超声剪切波弹性成像的技术进展

李强

泰安市中医医院 设备科,山东 泰安271000

[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。

[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

引言

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,经历了一个由“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(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]

1 弹性成像的基本原理

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:① 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;② 应用超声技术测量因压力产生的组织位移;③ 根据压力与位移的关系估算弹性模量。

2 弹性成像的技术分类

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,表达了组织的硬度:E=s/e (1)

图1 外力作用下弹性固体产生的形变

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[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,杨氏模量(E)与剪切波的传播速度(c)之间直接相关:

图2 传统聚焦声束产生的声辐射力

上式中,ρ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统,利用ARFI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。

图3 聚焦于图像中心的声束所产生剪切波

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Ratio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。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SWE对深静脉血栓的研究较少,尚有待进一步深入研究。

3 E成像的技术实现

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。

图4 剪切波以马赫圆锥形式(橙线)被放大增强

“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4~8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。

图5 马赫圆锥图

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1~10 m/s,穿过一幅宽约5 cm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0.2~40 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。

图6 传统超声(a)与法国声科影像Aixplorer的UltraFast(b)

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。

4 剪切波弹性成像(E成像)的技术前景

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)。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。

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本文编辑 王婷

Technology Progress of Ultrasound Elastography Based on Shear Wave

L I Q i a n g
Department of Equipment, Chinese Traditional Medicine Hospital of Taian, Taian Shandong 271000, China

A b s t r a c t:E imaging, also named shear 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 has 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 example, 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 the end.

K e y w o r d s:E imaging; acoustic radiation force impulse; march wave; ultra high frequency; Young’s modulus; beamforming

[中图分类号]R445.1

[文献标识码]A

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2017.07.028

[文章编号]1674-1633(2017)07-0101-05

收稿日期:2017-02-24

修回日期:2017-03-21

通讯作者:李强,副主任技师,主要研究方向为医学工程技术与管理。

通讯作者邮箱:sbk5281@sina.com