Real-Time Elastography: Strain Ratio Measurements Are Influenced by the Position of the Reference Area

Abstract

Purpose: Real-time elastography (RTE) is an ultrasound-based method for the visualization of relative strain distribution in soft tissues. Strain ratio is a semi-quantitative measurement of strain differences between two user-defined areas in an elastogram. The aim of this study was to evaluate the impact of the size and location of a reference area when measuring the strain ratio of focal lesions in a tissue-mimicking phantom and in normal liver tissue. We also investigated whether the strain ratio was affected by changing the scanner parameter: elasticity dynamic range (E-dyn).

Materials and Methods: Two investigators individually collected data by scanning 4 spherical inclusions with different elasticity in a phantom in which the elastic modulus was known in both the lesions and the background. Subsequently, a liver scan was performed in-vivo using the same scanning protocol. Five different setups with changes in reference area position or size were tested. All eight levels of the scanner setting Edyn were recorded for each setup and the strain ratio was measured in 3 different representative elastograms for each recording situation.

Results: The four inclusions had significantly different mean strain ratio levels (p < 0.01) when compared to the surrounding material. Changing the position of the reference area to a deeper position influenced the strain ratio measurements significantly for all phantom lesions and in the liver. Changing the size of the reference area, while keeping the center depth unchanged, did not influence the mean strain ratio levels significantly. The strain ratio was independent of the E-dyn parameter setting. The intraand interobserver reliability was high when measuring the strain ratio with a free-hand technique.

Conclusion: Strain ratio provides reproducible measurements of inclusions representing different elastic contrasts using a free-hand technique in vitro. Changes in the distance of the reference areas to the ultrasound probe, representing the stress source, seem to have a significant impact on strain ratio measurements.

Zusammenfassung

Ziel: Echtzeit-Elastografie (RTE) ist ein ultraschallbasiertes Verfahren zur Sichtbarmachung der relativen Elastizitätsverteilung in Weichteilen. Die Strainrate stellt eine semiquantitative Messung der Elastizitätsunterschiede zwischen 2 benutzerdefinierten Arealen im Elastogramm dar. Ziel dieser Studie war es, den Einfluss von Größe und Position des Referenzareals bei Messung der Strainrate fokaler Läsionen in einem gewebeähnlichen Phantomund in einem normalen Lebergewebe zu bewerten. Wir untersuchten auch, inwieweit die Strainrate durch die Veränderung des ScannerParameters des dynamischen Bereichs der Elastizität (E-dyn) beeinflusst wurde.

Material und Methoden: 2 Untersucher sammelten unabhängig voneinander Daten, indem sie 4 sphärische Einschlüsse von unterschiedlicher Elastizität in einem Phantom scannten, in dem der Elastizitätsmodulus sowohl in den Läsionen sowie im Hintergrund bekannt war. Anschließend wurde in vivo, unter Verwendung des gleichen Protokolls, die Leber gescannt. 5 verschiedene Einstellungen bei Veränderungen der Position oder Größe des Referenzareals wurden untersucht. Bei jeder Einstellung wurden alle 8 Level der Scannereinstellung für E-dyn aufgenommen und in 3 verschiedenen für jede Aufnahmesituation repäsentativen Elastogrammen wurde die Strainrate gemessen.

Ergebnis: Die 4 Einschlüsse hatten signifikant andere Strainraten-Level (p < 0,01) als das umgebende Material. Eine Veränderung des Referenzareals zu einer tieferen Position beeinflusste die Bestimmung der Strainrate signifikant bei allen Phantom-Läsionen und in der Leber. Die Veränderung der Größe des Referenzareals bei unveränderter Zentrumstiefe führte zu keiner signifikanten Beeinflussung des mittleren Strainraten-Levels. Die Strainrate war unabhängig von der E-dyn-Parameter-Einstellung. Die Intraund InterobserverVerlässlichkeit war bei Messung der Strainrate mittels Freihandtechnik hoch.

Schlussfolgerung: Mit einer In-vitro-Freihandtechnik können reproduzierbare Strainraten-Bestimmungen von Einschlüssen, die verschiedene Elastizitätskontraste darstellen, erzielt werden. Veränderungen des Abstands von den Referenzarealen zum Ultraschallkopf, welcher die Stressquelle darstellt, scheinen eine signifikante Auswirkung auf die Bestimmung der Strainrate zu haben.

Key words

ultrasound - elastography - strain ratio - elasticity dynamic range - phantom

• References

• 1 Ophir J, Cespedes I, Ponnekanti H. et al. Elastography: a quantitative method for imaging the elasticity of biological tissues. Ultrason Imaging 1991; 13: 111-134
• 2 Shiina TDM, Bamber JC. Strain imaging using combined RF and envelope autocorrelation processing. Ultrasonics Symposium, 1996 IEEE Proceedings 1996: 1331-1336
• 3 Shiina TYM. Fast reconstruction of tissue elastic modulus image by ultrasound. Engineering in Medicine and Biology 2005. Shanghai, China: Proceedings of 2005 IEEE; 2005: 976-980
• 4 Frey H. Realtime elastography. A new ultrasound procedure for the reconstruction of tissue elasticity. Radiologe 2003; 43: 850-855
• 5 Havre RF, Elde E, Gilja OH. et al. Freehand Real-Time Elastography: Impact of Scanning Parameters on Image Quality and in Vitro Intraand Interobserver Validations. Ultrasound in Medicine and Biology 2008; 34: 1638-1650
• 6 Thomas A, Degenhardt F, Farrokh A. et al. Significant differentiation of focal breast lesions: calculation of strain ratio in breast sonoelastography. Acad Radiol 2010; 17: 558-563
• 7 Iglesias-Garcia JLNJ, Abdulkader I, Forteza J. et al. Quantitative endoscopic ultrasound elastography: an accurate method for the differentiation of solid pancreatic masses. Gastroenterology 2010; 139: 1172-1180
• 8 Tan RXY, He Q. Ultrasound elastography: Its potential role in assessment of cervical lymphadenopathy. Acad Radiol 2010; 17: 849-855
• 9 Waage JER, Havre RF, Ødegaard S. et al. Endorectal elastography for detection of malignancy in rectal tumours – a fesibility study. Colorectal Dis. 2010 Oct 6. DOI: 10.1111/j.1463-1368.2010.02440.x. [Epub ahead of print] (PMID: 21040360)
• 10 Ueno E. Breast ultrasound. Gan To Kagaku Ryoho 1996; 23: 14-23
• 11 Giovannini M, Hookey LC, Bories E. et al. Endoscopic ultrasound elastography: the first step towards virtual biopsy? Preliminary results in 49 patients. Endoscopy 2006; 38: 344-348
• 12 Hirche TO, Ignee A, Barreiros AP. et al. Indications and limitations of endoscopic ultrasound elastography for evaluation of focal pancreatic lesions. Endoscopy 2008; 40: 910-917
• 13 Janssen J, Schlorer E, Greiner L. EUS elastography of the pancreas: feasibility and pattern description of the normal pancreas, chronic pancreatitis, and focal pancreatic lesions. Gastrointest Endosc 2007; 65: 971-978
• 14 Saftoiu A, Vilmann P, Ciurea T. et al. Dynamic analysis of EUS used for the differentiation of benign and malignant lymph nodes. Gastrointestinal Endoscopy 2007; 66: 291-300
• 15 Allgayer H, Ignee A, Dietrich CF. Endosonographic elastography of the anal sphincter in patients with fecal incontinence. Scand J Gastroenterol 2010; 45: 30-38
• 16 D’Onofrio M, Gallotti A, Mucelli R. Tissue quantification with acoustic radiation force impulse imaging: Measurement repeatability and normal values in the healthy liver. Am J Roentgenol 2010; 1: 132-136
• 17 Zhi H, Xiao XY, Yang HY. et al. Semi-quantitating stiffness of breast solid lesions in ultrasonic elastography. Acad Radiol 2008; 15: 1347-1353