浅谈超声弹性成像发展 最终改动版

浅谈超声弹性成像发展

何为弹性成像？

这是一个超声成像术语，顾名思义这种成像模式旨在评估

组织的弹性大小，提供更全面的疾病信息。弹性是物质的一种

固有属性，同密度、硬度、温度等一样，反映物质的一个特性。日常生活中人们粗略评估物质的弹性主要看给一种物质施压外

压后物质的形变大小，例如海绵与金属：施加大体相同的压力

后海绵发生巨大的形变，人们认为它是软的；而金属受压后无

明显的变化，人们认为它是硬的。物质的硬度越大，其弹性越小；硬度越小，弹性越大。

为何要测量物质的弹性？

正常组织中不同的解剖结构之间会存在弹性差异。例如,在

正常乳腺中,纤维组织通常比乳腺腺体组织硬,而乳腺腺体组织

又比脂肪组织硬。绵羊肾脏的肾实质与肾髓质或者肾锥体的弹

性系数差异大约为6dB。不同组织弹性模量的差别能达到几个

数量级之上（如表1）。

表1 人体不同组织的弹性值

传统的超声成像中，不同组织的回声强度差异大小主要取决于组织的声阻抗，而其弹性系数差异却远较声阻抗差大（如表2）。

表2 不同人体组织及介质的声阻抗及密度

这决定了超声弹性成像对不同组织、同一组织的不同病理状态的分辨力较传统超声成像灰阶图高。换言之，同一组织中弹性的变化通常与其病理现象有关，正常组织与病变组织之间

存在巨大的弹性差异。例如,恶性的病理损害,例如乳腺硬癌、

前列腺癌、甲状腺癌及肝癌等,通常表现为硬的小结节。越硬

的物质受到外压时应变越小，硬度可反映物质的弹性大小。一

些弥散性的疾病例如肝硬化也会使得肝组织的硬度显着增大。

此外脂肪过多或者胶原质沉积也会改变组织的硬度。

什么是物质弹性的基本参数？

杨氏模量（E），亦称弹性模量／弹性系数。工程物理学上评估

机械材料弹性大小的基本包括杨氏模量、刚性指数等，其实反

映的都是物质的弹性。杨氏模量，1807年由英国科学家young thomas提出，反映物质弹性与硬度的基本参数，单位为Kpa。

此弹性模量（杨氏模量）与人们日常生活中提到的弹性（好／

不好）不同，超声弹性成像中用到的杨氏模量值与硬度呈正比。即物质越硬，物质受压时产生的形变越小，弹性模量（杨氏模

量）值越大。如海绵与金属，施加同一大小的外力，海绵形变

大而杨氏模量小，金属形变小而杨氏模量大。

怎么计算杨氏模量？

目前的几种超声弹性成像模式中应用的推算公式主要包括2种：

1.E＝S/e

（E为应变大小，间接反映弹性系数；S为外加压力；e为物质

受压后形变的大小。主要应用于静态型弹性成像以及定性型

ARFI）

2.E = 3ρC s2（E为弹性模量绝对值大小；ρ为组织密度；C s

为人体组织内剪切波的传播速度。主要应用于一维瞬时剪

切波成像、点式剪切波速度测量法以及2D－剪切波弹性成

像）

以上提到剪切波，那么什么是剪切波，它有哪些特点呢？

剪切波是一种对人体施加一定机械扰动后组织层面间产生

的粘弹滑动力传播的横波（即波传播的方向与质点震动的方向

垂直），属于机械波的一种，在液体及真空中不传播。而剪切

波又是一种极为微弱、振幅与传播距离（数个毫米）都极短的

波，传播速度较慢（1-10m／s）且在组织中传播时间极短（10-

20ms即衰减消失）。越硬的介质中剪切波的传播速度越快。根

据公式2，测得剪切波的传播速度即可计算出局部组织的杨氏模量。可是剪切波的独特特性使得捕捉并获得其传播参数极为困难。

实际上，人体几乎所有的脏器和组织密度均较为相近（如

表1），传统超声纵波在人体组织传播的速度也较为近似（约1540m／s）；而不同人体组织的杨氏模量差却十分巨大，同一

组织中软硬不同的区域剪切波（依靠组织层面间的剪切滑动力

传播）的传导速度亦是数倍甚至数百倍的差异。真正的剪切波

弹性成像从基本原理上是完全独立于传统超声成像的另外一种

成像模式，科学、客观的反映人体组织的弹性。

超声弹性成像的发展历程及基本分类

超声弹性成像最初于1990年左右出现，发展至今已有20余

年的历史，经历了静态应力型弹性成像、一维瞬时剪切波成像

与单点剪切波速度测量，到最近应用的2D-剪切波弹性成像。2013年由欧洲超声生物学与医学委员会（EFSUMB）出版的《超

声弹性成像分类及应用指南》（EFSUMB Guidelines and Recommendations on the Clinical Use of Ultrasound Elastography）中

对目前的几种超声弹性成像模式从原理、应用步骤、临床应用

价值、各种技术的优缺点等方面做了较为详细的介绍，根据成

像原理的不同大致分为3大类：早期传统的静态型弹性成像、剪切波速度测量法及2D－实时剪切波弹性成像（SWE， shearwave elastography）。

不同的弹性成像模式原理及应用究竟有何不同呢？

静态型弹性成像用于评估人体组织弹性大小是基于物质受压后产生形变大小不同的原理，评估的是受压物质的应变（strain）及应变率（strain ratio），主要包括：应变成像（strain elasto- graphy ，SE)以及应变率成像（strain-rate imaging ，SRI)，代表技术产品有hitachi、toshiba等推出的彩色应变弹性

成像（彩色的外压受力后形成的彩色应变图），而定性型ARFI

（ qualitative acoustic ridiational force impulse imaging ，即VTI技术，灰阶型应变图）亦归属于这类弹性成像范畴。这种半定性的弹性成像技术计算物质受压后的形变：E＝S/e（E为应变大小，S为外加压力，e为物质受压后形变的大小）。其基本原理：利用外力沿着声束方向(轴向)缓慢压缩组织(通常在1%左右),分别采集组织压缩前、后的超声射频信号,然后估计组织的位移分布,从而计算得到组织内部的轴向应变分布。假设要观察的组织横向边界无明显变化的条件下,组织受压后纵向应变分布同组织的弹性模量分布有很大的关联,弹性模量小(硬度小)的部位将比弹性模量大(硬度大)的部位有更大的应变,因此应变分布一定程度上能够代表硬度分布。这种技术的外力成因又分为：手动外力式、生理助力式、机械振动式（如图1）。然而这几种外力形成模式中施压外力的大小都不可知，从而这种弹性成像技术最大的弱点在于重复性不佳，人为依赖性过大。另外，这种技术存在一些共同的缺陷：a.不同深度的组织形变大小不同，离外力施压源越远的组织受到的压力越小形变也越小，因此，

图1 几种静态应变弹性成像的应力来源

随着深度的增加静态应变弹性成像的准确度下降；b.同一组织深度上，病灶越大受力也越大，因而病灶大小对静态应力弹性成像的准确性影响也越大；c.静态弹性成像的彩色编码图提供占位整体的形变信息，导致占位病灶内部软硬度分布缺失；d.静态应变弹性图上呈现的是病灶相对于周边组织的相对硬度，在患者脏器存在弥漫性病变（如肝硬化、桥本氏甲状腺炎、结节性甲状腺肿等）的情况下，弹性成像本底硬度增加，占位病灶的硬度可能与本底相同