剪切波弹性成像基础普及系列之一

剪切波弹性成像基础普及系列之一

剪切波（Shear Wave）的前世今生剪切波最近大热，到底什么是剪切波？今天就来说说剪切波的前世今生。声波（Sound Wave或Acoustic Wave）是一种机械波，由物体（声源）产生振动，引起构成介质的质点在空间的机械运动。人耳可以听到的声波的频率一般在20Hz至20000Hz之间。对于超声医生来说最熟悉的一种声波应该是超声波，其频率超过了人耳可听范围（高于20000Hz），可以用于组织结构成像。但其实超声波只是机械波的一种，是一种纵波，在介质中超声波的质点位移方向同波的传播方向是平行的（图1左）。而另一种波，横波，在弹性介质中的质点位移方向与波的传播方向垂直（图1右），剪切波就是横波的一种。

给两个图对比一下就看明白了。图1:超声波（纵波）与剪切波（横波）传播简易图

由于剪切波独特的物理特性，它的传播速度与介质的硬度或者说是弹性直接相关，因此剪切波最初被工程学科用来评价土层的性质以及土层弹性模量的计算。

剪切波理论最早由法国朗之万研究所（Institue Langevin）的Mathias Fink教授（2005年诺贝尔物理学奖提名者）提出：E（kPa）＝3rc2 这个公式中E是杨氏模

量，国际单位是kPa（千帕），用来表示传播介质的软硬也就是弹性；r是组织的密度；而c表示的就是剪切波速度。从上面的公式里很容易看出，在弹性介质里，剪切波传播的越快，对应介质杨氏模量（硬度）越高；剪切波传播的越慢，对应介质杨氏模量越低。随着现代医学的不断发展，近几年剪切波的物理特性被医学工程学家重新挖掘并应用在了医学影像领域——利用剪切波去定量显示人体软组织的硬度。这种新型的超声检测技术仅需要超声探头的辅助，完全不需要使用者进行外力加压，对组织弹性进行客观、定量评估。这样就避免了以往传统外压式超声弹性成像受主观经验影响、缺乏客观定量指标、应用范围仅在浅表组织等局限性。体内剪切波的出现可以有很多种不同的方式。例如，跳动的心脏就是产生剪切波的天然振源，不过它的振动仅限于临近的局部组织。图2:心脏搏动

而来源于体外的振动器，如动态核磁共振弹性图，因为需要两个设备同时操纵，对于超声环境来说又不够理想。图3:MRI的动态型弹性成像技术。频率50Hz下所产生的位移相位（左下）、弹性图（右下）。

剪切波技术利用超声声束产生的声辐射力对组织进行扰动，这种压力或称“声学气流”能够沿着它的传播方向对组织产生推力，弹性介质如人体组织由于其自身存在恢复力，

所以对这种推力会有所反应，从而引发机械波。对我们超人来说非常有意义的是，这其中就含有在组织中横向传播的剪切波。图4:剪切波技术成像原理

由于人体内各种组织的密度值相对稳定，都近似于水的密度（1000kg／m3），其弹性值的变化就与剪切波的传播速度直接相关。这种实时、定量硬度图是将组织的弹性值进行编码并叠加于B超图像之上而产生的，其标尺根据杨氏模量E（单位为kPa）的大小而定，一般的设备将较硬的组织（杨氏模量高）显示为红色，较软的组织（杨氏模量低）显示为蓝色（不同的厂商提供的设备表示方法不尽相同）。硬度图能够与二维图像同步保持实时更新，其图像分辨率保持在1mm左右。定量测量工具可定量获得感兴趣区域内杨氏模量值（平均值mean、最小值min 以及最大值max），以kPa表示（如下图所示）。

图5:硬质体模的超声硬度示意图。其中下方是二维灰阶图像，上方是硬度图，右上方是硬度量程显示，蓝色表示软，红色表示硬。右侧所显示的Qbox测量工具，可定量获得感兴趣区域内杨氏模量值。这种超声新技术为临床提供组织定量信息，将超声从定性时代带入定量时代。