超聲彈性成像技術的研究進展

劉義鋼綜述，章春泉審校

(1.南昌大學醫學院，南昌 330006；2.南昌大學第二附屬醫院超聲科，南昌 330006)

組織的硬度與組織的結構密切相關，組織結構在很大程度上取決于組織的分子構成以及這些分子構成的組織形式。然而，傳統醫學影像模式（包括超聲、x－射線、計算機斷層掃描、磁共振）都無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被Ophir等[1]人提出來后，得到了廣泛關注并快速發展，已成為超聲領域的一個研究熱潮。

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來表示。組織彈性參數的測定需要通過對組織的激勵使組織發生形變，然后通過對形變前和形變后組織分別進行測量，才能獲取組織的硬度差異。因此，超聲彈性成像的彈性參數需要對超聲成像的結果進行計算分析才能獲取。超聲彈性成像大致分為5步：⑴對目標組織進行初次超聲成像并獲取結果（形變前）；⑵通過激勵使目標組織發生形變；⑶對目標組織形變后進行二次超聲成像并獲取結果（形變后）；⑷采用計算機對兩次成像結果進行相關數據的分析，通過相關結果獲得形變前后組織內部各散射點的相對位移值；⑸通過獲得的相對位移值構建組織的整體位移場，并對其進行分析計算獲取對應的應變圖，最后重建獲得目標組織的參數[2]。在介質內應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分類

依據激勵組織發生形變方式的不同，將超聲彈性成像分3種：⑴靜態應變成像；⑵實時組織彈性成像；⑶聲輻射力超聲彈性成像。靜態應變成像和實時組織超聲彈性成像是直接施壓在被檢組織表面，其激勵來源于組織之外；而聲輻射力超聲彈性成像則是通過使組織內部發生應變，其激勵來源于組織的內部。

2.1 靜態/準靜態超聲彈性成像 靜態應變成像是用探頭對目標組織施加一個穩定均勻的壓力，通過壓力的改變使目標組織在空間上的位移變化來實現對形變的控制，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，計算組織形變[3]。這一方式采取的是人為手動加壓的形式，在淺表組織如甲狀腺和乳腺是可行的，但對于深部組織如肝臟，應力很難傳導到深部，成像效果會受到很大的影響。選擇的感興趣區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硬度。

2.2 實時組織彈性成像（RTE）RTE是根據不同生物學組織彈性系數的不同，施加外力后目標組織的形變也不同，通過計算出形變程度，最后以彩色編碼的形式表達。目前RTE的診斷方法共3種：⑴評分法，根據彈性圖像顏色構成直接進行評分診斷；⑵應變比值法(Strain Ratio)，可以得到具體的定量數據；⑶組織彌散定量分析(Strain Histogram)，可以對組織彈性應變紋理變化的情況進行分析。評分法及應變比值法主要應用于局部占位性病變，如乳腺和甲狀腺占位的評估，組織彌散定量分析主要應用于彌漫性病變，如肝纖維化的測量[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部產生一個小范圍激勵源，而組織內部應力的傳播與組織的彈性呈正相關，因此，通過超聲聚焦方式在組織內部形成振動源，通過力輻射的方式在組織內部形成軸向傳播的剪切力。根據內部激勵帶來的剪切力引起的內部組織形變即可有效計算出內部組織的應變場結果[5]。

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

2.3.1 諧波運動成像 （harmonic motion imaging，HMI）諧波運動成像是通過一個外部聲源發射超聲波，超聲波產生的聲輻射力對被檢組織形成周期性的壓力，使得被檢組織產生諧波運動，通過采集組織被激發前后的超聲圖像進行位移相位估計，可間接反映組織的彈性狀況，彈性越大，應變就越大[6]。應變是組織硬度的相對指標，會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，在特定的線上產生推力，組織受到推力產生相應的應變，然后突然停止聲輻射力，在應變恢復過程中檢測不同時間點的應變情況，從而反映組織的黏彈特性。由于ARFI是采用聲能機械性激勵的方式，依然是通過位移來估算形變，所以本質上是應變成像。

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量，通過檢測聲輻射力激發組織而產生的剪切波的傳播進行成像的方法，直接測量的是剪切波速度本身，通過公式計算出目標組織的楊氏模量。它可分為瞬時彈性成像 （TE）、單點剪切波成像（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，通過測量目標組織的剪切波速度來判斷組織的硬度[7]。

諧波運動成像和脈沖聲輻射力成像都受組織的形態的影響，位移和應變都與組織的硬度相關，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量的是剪切波速度本身，通過公式而得到楊氏模量。

3 超聲彈性成像技術主要的臨床應用

3.1 超聲彈性成像在肝臟疾病中的應用 慢性乙型肝炎（CHB）是導致肝惡性腫瘤的主要病因，嚴重危害著人類的健康。準確評估乙肝患者肝纖維化程度是顯得尤為重要。超聲彈性成像技術可對肝纖維化病變程度進行測量，能檢測出肝臟實質的硬度，從而反映肝纖維化的程度。Huang等[8]對國內健康志愿者的SWE的正常值研究結果顯示，正常肝臟硬度的平均值為 （5.10±1.02）kPa，95%的置信區間為5.02-5.19kPa，男性略高于女性；鄭榮琴等[9]研究認為超聲剪切波彈性成像成為評估肝臟彌漫性疾病患者的肝纖維化程度、指導慢性肝病患者的治療、預后以及隨訪監測的重要方法；宋毅等[10]研究通過ROC曲線確定了肝血管瘤（ANG）和原發性肝細胞型肝癌（HCC）的楊氏模量鑒別診斷臨界點為13.15kPa，能夠鑒別診斷ANG和HCC；黃澤萍等[11]利用實時二維剪切波彈性成像技術評估健康人和乙肝患者的肝纖維化重復性和一致性，結果顯示SWE技術檢測健康人和乙肝患者的肝臟效能穩定。李忠東[12]研究表明，肝臟瞬時彈性檢測剪切波與肝功能child-ph分級中總膽紅素、凝血酶原時間、白蛋白、肝腹水、肝性腦病之間的關系來證實了剪切波數據的多少與慢性乙肝child分級成正相關。支欣等[12]研究成果表明，SWE診斷肝纖維化的指標明顯實時組織彈性成像，也優于血清學。超聲彈性成像技術已成為評估肝臟纖維化病理分期有效、無創的新技術。但肥胖、肝硬化程度過重、肝區有腹水、肝內血容量增加及飲酒史等可能導致肝臟硬度測量的改變。

3.2 超聲彈性成像在甲狀腺疾病中的應用 甲狀腺癌是目前發病率增長最快的惡性腫瘤，也是內分泌系統中最常見的惡性腫瘤。因此，在日常的工作中如何正確評價甲狀腺占位的性質，以避免過度治療、擬定合理的治療方案至關重要。高頻超聲是甲狀腺占位無可爭議的首選影像學檢查方法。由于甲狀腺良惡性占位常規超聲圖像存在部分重疊，使診斷困難。而超聲彈性成像技術能提供病灶的硬度信息，成為一個很好的補充。唐力等[14]研究表明，SWE鑒別診斷甲狀腺結節良惡性的敏感性較高，這可能是由于結節內部的結構不同、組織成分不同、病理類型不同有關。梅文娟等5研究表明SWE診斷良、惡性甲狀腺結節的陽性預測值及陰性預測值、靈敏性、特異性、準確率分別為64.9%和72.6%、58.5%、79.3%、69.7%。 國外研究[16]顯示甲狀腺惡性結節的楊氏模量最大值為(137.4±56.8)kPa，平均值為 (88.4±35.3)kPa。當利用楊氏模量以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]研究結果顯示超聲彈性成像技術和超聲聲學造影檢查有較高的一致性，能對消融灶的邊界、形態、及大小清晰顯示。

二維超聲能顯示斷層解剖結構，病癥的大小、形態、內部回聲和與周圍組織的關系，特別時微鈣化的顯示，對甲狀腺結節的診斷意義重大，甲狀腺病灶的診斷主要依賴于常規超聲，超聲彈性成像并不能完全取代常規超聲來評估甲狀腺占位的性質，但能作為一個很好的補充手段。

3.3 超聲彈性成像在乳腺疾病中的應用 乳腺癌是女性最常見的惡性腫瘤，且發病率呈逐年升高趨勢，所以乳腺疾病前期的診斷至關重要。超聲彈性成像技術能為乳腺疾病的診斷提供良好的補充手段，是目前診斷乳腺疾病非常認可的方法[18]。Chang[19]等發現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%，準確性為82.3%；Tanter等[21]研究結果表明實性病變的良惡性及囊性病變在超聲彈性聲像圖上均有不同表現；巫朝君等[22]研究表明乳腺纖維腺瘤、導管內乳頭狀瘤及乳腺腺病的SWE成像以均一藍色為主，導管內乳頭狀癌以藍色為主，內部可見少許紅色，而炎性膿腫以藍色為主，內部可見無著色區；浸潤性導管癌和導管內癌主要表現紅色為主的雜亂色彩。宮麗杰等[23]研究表明超聲彈性應變率比值法與聲觸診組織量化技術聯合使用時的診斷價值明顯高于二者單用。超聲彈性成像技術對于乳腺疾病的臨床價值已得到廣法認可，研究結果已寫入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用 劉鳳菊等[24]研究認為RTE可診斷頸動脈斑塊的穩定性，能較準確的預測腦卒中的發生；段依戀等[25]研究認為彈性成像技術可通過檢測頸動脈斑塊的楊氏模量來評估斑塊的易損性，作為預測腦梗死的風險參數。經陰道超聲彈性成像可以觀察宮頸的層次結構，能對宮頸組織的硬度進行較為準確的評估[26]。吳文斌[27]研究認為超聲彈性成像可應用于前列腺良惡性病變的診斷和對前列腺癌的早期診斷與篩查。徐建紅等[28]研究發現SWE能對原發性、繼發性腎小球疾病、腎移植慢性排斥性病變提供新的診斷價值。郭良云等[29]研究認為超聲彈性成像對睪丸良惡性結節的鑒別提供了新的途徑，具有重要的參考價值。目前多個研究證實，使用SWE評估成人腦卒中和小兒腦性癱瘓的四肢骨骼肌，與正常組對比有顯著差異，SWE將成為監測高位中樞損傷后骨骼肌康復的手段。

綜上所述，超聲彈性成像作為一種新的組織力學特征成像技術，雖然獲取的硬度信息不具備獨立診斷的價值，但能作為一個很好的補充手段。它不僅彌補了常規超聲對無法對組織硬度測定的缺點，還為疾病的診斷提供了全新的視角，拓寬了超聲診斷范圍。相信隨著科學技術的日益發展，超聲彈性成像技術會逐漸走向臨床應用，并發揮越來越重要的作用。