 33: 372-379
• 14 Barr RG. Sonographic breast elastography. J Ultrasound Med 2012; 32: 773-783
• 15 Adamietz BR, Meier-Meitinger M, Fasching P et al. New diagnostic criteria in real-time elastography for the assessment of breast lesions. Ultraschall in Med 2011; 32: 67-73
• 16 Yoon JH, Kim MJ, Kim E-K et al. Discordant elastography images of breast lesions: How various factors lead to discordant findings. Ultraschall in Med 2013; 34: 266-271
• 17 Schäfer FKW, Hooley RJ, Ohlinger R et al. ShearWave™ elastography BE1 multinational breast study: Additional SWE™ features support potential to downgrade BI-RADS® – 3 lesions. Ultraschall in Med 2013; 34: 254-259
• 18 Janssen J, Papavassiliou I. Effect of aging and diffuse chronic pancreatitis on pancreas elasticity evaluated using semiquantitative EUS Elastography. Ultraschall in Med 2013; DOI: http://dx.doi.org/10.1055/s-0033-1355767.
• 19 Garrard JW, Ramnarine KV. Shear-wave elastography in carotid plaques: Comparison with grayscale median and histological assessement in an interesting case. Ultraschall in Med 2014; 35: 1-3
• 20 Adamietz BR, Fasching PA, Jud S et al. Ultrasound Elastography of pulmonary lesions – a feasibility study. Ultraschall in Med 2014; 35: 33-37
• 21 Karlas TLindner F, Tröltzsch M et al. Assessement of spleen stiffness using acoustic radiation force impulse imaging (ARFI): Definition of examination standard and impact of breathing maneuvers. Ultraschall in Med 2014; 35: 38-43
• 22 Zhang X, Qiang B, Hubmayr RD et al. Noninvasive ultrasound image guided surface wave method for measuring the wave speed and estimating the elasticity of lungs: A feasibility study. Ultrasonics 2011; 51: 289-295
• 23 Fredman AJ, Frolik JL, Garra BS. Lung strain profiles using computed tomography elastography. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc 2004; 2: 1545-1548
• 24 Mariappan YK, Glaser KJ, Hubmayr RD et al. Magnetic resonance elastography of human lung parenchyma: Technical development, theoretical modeling and in vivo validation. J Magn Reson Imaging 2011; 33: 1351-1361
• 25 Dubbins PA, Kurtz AB, Darby J et al. Ureteric jet effect: The echographic appearance of urine entering the bladder. Radiology 1981; 140: 513-515
• 26 Baker SM, Middleton WD. Color Doppler sonography of ureteral jets in normal volunteers: Importance of the relatice specific gravity of urine in the ureter and bladder. Am J Roentgenol 1992; 159: 773-775
• 27 Matsuda T, Saitoh M. Detection of the urine jet phenomenon using Doppler color flow mapping. Int J Urol 1995; 2: 232-234
• 28 Jequier S, Paltiel H, Lafortune M. Ureterovesical jets in infants and children: Duplex and color Doppler US studies. Radiology 1990; 175: 349-353
• 29 Hübsch P, Hager F, Benes E. Color coded Doppler sonography of the male urethra during voiding: New observations of flow in an aqueous medium and their physical foundations. Frontiers Europ. Radiol 1993; 9: 119-131
• 30 Franz Maier-Bruck. Das große Sacher Kochbuch. Schuler Verlagsgesellschaft München. 1975. ISBN: 3-7796-7070-3 318-319
• 31 Volpicelli G. Lung sonography. J Ultrasound Med 2013; 32: 165-171
• 32 Koegelenberg CF, von Groote-Bidlingmaier F, Bolliger CT. Transthoracic ultrasonography for the respiratory physician. Respiration 2012; 84: 337-350
• 33 Koenig SJ, Narasimhan M, Mayo PH. Thoracic ultrasonography for the pulmonary specialist. Chest 2011; 140: 1332-1341
• 34 Coley BD. Chest sonography in children: Current indications, techniques and imaging findings. Radiol Clin North Am 2011; 49: 825-846
• 35 Prosch H, Mathis G, Mostbeck GH. Perkutaner Ultraschall in Diagnose und Staging des Bronchialkarzinoms. Ultraschall in Med 2008; 29: 466-484
• 36 Reuß J. Sonografie der Pleura. Ultraschall in Med 2010; 31: 8-25