靜態超聲彈性成像：主觀還是客觀？定性還是定量？

李添捷，鄭永平，汪源源

1. 復旦大學電子工程系 生物醫學工程專業，上海 200433；2. 香港理工大學 醫療科技及資訊學系， 香港

靜態超聲彈性成像：主觀還是客觀？定性還是定量？

李添捷1,2，鄭永平2，汪源源1

1. 復旦大學電子工程系 生物醫學工程專業，上海 200433；2. 香港理工大學 醫療科技及資訊學系， 香港

靜態超聲彈性成像(Ultrasound Elastography)利用超聲探測技術，檢查組織的彈性特征，從一定程度上量化反映了醫生在觸診中的主觀感受，在科學研究和臨床實踐中有廣泛的應用價值。本文綜述了該項技術的研究背景、研究進展，并對其臨床中遇到的問題做了初步的分析和探討。以期通過今后的研究，幫助醫生更好地獲得彈性圖像(Elastogram)，繼而做出客觀診斷。

彈性成像；靜態超聲彈性成像；計算機輔助診斷；乳腺；甲狀腺；癌癥診斷

1 研究背景

正常組織與病灶結構成分的不同很大程度上造成了其力學特性的差異，俗稱“硬度”不同。通過離體組織彈性特征的測量，已證實這些差異的存在[1]。在傳統的體檢中，醫生往往通過觸診來感知受檢者體表及臟器的硬度，發現異常。但這樣的檢查缺乏量化，靈敏度低，且受醫生診斷經驗限制，容易誤診，于是彈性成像技術應運而生。

該項技術的實現需要解決的首要問題是如何選擇物理參數，來近似觸診中醫生對組織硬度的主觀感受。理論研究認為，若忽略組織的粘性，并將其假設為各向同性的勻質材料，便可以僅用楊氏模量 (Young's modulus)和泊松比(Poisson's ratio)兩個參數描述一定負載下組織的響應[2]。

下一步便是彈性參數的測量，它包含兩方面的研究：激勵的施加和應變的探測。常用的應變探測方法有磁共振 成 像 (Magnetic Resonance Imaging, MRI)[3-5]和 超 聲 成 像(Ultrasound Imaging)[6-17]。 在 眾 多 彈 性 成 像 技 術 的 研 究 中，有的旨在提供量化的彈性參數值，有的則僅提供定性的組織硬度分布[18]。

根據激勵的時間特性，可以將現有的基于超聲檢測的彈性成像總結為三類[19]：采用靜態或準靜態力的施壓式彈性成像 (Compression Elastography or Strain Imaging)、采用低頻瞬時振動的瞬時彈性成像 (Transient Elastography)和采用低頻簡諧波的振動聲彈性成像 (Vibration Sonoelastography)。也可以根據激勵的空間特性將超聲彈性成像分為兩類[18]：采用施加于組織表面的外部激勵 (External Excitation)成像方式和采用施加于組織內感興趣區域的內部激勵 (Internal Excitation)的成像方式。 后 者 可 以 由 生 物 組 織 自 發 產 生，用 于 心 臟和 血 管 的 彈 性 成 像[13-14]，也 可 以 通 過聲 輻 射 力(Acoustic Radiation Force)來生成強制性的內應力[15-17]。

實際上，彈性成像 (Elastography)一詞最早由 Ophir 等人提出[6]，因此狹義的彈性成像僅指這種靜態力激勵下的成像技術[20]。本文接下來將這種成像技術的研究進展作簡單回顧，并對臨床應用中影響醫生客觀診斷的主觀因素做初步的探討和分析，以期在今后的研究中加以解決。

2 成像技術的研究進展

在典型的靜態力激勵下的超聲彈性成像中，一個緩慢的單軸外力被施加到生物組織表面，使之產生微幅應變。通過跟蹤應變前后超聲信號的變化，就可以估計出與外力對應的組織應變。進而由生物組織的數學模型，得到組織彈性特征的分布。由于此處假設外力是緩慢、單軸的，應變是微幅的，因此生物組織的數學模型被大大簡化，即可用胡克定律（Hooke's law）來描述受力條件下組織的應變過程，用以計算組織各處的楊氏模量[2]。有研究采用氣囊和心血管自身的收縮和舒張，產生靜態或準靜態力，將彈性超聲成像的原理用于心臟和血管的彈性成像之中[9,13-14]，國內的研究小組也在此方面作了一些嘗試[21-23]。

跟蹤組織應變前后的超聲信號，估計軸向應變是彈性成像的關鍵技術。早期的算法有時域互相關散斑跟蹤技術[6]和基于相位的位移監測技術[7]。為了提高應變估計的準確性和算法的穩定性，各研究小組在算法層面做了很多有益的嘗試[21,24-30]，其中也包括了我們研究小組的一些研究和討論[31]。靜態彈性成像算法的另一個重要研究方向是非軸向位移的估計。有文獻指出非軸向運動會在相當程度上妨礙軸向應變的估計，同時任何三維物體的運動必需通過包括軸向在內的三個分量上運動來完全表征[32]，這或許也是不同類型彈性圖（elastogram）研究的發端。這些彈性圖描述的組織彈性特征包括軸向應變、橫向應變、泊松比，以及多孔介質的孔彈性[2,33]。

應 變 濾 波 器 (Strain Filter)理 論[34]的 建 立 和 發 展 使 靜態彈性成像技術的量化評價成為可能。其基本思想是將組織的應變視為真實信號，應變的估計為觀察信號，從而給出 兩 者 信 噪 比 (Elastographic Signal-to-noise ratio, SNRe)的上界。根據應變濾波器的結果，可進一步定義對比度噪聲比 (Elastographic Contrast-to-noise ratio, CNRe)、 動 態 范 圍(Dynamic Range, DR)和靈敏度 (Sensitivity)等概念，從而定量的評價不同算法和系統參數對成像效果的影響[2,35]。

3 靜態彈性成像應用中影響醫生客觀診斷的主觀因素

目前，靜態彈性成像技術在乳腺、前列腺、甲狀腺、肝臟、心血管、熱損傷評估等領域的科學研究和臨床實踐中均有所應用，但大部分的臨床診斷報告還是針對乳腺實質性疾病[36-44]和甲狀腺結節[45-47]的鑒別診斷。

日本 HITACHI公司最早將實時組織彈性成像 (Realtime Elastograph Imaging, RTE)的 功 能 加 載 到 他 們 的 超 聲成像設備中。然而實際應用中，如何利用彈性圖像客觀地鑒別病灶的良惡性，并非預想的那么容易。例如在乳腺實質性疾病的良惡性鑒別中，彈性檢查對惡性病灶的準 確 性 從 80.4%～91.4% 不 等，敏感性 和 特 異 性 則 分 別 從69.7%～96.2%、76.9%～95.7% 變化。進一步的研究發現，診斷效果還會因病灶的大小和深度而大相徑庭[38-40,43]。下面將基于乳腺病灶良惡性鑒別的研究報道，及實際應用中發現的問題，并結合靜態彈性成像的原理加以分析。

3.1 彈性檢查操作中的主觀因素

如前所述，為了簡化生物組織的數學模型，靜態彈性成像中往往假設外力是單軸緩慢施加的，并且要求組織形變較小來保證數學上對彈性模型線性假設的有效性，這就對醫生使用手持式超聲探頭時的施力提出了要求。具體說來操作者在檢查組織彈性時，必須同時考慮施力的頻率、大小、方向。早期的臨床研究往往缺乏對所施壓力的量化考量，因此在一定程度上造成診斷結果的差異。HITACHI公司針對這一難題，設計了專門的指示器，將操作者施加的壓力分為7級，用以提示操作。國內的研究小組通過深入的研究發現，該力指示器提示 2～3 級時，乳腺病灶良惡識別的準確性最高[48]。

該 研 究 小 組 同 時 也 發 現 彈 性 感 興 趣 區 域（Region of Interest，ROI）面積的選擇對診斷結果也有不可忽視的影響，并建議將 ROI 大小調至病灶兩倍面積以上[49]。我們認為 ROI之所以會對診斷結果造成影響，可能是由于這些研究采用的彈性成像設備只是將感興趣區域內組織的彈性特征映射到彩色空間加以顯示，而未給出病灶組織彈性的絕對測量值，致使顯示結果隨著ROI大小而改變，進而造成診斷結果的差異。

力指示器的設計和 ROI選擇的量化考慮，無疑會對組織彈性檢查的標準化起到重要的作用。如何進一步完善彈性檢查的操作，從而減少操作者主觀因素對診斷結果的影響，并盡可能地降低操作的復雜性，仍然是今后研究的重要方向。

3.2 評分標準對診斷的影響

彈性圖像評分標準提出的初衷或許是為彈性診斷提供一個量化參考，從而幫助醫生更好地理解彈性圖，更客觀簡便地做出判斷，減少個人經驗、能力，甚至心情等主觀因素對診斷結果的影響。目前普遍采用的評判標準包括Itoh 等人提出的 5 分法[37]和 Scaperrotta 等人提出的改進 5分法，改進的方法特別補充了囊性病灶彈性圖紅綠藍三色條狀分布的特殊情況[38]。

然而這些評分標準采用了大量模糊性的字眼，使得醫生的診斷帶有很強的主觀性，給標準的推廣和應用造成了一定的障礙。有國內的研究小組針對乳腺彈性圖像的評分標準作了一系列研究，為明確評分標準的描述，先后報道了7分法、8分法、改良5分法。最近的研究還提出了應變率評分法[50]。在該方法中，醫生需要借助計算機輔助軟件圈劃病灶和周圍正常組織，計算得到兩者應變的比值，繼而由該比值直接獲得病灶良惡性的判斷，據報道新方法對乳腺病灶良惡性鑒別更精確穩定[40]。

那么彈性圖上是否存在應變率以外的其他特征，可以進一步提高病灶良惡性的鑒別的效果？這些特征又是否可以與傳統的乳腺超聲檢查相結合，或者像美國放射學院乳腺影像報告和數據系統 (American College of Radiology Breast Imaging Reporting and Data System, BI-RADS)那樣作為彈性檢查時公用的參考標準？此外這些特征是否會在實際應用中增加檢查的復雜性增加醫生的負擔？

我們認為，作為一種新型的成像技術，靜態彈性超聲對傳統的超聲檢查做了一些有益的補充，但目前對彈性圖像所含信息的理解比較表面，缺乏系統的研究。另一方面，當傳統超聲圖像中的特征信息和彈性超聲信息同時擺在眼前的時候，如何幫助醫生客觀地理解綜合這些信息？現有的研究大都只是從決策級上直接對超聲檢查的結果進行綜合，因而沒有能夠充分利用不同圖像中提供的特征信息，或是由醫生直接對不同圖像進行綜合考量，增加了診斷的復雜程度[38,42]。或許計算機輔助診斷系統（Computer Aided Diagnosis System，CAD）會是一個很好的解決方案。首先，借助計算機可以系統地得到彈性圖中各種特征的量化值，以便進一步分析這些特征與病灶良惡性的相關程度；另外，可以在特征級上將彈性檢查與傳統超聲檢查得到的組織特征加以選擇和整合，而醫生看到的將是較為簡單直觀的客觀評價參考，而不是一大堆復雜的特征數據。

4 展望未來

靜態彈性成像技術的發展將拓寬其在科研和臨床領域的各項應用。尤其在乳腺病灶和甲狀腺結節良惡性鑒別中，已被證明具有相當的臨床價值。近來還出現了一些能夠顯示被測組織絕對硬度的儀器，如何將這些絕對硬度值更好地結合到傳統超聲平臺，繼而用于臨床診斷，需要深入的研究。此外，進一步規范彈性檢查的操作過程和計算機輔助診斷系統的開發，以及加載彈性成像功能的超聲設備性價比的提高[51]，有望讓該項技術為臨床診斷提供真正客觀量化的診斷參考，幫助醫生更全面地了解病例，做出準確的診斷。

致謝

本課題得到了香港理工大學內地大學博士聯合培養計劃(G-U803)及研究項目 (J-BB69)的支持。

[1]Krouskop TA, Wheeler TM, Kallel F, et al． Elastic moduli of breast and prostate tissues under compression[J]．Ultrasonic Imaging,1998,20(4):260-274．

[2]Ophir J, Alam SK, Garra B, et al． Elastography: ultrasonic estimation and imaging of the elastic properties of tissues[J]．Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part H: Journal of Engineering in Medicine, 1999,213(3):203-233．

[3]Plewes DB, Betty I, Urchuk SN, et al． Visualizing tissue compliance with MR imaging[J]． J Magn Reson Imaging, 1995, 5(6):733-738．

[4]Fowlkes JB,Emelianov SY,Pipe JG,et al． Magnetic resonance imaging techiques for detection of elasticity variation[J]． Med Phys,1995,22(11):1771-1778．

[5]Muthupillai R,Lomas D,Rossman P,et al．Magnetic resonance elastography by direct visualization of propagating acoustic strain waves[J]． Science, 1995,269(5232):1854-1857．

[6]Ophir J, Cespedes I, Ponnekanti H, et al． Elastography: a quantitative method for imaging the elasticity of biological tissues[J]．Ultrasonic Imaging,1991,13(2):111-134．

[7]O'Donnell M, Skovoroda AR, Shapo BM, et al． Internal displacement and strain imaging using ultrasonic speckle tracking[J]．IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control,1994,41(3):314-325．

[8]Lerner RM,Huang SR,Parker KJ．"Sonoelasticity" images derived from ultrasound signals in mechanically vibrated tissues[J]．Ultrasound Med Biol,1990,16(3):231-239．

[9]de Korte CL,Céspedes EI,van der Steen AFW,et al．Intravascular elasticity imaging using ultrasound: Feasibility studies in phantoms[J]．Ultrasound Med Biol,1997,23(5): 735-746．

[10]Yamakoshi Y,Sato Ji,Sato T．Ultrasonic imaging of the internal vibration of soft tissue under forced vibration[J]．IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control,1990,37(2):45-53．

[11]Parker KJ,Fu D,Graceswki SM,et al．Vibration sonoelastography and the detectability of lesions[J]．Ultrasound in medicine & biology,1998,24(9):1437-1447．

[12]Sandrin L,Tanter M,Catheline S,et al． Shear modulus imaging with 2-D transient elastography[J]．IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control,2002,49(4): 426-435．

[13]Konofagou EE, D'Hooge J, Ophir J． Myocardial elastography:a feasibility study in vivo[J]． Ultrasound Med Biol, 2002, 28(4): 475-482．

[14]Mai JJ, Insana MF． Strain imaging of internal deformation[J]．Ultrasound Med Biol,2002,28(11):1475-1484．

[15]Nightingale KR,Palmeri ML,Nightingale RW,et al． On the feasibility of remote palpation using acoustic radiation force[J]．J Acoust Soc Am, 2001,110(1):625-634．

[16]Fatemi M, Greenleaf JF．Ultrasound-stimulated vibro-acoustic spectrography[J]．Science,1998,280(5360):82-85．

[17]Konofagou E,Thierman J,Hynyen K．A focused ultrasound method for simultaneous diagnostic and therapeutic applications-a simulation study[J]．Phys Med Biol,2001,46(11): 2967．

[18]Greenleaf JF,Fatemi M,Insana M． Selected methods for imaging elastic properties of biological tissues[J]．Annu Rev Biomed Eng,2003,(5):57-78．

[19]Taylor LS, Porter BC, Rubens DJ,et al． Three-dimensional sonoelastography: principles and practices[J]．Phys Med Biol, 2000,45(6):1477-1494．

[20]羅建文, 白凈． 超聲彈性成像的研究進展[J]．中國醫療器械信息, 2005,11(5):23-31．

[21]Wan MX, Li YM, Li JB, et al． Strain imaging and elasticity reconstruction of arteries based on intravascular ultrasound video images[J]．IEEE T Bio-med Eng,2001,48(1):116-120．

[22]Luo J,Ying K,Bai J．Elasticity reconstruction for ultrasound elastography using a radial compression: an inverse approach[J]．Ultrasonics,2006,44(Supplement 1):195-198．

[23]劉科,朱新建,邵金華,等．血管內超聲彈性成像中成像參數的比較研究[J]．航天醫學與醫學工程, 2010,23(2):147-152．

[24]Alam KS, Ophir J． Reduction of signal decorrelation from mechanical compression of tissues by temporal stretching : Applications to elastography[J]．Ultrasound Med Biol,1997,23(1):95-105．

[25]Alam SK,Ophir J,Konofagou EE．An adaptive strain estimator for elastography[J]．IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control,1998,45(2):461-472．

[26]Kallel F, Ophir J．A least-squares strain estimator for elastography[J]． Ultrasonic Imaging,1997,19(3):195-208．

[27]Talhami HE, Wilson LS, Neale ML． Spectral tissue strain: a new technique for imaging tissue strain using intravascular ultrasound[J]． Ultrasound in Medicine & Biology,1994,20(8): 759-772．

[28]Konofagou EE, Varghese T, Ophir J, et al． Power spectral strain estimators in elastography[J]． Ultrasound Med Biol,1999, 25(7):1115-1129．

[29]Varghese T, Konofagou EE, Ophir J, et al． Direct strain estimation in elastography using spectral cross-correlation[J]．Ultrasound Med Biol,2000,26(9):1525-1537．

[30]Liu K, Zhang PF, Shao JH, et al．A 2D strain estimator with numerical optimization method for soft-tissue elastography[J]．Ultrasonics,2009,49(8):723-732．

[31]Zhou YJ,Zheng YP．A motion estimation refinement framework for real-time tissue axial strain estimation with freehand ultrasound[J]．Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, IEEE Transactions on,2010,57(9):1943-1951．

[32]Konofagou EE, Kallel F, Ophir J．Three-dimensional motion estimation in elastography[C]． IEEE Symposium on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control,1998:1745-1748．

[33]Righetti R,Ophir J,Srinivasan S,et al． The feasibility of using elastography for imaging the Poisson's ratio in porous media[J]．Ultrasound Med Biol,2004,30(2):215-228．

[34]Varghese T,Ophir J．A theoretical framework for performance characterization of elastography : The strain filter[J]．IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control,1997,44(1):164-172．

[35]羅建文,白凈．超聲彈性成像中應變濾波器的理論及其發展[J]．國外醫學生物醫學工程分冊,2004,27(6):326-331．

[36]Giuseppetti GM, Martegani A,Di Cioccio B, et al．Elastosonography in the diagnosis of the nodular breast lesions: preliminary report[J]．Radiologia Medica,2005,110(1-2): 69-76．

[37]Itoh A, Ueno E, Tohno E, et al． Breast disease: clinical application of US elastography for diagnosis[J]． Radiology, 2006,239(2):341-350．

[38]Scaperrotta G,Ferranti C,Costa C,et al．Role of sonoelastography in non-palpable breast lesions[J]．Eur Radiol,2008, 18(11):2381-2389．

[39]Regini E, Bagnera S, Tota D, et al． Role of sonoelastography in characterising breast nodules． Preliminary experience with 120 lesions[J]．Radiologia Medica,2010,115(4):551-562．

[40]Zhi H, Xiao XY, Yang HY, et al． Ultrasonic Elastography in Breast Cancer Diagnosis: Strain Ratio vs 5-point Scale[J]． Acad Radiol,2010,17(10):1227-1233．

[41]Zhi H,Ou B,Luo BM, et al． Comparison of ultrasound elastography, mammography, and sonography in the diagnosis of solid breast lesions[J]． J Ultras Med,2007,26(6):807-815．

[42]Zhu QL, Jiang YX, Liu JB, et al． Real-time ultrasound elastography: Its potential role in assessment of breast lesions[J]．Ultrasound Med Biol,2008,34(8):1232-1238．

[43]富麗娜, 王怡, 王涌． 超聲彈性成像與常規超聲聯合應用在乳腺病灶良惡性鑒別上的價值[J]．中國醫學計算機成像雜志,2007,13(2):124-126．

[44]俞清,徐智章,毛楓,等．超聲彈性成像在乳腺疾病中的初步應用[J]．上海醫學影像,2005,14(2):102-103．

[45]Rago T,Santini F,Scutari M,et al．Elastography: New developments in ultrasound for predicting malignancy in thyroid nodules[J]．Journal of Clinical Endocrinology & Metabo lism,2007,92(8):2917-2922．

[46]Lyshchik A,Higashi T,Asato R,et al． Thyroid gland tumor diagnosis at US elastography[J]． Radiology,2005,237(1): 202-211．

[47]俞清,徐智章,王文平,等．甲狀腺占位性病變的實時超聲彈性成像表現[J]．中國醫學影像技術,2007,23(11):1612-1614．

[48]羅葆明,曾婕,歐冰,等．乳腺超聲彈性成像檢查壓力與壓放頻率對診斷結果影響[J]．中國醫學影像技術,2007,23(8): 1152-1154．

[49]羅葆明,曾婕,歐冰,等．乳腺超聲彈性成像檢查感興趣區域大小對診斷結果影響[J]．中國醫學影像技術,2007,23(9): 1330-1332．

[50]鐘文景, 羅葆明．乳腺疾病超聲彈性成像診斷中的現狀[J]．中國醫療器械信息, 2008,14(4):4-5,12．

[51]鄭永平, 周永進, 黃錚銘． 一種基于傳統超聲成像系統平臺的組織超聲彈性成像功能的實現[J]．中國醫療設備,2011,(1) 1-3．

Ultrasound Elastography: Quantitative or Qualitative? Objective or Subjective?

LI Tian-jie1,2, ZHENG Yong-ping2, WANG Yuan-yuan1
1. Department of Electronic Engineering, Fudan University, Shanghai 200433, China; 2. Department of Health Technology and Informatics, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China

Ultrasound elastography reveals the elastic property of biological tissues. It quantifies the characteristics felt by palpation to some extent, and thus has an extensive value in scientific studies and clinical practices. After reviewing its background and study progress, this paper provides a preliminary analysis and discussion of the problems encountered in clinical practice. Further studies are expected to help doctors better assess the elastogram of tissues for objective diagnosis.

elasticity imaging；ultrasound elastography；computer aided diagnosis；breast；thyroid；cancer diagnosis

R445.1

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.01.002

1674-1633(2011)01-0004-04

2010-11-01

香港理工大學內地大學博士聯合培養計劃(G-U803)及研究項目（J-BB69）支持。

鄭永平，教授。

通訊作者郵箱：ypzheng@ieee．org