淺談超聲彈性成像發(fā)展 最終改動(dòng)版

1、淺談超聲彈性成像發(fā)展何為彈性成像？何為彈性成像？這是一個(gè)超聲成像術(shù)語，顧名思義這種成像模式旨在評估組織的彈性大小，提供更全面的疾病信息。彈性是物質(zhì)的一種固有屬性，同密度、硬度、溫度等一樣，反映物質(zhì)的一個(gè)特性。日常生活中人們粗略評估物質(zhì)的彈性主要看給一種物質(zhì)施壓外壓后物質(zhì)的形變大小，例如海綿與金屬：施加大體相同的壓力后海綿發(fā)生巨大的形變，人們認(rèn)為它是軟的；而金屬受壓后無明顯的變化，人們認(rèn)為它是硬的。物質(zhì)的硬度越大，其彈性越??；硬度越小，彈性越大。為何要測量物質(zhì)的彈性？為何要測量物質(zhì)的彈性？正常組織中不同的解剖結(jié)構(gòu)之間會(huì)存在彈性差異。例如,在正常乳腺中,纖維組織通常比乳腺腺體組織硬,而乳腺腺體組織

2、又比脂肪組織硬。綿羊腎臟的腎實(shí)質(zhì)與腎髓質(zhì)或者腎錐體的彈性系數(shù)差異大約為 6dB。不同組織彈性模量的差別能達(dá)到幾個(gè)數(shù)量級之上（如表1）。軟組織類型軟組織類型楊氏模量楊氏模量E E（KPaKPa）密度密度（kgkgL L）乳腺乳腺正常脂肪正常脂肪18-2418-241000+8正常腺體正常腺體28-6628-66纖維組織纖維組織96-24496-244惡性腫瘤惡性腫瘤22-56022-560前列腺前列腺正常前葉正常前葉55-6355-63正常后葉正常后葉62-7162-71前列腺增生前列腺增生36-4136-41惡性腫瘤惡性腫瘤96-24196-241肝臟肝臟正常肝臟正常肝臟0.4-60.4-6肝

3、纖維化肝纖維化15-10015-100表1 人體不同組織的彈性值傳統(tǒng)的超聲成像中，不同組織的回聲強(qiáng)度差異大小主要取決于組織的聲阻抗，而其彈性系數(shù)差異卻遠(yuǎn)較聲阻抗差大（如表2）。表2 不同人體組織及介質(zhì)的聲阻抗及密度介質(zhì)類型介質(zhì)類型密度（密度（g/cm3g/cm3）聲阻抗率（聲阻抗率（10106 6N N s/m3s/m3）空空氣氣0.00130.00130.0004280.000428水水0.9930.9931.5131.513血血液液1.0651.0651.6561.656肝肝臟臟1.0501.0501.6481.648肌肌肉肉1.0741.0741.6841.684軟軟 組組 織織1.01

4、61.0161.5241.524脂脂肪肪0.9550.9551.4101.410顱顱骨骨1.6581.6585.5705.570這決定了超聲彈性成像對不同組織、同一組織的不同病理狀態(tài)的分辨力較傳統(tǒng)超聲成像灰階圖高。換言之，同一組織中彈性的變化通常與其病理現(xiàn)象有關(guān)，正常組織與病變組織之間存在巨大的彈性差異。例如,惡性的病理損害,例如乳腺硬癌、前列腺癌、 甲狀腺癌及肝癌等,通常表現(xiàn)為硬的小結(jié)節(jié)。越硬的物質(zhì)受到外壓時(shí)應(yīng)變越小，硬度可反映物質(zhì)的彈性大小。一些彌散性的疾病例如肝硬化也會(huì)使得肝組織的硬度顯著增大。此外脂肪過多或者膠原質(zhì)沉積也會(huì)改變組織的硬度。什么是物質(zhì)彈性的基本參數(shù)？什么是物質(zhì)彈性的基本參

5、數(shù)？楊氏模量（E），亦稱彈性模量彈性系數(shù)。工程物理學(xué)上評估機(jī)械材料彈性大小的基本包括楊氏模量、剛性指數(shù)等，其實(shí)反映的都是物質(zhì)的彈性。楊氏模量，1807年由英國科學(xué)家youngthomas提出，反映物質(zhì)彈性與硬度的基本參數(shù)，單位為Kpa。此彈性模量（楊氏模量）與人們?nèi)粘Ｉ钪刑岬降膹椥裕ê貌缓茫┎煌?，超聲彈性成像中用到的楊氏模量值與硬度呈正比。即物質(zhì)越硬，物質(zhì)受壓時(shí)產(chǎn)生的形變越小，彈性模量（楊氏模量）值越大。如海綿與金屬，施加同一大小的外力，海綿形變大而楊氏模量小，金屬形變小而楊氏模量大。怎么計(jì)算楊氏模量？怎么計(jì)算楊氏模量？目前的幾種超聲彈性成像模式中應(yīng)用的推算公式主要包括2種：1.ES/e（E

6、為應(yīng)變大小，間接反映彈性系數(shù)；S為外加壓力；e為物質(zhì)受壓后形變的大小。主要應(yīng)用于靜態(tài)型彈性成像以及定性型ARFI）2. E E = = 3 3C Cs s2 2（E為彈性模量絕對值大小；為組織密度；為組織密度；C Cs s為人體組織內(nèi)剪切波的傳播速度。主要應(yīng)用于一維瞬時(shí)剪切波成像、點(diǎn)式剪切波速度測量法以及2D剪切波彈性成像）以上提到剪切波，那么什么是剪切波，它有哪些特點(diǎn)呢那么什么是剪切波，它有哪些特點(diǎn)呢？剪切波是一種對人體施加一定機(jī)械擾動(dòng)后組織層面間產(chǎn)生的粘彈滑動(dòng)力傳播的橫波（即波傳播的方向與質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)的方向垂直），屬于機(jī)械波的一種，在液體及真空中不傳播。而剪切波又是一種極為微弱、振幅與傳播距離

7、（數(shù)個(gè)毫米）都極短的波，傳播速度較慢（1-10ms）且在組織中傳播時(shí)間極短（10-20ms即衰減消失）。越硬的介質(zhì)中剪切波的傳播速度越快。根據(jù)公式2，測得剪切波的傳播速度即可計(jì)算出局部組織的楊氏模量?？墒羌羟胁ǖ莫?dú)特特性使得捕捉并獲得其傳播參數(shù)極為困難。實(shí)際上，人體幾乎所有的臟器和組織密度均較為相近（如表1），傳統(tǒng)超聲縱波在人體組織傳播的速度也較為近似（約1540ms）；而不同人體組織的楊氏模量差卻十分巨大，同一組織中軟硬不同的區(qū)域剪切波（依靠組織層面間的剪切滑動(dòng)力傳播）的傳導(dǎo)速度亦是數(shù)倍甚至數(shù)百倍的差異。真正的剪切波彈性成像從基本原理上是完全獨(dú)立于傳統(tǒng)超聲成像的另外一種成像模式，科學(xué)、客觀的

8、反映人體組織的彈性。超聲彈性成像的發(fā)展歷程及基本分類超聲彈性成像的發(fā)展歷程及基本分類超聲彈性成像最初于1990年左右出現(xiàn)，發(fā)展至今已有20余年的歷史，經(jīng)歷了靜態(tài)應(yīng)力型彈性成像、一維瞬時(shí)剪切波成像與單點(diǎn)剪切波速度測量，到最近應(yīng)用的2D-剪切波彈性成像。2013年由歐洲超聲生物學(xué)與醫(yī)學(xué)委員會(huì)（EFSUMB）出版的超聲彈性成像分類及應(yīng)用指南（EFSUMB Guidelines andRecommendations on the Clinical Use of Ultrasound Elastography）中對目前的幾種超聲彈性成像模式從原理、應(yīng)用步驟、臨床應(yīng)用價(jià)值、各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)等方面做了較為詳

9、細(xì)的介紹，根據(jù)成像原理的不同大致分為3大類：早期傳統(tǒng)的靜態(tài)型彈性成像、剪切波速度測量法及2D實(shí)時(shí)剪切波彈性成像（SWE， shearwaveelastography）。不同的彈性成像模式原理及應(yīng)用究竟有何不同不同的彈性成像模式原理及應(yīng)用究竟有何不同呢？呢？靜態(tài)型彈性成像靜態(tài)型彈性成像用于評估人體組織彈性大小是基于物質(zhì)受壓后產(chǎn)生形變大小不同的原理，評估的是受壓物質(zhì)的應(yīng)變（strain）及應(yīng)變率（strain ratio），主要包括：應(yīng)變成像（strain elasto- graphy ，SE)以及應(yīng)變率成像（strain-rate imaging ，SRI)，代表技術(shù)產(chǎn)品有hitachi、tos

10、hiba等推出的彩色應(yīng)變彈性成像（彩色的外壓受力后形成的彩色應(yīng)變圖），而定性型ARFI（ qualitative acoustic ridiational force impulseimaging ，即VTI技術(shù)，灰階型應(yīng)變圖）亦歸屬于這類彈性成像范疇。這種半定性的彈性成像技術(shù)計(jì)算物質(zhì)受壓后的形變：ES/e（E為應(yīng)變大小，S為外加壓力，e為物質(zhì)受壓后形變的大小）。其基本原理：利用外力沿著聲束方向(軸向)緩慢壓縮組織(通常在 1%左右),分別采集組織壓縮前、后的超聲射頻信號,然后估計(jì)組織的位移分布,從而計(jì)算得到組織內(nèi)部的軸向應(yīng)變分布。假設(shè)要觀察的組織橫向邊界無明顯變化的條件下,組織受壓后縱向應(yīng)變

11、分布同組織的彈性模量分布有很大的關(guān)聯(lián),彈性模量小(硬度小)的部位將比彈性模量大(硬度大)的部位有更大的應(yīng)變,因此應(yīng)變分布一定程度上能夠代表硬度分布。這種技術(shù)的外力成因又分為：手動(dòng)外力式、生理助力式、機(jī)械振動(dòng)式（如圖1）。 然而這幾種外力形成模式中施壓外力的大小都不可知，從而這種彈性成像技術(shù)最大的弱點(diǎn)在于重復(fù)性不佳，人為依賴性過大。另外，這種技術(shù)存在一些共同的缺陷：a.不同深度的組織形變大小不同，離外力施壓源越遠(yuǎn)的組織受到的壓力越小形變也越小，因此，圖1 幾種靜態(tài)應(yīng)變彈性成像的應(yīng)力來源隨著深度的增加靜態(tài)應(yīng)變彈性成像的準(zhǔn)確度下降；b.同一組織深度上，病灶越大受力也越大，因而病灶大小對靜態(tài)應(yīng)力彈性成

12、像的準(zhǔn)確性影響也越大；c.靜態(tài)彈性成像的彩色編碼圖提供占位整體的形變信息，導(dǎo)致占位病灶內(nèi)部軟硬度分布缺失；d.靜態(tài)應(yīng)變彈性圖上呈現(xiàn)的是病灶相對于周邊組織的相對硬度，在患者臟器存在彌漫性病變（如肝硬化、橋本氏甲狀腺炎、結(jié)節(jié)性甲狀腺腫等）的情況下，彈性成像本底硬度增加，占位病灶的硬度可能與本底相同或者比本底要軟，此時(shí)極易導(dǎo)致惡性腫瘤的漏診及誤診；e.這種應(yīng)變彈性成像無法提供準(zhǔn)確的彈性模量值。圖2 靜態(tài)型彈性成像示例圖后來研發(fā)的基于剪切波速度測量的彈性技術(shù)的基于剪切波速度測量的彈性技術(shù)都致力于對人體組織的彈性模量進(jìn)行定量。 基于剪切波的幾種彈性成像模式都應(yīng)用同一個(gè)彈性模量計(jì)算公式：E E = = 3

13、 3C Cs s2 2（E為彈性模量值大小，為組織密度，為組織密度，C Cs s為人體組織內(nèi)剪切波的傳播速度）。依據(jù)歐超聯(lián)2013發(fā)表的超聲彈性成像技術(shù)分類及應(yīng)用指南：基于剪切波的彈性技術(shù)發(fā)展經(jīng)過了2個(gè)階段。最先產(chǎn)生的剪切波速度測值法剪切波速度測值法，是繼靜態(tài)應(yīng)力型彈性成像后一個(gè)較大的突破，初步做到了單點(diǎn)的彈性模量值定量測量。兩種代表技術(shù)為：TE（transient elasto- graphy，瞬時(shí)剪切波成像）和定量型ARFI（ARFI quantification，定量型聲輻射力脈沖成像，歐超聯(lián)彈性指南中稱其為單點(diǎn)式剪切波彈性成像；另一種名稱為ARFI-VTQ，acousticradiat

14、ion force impulse - virtual touch tissuequantification）。圖3 TE技術(shù) 應(yīng)用示例圖TETE技術(shù)技術(shù)的基本原理是在體表施壓一個(gè)低頻機(jī)械擾動(dòng)產(chǎn)生垂直于體表傳播的剪切波，通過超聲檢測組織內(nèi)部的剪切波的振幅,相位及波速等參數(shù)來得到其機(jī)械屬性相關(guān)信息。目前主要應(yīng)用于慢性肝病患者肝纖維化分期診斷（如圖3）。作為第一個(gè)可以定量提供人體組織彈性模量值的技術(shù)，它在傳染病領(lǐng)域內(nèi)受到了醫(yī)生的很廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用，對肝炎患者早期肝纖維化的發(fā)現(xiàn)與分期診斷以及早期干預(yù)逆轉(zhuǎn)肝纖維化作出了很重大的貢獻(xiàn)。然而它只能提供剪切波的機(jī)械信號，無通用超聲圖像，只是簡單的測值，在臨床

15、中應(yīng)用相當(dāng)有限，目前只應(yīng)用到肝臟，其他器官均不適用。另外人們也發(fā)現(xiàn)了TE技術(shù)的其他眾多缺點(diǎn)：a.TE技術(shù)測量剪切波平均速度值，測量深度不定，重復(fù)性不佳，因此每次測量需重復(fù)10次取平均值，操作時(shí)間長；b.產(chǎn)生剪切波的機(jī)械擾動(dòng)體感明顯，部分患者不易接受；c.探頭使用6個(gè)月左右需更換，嚴(yán)重降低整體機(jī)器的性價(jià)比；d.由于其激發(fā)產(chǎn)生的剪切波垂直人體體表向深部傳播，而剪切波液體中不傳播，因此晚期伴腹水的失代償期肝硬化患者不能應(yīng)用；e.安裝心臟起搏器及較為肥胖的患者亦不適用。定量型定量型ARFIARFI問世有3年余的時(shí)間，目前應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)科研領(lǐng)域引起了不少醫(yī)者的關(guān)注。圖4 定量型AFRI成像技術(shù)的成像原理

16、基本原理是利用不同角度的聲束聚焦到人體組織激發(fā)組織產(chǎn)生平行于體表擴(kuò)散的剪切波，計(jì)算激發(fā)點(diǎn)旁的數(shù)毫米（固定的取樣框）距離內(nèi)剪切波傳播的平均速度（如圖4）。它可以應(yīng)用于肝臟和小器官，利用增加聲束聚焦點(diǎn)聲能來激發(fā)組織自發(fā)產(chǎn)生剪切波（增加剪切波的振幅與傳播距離），測量剪切波通過固定取樣框兩端之間的速度平均值，得出取樣框內(nèi)組織楊氏模量的平均值（如圖5），初步做到了相對于TE更為完善（可定位）的單點(diǎn)式剪切波速度測量。由于不依賴于外力，剪切波在人體組織中傳播的速度與組織的硬度關(guān)系密切（聲能、溫度等因素的影響可以忽略不計(jì)），ARFIVTQ技術(shù)有效規(guī)避了傳統(tǒng)靜態(tài)彈性成像外力不可定的缺點(diǎn)。圖5 點(diǎn)式剪切波速度測量

17、法示例圖但是這種技術(shù)推出3年來在臨床中的應(yīng)用相當(dāng)有限：a.由于其產(chǎn)生剪切波源所需的聲能過大，一次聚焦后局部探頭晶體過熱因而需要3-8s冷卻時(shí)間方可進(jìn)行下次聚焦，從而做不到實(shí)時(shí)的測量；b.在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)這種技術(shù)的可重復(fù)性及成功率欠佳，常需進(jìn)行3次以上的測量取平均值應(yīng)用，因而完成整個(gè)檢查耗時(shí)較長，無法作為常規(guī)檢查應(yīng)用于臨床；c.這種技術(shù)激發(fā)組織產(chǎn)生剪切波所需聲能過大一直受到超聲界的質(zhì)疑，其應(yīng)用于臨床及科研對病人的損傷程度亦頗有爭議，至今ARFIVTQ技術(shù)未通過FDA認(rèn)證；d.應(yīng)用于肝硬度測量時(shí)，定量型AFRI技術(shù)只可提供剪切波的傳播速度值，無法直接提供彈性模量值；e.部分使用類似技術(shù)的機(jī)器提供彈

18、性模量值，但量程最大達(dá)到30Kpa，硬度超過30Kpa的組織無法測量，這與其超聲成像采集幀頻有限及后臺信號收集處理平臺不成熟都有關(guān)系。SWESWE（實(shí)時(shí)剪切波彈性成像技術(shù)）（實(shí)時(shí)剪切波彈性成像技術(shù)）在歐超聯(lián)彈性技術(shù)分類指南中被分類命名為2D剪切波彈性成像。這項(xiàng)技術(shù)由超聲科學(xué)界巨人Jaque先生（數(shù)字化波束形成器、超9HDI的發(fā)明人，帶領(lǐng)人類進(jìn)入數(shù)字化超聲診斷時(shí)代）及其主要合作伙伴claude先生（phlipe iu22的研發(fā)團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)人）帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)而成，它跨越超聲彈性成像上的幾大技術(shù)瓶頸，是目前最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的超聲彈性成像技術(shù)，受到了歐洲、美國、日本及中國廣大醫(yī)者的認(rèn)可。它的成像

19、原理主要包括剪切波的產(chǎn)生、剪切波的捕捉、信息的收集及計(jì)算。眾所周知，剪切波傳播距離極短、極易衰減，很難捕捉。要形成一幅4-6cm的剪切波彈性圖像，首先必須能產(chǎn)生足夠多且可探及的剪切波（至少覆蓋4-6cm長的取樣框）：a.探頭首先發(fā)出多束不同角度的聲束聚焦在人體組織形成單個(gè)剪切波源，此波源快速垂直向人體組織深部移動(dòng)從而形成一列移動(dòng)的波源，每個(gè)波源產(chǎn)生的剪切波在橫向傳播時(shí)相遇時(shí)發(fā)生波的相干增強(qiáng)效應(yīng)，剪切波傳播距離及振幅明顯增加（如圖6，即馬赫圓錐效應(yīng)），從而以較小的、在安全范圍內(nèi)的聲能產(chǎn)生足夠多足夠強(qiáng)大的剪切波；圖6 單列移動(dòng)的剪切波源b.探頭順序激發(fā)多列（由探頭左右排列）快速移動(dòng)的波源；c.多列移動(dòng)波源產(chǎn)生并相干增強(qiáng)后的剪切波覆蓋整個(gè)感興趣區(qū)（即SWE取樣框，長3-6cm）。再接著利用法國聲科影像（SSI，supersonic imagine）的特有專利技術(shù)極速超聲成像技術(shù)（高達(dá)20000Hz的圖像采集幀頻）以及軟硬件復(fù)合信號處理平臺快速計(jì)算取樣框內(nèi)每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的剪切波傳導(dǎo)速度并即時(shí)呈現(xiàn)彈性模量絕對值的彩色編碼圖（如圖7）。圖7 SWE成像原理及步驟示意圖這種彈性成像技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)二維成像實(shí)時(shí)觀察人體組織的彈性值（如圖8），全面反映一個(gè)占位病灶（周邊、中央、邊緣）內(nèi)不同區(qū)域的彈性值，更敏感、更特異的輔助臨床鑒別診斷，客觀間接反映組織不同的病理狀態(tài)。圖8 SWE成像示例圖SWE技術(shù)不