医疗超声弹性成像的技术与应用综述

随风西阳

医用超声弹性成像技术概述
Xucd
普通超声成像技术依据机体组织声阻抗的差异进行成像，该阻抗回波信号难以区分声阻抗相同的不同组织，比如乳房硬肿瘤和健康囊肿组织在B-MODE下都是较暗的区域，区分困难[1]。超声弹性成像（Ultrasound Elastography）是超声技术一种新的应用形式，它主要利用组织的弹性模量与病灶生物学特性的相关性进行成像，最早由Ophir等在1991年提出[2]，与通过叩诊触摸组织的软硬层度来诊断疾病的方法类似。组织的弹性模量可以采用公式E=T/S 进行表示，其中E是弹性模量，T表示应力，S表示应变。超声弹性成像对组织施加一个外部或内部(包括机体自身呼吸、心跳等)静态/动态的压力，利用超声成像方法，结合数字信号处理或数字图像处理技术，估计出组织内部位移、应变、速度等参数的相应变化，间接或直接得到组织内部的弹性模量等力学属性的图谱分布。
根据施加力学激励方式的不同，可以把弹性成像方式分为静态/准静态成像和动态成像两大类[3]。静态成像通过对组织施加恒定/低频应力，测量组织形变前后的位移，得出应变S，进而估算弹性模量E。由于恒定/低频应力T未知，静态弹性成像只是不同组织弹性模量对比度的反映，不能定量计算组织的弹性模量；动态弹性成像主要利用组织横波（Shear Wave）进行弹性模量的探测，大多可以进行弹性模量的定量检测。纵波(Compressional Wave) 在组织内的声速在1500 m/s 左右，而横波的声速密切依赖于组织的剪切模量μ，一般在1-50 m/s左右。声速和剪切模量之间存在的关系，而组织的密度一般在1000 kg/m3左右，波动不大。因此可以通过横波声速间接测量出剪切模量μ。由于生物组织具有不可压缩性，杨氏模量和剪切模量之间近似存在3倍的关系E=3μ，所以生物组织的杨氏模量和横波声速的关系为。测量横波声速就可以得到杨氏模量的分布图，得到组织的弹性图谱。有数据表明组织的剪切模量μ比杨氏模量E有更大的变化区间，可以获得更好的图像对比度，因此也可用剪切模量μ直接进行成像[4]。
Ophir小组早期提出的静态弹性成像思想已经被很多医疗超声公司采用。如Hitachi采用手压施加应力的“Real-time Tissue Elastography”弹性成像技术，对应机型为EUB-8500；Philips 利用呼吸，心跳施加应力的技术，对应机型为iU22等。静态弹性成像方法的成像效果受探头操作者的个人经验、施加压力的大小等因素影响很大，重复性差，但是由于成像算法简单，硬件要求不高，在乳腺和甲状腺等器官的成像方面应用比较广泛。
随着超声技术的进步，在超声弹性成像提出的25年中，特别是近十几年内，新的超声弹性方法不断涌现，并逐步在商业超声成像系统中得到应用。1998年，James Greenleaf 小组提出了振动超声成像技术，对组织同时施加ω0和ω0+ω两束超声脉冲聚焦信号，聚焦点将以频率ω产生振动，对振动数据进行解析就可以得到聚焦点的振动位移和弹性模量信息。但是进行全图扫描时超声脉冲能量衰减严重，且耗时过长，该技术目前还没有得到实际应用。2001年，美国Kathy Nightgale 小组提出声辐射脉冲成像技术 (ARFI)。他们通过聚焦声束产生的声压推动组织发生微位移，然后把换能器切换至成像模式接收组织振动产生的超声散斑信号，通过信号分析得到组织的位移和弹性参数。Nightgale 后来把ARFI技术与横波技术结合形成了ARFI-SWS，该成像方法被Siemens Acuson S2000系统采用。Philips EPIQ7 和EPIQ5 系统中所使用的ElastPQ 横波成像方案也采用了类似的技术方案[5]。
首个1D动态弹性成像探头由Langevin实验室的Catheline在1995年研发，它有常规超声探头和产生组织横波的力学脉冲驱动器组成。利用超快成像（Ultrafast Imaging）的方法，以1000帧/s的速度记录超声散斑信息，测量组织位移。该技术在2001 年由Echosens公司推出商业化产品FibroScan。在1D动态弹性成像探头的基础上，Langevin实验室1997年又推出了2D动态弹性成像探头。该探头有线阵探头和激励横波的驱动器构成，2003 年进行了活体实验，虽然结果令人鼓舞， 但是由于体积庞大，质量偏重，实际应用仍有困难。
为克服2D弹性成像探头存在的问题，2004年Bercoff等把超声弹性成像的两大基础技术：超音速横波技术和超快速成像技术融合在一起，提出了超音速横波弹性成像技术SSI（Supersonic Shear Imaging），使声束聚焦点以大于横波波速的速度移动，再采用超快速成像技术以5000-30000帧/s的速度采集马赫锥边界处组织的位移、速度等信息，该方法可以获得出色的信噪比和成像速度。2008年居里实验室对该技术进行了活体实验，2012年Supersonic Imagine公司把该技术应用到其Aixplorer系统上，在乳腺检测上表现出非常好的重现性[6]。
超声弹性成像目前主要在乳腺、甲状腺、前列腺、肝脏等少数几个器官有相关研究报道，组织器官的弹性模量数据还很缺乏，且不同文献中数据差距很大。展望医疗超声弹性成像未来的发展，SSI技术、剪切模量成像、2D弹性成像等无疑代表未来弹性成像技术的发展方向。但是伴随弹性成像图像质量和弹性模量定量检测精度的提高，对更多器官展开弹性成像研究，建立弹性成像数据库，并尽快形成行业标准将是超声弹性成像未来的重要研究内容和发展方向。
Reference
1. Jonathan F C, Caroline E, Lars L, etc., Strain elastography ultrasound: an overview with emphasis on breast cancer diagnosis, Diagnostics, 2013, 3(1), 117-125.
2. Ophir J, Alam S K, Garra B, etc., Elastography: ultrasonic estimation and imaging of the elastic properties of tissues, Proc. Instn. Mech. Engrs., 1999, 213(3), 203-33.
3. Gennisson J L, Deffieux T, Fink M, etc., Ultrasound elastography: principles and techniques, Diagn. Interv. Imaging, 2013, 94(5), 487-95.
4. Armen P S, Oleg V R, Scott D S, etc., Shear wave elasticity imaging: a new ultrasonic technology of medical diagnostics. Ultrasound in Med. & Biol., 1998, 24(9), 1419-1435.
5. http://www.healthcare.philips.com/main/products/ultrasound/technologies/shearwave.wpd
6. Bercoff J, Tanter M, Fink M, etc. Supersonic shear imaging: a new technique for soft tissue elasticity mapping, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 2004, 51(4), 396-409.
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