超聲彈性成像技術(shù)的研究進(jìn)展

劉義鋼綜述，章春泉審校

(1.南昌大學(xué)醫(yī)學(xué)院，南昌 330006；2.南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院超聲科，南昌 330006)

組織的硬度與組織的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，組織結(jié)構(gòu)在很大程度上取決于組織的分子構(gòu)成以及這些分子構(gòu)成的組織形式。然而，傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像模式（包括超聲、x－射線、計(jì)算機(jī)斷層掃描、磁共振）都無(wú)法提供組織的硬度信息。因此，超聲彈性成像(ultrasounic elastography，UE)這一可以提供組織硬度的新技術(shù)被Ophir等[1]人提出來(lái)后，得到了廣泛關(guān)注并快速發(fā)展，已成為超聲領(lǐng)域的一個(gè)研究熱潮。

1 超聲彈性成像原理

超聲彈性成像是由于生物組織都具有硬度這一基本屬性，不同組織間有著硬度的差異，這種差異可以用彈性參數(shù)來(lái)表示。組織彈性參數(shù)的測(cè)定需要通過(guò)對(duì)組織的激勵(lì)使組織發(fā)生形變，然后通過(guò)對(duì)形變前和形變后組織分別進(jìn)行測(cè)量，才能獲取組織的硬度差異。因此，超聲彈性成像的彈性參數(shù)需要對(duì)超聲成像的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析才能獲取。超聲彈性成像大致分為5步：⑴對(duì)目標(biāo)組織進(jìn)行初次超聲成像并獲取結(jié)果（形變前）；⑵通過(guò)激勵(lì)使目標(biāo)組織發(fā)生形變；⑶對(duì)目標(biāo)組織形變后進(jìn)行二次超聲成像并獲取結(jié)果（形變后）；⑷采用計(jì)算機(jī)對(duì)兩次成像結(jié)果進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，通過(guò)相關(guān)結(jié)果獲得形變前后組織內(nèi)部各散射點(diǎn)的相對(duì)位移值；⑸通過(guò)獲得的相對(duì)位移值構(gòu)建組織的整體位移場(chǎng)，并對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算獲取對(duì)應(yīng)的應(yīng)變圖，最后重建獲得目標(biāo)組織的參數(shù)[2]。在介質(zhì)內(nèi)應(yīng)力均勻分布的情況下，硬度與形變/位移成反比。

2 超聲彈性成像的技術(shù)分類

依據(jù)激勵(lì)組織發(fā)生形變方式的不同，將超聲彈性成像分3種：⑴靜態(tài)應(yīng)變成像；⑵實(shí)時(shí)組織彈性成像；⑶聲輻射力超聲彈性成像。靜態(tài)應(yīng)變成像和實(shí)時(shí)組織超聲彈性成像是直接施壓在被檢組織表面，其激勵(lì)來(lái)源于組織之外；而聲輻射力超聲彈性成像則是通過(guò)使組織內(nèi)部發(fā)生應(yīng)變，其激勵(lì)來(lái)源于組織的內(nèi)部。

2.1 靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)超聲彈性成像 靜態(tài)應(yīng)變成像是用探頭對(duì)目標(biāo)組織施加一個(gè)穩(wěn)定均勻的壓力，通過(guò)壓力的改變使目標(biāo)組織在空間上的位移變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)形變的控制，然后采集在同一位置施壓前和施壓后的兩組超聲射頻信號(hào)，計(jì)算組織形變[3]。這一方式采取的是人為手動(dòng)加壓的形式，在淺表組織如甲狀腺和乳腺是可行的，但對(duì)于深部組織如肝臟，應(yīng)力很難傳導(dǎo)到深部，成像效果會(huì)受到很大的影響。選擇的感興趣區(qū)需包含足夠多的非病變組織，施加的壓力均勻一致，才能比較客觀的反映病灶的相對(duì)硬度。

2.2 實(shí)時(shí)組織彈性成像（RTE）RTE是根據(jù)不同生物學(xué)組織彈性系數(shù)的不同，施加外力后目標(biāo)組織的形變也不同，通過(guò)計(jì)算出形變程度，最后以彩色編碼的形式表達(dá)。目前RTE的診斷方法共3種：⑴評(píng)分法，根據(jù)彈性圖像顏色構(gòu)成直接進(jìn)行評(píng)分診斷；⑵應(yīng)變比值法(Strain Ratio)，可以得到具體的定量數(shù)據(jù)；⑶組織彌散定量分析(Strain Histogram)，可以對(duì)組織彈性應(yīng)變紋理變化的情況進(jìn)行分析。評(píng)分法及應(yīng)變比值法主要應(yīng)用于局部占位性病變，如乳腺和甲狀腺占位的評(píng)估，組織彌散定量分析主要應(yīng)用于彌漫性病變，如肝纖維化的測(cè)量[4]。

2.3 聲輻射力超聲彈性成像 聲輻射力超聲彈性成像是采用超聲聚焦的方式在組織內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)小范圍激勵(lì)源，而組織內(nèi)部應(yīng)力的傳播與組織的彈性呈正相關(guān)，因此，通過(guò)超聲聚焦方式在組織內(nèi)部形成振動(dòng)源，通過(guò)力輻射的方式在組織內(nèi)部形成軸向傳播的剪切力。根據(jù)內(nèi)部激勵(lì)帶來(lái)的剪切力引起的內(nèi)部組織形變即可有效計(jì)算出內(nèi)部組織的應(yīng)變場(chǎng)結(jié)果[5]。

聲輻射力彈性成像方法主要有三種，即諧波運(yùn)動(dòng)成像、脈沖聲輻射力成像和剪切波彈性成像。

2.3.1 諧波運(yùn)動(dòng)成像 （harmonic motion imaging，HMI）諧波運(yùn)動(dòng)成像是通過(guò)一個(gè)外部聲源發(fā)射超聲波，超聲波產(chǎn)生的聲輻射力對(duì)被檢組織形成周期性的壓力，使得被檢組織產(chǎn)生諧波運(yùn)動(dòng)，通過(guò)采集組織被激發(fā)前后的超聲圖像進(jìn)行位移相位估計(jì)，可間接反映組織的彈性狀況，彈性越大，應(yīng)變就越大[6]。應(yīng)變是組織硬度的相對(duì)指標(biāo)，會(huì)隨壓力的改變而改變。

2.3.2 脈沖聲輻射力成像 (acoustic radiation force impulse imaging，ARFI)脈沖聲輻射力成像是通過(guò)超聲給組織施加局部輻射力，利用聲輻射力的聚焦，在特定的線上產(chǎn)生推力，組織受到推力產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，然后突然停止聲輻射力，在應(yīng)變恢復(fù)過(guò)程中檢測(cè)不同時(shí)間點(diǎn)的應(yīng)變情況，從而反映組織的黏彈特性。由于ARFI是采用聲能機(jī)械性激勵(lì)的方式，依然是通過(guò)位移來(lái)估算形變，所以本質(zhì)上是應(yīng)變成像。

2.3.3 剪切波彈性成像(shear wave elastic imaging，SWEI)剪切波彈性成像是基于剪切波速度的測(cè)量，通過(guò)檢測(cè)聲輻射力激發(fā)組織而產(chǎn)生的剪切波的傳播進(jìn)行成像的方法，直接測(cè)量的是剪切波速度本身，通過(guò)公式計(jì)算出目標(biāo)組織的楊氏模量。它可分為瞬時(shí)彈性成像 （TE）、單點(diǎn)剪切波成像（qSWE）、 多 維剪切 波 E 成像 （2D-SWE、3DSWE）。SWE可以有效地避免人為因素的影響，在不施加外力的情況下，通過(guò)測(cè)量目標(biāo)組織的剪切波速度來(lái)判斷組織的硬度[7]。

諧波運(yùn)動(dòng)成像和脈沖聲輻射力成像都受組織的形態(tài)的影響，位移和應(yīng)變都與組織的硬度相關(guān)，不能提供組織彈性模量的定量值，而剪切波彈性成像直接測(cè)量的是剪切波速度本身，通過(guò)公式而得到楊氏模量。

3 超聲彈性成像技術(shù)主要的臨床應(yīng)用

3.1 超聲彈性成像在肝臟疾病中的應(yīng)用 慢性乙型肝炎（CHB）是導(dǎo)致肝惡性腫瘤的主要病因，嚴(yán)重危害著人類的健康。準(zhǔn)確評(píng)估乙肝患者肝纖維化程度是顯得尤為重要。超聲彈性成像技術(shù)可對(duì)肝纖維化病變程度進(jìn)行測(cè)量，能檢測(cè)出肝臟實(shí)質(zhì)的硬度，從而反映肝纖維化的程度。Huang等[8]對(duì)國(guó)內(nèi)健康志愿者的SWE的正常值研究結(jié)果顯示，正常肝臟硬度的平均值為 （5.10±1.02）kPa，95%的置信區(qū)間為5.02-5.19kPa，男性略高于女性；鄭榮琴等[9]研究認(rèn)為超聲剪切波彈性成像成為評(píng)估肝臟彌漫性疾病患者的肝纖維化程度、指導(dǎo)慢性肝病患者的治療、預(yù)后以及隨訪監(jiān)測(cè)的重要方法；宋毅等[10]研究通過(guò)ROC曲線確定了肝血管瘤（ANG）和原發(fā)性肝細(xì)胞型肝癌（HCC）的楊氏模量鑒別診斷臨界點(diǎn)為13.15kPa，能夠鑒別診斷ANG和HCC；黃澤萍等[11]利用實(shí)時(shí)二維剪切波彈性成像技術(shù)評(píng)估健康人和乙肝患者的肝纖維化重復(fù)性和一致性，結(jié)果顯示SWE技術(shù)檢測(cè)健康人和乙肝患者的肝臟效能穩(wěn)定。李忠東[12]研究表明，肝臟瞬時(shí)彈性檢測(cè)剪切波與肝功能child-ph分級(jí)中總膽紅素、凝血酶原時(shí)間、白蛋白、肝腹水、肝性腦病之間的關(guān)系來(lái)證實(shí)了剪切波數(shù)據(jù)的多少與慢性乙肝child分級(jí)成正相關(guān)。支欣等[12]研究成果表明，SWE診斷肝纖維化的指標(biāo)明顯實(shí)時(shí)組織彈性成像，也優(yōu)于血清學(xué)。超聲彈性成像技術(shù)已成為評(píng)估肝臟纖維化病理分期有效、無(wú)創(chuàng)的新技術(shù)。但肥胖、肝硬化程度過(guò)重、肝區(qū)有腹水、肝內(nèi)血容量增加及飲酒史等可能導(dǎo)致肝臟硬度測(cè)量的改變。

3.2 超聲彈性成像在甲狀腺疾病中的應(yīng)用 甲狀腺癌是目前發(fā)病率增長(zhǎng)最快的惡性腫瘤，也是內(nèi)分泌系統(tǒng)中最常見(jiàn)的惡性腫瘤。因此，在日常的工作中如何正確評(píng)價(jià)甲狀腺占位的性質(zhì)，以避免過(guò)度治療、擬定合理的治療方案至關(guān)重要。高頻超聲是甲狀腺占位無(wú)可爭(zhēng)議的首選影像學(xué)檢查方法。由于甲狀腺良惡性占位常規(guī)超聲圖像存在部分重疊，使診斷困難。而超聲彈性成像技術(shù)能提供病灶的硬度信息，成為一個(gè)很好的補(bǔ)充。唐力等[14]研究表明，SWE鑒別診斷甲狀腺結(jié)節(jié)良惡性的敏感性較高，這可能是由于結(jié)節(jié)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不同、組織成分不同、病理類型不同有關(guān)。梅文娟等5研究表明SWE診斷良、惡性甲狀腺結(jié)節(jié)的陽(yáng)性預(yù)測(cè)值及陰性預(yù)測(cè)值、靈敏性、特異性、準(zhǔn)確率分別為64.9%和72.6%、58.5%、79.3%、69.7%。 國(guó)外研究[16]顯示甲狀腺惡性結(jié)節(jié)的楊氏模量最大值為(137.4±56.8)kPa，平均值為 (88.4±35.3)kPa。當(dāng)利用楊氏模量以90.3kPa為參考界值，其特異性、敏感性均高于以平均值作為參考。劉真等[17]研究結(jié)果顯示超聲彈性成像技術(shù)和超聲聲學(xué)造影檢查有較高的一致性，能對(duì)消融灶的邊界、形態(tài)、及大小清晰顯示。

二維超聲能顯示斷層解剖結(jié)構(gòu)，病癥的大小、形態(tài)、內(nèi)部回聲和與周圍組織的關(guān)系，特別時(shí)微鈣化的顯示，對(duì)甲狀腺結(jié)節(jié)的診斷意義重大，甲狀腺病灶的診斷主要依賴于常規(guī)超聲，超聲彈性成像并不能完全取代常規(guī)超聲來(lái)評(píng)估甲狀腺占位的性質(zhì)，但能作為一個(gè)很好的補(bǔ)充手段。

3.3 超聲彈性成像在乳腺疾病中的應(yīng)用 乳腺癌是女性最常見(jiàn)的惡性腫瘤，且發(fā)病率呈逐年升高趨勢(shì)，所以乳腺疾病前期的診斷至關(guān)重要。超聲彈性成像技術(shù)能為乳腺疾病的診斷提供良好的補(bǔ)充手段，是目前診斷乳腺疾病非常認(rèn)可的方法[18]。Chang[19]等發(fā)現(xiàn)乳腺惡性腫瘤的平均彈性值為（153±58）kPa，顯著高于乳腺良性腫瘤組（46±43）kPa，(P＜0.01)；鄭春梅等[20]研究認(rèn)為超聲彈性成像診斷乳腺腫瘤良惡性的特異性為76.4%，敏感性為92.3%，準(zhǔn)確性為82.3%；Tanter等[21]研究結(jié)果表明實(shí)性病變的良惡性及囊性病變?cè)诔晱椥月曄駡D上均有不同表現(xiàn)；巫朝君等[22]研究表明乳腺纖維腺瘤、導(dǎo)管內(nèi)乳頭狀瘤及乳腺腺病的SWE成像以均一藍(lán)色為主，導(dǎo)管內(nèi)乳頭狀癌以藍(lán)色為主，內(nèi)部可見(jiàn)少許紅色，而炎性膿腫以藍(lán)色為主，內(nèi)部可見(jiàn)無(wú)著色區(qū)；浸潤(rùn)性導(dǎo)管癌和導(dǎo)管內(nèi)癌主要表現(xiàn)紅色為主的雜亂色彩。宮麗杰等[23]研究表明超聲彈性應(yīng)變率比值法與聲觸診組織量化技術(shù)聯(lián)合使用時(shí)的診斷價(jià)值明顯高于二者單用。超聲彈性成像技術(shù)對(duì)于乳腺疾病的臨床價(jià)值已得到廣法認(rèn)可，研究結(jié)果已寫(xiě)入2013版ACR BI-RADS Ultrasound指南中。

3.4 超聲彈性成像在其它疾病中的應(yīng)用 劉鳳菊等[24]研究認(rèn)為RTE可診斷頸動(dòng)脈斑塊的穩(wěn)定性，能較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)腦卒中的發(fā)生；段依戀等[25]研究認(rèn)為彈性成像技術(shù)可通過(guò)檢測(cè)頸動(dòng)脈斑塊的楊氏模量來(lái)評(píng)估斑塊的易損性，作為預(yù)測(cè)腦梗死的風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)。經(jīng)陰道超聲彈性成像可以觀察宮頸的層次結(jié)構(gòu)，能對(duì)宮頸組織的硬度進(jìn)行較為準(zhǔn)確的評(píng)估[26]。吳文斌[27]研究認(rèn)為超聲彈性成像可應(yīng)用于前列腺良惡性病變的診斷和對(duì)前列腺癌的早期診斷與篩查。徐建紅等[28]研究發(fā)現(xiàn)SWE能對(duì)原發(fā)性、繼發(fā)性腎小球疾病、腎移植慢性排斥性病變提供新的診斷價(jià)值。郭良云等[29]研究認(rèn)為超聲彈性成像對(duì)睪丸良惡性結(jié)節(jié)的鑒別提供了新的途徑，具有重要的參考價(jià)值。目前多個(gè)研究證實(shí)，使用SWE評(píng)估成人腦卒中和小兒腦性癱瘓的四肢骨骼肌，與正常組對(duì)比有顯著差異，SWE將成為監(jiān)測(cè)高位中樞損傷后骨骼肌康復(fù)的手段。

綜上所述，超聲彈性成像作為一種新的組織力學(xué)特征成像技術(shù)，雖然獲取的硬度信息不具備獨(dú)立診斷的價(jià)值，但能作為一個(gè)很好的補(bǔ)充手段。它不僅彌補(bǔ)了常規(guī)超聲對(duì)無(wú)法對(duì)組織硬度測(cè)定的缺點(diǎn)，還為疾病的診斷提供了全新的視角，拓寬了超聲診斷范圍。相信隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，超聲彈性成像技術(shù)會(huì)逐漸走向臨床應(yīng)用，并發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。