超声剪切波弹性成像的技术进展

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1、李强【摘要】E成像,又称为实时剪切波弹性成像，该技术是近来兴起的一种实时二维弹 性成像技术，它与静态弹性成像技术有本质的区别，与瞬时弹性成像技术以及声辐射 力弹性成像技术相比，在技术上也有了新的进展.本文介绍了弹性成像的相关原理，以 及现阶段应用于临床的弹性成像技术，并着重探讨了实现E成像快速、实时、大范 围检测的技术方法,尤其是在剪切波产生、检测、成像方面采用的技术，如”马赫圆锥 ”动态的相干增强技术,一次并行发射、接收的超高频成像技术.同时对E成像技术的 研究及其临床应用进展做了综述，最后对剪切波弹性成像技术的未来应用进行了展 望.%E imaging, also named shear

2、wave elastography (SWE) is a real time elastography technology of two-dimensional emerging in recent years. It is not only fundamentally different from the static elastography technique, but also different from transient elastography and acoustic radiation force impulse. A new technology progress ha

3、s occurred in SWE. In this paper, the related principle of elastography and several elastography technologies in clinical application were introduced, and the methods of achieving rapid, real-time, and extensive testing of SWE were explored. Meanwhile, emerging and detecting methods of SWE, for exam

4、ple, dynamic coherence enhancement technique based on March Wave and ultra high frequency imaging technology for one transmitting-receiving were renumbered. Moreover, this paper reviewed the technology researches and clinical applications of SWE, and the future development of SWE was discussed in th

5、e end.【期刊名称】中国医疗设备【年（卷），期】2017（032）007【总页数】6页（P101-105,123） 【关键词】E成像;声辐射力脉冲;马赫圆锥;超高频;杨氏模量;声束形成 【作者】李强 【作者单位】泰安市中医医院设备科,山东泰安271000【正文语种】中文【中图分类】R445.1超声诊断技术的发展，包括A型（Amplitude）、B型（Brightness）、M型 （Motion）、C 型（Color）、D 型（Doppler）超声等，经历了一 由点 （A型超声）、“线”（M型超声）、“面”（二维超声）、“体”（三维超声） 的发展过程1。目前，出现了应用超声原理测量组织硬度（

6、弹性）的诊断方式。 1991年，Ophir等2根据不同组织间的弹性模量比声阻抗差大几个数量级的原理， 提出了超声弹性成像（Ultrasonic Elastography，UE）的概念，并且由此逐渐形 成了用于临床的弹性成像设备，其中剪切波弹性成像，即E成像技术（Shear Wave Elastography，SWE）开始逐渐发展。SWE能够以二维形式结合传统超声 成像而定量、实时显示组织弹性值，其在乳腺病变定性诊断中的价值已经被证实， 同时Dr. James Trotter认为：“SWE已经成为肝脏疾病在诊断的重要工具”3- 4。弹性成像旨在评估组织弹性，测量组织因受压迫而产生的形变5-6。组

7、织弹性通 常使用杨氏模量表达，其单位为Pa或kPa。该过程分为3步：组织内压力的 产生。组织内压力有多种不同的来源，可以是外部压力，也可以是内部的压力，有 静态稳定的压迫，也有单频振动激励或声脉冲对组织产生剪切波；应用超声技 术测量因压力产生的组织位移；根据压力与位移的关系估算弹性模量。2.1静态型弹性成像技术静态型弹性成像技术的基本原理：当外界向某个固体组织均匀施加一个压力或称应 力（Stress，s）时，会导致该组织内部产生形变，即应变（Strain，e），见图1。 其理论基础为，在介质内应力分布均匀的情况下，弹性与应变/位移成反比7。杨 氏模量（E）是施加的应力与所产生的应变之间的比值，

8、表达了组织的硬度： E=s/e （1）测量组织因静态稳定受压迫而产生的形变：对被检查者体表施加一个稳定均匀地压 力，采集超声探头在同一位置施加前和施加后的两组超声射频信号，计算和显示因 加压所导致的组织形变，现在其临床实用性已经被广泛研究，但由于无法确切知晓 对组织内部所施加的压力值。因此静态型弹性成像不能计算出杨氏模量E，无法做 定量评价8-9。2.2振动声成像技术利用具有频差的超声波束同时聚集于组织，聚集区受到交变辐射力作用向往辐射声 波，采集此信号，推导出聚集区域的弹性信息10-11。该技术是一种定量评价手 段，但不能够实时成像，有人对GE公司的Vivid 7超声机进行了振动声成像研究

9、12,振动声成像技术更适合核磁共振系统13。2.3基于剪切波的成像技术基于剪切波的成像技术基本原理：声源振动产生声波，声波有纵波、横波和表面波 3种形式。当声波在传播途径上被反射或吸收时，会产生声辐射力，该力会使此处 的组织粒子产生横向振动，从而产生剪切波，它是一种横波，见图2。受剪切模量 影响，剪切波在不同软组织内的传播速度差别亦非常显著，可达到几个数量级。基 于剪切波的弹性成像技术使用脉冲在体内产生剪切波14-15,然后通过测量其传 播速度直接计算组织的弹性值。剪切波在一种介质中的传播速度与生物组织的纵向 模量相关，因此组织的弹性模量可以通过测量其速度而进行推算。剪切波与组织硬度相关，杨氏

10、模量（E）与剪切波的传播速度（c）之间直接相关： 上式中，p即组织的密度（kg/m3 ），一般认为等于水的密度，为1000 kg/m3 , 测量剪切波的传播速度vs，就能计算出组织的弹性值。目前基于剪切波的成像技术应用于临床诊断的有3种：瞬时弹性成像（Transient Elastography ,TE）、声辐射力脉冲弹性成像（Acoustic Radiation Force Impulse , ARFI）、SWE。2.3.1 TE 技术TE基于一维瞬时弹性成像技术，它的剪切波由低频的机械源敲击患者皮肤振动激 励而产生，通过一维超声系统（约5 MHz ）测量其传播速度，而剪切波的传播速 度与弹

11、性直接相关，鉴于定位和操作的主观性，通常重复测量10次计算平均弹性 值。该技术已被成功应用于临床16,测量肝脏硬度而评价肝纤维化。2.3.2 ARFI 技术ARFI技术也称为声触诊组织量化技术17。ARFI通过超声换能器发射超声波在被 测组织内部聚焦，对组织产生机械激励，使特定区域组织发生微小变形产生沿横向 传播的剪切波，然后利用该超声探头高帧频超声波束扫描微小形变，通过互相关算 法从射频数据计算剪切波产生前后组织中的偏移变化，从而计算剪切波横向传播的 速度，由剪切波速度定量估算生物组织弹性分布，可近似统一不同生物组织的弹性 重构方法18。陈昕等19开发了用于超声辐射力弹性成像研究的通用实验系

12、统，利用ARF【进行 研究，初步完成了琼脂仿体和离体大鼠肝脏的黏弹性系数测量实验，验证了剪切波 频散超声振动成像的原理及整个系统的可操作性和实用性。使用开放式超声系统平 台Sonix-RP进行剪切波检测，结果显示通过该系统能有效检测仿体的黏弹性系数， 可为后续研究提供系统支持。张志伟等20阐述了 AcUSON S2000彩色多普勒超 声诊断仪ARFI技术的原理、技术优势及在肝硬化的分期、科学预测心脑血管疾病 的发病风险、良恶性肿瘤的区分等多个领域的临床应用，指出了 ARFI技术是当今 超声成像领域中的领先技术，但临床应用还比较少，需要大量的研究验证Jaffer 等21 应用ARFI技术对肝脏进

13、行研宄，结果表明肝脏s5段部位及深度的检测成 功率最高。汪惠鹏等22 综述了肝脏实时二维剪切波弹性成像测值的因素，表明经 验丰富的操作者弹性测值的重复性好，其结论不一定完全适用于2D-SWE。如要产生足够强的剪切波，需增加聚焦处的声功率ARFI产生更大的扰动，将导致 探头过热以及声功率的超标23-24。ACUSON S2000超声诊断仪是ARFI技术的 典型代表，它可与传统超声成像系统相结合显示，但未能突破探测深度和声功率受 限的技术瓶颈。2.3.3 E成像E成像，即实时剪切波弹性成像，它以二维形式结合传统超声成像定量、实时显示 组织弹性值。SWE技术的超声探头在深部组织聚焦出局部声辐射力，推

14、动组织产 生剪切波，同时产生的多个聚焦点，以垂直于患者体表的方向排成一线，制造出圆 锥形的剪切波波阵面，该超声探头沿聚焦点两侧扫描整幅图像，使用快速接收技术 来捕获剪切波的演变。聚焦于图像中心的声束所产生剪切波，见图3。乔晓慧等25对SWE技术的原理以及临床应用现状进行了综述，表明SWE是目 前最先进的超声弹性技术，与静态型和动态型弹性成像相比，SWE具有实时、定 量、准确的优点，可以准确评价活体组织及其病变的弹性特征，具有良好的临床应 用前景，值得进行多器官、多中心的临床研究，为制定超声弹性诊断标准奠定基础。 吴若愚等26基于动态孔径控制的剪切波传播速度研究中表明，相比于传统静态孔 径聚焦超

15、声发射方式，动态孔径控制的剪切波传播速度在小焦距下的声辐射力聚焦 效果和标记点DTC走势效果方面都得到了改善，从而提高了剪切波传播速度检测 的准确度。刘小丽等27进行了实时剪切波弹性成像检测甲状腺结节杨氏模量值及Ratio值鉴 别良恶性的临床价值的研究，利用SWE超高速在组织的不同深度连续聚焦，产生 马赫锥”现象，使组织中产生足够强度的剪切波，并以彩色编码技术实时显示组 织弹性图，同时系统定量分析、测量组织的杨氏模量值。结果显示，良恶性结节的 杨氏模量值最大值与Ratio值比较，差异有统计学意义（P 0.05）, Ratio值不 受参照脂肪位置（距皮肤距离和距乳头方向及距离）的影响，故Rati

16、o值在甲状腺 结节良恶性诊断中更具有广阔的研究前景，研究也存在一定的局限性。李楠等28采用新西兰大白兔60只，将动物随机编号，分为对照组（10只）和实 验组（50只）。利用ARFI技术和2D-SWE技术测定肝硬度（Liver Stiffness , LS ），所得结果与肝纤维化（Liver Fibrosis , LF ）呈线性相关关系（r=0.802及 r=0.892 , P 0.01），研究表明ARFI及2D-SWE技术均能较为准确地反应LF的 等级，且2D-SWE技术的诊断效能优于ARFI技术。黄泽萍等29利用实时二维剪切波弹性成像技术，评估健康人和慢性肝病患者肝脏 硬度的重复性和一致性。

17、通过两位不同经验的操作者分别对30例健康志愿者（健 康对照组）、30例慢性乙型肝炎患者（慢性乙型肝炎组）、30例肝硬化患者（肝 硬化组）进行肝脏硬度的杨氏模量值检测。用组内和组间相关系数评价测值的重复 性。结果2D-SWE技术检测健康人和慢性肝病患者的肝脏效能稳定、重复性好、 不受操作者经验影响。支欣等30分别阐述了 SWE在不同器官中的应用，并与实时组织弹性成像评估效 果进行对比分析，结果发现，SWE技术诊断肝纤维化效能优于实时组织弹性成像， 故SWE有望成为评估肝脏纤维化病理分期的有效及无创的新技术。SWE对血管 疾病的弹性测量可定量测量斑块的硬度，有望成为评估斑块稳定性的新方法。目前SW

18、E对深静脉血栓的研究较少，尚有待进一步深入研究。3.1 E成像剪切波的产生普通条件下超声声辐射力产生的剪切波的幅度只有几微米到几十微米，传播几毫米 的距离就消失了。为此E成像设备研发超声探头技术，能够使声束聚焦于组织的 不同深度，聚焦产生的波源在组织内以高于剪切波产生速度的形式快速移动，剪切 波以马赫圆锥”的形态相干增强，见图4。马赫圆锥”图，见图5。“马赫圆锥”是一个位置固定的微弱扰源所发出的一系 列扰动在超声(音)速气流中传播的波阵面，即一系列扰动球面的包络面。此探头 技术提高振幅和传播距离48倍。郭兆君等31 探讨了剪切波超声弹性成像的安 全性、有效性，发现这样通过一次发射就可以对较大区

19、域组织弹性进行检测，其声 辐射脉冲发射密度很低，所增加声能方面的风险，可以通过增大发射时间间隔等方 法得到有效控制，达到了增强剪切波振幅的同时，满足超声探头声功率安全范围的 要求。3.2剪切波的检测技术3.2.1传统超声成像模式传统超声成像方式中一幅图像成像时间的计算公式如下：其中，T为成像时间；D为成像深度；c为声束传播速度；NL为一幅图像的线数。 而一幅图像的最大帧频计算公式为例如，一幅深度为10 cm、宽度为256线的图像，其最大帧频为30 Hz(c取 1540 m/s )。3.2.2 E成像模式剪切波需要被超声系统采集接收。剪切波在组织中的传播速度为110 m/s,穿 过一幅宽约5 c

20、m的超声图像平面约需15 ms，目前的超声成像帧频50 100 Hz , 即使超声系统的多线路功能可提高几倍帧频，但仍不能满足剪切波的采集。 由公式(4)可知，减小NL可增大帧频，如果NL为1，即无论图像大小为多少，都 能通过一次发射而并行计算整幅图像的所有线，则最高帧频由超声波从探头发出然 后穿过组织并返回的时间而决定。例如法国声科影像Aixplorer新声威使用平面声 波。通过平面波多角度发射对血流进行彩色编码散斑成像，获得涡流等复杂情况的 血流动力学信息32。基于快速傅里叶变换的波束合成，在不降低图像质量的基础 上极大提高了平面波波束合成的速度等33-34。通过对超声探头内的发射元件施

21、加平面延迟可产生平面波，一次发射就获得整幅超声图像。常规的15 cm深度腹 部成像条件下，最高帧频可以达到5000 Hz；4 cm深度的乳腺成像帧频可达近 20000 Hz。迈瑞公司彩超Resona 7基于超宽波束追踪成像技术，可实时处理宽 度范围为0.240 mm区域内的所有信号，以每帧10 kHz的速度探测剪切波的 信号33。3.2.3 E成像声束形成的计算近年来，图形处理器和多核中央处理器高速运算带来一个最新的研究热点-超高速 超声成像，为超声成像带来全新的发展机会36。E成像由基于软件平台的并行体 系结构完成，从接收模块到处理单元的数传输有了技术突破：声束形成前的数据信 号(RF )直

22、接传递至计算机，接收模块的声束形成器功能置于PC机中，数据速率 提高到达几千Mbyte/s，传统超声与法国声科影像Aixplorer的UltraFast，见图 6。超高帧频条件下采用软硬件复合极速处理技术采集、接收、处理超声图像数据。 系统并行计算单帧图像内的所有线，能高速处理数千赫兹帧频的所有图像数据。 UltraFast体系中声束形成由软件完成的，图像计算并行化。3.3 E成像弹性值计算、成像利用同一超声探头的超声扫描技术和组织多普勒技术，测量组织在单位时间内的剪 切波所致的微小位移，计算剪切波传播速度，而传播速度与弹性直接相关，根据公 式(2)直接推导出以kPa为单位的杨氏模量E。用彩色

23、编码的形式显示剪切波速度(m/s)，或者介质弹性模量值(kPa)，将彩色编码图与显示解剖信息的灰阶图 (B超)相结合，产生实时定量显示组织弹性特征的二维图像。人体组织的病变往往伴随着其弹性的变化，为医生提供精确的组织弹性系数值可为 疾病的病理研究和临床诊断提供新的重要证据。基于剪切波的超声弹性检测技术， 通过外力或内力在组织内产生剪切波，根据剪切波在组织中的传播速度实现组织弹 性模量的测量，实现了组织弹性系数的定量分析，避免了传统弹性成像技术的缺点 37-39。新的技术一直在进展，作为超声弹性成像技术领域内的一个分支，剪切波弹性成像 已被工程和临床认可，尤其是快速剪切波弹性成像技术(E成像)。

24、但目前仍有理 论和技术上的难题，剪切波弹性成像技术在组织的各向异性、非线性、成像深度等 方面亟待改善，2013年BI-RADS新版对UE保持了谨慎的看法，文中设有明确认 可UE的临床有效性。相信随着新技术、新材料的不断产生，剪切波弹性成像(E 成像)将在临床上发挥划时代的作用。【相关文献】1 陈基明，季家红,李国栋.超声诊断仪的基本原理及新技术的应用J.医疗设备信息、,2006,21(12):28-30.2 Ophir J,Cespedes I,Ponnekanti H,et al.Elastography: a quantitative method for im aging the ela

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