血管超聲彈性成像的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

何芳麗，楊繼慶，周建學(xué)，卜 欣

血管超聲彈性成像的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

何芳麗，楊繼慶，周建學(xué)，卜 欣

介紹了血管超聲彈性成像的基本原理，對該成像手段的臨床指導(dǎo)意義進(jìn)行概述，重點闡述了血管內(nèi)超聲彈性成像及無創(chuàng)血管超聲彈性成像的研究現(xiàn)狀，并對該成像方式的發(fā)展前景進(jìn)行了展望，指出基于射頻數(shù)據(jù)的無創(chuàng)血管超聲彈性成像是未來的發(fā)展方向。

超聲彈性成像；血管；應(yīng)變；射頻數(shù)據(jù)

0 引言

心腦血管疾病已成為威脅人類健康的第一殺手[1]，其主要發(fā)病機(jī)制是動脈粥樣硬化斑塊破裂及血栓形成。動脈粥樣硬化斑塊根據(jù)穩(wěn)定性可分為穩(wěn)定斑塊（stable plaque）和易損斑塊（vulnerable plaque）2類[2]，其中易損斑塊表面有一層薄且易破裂的纖維包膜，一旦破裂，產(chǎn)生的血栓容易阻塞心腦血管，從而引發(fā)急性心肌梗死、猝死和腦中風(fēng)。血管超聲彈性成像可實現(xiàn)斑塊的早期識別，對降低心腦血管疾病發(fā)病率和死亡率具有至關(guān)重要的作用[3]。與CT等其他成像方法相比，超聲對人體傷害小且價格便宜，并且周期性的超聲波非常適合應(yīng)用于彈性成像。本文就目前血管超聲彈性成像的發(fā)展現(xiàn)狀及研究進(jìn)展予以綜述。

1 血管超聲彈性成像概述

1.1 血管超聲彈性成像原理

1991年，J Ophir及其團(tuán)隊首先提出了超聲彈性成像[4]的概念，在外力或者內(nèi)力作用下，不同硬度的生物組織會產(chǎn)生不同響應(yīng)（位移、應(yīng)變、速度等），通過處理形變前后組織的超聲數(shù)據(jù)，可得到局部組織的彈性圖像及信息。目前，超聲彈性成像技術(shù)已經(jīng)涉及乳腺癌[5]、前列腺癌[6]、動脈粥樣硬化[7-8]等疾病檢測，是近年來超聲領(lǐng)域的研究熱點。

1997年，De Korte等提出了血管彈性成像技術(shù)[9]，該技術(shù)能有效得到血管縱向截面管壁位移分布情況，從而實現(xiàn)對血管壁彈性的定量分析。血管彈性成像是利用氣囊、血壓變化或外部的擠壓來微創(chuàng)或無創(chuàng)激勵血管，估計血管的位移和應(yīng)變分布。血管，特別是動脈血管，在不同心動周期內(nèi)所受血壓不同，表現(xiàn)為血管，隨周期性壓力變化其橫向截面上血管壁周期性擴(kuò)張與收縮?？梢酝ㄟ^超聲技術(shù)獲取不同心動周期下血管射頻信號/視頻信號，進(jìn)行處理后即可獲得血管超聲彈性圖像。

根據(jù)換能器放置方式不同，血管超聲彈性成像可分為血管內(nèi)超聲彈性成像（intravascular ultrasound strain imaging）和無創(chuàng)血管超聲彈性成像（noninvasive vascular ultrasound strain imaging）2類。血管內(nèi)超聲彈性成像是將血管腔內(nèi)超聲成像與彈性檢測技術(shù)相結(jié)合，該方法最先被用于血管彈性信息的研究和血管斑塊檢測，但由于其有創(chuàng)性，只能應(yīng)用于導(dǎo)管介入的患者。無創(chuàng)血管超聲彈性成像是基于體表超聲成像技術(shù)，由于其方便、快捷和安全的特點得到了快速的發(fā)展。

1.2 血管超聲彈性成像的臨床指導(dǎo)意義

血管超聲彈性成像技術(shù)可顯示血管內(nèi)腔、管壁和粥樣斑塊的組織形態(tài)學(xué)特征，可通過血管壁組織彈性信息的改變來反映血管病變。研究表明，動脈粥樣硬化斑塊與正常血管壁的應(yīng)力應(yīng)變有一定的差異，血管斑塊的不同病理組成，如鈣化、脂質(zhì)、纖維組織等在其超聲彈性圖像中對應(yīng)不同應(yīng)變特征[9-10]?？赏ㄟ^血管超聲彈性成像對不同類別的斑塊進(jìn)行區(qū)分，其中易損斑塊在超聲彈性圖像上表現(xiàn)為表面覆蓋著高應(yīng)變區(qū)域的低應(yīng)變部位。使用血管超聲彈性成像技術(shù)可判別血管動脈硬化程度、動脈血管狹窄程度及血管硬化斑塊類型，為心腦血管疾病的早期防治提供重要的診斷參考。除在心腦血管疾病方面的作用外，血管超聲彈性成像結(jié)果還可用于指導(dǎo)和評價動脈介入治療。在血管植入支架治療中，掌握血管壁的彈性將避免支架撐破動脈壁造成的嚴(yán)重后果，并可對植入后支架對血管壁彈性的影響進(jìn)行評價。

2 血管超聲彈性成像的研究現(xiàn)狀

2.1 血管內(nèi)超聲彈性成像

血管內(nèi)超聲彈性成像[11-13]使用導(dǎo)管將超聲探頭置于血管內(nèi)，獲取探頭所在位置血管壁形變前后的超聲數(shù)據(jù)，如圖1所示。左圖為某個心動周期內(nèi)的血管壓力變化曲線，中間上下兩幅分別為不同血壓條件下的血管內(nèi)超聲圖像，通過使用互相關(guān)、光流場等算法對超聲射頻/視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到血管壁的徑向應(yīng)變與彈性信息；右圖為血管內(nèi)超聲彈性成像的應(yīng)變場結(jié)果。目前基于射頻數(shù)據(jù)的算法有互相關(guān)等，基于包絡(luò)數(shù)據(jù)/視頻數(shù)據(jù)的算法有散斑估計和光流場[14]等。

圖1 血管內(nèi)超聲成像原理示意圖[8]

血管內(nèi)超聲彈性成像最先被應(yīng)用于血管斑塊檢測，具體發(fā)展過程可分3個階段。首先，研究人員將血管超聲彈性成像技術(shù)用于仿體實驗，驗證了血管內(nèi)超聲彈性成像算法的可行性。然后，分別使用離體冠狀動脈和股動脈進(jìn)行了離體血管超聲彈性成像實驗，表明該方法得到的徑向應(yīng)變能夠用于不同類型血管斑塊的區(qū)分。最終，通過在體血管實驗，證實血管內(nèi)超聲彈性成像技術(shù)可區(qū)分不同類型在體血管斑塊及易損斑塊。血管內(nèi)超聲彈性成像技術(shù)最大的缺點是其有創(chuàng)性，能夠應(yīng)用于導(dǎo)管介入的患者，但其彈性檢測方法和參數(shù)獲取算法均可應(yīng)用于無創(chuàng)血管超聲彈性成像。

2.2 無創(chuàng)血管超聲彈性成像

與血管內(nèi)超聲彈性成像技術(shù)相比，無創(chuàng)血管超聲彈性成像技術(shù)更加安全、快捷及易操作。無創(chuàng)血管超聲彈性成像技術(shù)基于體表超聲彈性成像，通過處理體表超聲所得血管形變前后超聲數(shù)據(jù)，獲取血管壁的彈性信息。該成像技術(shù)在超聲探頭放置與血管角度不同的情況下，可以分別得到人體血管縱向截面和橫向截面的彈性成像結(jié)果，其數(shù)據(jù)獲取過程如圖2所示。左圖為血管縱向截面超聲數(shù)據(jù)獲取示意圖，右圖為血管橫向截面超聲數(shù)據(jù)獲取示意圖。

圖2 無創(chuàng)血管超聲彈性成像數(shù)據(jù)采集示意圖

2.2.1 血管縱向截面超聲彈性成像

最早的無創(chuàng)血管超聲彈性成像是通過超聲多普勒血流速度技術(shù)獲取的，Bonnefous團(tuán)隊和Kanai團(tuán)隊分別使用互相關(guān)技術(shù)[15]和相位跟蹤方法[16]實現(xiàn)了組織應(yīng)變估計，并通過實驗驗證了該成像技術(shù)的可行性。1999年，Maurice團(tuán)隊提出了基于配準(zhǔn)技術(shù)的拉格朗日散斑運動估計（Langrangian speckle estimator）方法[17-19]，目前已在人體血管進(jìn)行了大量的臨床研究。

多種彈性成像算法中，時域互相關(guān)算法以其較強(qiáng)的抗噪能力而成為一種基本算法。由于血管彈性成像對位移及應(yīng)變估計高精度的要求，互相關(guān)算法經(jīng)過了一維互相關(guān)、兩步迭代及“由粗到精”多層互相關(guān)應(yīng)變估計技術(shù)的發(fā)展。其中，Shi團(tuán)隊和Lopata團(tuán)隊提出并研究的“由粗到精”（coarse to fine）多層互相關(guān)應(yīng)變估計技術(shù)[20-21]，通過“粗位移場”引導(dǎo)不斷迭代得到“精細(xì)位移場”，進(jìn)一步提高了血管應(yīng)變估計精度，該技術(shù)目前已經(jīng)在臨床試驗中，可實現(xiàn)人體頸動脈不同斑塊的區(qū)分[22-23]。

在基于視頻數(shù)據(jù)的超聲彈性成像算法中，利用濾波器組對原始視頻圖像進(jìn)行變換并二次采樣，得到各層子圖像；從最低分辨率圖像開始，進(jìn)行運動估計即可獲得位移的粗略估計；將低分辨率位移傳遞到下一個較高分辨率級，作為運動估計初始值，從而獲得較高分辨率運動估計；最終在最高分辨率級獲得較精確的位移估計結(jié)果?！坝纱值骄倍鄬踊ハ嚓P(guān)應(yīng)變估計技術(shù)是借鑒圖像金字塔的概念，在基于射頻數(shù)據(jù)的無創(chuàng)血管超聲彈性成像中，利用大窗長、小重疊率估計結(jié)果引導(dǎo)，然后逐步減小窗長、增大重疊率來實現(xiàn)“由粗到精”的位移估計。

2.2.2 血管橫向截面超聲彈性成像

血管橫向截面情況下，管壁徑向運動與超聲波束方向存在一定角度，其徑向應(yīng)變獲取難度遠(yuǎn)大于血管縱向截面。在算法上，Lopata等人將“由粗到精”多層互相關(guān)技術(shù)拓展到二維[23]，可分別得到二維的超聲應(yīng)變結(jié)果，但由于橫向采樣率遠(yuǎn)低于縱向，其位移及應(yīng)變精度明顯低于縱向結(jié)果。為此，Kanai團(tuán)隊通過改變超聲探頭元素時延來實現(xiàn)波束偏轉(zhuǎn)[24]，進(jìn)而通過相位跟蹤算法獲取橫向位移，已在橡皮管實驗中進(jìn)行了可行性驗證。Hansen團(tuán)隊利用電子波束角度控制[25]得到同一血管多個角度的超聲射頻數(shù)據(jù)，合成得到整個血管徑向射頻數(shù)據(jù)，并利用“由粗到精”多層互相關(guān)技術(shù)得到高精度的徑向運動和應(yīng)變圖像，此方法已經(jīng)在仿體和人體頸動脈進(jìn)行了初步的嘗試。

3 血管超聲彈性成像的發(fā)展趨勢

隨著超聲彈性成像技術(shù)的發(fā)展，手持超聲探頭擠壓組織彈性成像（freehand elastography）的方式已經(jīng)逐步集成到臨床超聲系統(tǒng)中，原理是操作超聲探頭擠壓體表組織形變，獲取形變前后超聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到實時的組織超聲彈性成像結(jié)果。目前，已有臨床工作者使用該成像模塊進(jìn)行甲狀腺、乳腺及前列腺等人體淺表組織疾病的診斷。血管有血壓的自主激勵，其運動情況更加復(fù)雜，普通的手持探頭擠壓方式并不適用于血管超聲彈性成像，故需要進(jìn)一步對其成像方式及算法進(jìn)行實驗與探索，開發(fā)真正適用于血管的超聲彈性成像模塊。

無創(chuàng)血管超聲彈性成像由于其特有的優(yōu)勢，得到越來越多研究者的關(guān)注。按照超聲原始數(shù)據(jù)類型的不同，無創(chuàng)血管超聲彈性成像算法可分為基于射頻數(shù)據(jù)算法和基于視頻數(shù)據(jù)算法2類?；贐-mode圖像/包絡(luò)等的視頻數(shù)據(jù)算法，不僅在精度上較差，其彈性成像的質(zhì)量也在很大程度上受限于臨床操作者的技能水平，因此其彈性成像應(yīng)用價值受到嚴(yán)重制約。超聲彈性成像感興趣區(qū)域特征位置的定位、特征系數(shù)的提取都依賴于超聲射頻（radio frequency）信號，且超聲射頻數(shù)據(jù)包括了回波幅度信息和相位信息，其彈性成像結(jié)果精度更高，目前有很多血管超聲彈性成像算法都是基于對射頻信號的處理。

4 結(jié)語

血管超聲彈性成像對于血管斑塊等疾病的檢測具有重要作用?；谏漕l數(shù)據(jù)的無創(chuàng)血管超聲彈性成像技術(shù)具有對人體傷害小、方便快捷、測量精度高、受操作者水平限制小等多方面優(yōu)勢，是人體血管病變的一種理想檢測方法，也必將成為血管超聲彈性成像未來的發(fā)展趨勢。目前，該技術(shù)處于仿真與實驗階段，通過在超聲射頻數(shù)據(jù)采集處理、彈性成像算法研究、彈性圖像處理等領(lǐng)域一系列的探索和研究，未來基于射頻數(shù)據(jù)的無創(chuàng)血管超聲彈性成像將逐步在臨床血管斑塊檢測與評價、血栓硬度和形成時間估計、介入治療和藥物治療觀測等領(lǐng)域扮演重要角色。

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（收稿：2013-12-31 修回：2014-04-14）

Research status and development trend of vascular ultrasound strain imaging

HE Fang-li,YANG Ji-qing,ZHOU Jian-xue,BU Xin
(Equipment Department,Stomatology School of the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China)

The principles and implementation methods of vascular ultrasound strain imaging are introduced.The clinical significance of the imaging is analyzed briefly.The research status of intravascular and noninvasive vascular ultrasound strain imaging are focused on,meanwhile,the development trend is prospected.Nonivasive ultrasound strain imaging based on radio frequency data is the future research trend.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（11）：103-105，112]

ultrasound strain imaging;vessle;strain;radio frequency data

R318；R445

A

1003-8868（2014）11-0103-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.11.103

何芳麗（1988—），女，助理工程師，主要從事生物醫(yī)學(xué)工程方面的研究工作，E-mail：hefangli2006@126.com。

710032西安，第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院器材設(shè)備科（何芳麗，楊繼慶，周建學(xué)，卜 欣）

楊繼慶，E-mail：jiqingy@fmmu.edu.cn