超声组织弹性成像

超声组织弹性成像（精选十篇）

超声组织弹性成像 篇1

关键词：超声,弹性成像,实时,光流算法

人类对组织弹性和组织病理状况的相关性有着历史悠久的认识。近年来,数字信号处理技术在硬件和算法方面的不断进步已成为一种趋势,在这种趋势支持下,超声弹性成像日渐成为一种可以无创地探测组织弹性分布模式,从而可能提供一种新的组织病变如癌症的临床检测手段。弹性成像的概念最初由Ophir等人于1991年提出[1],它的基本原理是:人体内不同类型的组织的弹性不同,在外力的作用下,通常较硬的组织比较软的组织发生的形变和位移较小。在外力施加或释放过程中,通过采集感兴趣区域(ROI)不同时间片段的信号进行分析,计算得出组织当时的形变信息以确定组织硬度。弹性图像可通过多种模式获取,如超声波、光学、以及MRI图像等等。其中超声弹性成像技术由于在多个器官和组织,如乳腺、肝脏和前列腺的广泛研究而得到较多的关注[2]。

1 国产超声成像系统不具备弹性成像功能

过去的20年来,超声弹性成像技术因其可揭示组织弹性分布的特点,越来越受到医学和工程界的重视。概要来讲,超声弹性成像可涉及压力施加、组织变形检测、组织应变计算和组织弹性重建四个环节,而以成像为目的大部分现有的超声弹性成像技术以组织变形检测为核心。至于压力施加环节,临床上一般采用手持探头施压的扫描方式,取代早期的程序控制步进马达的超声探头移动方式。在组织受到压力发生变形之后,不同弹性的局部,其相应的变形程度和应变有相应区别,通过对超声射频(RF)数据的运动跟踪分析,可以估算得知组织各局部的受压变形程度。较为主流的方法有基于1D或2D的互相关跟踪技术如Siemens ACUSON S2000、基于块匹配(Block Matching)[3]跟踪技术和基于复合自相关(Combined Autocorrelation)[4]技术,如HITACHI EUB8500。在现有的弹性成像技术中,主要存在下列待进一步完善的问题:

第一,弹性成像对比度与和施压前后的射频信号连续性之间的平衡问题。通常,为保持压缩前后信号高度相关(即信号连续性)并控制噪音水平,施压不可过大,但是,形变过小可导致所生成的图像欠缺对比度;其中,该对比度指示在所感兴趣的区域内,不同硬度组织在形变图像中的亮度区别。因此,由于需要更加优化的不同组织部分的视觉效果,最好得到较高的对比度。

第二,更为准确的组织受压变形模型和实时处理要求之间的平衡问题。理论上希望组织受压变形只发生在超声轴向,其他两个正交方向上的运动是忽略的,而实际上在手持探头扫描时,其他两个方向的组织移动和变形是不可避免的,而这些移动或变形都会影响超声射频信号跟踪的相关性退化。若采用复杂的位移模型并基于二维超声信号来完全求解不同方向上的形变将导致计算量的迅速增加,而使得算法的实时性在现有硬件条件下难以达到要求。

第三,在基于组织位移或者变形估算结果的基础上计算组织应变时,还需要在保证感兴趣区的图像边缘不被钝化、不产生伪迹的算法设计要求,以及尽可能保证应变图像的平滑度要求之间取得平衡。

我们认为正是由于以上主要原因及其他技术实现上的难题,使得之前尚无国产超声影像设备可以包含有超声弹性成像这一重要功能模块。

2 组织弹性成像功能的算法设计

我们自主研发设计了一种由粗到细的二维组织运动估计算法,以计算组织受压后超声射频信号中的位置变化量,并从而估算出组织应变图像。

具体而言,如图1所示,以两帧连续的射频图像为例,首先在粗估计环节采用具有鲁棒性的块匹配算法并采用全局搜索以保证此环节计算结果的准确性,然后根据其位移估计得到的结果来对其中一帧进行曲变(Warping)生成新的帧,从而大大提高调整后的两射频帧之间的信号相关性,此时在细估计阶段采用密集光流方法,Lucas-Kanade光流方法[5](LKOF)对调整后的两幅射频帧之间的轴向和横向上的具有亚像素精度的位移进行细估计,之后合并两阶段的估计值,如有需要,可进一步迭代以上估计——曲变——估计循环,使得两射频帧之间的信号相关性越来越高。

在得到帧间组织运动的估计场之后,我们进一步采用各向异性扩散(Anisotropic Diffusion)[6]的方法对组织运动估计场进行差分平滑计算,得到组织应变场估计图。这种扩散方法的实质在于在t到t+Δt时段在指定点(i,j)的邻域展开处理。

下标N、S、E和W分别表示像素周围的北南东西,符号表示在其下标所示方向上最邻近梯度,其他系数由下式给出。

其中选择为

在迭代进行过程中,高梯度项权重将大大高于低梯度项的输出权重,因此通过调整参数,可保留感兴趣的图像边界区域内容同时平滑其他较为缺乏变化的图像内容。

为检验上述算法,我们采用了一种乳房超声仿体(型号CIRS 047,Norfolk,VA,美国),自顶端用手持SIUI超声传感器L7L38B(7.5MHz)对仿体进行了轻压,采集的射频帧信号、粗估计、细估计和应变估计等各环节的结果如图2所示。

(a)-(f)依次为第一帧射频数据、第二帧射频数据、粗估计的组织运动分布、细估计的组织运动分布、一次合并后的组织运动分布和应变分布图。

3 在汕头超声SIUI 8800上实现的实时超声弹性成像功能

在CTS-8800实时超声弹性成像时使用的是7.5MHz L7L38B线性超声探头。根据被测部位的位置选择合适的采样深度以及感兴趣区域。当超声探头采集完B型超声的RF数据后,实时成像生成B型超声图像用于显示,同时用当前帧和上一帧感兴趣区域内的RF数据采用前述方法进行弹性成像计算。

在显示环节,为了更直观地表示出组织的软硬程度,比平均硬度软的使用红色表示,比平均硬度硬的使用绿色表示,使用上述自定义伪彩色表示组织的软硬度对计算区域成像,再将成像区域与灰度的B型超声图像的部位匹配重叠,可以根据操作者习惯或者的需要选择不同的透明度。最后在界面上将普通的B型超声图像、弹性成像计算结果图像和按压指示条以及感兴趣区域框显示出来,在CTS-8800系统中左边表示弹性成像结果,右边表示普通的B型超声图像。整个计算和应变图像显示的流程和示例如图3所示。

4 总结和展望

在原有的汕头超声CTS-8800系统硬件设计未做改动的情况下,我们通过改动部分硬件驱动和软件,大大减低超声弹性成像仪器的生产成本,在中国制造的超声设备上首次配备弹性成像功能,使以前只有在国外高端设备上才有的功能在国内的普通超声设备上得到实现,让更多患者可享受到最先进的医用超声波技术,该成就也是大学实验室和医疗器械业界成功合作的一个例子。

参考文献

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

[2]罗建文,白净.超声弹性成像的研究进展[J].中国医疗器械信息,2005,(5):23-31.

[3]A.M.Tekalp.Digital Video Processing[M].NJ:Prentice Hall,1995.

[4]M.Yamakawa,T.Shiina.Strain estimation using the extended combined autocorrelation method[J].Jpn J Applied Physics Part1,2001,(40):3872-3876.

[5]B.D.Lucas,T.Kanade.An iterative image registration technique with an application to stereo vision[C].Proceedings of Imaging Understanding Workshop,1981:121-130.

超声组织弹性成像 篇2

微小癌的诊断价值分析

【摘 要】目的：探讨超声甲状腺影像报告与数据系统（TI-RADS）及超声弹性成像对甲状腺微小癌的诊断价值。方法：2016年12月--2018年2月期间，回顾性选择我院收治的302例甲状腺结节患者，经超声TI-RADS与超声弹性成像检查，比较检查结果。结果：手术病理显示，302例患者，83例良性结节，219例恶性结节。超声TI-RADS显示，250例恶性结节，52例良性结节。超声弹性成像显示，213例恶性结节，89例恶性结节。联合应用显示，274例恶性结节，28例良性结节。结论：超声TI-RADS与超声弹性成像均是诊断甲状腺微小癌的有效措施，两者联合应用，可提高诊断效率。

【关键词】超声甲状腺影像报告与数据系统；超声弹性成像；甲状腺微小癌

【中图分类号】R445.1

【文献标志码】A

【文章编号】1005-0019（2018）05-072-01

甲状腺结节较为常见，触诊甲状腺结节，3%-7%可发现，超声检查，可大大提高检出率，一般可达到20%-76%左右，其中，5%-10%左右为甲状腺癌[1]。本研究回顾性分析302例甲状腺结节患者的临床资料，探讨超声TI-RADS及超声弹性成像诊断甲状腺微小癌的临床价值，现总结汇报如下。资料与方法

1.1 一般资料 2016年12月--2018年2月期间，回顾性选择我院收治的302例甲状腺结节患者，159例男性患者，143例女性患者，最小18岁，最大74岁，平均（45.1±5.87）岁。

1.2 方法

1.2.1 仪器与操作方法

仪器：选择意大利Esaote MyLab 90型与 Esaote MyLab 60型彩色多普勒超声诊断仪，完成扫描，选用LA523探头，设置探头频率为5-13MHz。

操作：取仰卧位，头向后仰，颈前区充分暴露。调节至甲状腺成像模式，充分考虑患者的实际情况，调整仪器频率、增益与时间增益控制曲线，确保成像质量。通过常规超声与彩色多普勒血流成像，从纵、横、斜切面为准，连续扫查甲状腺，仔细观察结节特征，并存储图像。随后，启动弹性成像程序，将结节作为中心，?x择感兴趣区，该区域内包括结节、充足的周围组织，保持皮肤与探头于垂直状态，操作中，尽可能避开气管、颈部大血管、结节中粗大钙化灶。在此基础上，施加一定外力给探头，按照2-4次/s，轻微抖动，显示屏上“弹簧”图标呈绿色，维持至少2s，获取具有稳定性的超声弹性成像图像，存盘。

1.2.2 图像分析 根据研究课题，拟定超声TI-RADS评价标准，即以实性结构、边缘不光整、极低回声、钙化灶及边缘为主型血供作为甲状腺恶性微小结节的判断指标。其中，无1个阳性指标归为3类，1个指标呈阳性归为4A类，2个阳性指标归为4B类，3-4个阳性指标归为4C类，5个阳性指标归为5类，而3-4A诊断为良性，4B-5类诊断为恶性。根据超声TI-RADS判断结果，如果超声弹性成像为3-4分，超声TI-RADS评价结果增加1个级别，如果弹性成像评分为0-2分，则超声TI-RADS与弹性成像联合判断结果以超声TI-RADS判断结果为准。结果

本组302例患者，手术病理显示，83例良性结节，219例恶性结节。以手术病理诊断为依据，分析超声TI-RADS与超声弹性成像的诊断价值，如表1所示。

由表1可知，超声TI-RADS诊断甲状腺微小癌的灵敏度=198/（198+21）×100%=90.41%，特异度=31/（52+31）×100%=37.34%。超声弹性成像诊断甲状腺微小癌的灵敏度=181/（181+38）×100%=82.64%，特异度=51/（32+51）×100%=61.44%。两种诊断方式联合应用的灵敏度=215/（215+4）×100%=98.17%，特异度=24/（59+24）×100%=28.91%。讨论

甲状腺微小癌（TMC）也称隐匿性甲状腺癌，指肿瘤直径<10mm的甲状腺癌，是甲状腺癌的特殊类型。现目前，超声仍是诊断甲状腺微小癌的重要手段，然而，部分甲状腺微小癌缺乏典型超声表现，增加了超声诊断难度。

超声弹性成像是超声新技术，常用于鉴别良恶性甲状腺结节。超声弹性成像是以人体组织基于压力作用下产生变形的原理为指导，所研发的新技术，可用于检测组织弹性或硬度属性。其中，弹性属性可间接反映出组织病理学状况，一般情况下，恶性肿瘤硬度大，而良性肿瘤硬度小[2]。虽然，超声弹性成像在鉴别甲状腺良恶性结节方面得到广泛应用，但关于其诊断甲状腺微小癌方面，尚未得到统一。超声TI-RADS是在BI-RADS（美国放射学会乳腺影像报告与数据系统）基础上建立的，规范化描述甲状腺结节超声表现，根据恶性风险，建立分类系统[3]。本研究显示，超声TI-RADS诊断甲状腺微小癌的灵敏度高达90.41%（198/219），据此分析，超声TI-RADS可作为诊断甲状腺微小癌的首选方法。超声TI-RADS与超声弹性成像联合应用的灵敏度为98.17%，可见，联合应用可提高正确率。

综上，超声甲状腺影像报告与数据系统、超声弹性成像是诊断甲状腺微小癌的有效方法，联合应用，有助于提高诊断效率。

参考文献

超声组织弹性成像 篇3

【关键词】超声检查；弹性成像；鉴别诊断；乳腺肿瘤

1资料与方法

1.1临床资料自2010年2月到2010年8月手术后经病理证实的共121例乳腺患者135个病灶，恶性病灶46个，良性病灶89个。病灶最大的直径7.6-89.4mm，平均在（18.6±10.4）mm；患者中位年龄40岁。

1.2检查方法与仪器用西门子公司的VF-5探头和Anta色超声诊断仪，配备有实时彩色超声的成像技术，探头的频率可达到13MHz。所有的病灶都需在术前进行UE和CUS的检查，显示出典型单纯囊肿病灶已被删掉。再由两位该方面主治医师在完全不知病理结果的情况下分别对全部病灶的UE和CUS图像进行相关回顾性分析。首先用传统超声进行纵横切面的检查，观察超声的特征包括：形态、位置、大小、纵横比、边界、内部及其后方回声的特征、高回声厚晕、微小钙化、侧方声影、彩色多普勒的血流信号分级。弹性成像还应用双幅实时且同时得对灰阶和弹性图实施观察，选择的范围大于病灶的，至少超过病灶的1.5倍，较大的病灶再作分段的观察，再对病灶区的硬度及其周围组织的硬度进行比较，做UE评分。弹性图用以彩色编码都不相同得组织弹性的大小，绿色代表ROI内组织平均硬度，蓝色代表比平均硬度更软的程度，红色代表比平均硬度更硬的程度。

1.3统计学处理全部数据都使用SPSSl3.0的统计软件包分析，再以组织病理的结果为“金标准”，计算出CUS及UE诊断乳腺病变特异度、敏感度和准确度，并分别对其差异性进行X2的检验，当P<0.05即认为其具有统计学方面的意义。

2结果

2.1恶性组病灶个数合计46；良性组合计89。

2.2超声成像诊断准确性超过传统超声诊断。

2.3CUS与US对乳腺良恶性病变方面的诊断价值的比较对这135个病灶，均以组织病理的结果为“金标准”，其传统超声及弹性成像两种模式分别采取两种分类诊断的方法；UE以I大于3分的诊断为恶性，3分以下则为良性。分别计算出US及CUS的准确度、特异度、敏感度、阳性预测值（PPV）、指数及阴性预测值（NPV）。CUS在乳腺良恶性病变的诊断中特异度比UE低，具有统计学方面的差异（P<0.001，P<0.005），敏感度没有统计学方面的差异（P＞0.05）。

3讨论

传统超声方法主要是通过综合病灶的边缘、大小、态等对乳腺病变作的良恶性做出初步的鉴别诊断，1995年Stravros［1］提出的使用二维灰阶来鉴别乳腺良恶性病变原则被广为接受，但是因其重复性比较低，其后大量的研究主要集中在频谱多普勒超声及彩色多普勒的血流显像的应用上来对乳腺病灶良恶性进行鉴别，结果显示出良、恶性之间具有较大的重叠性，其结果存在很大的差异性。弹性成像从1991年后得到临床医师们的广泛关注，并且迅猛发展起来。自1998年Krouskop等提出关于乳腺病变组织弹性系数各自有所不同，因恶性病变的弹性系数比较小，超声弹性成像就据组织的弹性差异，给乳腺良恶性病灶的鉴别提供了新途径。到如今，已经发表的关于乳腺弹性的论文大多以应变计分制度作为评估的方法。孙卫健［2］等一致认为弹性面积参数也可以作为评估的标准，Leong等用弹性图像的尺寸比作为研究的尺度，得到的结果比较一致。本次研究的传统超声的优点减低了恶性病变漏诊率，但是同时的假阳性病例却增加了。这135个病灶里的超声弹性成像的误诊有10个：误诊恶性病变为良性的包括有1个粘液腺癌、2個导管内癌、1个炎性乳癌、1个髓样癌，误诊可能是因为病灶出现的粘液和囊性变，其导致了病灶硬度的减低，评分偏低也出现；误诊良性病变为恶性得包括2个导管内乳头状瘤、1个纤维腺瘤（并钙化）、2个纤维囊性腺病（并出血），误诊可能因为良性病变的病程较长，钙化、出血的出现，导管内乳头状瘤病灶的范围较大，且内纤维成分也较多，导致了硬度增高，然后出现了评分较高和假阳性。此次的研究与Leong等用弹性图像的面积尺度的研究结果比较一致。由此，超声弹性成像其在乳腺良恶性病灶的鉴别诊断方面优越于传统超声，优势主要表现在阳性预测值及特异度，但是我们认为，二者应用的综合，对乳腺良恶性病变的鉴别诊断准确性的提高有希望，对疑似病例，不可以草率诊断，必要的建议其经皮穿刺活检。

参考文献

［1］StavrosA.T，eta1.Solidbreastnodules：useofsonographytodistinguishbetweenbenignandmalignantlesions［J］.Radiology，1995，196（1）：123-134.

超声组织弹性成像 篇4

生物组织成分与结构的不同很大程度上造成了其力学特性的差异。例如正常肝脏组织的剪切模量在1KPa的数量级[1,2]。但在炎症反应中,由胶原纤维构成的疤痕组织将取代死亡的肝细胞,随着纤维化进程的发展,胶原纤维将连结肝脏中的管状结构,逐步增加组织硬度,使肝硬化的剪切模量上升到10KPa的数量级。超声技术可以非侵入地检测生物组织对力作用的响应,结合物理模型和信号处理技术,实现生物力学特性的测量和估计。

现实的问题是选用怎样的物理模型,来简化生物组织对力作用的响应。假设施加的激励只在短时间内起作用,即生物组织的力学状态仅取决于现时的负载,那么就可以忽略组织的粘性,而将其视为弹性体[3]。理论上,可以用一个9×9的劲度参数矩阵表征理想的弹性材料,当然测量所有81个参数并不现实。如果进一步将生物组织视为匀质的各项同性材料,那么只需用两个拉梅常数(LaméConstants),或由其导出的杨氏模量(Young’s Modulus)和泊松比(Poisson’s ratio)就可以完全表征该生物组织。

目前的超声弹性测量和成像方法大都只专注于组织的弹性,然而实际的测量和成像过程并不像假设的那么理想,生物组织的粘性并非总能忽略[4,5,6]。理论研究表明,在振动激励源的作用下,生物组织中可以观察到剪切波,随着振动频率的增加,组织的粘性特性逐步体现,表现为剪切波传播速度的增加。Oestreicher等人的研究初略地给出了人体组织的剪切模量和粘度值,分别为2.5KPa和15Pa·s,当振动频率升至25Hz,波速从剪切模量主导转换为粘度主导[7]。Zhang等人探讨了80～220Hz振动激励下牛肝中剪切波的传播,估算的波速为1.5m/s,剪切模量2.2KPa,粘度2Pa·s,振动频率175Hz时,波速从剪切模量主导转换为粘度主导[8],该数据与Klatt等人利用磁共振弹性成像得到的人体肝脏组织的相关数据吻合[9]。更多研究结果表明,在目前超声弹性成像系统使用的振动频率下,生物组织的劲度参数和粘度都与频率无关,两者均提供了重要的诊断信息[10]。

近二十年来,国际上的一些研究小组深入探讨了生物组织中振动的传播机制,提出了一系列超声检测组织力学特性的方法。这些方法既可以根据激励的时间特性划分为低频连续激励和瞬时激励两类[11],也可以根据激励的空间特性划分为外部激励源和内部激励源两类[12]。

Parker等人提出的声弹性成像(Sonoelastography)采用外部振动单元对生物组织施加连续的低频简谐振动,利用多普勒技术得到相应区域组织的振幅和相位信息,考察非正常的生物组织对检测结果的影响[13,14,15]。Fink等人提出的瞬时弹性成像(Transient Elastography,TE)则采用外部振动单元在生物组织表面施加一低频脉冲振动,结合互相关运算检测组织的位移,测量横波振动轴向的传播速度[16,17,18,19,20]。

除了外部振动单元,也可采用在生物组织感兴趣区域施加内部激励的方式成像。内部的振动激励可由生物组织自发产生,用于心脏和血管的弹性成像[21,22],也可借助声辐射力(Acoustic Radiation Force)实现[23]。生物组织的共振频率与其力学特性相关,Greenleaf等人提出的振动声成像(Ultrasound-stimulated Vibro-Acoustic Spectrography,USAE)采用两束频率相近的超声波束在生物组织内部产生连续的低频振动,继而用水听器观测相关区域的共振现象,成像生物组织的力学特性[24]。在此基础上,Konofagou等人则改用诊断超声探头观测组织共振,结合互相关运算跟踪生物组织在辐射力作用下的位移,提出了谐波运动成像(Harmonic Motion Imaging,HMI)[25]。内部的振动激励也可以是瞬时脉冲信号,Nightingale等人提出的辐射力脉冲成像(Acoustic Radiation Force Impulse,ARFI)既可以测量组织内部横波振动的传播速度,也可以得到生物组织中剪切模量的分布[26,27,28,29]。与之类似,Fink等人运用声辐射力激励生物组织特定区域,使激励源以超音速移动从而形成平面波波阵面,结合互相关运算检测组织位移,跟踪音爆现象(Sonic Boom)中马赫锥(Mach Cone)的传播,得到组织剪切模量,这种方法称为超音速剪切成像(Supersonic Shear Imaging,SSI)[30,31]。

本文的主要目的是对现阶段各种基于振动激励源的超声测量和成像方法进行综述。在接下来的部分中,将首先介绍相关的物理基础,诠释不同方法的内在联系,并在此基础上,介绍各种典型方法的实现原理和技术关键,最后探讨现阶段研究中的不足,对该领域未来的研究方向进行展望。

2. 物理基础

物理学研究的成果为组织弹性超声检测方法的设计提供了理论依据,具有非常重要的指导意义。本节将抛开这些方法研究中繁杂的设计过程和技术细节,着重揭示不同方法背后共同的物理本质。

2.1 生物组织力学特性的表征

如果将生物组织视为各向同性的匀质弹性体,

则可用两个拉梅常数,或其导出的杨氏模量和泊松比完全表征其力学特性。一阶拉梅常数λ表示组织的压缩性,二阶拉梅常数µ表示组织的剪切模量。拉梅常数与杨氏模量E和泊松比υ的转换关系为[32]:

通常认为生物组织不可压缩,将υ近似为0.5[10,14],可由式(2)得E与µ的简化关系:

现有的基于振动的超声弹性测量和成像技术,归根到底是探知生物组织的力学参数µ或E。通常可以借助组织应变的测量,结合力学参数与应变的关系加以实现。

2.2 力作用下的组织应变

力作用下均匀介质中质点的位移矢量方程既可以描述准静态力作用下的组织应变,也可以描述激励源为振动时的组织应变,是各种弹性测量和成像方法共同的物理基础。

理论上,若忽略体力(如重力)的影响,位移矢量方程表述为如下形式[33]:

其中ρ为质点处的介质密度,u表示质点位移。结合生物组织模型和振动激励的形式,可以确定方程的边界和初始条件,进而求解生物组织对力作用的响应。准静态情况下,施加的外力缓慢作用于生物组织,应变的测量总是在质点运动停止之后,因此ü为零;若将振动施加到生物组织,应变始终会随时间变化,因此ü不为零。

进一步假设生物组织不可压缩,则有。准静态力作用下方程(4)简化为:

仅考虑轴向的应力和应变,方程的解对应于应变(位移的导数)为常数的情况,这就构成了传统准静态压缩弹性成像(Elastography)[34,35,36]的物理基础。

当激励源为振动时,方程(4)右侧不为零,情况会复杂一些。方程左侧第一项为压缩波(Compressional Waves)对质点位移的贡献,第二项为剪切波(Shear Waves)的贡献。根据生物组织不可压缩的假设,第一项为零,压缩波的作用被忽略,方程化简为:

位移矢量u相关的应变幅度和相位可直接用于生物组织弹性的测量和成像,如声弹性成像(Sonoelasticity)[14]和振动声成像USAE[24];也可由测得的位移矢量u推导剪切模量µ,该方法在辐射力脉冲成像ARFI[26]和超音速剪切成像SSI中有所应用[30];还可以通过横波波速的测量间接地得评估组织的剪切模量µ,如瞬时弹性成像TE[16,20,37,38]和辐射力脉冲成像ARFI[27]。

2.3 剪切波与压缩波

剪切波和压缩波是生物组织中重要的机械波传播形式。前者仅与组织的剪切模量有关,反映了不改变传播媒介密度的剪切运动;后者与两个拉梅常数都有关,反映了传播过程中引起传播密度变化的运动。图1显示了振动激励下生物组织中机械波的三种传播形式,分别是压缩波、横向传播的剪切波和纵向传播的剪切波。

(a)生物组织中的振动激励源;(b)压缩波的传播;(c)横向传播的剪切波;(d)轴向传播的剪切波

压缩波沿质点振动方向传播,改变了媒介密度。横向剪切波不改变组织密度,但会使媒介中质点发生旋转,传播方向与振动方向垂直。剪切波还可以像压缩波一样沿轴向传播,此时质点并不发生旋转,由于组织的不可压缩性,媒介沿振动方向的压缩和伸展将同时造成其横向的伸展和压缩,从而形成轴向剪切波。值得注意的是横向和轴向的剪切波具有相同的传播速度,两者往往同时存在,将组织中的振动传播开去[10]。

进一步讨论压缩波和剪切波的传播速度,首先考虑压缩波引起的位移。已知矢量恒等式,压缩波情况下有,因此可以将式(4)简化为:

其中压缩波波速cp为:

继而考虑剪切波引起的位移。由于轴向和横向传播的剪切波均不改变媒介密度,因此,式(4)简化为:

其中剪切波波速cs表示为:

生物组织中压缩波波速大于剪切波波速若干数量级,可在弹性测量和成像中忽略其对组织位移的影响,即可假设组织中仅存在不改变媒介密度的剪切波,因而有。这与生物组织不可压缩的假设是一致的。此外,式(10)所示的波速公式表明生物组织的剪切模量决定了其中剪切波的传播速度,构成了基于剪切波波速的弹性测量和成像方法的物理基础。

2.4 声辐射力

生物组织中的剪切波只能在距离波源几个波长的有限区域中传播,基于剪切波的弹性成像技术只能测量振动激励附近组织的弹性参数[10]。由于超声波会在其传播路径上对媒介产生辐射力,因而利用该现象可以将振动激励施加到生物组织内部感兴趣区域,扩大超声弹性和成像方法的应用范围,在振动声成像USAE[24]、谐波运动成像HMI[25]、辐射力脉冲成像ARFI[26,27,28]和超音速剪切成像SSI[30]中得到了广泛的应用。

当超声垂直入射到具有吸收和散射特性的目标介质时,辐射力的方向与传播路径一致,大小由下式给出[23]:

其中Πa和Πs分别为目标介质的吸收和散射功率,γ和θ分别为散射强度和散射角,dA为目标介质轴面上投影的面积微元,〈E〉为平均声能量密度。

生物组织可以假设为众多直径远小于一个波长的瑞利散射子(Rayleigh Scatterer)的集合,声波传播产生的总辐射力等于其在每一散射子上辐射力的总和。对于单一的瑞利散射子,入射声波将均匀地向四面八方散射,式(11)中的积分项为0,辐射力化简为:

生物组织中吸收作用主导声波的衰减,可以进一步忽略散射项,将总辐射力简化为:

理论研究表明平面波条件下生物组织中的辐射力可以表述为[23,28]:

其中声辐射力F是一种体力,c为介质中的声速,α为组织的吸收系数,I为声强,也可以称为平均声能量流密度。

3. 典型方法

基于振动可实现生物组织力学参数的测量和成像,其本质在于应变的检测,并构建其与生物组织力学参数的关系。在一系列典型的成像方法中,振动源可以是连续的,也可以是瞬时的;激励可以由外部振动单元产生,也可以利用声辐射力施加到内部感兴趣区域。本节将具体介绍目前流行的六种超声弹性成像技术的实现原理。

3.1 声弹性成像(Sonoelasticity)

Parker等人提出的声弹性成像采用外部振动单元,在生物组织表面施加连续的低频简谐振动,利用多普勒技术,得到相关区域组织的振幅信息[13,14,15]。Sato等人则采用了类似的实验装置,提出了基于相位的声弹性成像[39]。

假设被测的健康组织具有均一的剪切模量µ,相关区域将以本征模式(Eigenmode)响应外部的振动激励,表现为振动幅度一致,相位变化均匀。非正常组织的出现使得方程(6)中µ随位置改变,引起组织应变幅度和相位的改变[13]。

假设介质中散射子的振幅ξ0、角频率ωb、相位φb,振动方程表示为:

结合多普勒频偏公式,可以得到超声回波信号:

其中s0为回波信号幅度,φ为传播造成的相移,调制指数mf与多普勒现象相关,定义为:

其中c为超声波声速,生物组织中通常为1540m/s。采用正交解调电路可得到与组织运动相关的两个多普勒信号:

其中Ji(x)为第i阶贝塞尔函数(Bessel Function)。从中可以看出解调后的多普勒超声信号具有直流分量和倍频频谱,分析d1(t)和d2(t)的频谱,可查阅贝塞尔函数表确定mf,进而得到所求的散射子振幅ξ0;也可分析d1(t)或d2(t)的基波分量得到相位φb。

3.2 瞬时弹性成像TE

Fink等人提出的瞬时弹性成像则采用外部振动单元在生物组织表面施加低频脉冲振动,通过跟踪剪切波的传播速度评估生物组织的弹性[16]。

图2为瞬时弹性成像早期的结构原理图。实验采用透射(Transmission)模式检测剪切波的传播,即将激励与检测单元放置于仿体对侧,因此接收到的回波实际上是超声探头与振动单元连线上组织随时间变化的RF信号。对该信号作互相关分析,即得到不同深度组织随时间变化的应变图。随着时间的推移,仿体的应变从振动源位置起沿轴线传播到超声探头后,又反射回去。通过测量应变传播的斜率,即可估算出反应剪切模量的剪切波传播速度。

透射模式在临床的应用中存在困难,之后提出的反射(Reflection)模式的瞬时弹性成像很好地解决了这个问题[20]。该方法将振动单元集成到超声探头上,但需要选择合适的参考平面,用以补偿探头振动带来的应变测量的误差。

与瞬时弹性成像相关的另一技术上的变形是Zheng等人提出的测量剪切波横向传播速度的方法[40]。该方法在振源附近一定横向距离的位置设置两条超声观察线,通过检测剪切波经过时的时间差异,估计剪切波波速,可用于肌肉弹性的研究[41]。此外,该研究小组的研究表明结合B型超声图像引导,可以提高瞬时弹性成像测量的精度,在肝组织纤维化的评估中有重要的临床应用价值[42,43]。

3.3 振动声成像USAE和组织谐波运动成像HMI

声辐射力的运用丰富了生物组织超声弹性测量和成像的研究。Greenleaf等人提出的振动声成像将连续低频振动施加到组织内部感兴趣区域,并采用水听器观测相关区域的共振[24],图3为USAE系统的结构原理图。根据式(14),声辐射力的大小正比于声强I。该方法利用这一关系,将两束频率相近的超声信号聚焦到生物组织感兴趣区域。拍现象使得聚焦区域的声强随时间周期性变化,因而辐射力也做相应的周期变化,聚焦处的生物组织以差频∆f振动。由于生物组织的力学特性决定了共振频率,共振频率的不同又会造成组织响应振动幅度和相位的差异,因此可以用水听器探测这些差异,借以表征力学特性。

USAE系统的结构使其在临床的应用中存在困难,针对这一缺点,Konofagou等人改用诊断超声探头观测组织共振,将振动的激励和检测单元置于待检生物组织的一侧,提出了谐波运动成像HMI。图4为HMI系统的结构原理图[25]。该方法同样采用拍现象在组织内施加连续的低频振动,区别在于采用了超声探头检测组织的共振响应。运用互相关运算分析采集到的RF信号,便可以得到检测线上生物组织随时间的应变图。

3.4 声辐射力脉冲成像ARFI

除了连续低频振动的方式,声辐射力也可短暂地作用于生物组织内部,其中一个经典的方法是Nightingale等人提出的辐射力脉冲成像ARFI[26,27,28]。事实上,该方法并不仅限于采用振动激励源来成像,也可在特定的感兴趣区域生成准静态的力作用,得到组织的应变分布[28]。本文讨论的重点是振动激励源条件下生物组织弹性的测量与成像。

当采用该方法检测波速时,需要首先选择一个感兴趣的测量区域;然后将可聚焦的超声探头转为激励模式,在测量区域附近施加一个短暂的振动;再将探头转为检测模式扫描测量区域,结合互相关分析即可得到应变图像,并由振动传播到测量区域的时间推算剪切波波速。式(6)表明由组织的位移可以计算剪切模量。根据这一关系,该研究小组进一步实现了剪切模量的二维成像[26]。事实上,无论是剪切波波速的测量,还是剪切模量成像的实现,关键都在于激励序列和检测序列的设计,以及组织应变的估计。

3.5 超音剪切成像SSI

质点在超音速振动时会产生音爆,Fink等人提出的超音剪切成像SSI利用声辐射力激励特定区域,使对应生物组织内的激励源以超音速移动以形成一个简单的波阵面,结合高帧率(5000帧/s[19])二维超声成像系统,跟踪马赫锥的传播,估计剪切模量。

图5为SSI系统的实现原理。与二维的ARFI系统类似,该方法采用了可聚焦的超声探头激励组织产生振动,继而检测组织对振动的响应。整个成像过程中超声探头在激励模式和检测模式间转换,区别在于该方法采用了不同的二维应变估计和剪切波波速测量方法。前者包括波束成形(Beamforming)、二维斑点跟踪(Speckle Tracking)、以及剪切模量估计三个关键步骤,后者则通过跟踪二维应变图中马赫锥的传播实现。

图5中的数据处理部分描述了二维应变图的计算流程。在每一检测时刻,超声探头从两个不同角度采集到左右两组RF回波信号。假设检测时超声信号垂直发射到生物组织,两组回波信号的接收角度关于发射信号对称,分别为α0和α1,且有α0=-α1。分别对前后时刻两组数据进行互相关分析,可以得到两组同一时刻组织运动引起的回波信号的时间偏移tα0和tα1,由式(20)和(21)计算x和z方向上生物组织的应变,即可生成二维应变图[37]。

在二维应变图的基础上可估计剪切模量µ。SSI法仅考虑了组织在xz平面中的应变,因而剪切模量µ的频域表达式为[30]:

其中F表示傅里叶变换,N则为估计中频谱线的个数。

4. 展望未来

生物组织力学特性的超声测量和成像是医学超声学研究的前沿课题。近二十年来,一些研究小组在该领域进行了广泛的研究,提出许多别具特色的方法。本文介绍了不同超声弹性测量和成像方法背后的物理本质,并对现阶段各种基于振动激励源的方法进行了综述。这些方法在一定程度上量化了组织的力学特性,与传统的超声成像技术相互补充,在生物医学的科学研究和临床应用中具有广泛前景。尤其是基于声辐射力和剪切波的声辐射力脉冲成像ARFI和超音剪切成像SSI,由于其检测过程无需操作者对目标组织施加力作用,可重复性高;测量结果受组织整体状态影响较小,局域性好,值得关注。

然而这些方法从提出到实际应用,仍有很多理论和实际的问题需要解决。例如,ARFI在肝纤维化评估[44,45]和肿瘤良恶性鉴别[46,47]中具有重要的应用价值,但在脾脏和移植肾等人体组织的应用中,多次测量的结果缺乏一致性[48]。其原因可能在于现有的研究忽略了生物组织结构参数的复杂性,未考虑超声传播过程中的衰减,夸大了聚焦区域的力作用。另一方面,人体的呼吸运动、

胃肠蠕动以及血液循环都会对被测组织造成额外的力作用,影响组织力学特性的测量。因此,如何在成像中完善辐射力的估计,探讨人体运动对生物组织力学特性测量的影响,可能是今后弹性测量和成像技术研究的重要方向。

此外,生物组织的病理状态可以表现为多种力学参数的改变,目前的弹性测量和成像技术大都忽视了生物组织的粘性,仅用剪切模量评估组织的力学特性。有学者探讨了ARFI中组织的位移峰值、到达峰值的时间、恢复时间和组织密度与杨氏模量的关系[49],但未涉及这些参数的成像,及其在疾病甄别中的价值。因此,如何进一步研究生物组织的力学特性参数,量化这些参数在疾病甄别中的价值,对弹性测量和成像技术的发展和应用至关重要。

致谢:

超声组织弹性成像 篇5

【关键词】超声弹性成像；常规超声；甲状腺；良恶性结节；

【中图分类号】R736.1【文献标识码】B【文章编号】1005-0019（2015）01-0090-01

甲状腺结节是中年女性常见疾病，结节分良性、恶性，恶性在初期有一定隐匿性，故早期鉴别诊断，及时判断恶性肿瘤，可以制定治疗方案，以免病情恶化或转移，造成不可逆转的局面。诊断时，常规超声和超声弹性成像是常用的定性诊断技术，为了探讨哪种技术在诊断时更直观更准确，本研究选择了有超声弹性成像、常规超声和术后病理详细资料的病例进行分析，将研究结果报道如下：

1资料与方法

1.1一般资料选择2012年3月-2013年12月，有甲状腺结节的患者103例（186个结节），包括男27例（35个结节），女76例（151个结节）；年龄24-71岁，平均（36.5±0.6）岁；其中单发结节46例，多发结节57例；位于右侧52例，左侧46例，位于峡部5例。结节直径大小在0.3-12.6cm，平均（8.4±0.2）cm；所

有患者的一般资料无影响实验因素，具有可比性。

1.2方法所有患者平素未发现淋巴结肿大，体检时行常规超声检查发现发现甲状腺结节，重新进行超声弹性成像检查，予以手术切除，切除后组织切片做病理分析。

1.2.1常规超声：仪器国产凯信公司生产的KX3000超声诊断仪，工作电压220V，工作电流0.25mA，探头频率3.5-4.5MHz[1]。患者坐位或仰卧位，颈部自然后伸暴露颈部淋巴，医生以涂抹耦合剂的探头置于淋巴位置，扫描淋巴的边界，通过回声查找结节位置，根据密度判断有无衰减和钙化，根据经验判断良恶性。

1.2.2超声弹性成像：仪器采用日本Philips公司生产的HDI5000彩超仪，工作电压220V，工作电流0.25mA，探头频率7.5-12MHz，内设灰阶二维超声、彩色多普勒超声和超声弹性成像检查3套模式和分析软件[2]。患者仰卧位，充分暴露颈部。先进行二维超声和多普勒超声检查确定病灶位置，打开弹性成像模式，横、纵切面各角度观察，确定结节的位置、边缘、大小、数量、形态、内部回声、血流分布、有无钙化等情况。用探头轻压，调整取样框，探头在病灶部位上下振动，声束尽量与皮肤和病灶垂直，当处于最大切面时，调整实时双幅显示，冻结满意的稳定图像，对病灶进行弹性分级，与正常甲状腺组织对比颜色、硬度变化。（弹性图中红色是平均硬度，绿色是低于平均硬度，蓝色是高于平均硬度。）血供类型：分Ⅰ型-Ⅳ型，分别是结节内部无血流、结节周围有血流、结节内部有血流和结节内有弥漫性血流[2]。每个病灶检查3次，稳定的图像分析结果相同作为最后结果，与术后病理对照分析。

1.3诊断标准

常规超声诊断标准：采用超声半定量评分法作为标准：形态：0分为规则，2分为不规则，1分为二者之间；边界：0分为清晰，2分为不清晰，1分为二者之间；纵横比：0分为小于1，1分为大等于1；有无声晕：0分为周边有完整声晕，1分为无声晕或无完整声晕；内部回声：0分为囊性（囊性为主），2/3无回声区，1分为有等回声、稍强或混合性回声，2分为有低回声；钙化：0分为无钙化，1分为粗大钙化，2分为细砂粒样钙化。各特征得分相加后，恶性为得分在4分以上，良性为得分3分及以下[2]。

超声弹性成像诊断标准：采用百胜公司的Ⅳ级评分法，根据超声弹性成像中，结节颜色的不同判断，0级为囊性病灶，红蓝或红蓝绿相间；Ⅰ级为均匀綠色病灶；Ⅱ级为以绿色为主的蓝绿相间病灶；Ⅲ级为的蓝绿混杂分布或蓝色为主病灶；Ⅳ级：蓝色病灶。良性为Ⅱ级以下，恶性为Ⅲ-Ⅳ级[3]。

1.4统计学方法应用SPSS11.0分析结果，p<0.05，表示差异有统计学意义。

2结果

常规超声诊断结果：186个结节中，良性结节162个，恶性结节44个。

弹性成像诊断结果：186个结节中，良性结节132个，恶性结节54个。

术后病理诊断结果：186个结节中，良性结节132个，恶性结节54个。

弹性成像诊断与术后病理结果完全一致，其准确性、敏感性、特异性都为100%，差异无统计学意义。

常规超声、与弹性成像或术后病理的诊断结果比较，良性结节的准确性100%，敏感性70.97%，特异性22.73%，恶性结节的准确性81.48%，敏感性23.66%，特异性18.52%，差异有统计学意义。

3讨论

弹性成像诊断技术是一种全新的成像技术，原理是受压组织形变后，通过超声射频回波时延得到内部各部分组织的位移数据[3]，推演出诊断部位的应变情况，将应变情况用彩色编码化成可视化影像，得到病灶部位的硬度，通过用绿色、红色、蓝色覆盖面积的大小，分析结节的病理类型，只要结合临床经验鉴别异病同像或同病异像即可[4]。虽然常规超声对甲状腺结节诊断率也较高，但获取的信息有限，更无法收集有关硬度的信息，需要医生通过回声结合触诊判断，所以诊断的准确性、敏感性和特异性比超声弹性成像差，建议在诊断甲状腺良恶性结节时，应用超声弹性成像。

参考文献

[1]黄继，俞力.甲状腺结节的实时超声弹性成像与病理对照分析[J].中国现代医生，2013，1（29）：76-78.

[2]赵向忠，赵文莉，李丽琪.超声弹性成像与常规超声联合应用鉴别诊断良恶性甲状腺结节的临床价值研究[J].中国药物与临床，2013，13（10）：1306-1307.

[3]巩海燕，林红军，叶新华，等.实时组织弹性成像鉴别诊断甲状腺实性结节的价值[J].南京医科大学学报，2012，32（8）：1131-1136.

超声组织弹性成像 篇6

资料与方法

2010年10月-2012年10月收治甲状腺肿块(结节)患者100例,共123个病灶,女56例,男44例,年龄19~76岁,平均(44.6±16.4)岁。病灶大小7.6mm×6.2 mm~22.7 mm×45.3 mm,57个位于左侧甲状腺,53个位于右侧甲状腺,13个位于峡部。

诊断方法:首先用常规超声分别做甲状腺扫查,记录结节情况;后启动弹性成像功能,确定区域,取样框(ROI)大于肿物范围,施加<10%左右的外力,进行弹性计算。后切换4C1凸阵探头,进行VTQ检查。检查时取矢状切面,嘱患者停止吞咽动作并屏气,病灶大于取样框时,取样框放置于病灶实性部分,尽量避开液化区、钙化区。启动VTQ功能每个结节测量3次求平均值。CU、UE及VTQ技术检查数据和图像保存分析。分析、协商后得出;各研究者均不知对方诊断结果。

统计学分析:使用Med Calc 11.2软件,分别计算CU、UE、VTQ和三者联合应用分级诊断甲状腺结节的敏感度和特异度,以特异度为横坐标,以敏感度为纵坐标,绘制ROC曲线,评价效果,采用Z检验,以A=0.05为检验水准,对曲线下面积进行比较。

结果

123个甲状腺肿块(结节)的常规超声、弹性成像、声触诊组织量化联合分级诊断与病理结果对照见表1。

分级ROC曲线结果:单独弹性成像判定甲状腺肿块ROC曲线下面积(0.81)小于单独常规超声(0.89)(Z=3.525,P<0.001),但两者联合判定甲状腺肿块ROC曲线下面积(0.95)大于单独常规超声(Z=2.512,P=0.012)及弹性成像(Z=4.433,P<0.001)。

讨论

甲状腺肿块(结节)包括甲状腺囊肿、腺瘤、癌、局灶性甲状腺炎、甲状腺次全切除术后残留甲状腺组织的增生等一系列因素引起的结节性改变。结节性甲状腺肿占80%~90%,而甲状腺癌占5%~10%。如何对已发现并就诊的这一部分甲状腺肿患者做到准确的性质判断显得尤为重要。VTQ通过发射推动脉冲波,使感兴趣区局部组织发生形变而产生的剪切波获取组织的弹性信息。UE根据组织弹性系数和外力来显示组织压缩移动度。恶性肿瘤病变组织坚硬,粘连度强,UE可间接反映、VTQ可直接反映甲状腺肿块的硬度,有助于良恶性结节的鉴别诊断,两者可以作为CU判断甲状腺结节良恶性的有益补充,但良恶性结节的组织弹性系与其存在重叠,因此需要与CU相结合,才能提高诊断准确性。

通过本次初步研究提示三者联合应用可以提高甲状腺肿块良恶性的鉴别诊断准确率,而且可减少漏诊、误诊,避免了医疗资源的过度浪费,解除了患者的心理阴影和痛苦,提高了甲状腺疾病的诊治水平。

参考文献

[1]Ophir J,Cespedes EI,Ponnekanti H,et al.Elastography:aquantitative met hod for imaging the elasticity of biologicaltis-sues.Ultrason Imaging,1991,13(2):111-134.

实时超声弹性成像原理与方法 篇7

生物组织的病变在很大程度上会伴随着其硬度属性的改变,比如硬化型乳腺癌,动脉粥样硬化等。然而在某些情况下,如果肿块较小,或者位置距离体表较深,用传统的触诊方式很难检测出。一般来说,用传统超声回波成像的方式,也并不一定能检测出这些癌变组织,因为虽然他们的硬度属性差别较大,但是声学性质有可能很相近。比如,对于前列腺或者乳腺肿瘤来说,他们用传统超声成像很难发现病变,但是他们的硬度属性和周围正常组织明显不同。所以组织硬度信息对于临床诊断而言同样具有重要的参考意义。超声弹性成像就是根据组织的硬度属性不同进行成像的一种新型的超声成像方式[1]。根据激励的时间特性,现有的基于超声检测的弹性成像可以分为三类:采用静态或准静态力的施压式弹性成像、采用低频瞬时振动的瞬时弹性成像和采用低频简谐波的震动声弹性成像。实际上,弹性成

1. 技术原理

准静态超声弹性成像的实现方法如图1。

用超声探头对受检体施加一个外部的压力,接收同一个位置在施压前和施压后的两组回波信号。其中压缩后的信号可以视为压缩前信号的压缩和时延,如公式(1)所示[3]。

对同一个位置压缩前、后回波信号进行分析,得到应变分布;最后再用不同的灰阶值或者伪彩色等将组织应变的二维分布转化为二维的灰度或者伪彩色图像(strain-based elastography),其像(Elastography)一词,最早是1991年美国德州大学Ophir教授等人提出[2],因此狭义上的弹性成像指的就是这种静态或准静态力施压式弹性成像。和其他两类相比较,准静态弹性成像具有技术原理简单,实时性好等优点,引起了很多研究组的兴趣,所以近几年得以迅速发展。本文重点在于介绍实时准静态超声弹性成像的原理与方法,同时还对模量重建的方法及其必要性进行了论述,最后讨论了评估一种新的弹性成像算法常用的验证方式。在下面的章节里,如无特殊说明,所提到的弹性成像均指准静态超声弹性成像技术。图像成为应变分布图(strain elastogram)。该方法中假设组织内部应力均匀分布,但对于血管等圆周应力分布明显不均匀的情况误差较大。另一种方法根据组织的力学特性以及求解出来的应变进行模量重建,根据杨氏模量或剪切模量进行成像(model-based elastography)[4]。

根据应变计算方法的不同可以概括为两类:基于梯度的方法,和直接计算应变;

1.1 直接法:

直接法中,直接通过对组织压缩系数进行计算得到应变。可以通过对压缩后的RF信号设置一个初始伸展系数,然后求解相关性函数,或者计算相关相位。根据计算结果修正伸展系数,直到达到所期待的相关性[5],或者相移接近于零[6]。也可以通过最优化的方式,在代价函数里将伸展系数作为未知变量,通过最小化代价函数求的伸展系数[7,8]。根据伸展系数来求得应变。这种方法对信号相关性要求较高,而且对系统噪声比较敏感,所以较少采用。

1.2 基于梯度的方法:

基于梯度的方法首先计算回波信号压缩前、后在时域上的相对位移;根据相对位移利用差分的方法求出组织应变。

基于梯度的方法中,从压缩前后的RF信号估计组织运动是最核心的部分,大多数的位移估计算法重点都是在轴向位移估计,尽管轴向压缩组织会产生三个方向的形变(轴向、侧向、和梯度方向),在一般应变成像中,只需要轴向位移就足够了。尽管也会考虑侧向和梯度方向,但仅限于帮助提高侧向位移估计的精度。侧向应变成像可以帮助重建泊松比等参数,但是远没有轴向应变更重要[9],所以在本文中不做过多讨论。

本文重点介绍基于梯度的方法原理以及在准静态超声弹性成像中的应用。首先介绍常用的位移估计基本算法,并介绍目前常用的对于基本算法的改进方式。然后介绍从位移中提取组织应变的原理和方法,并对模量重建的方法以及必要性进行了讨论,最后列出了对于一种新的算法一般采取的几种验证方式。

2. 位移估计基本算法

现有的位移估计算法中,几乎所有的方法都用到了块匹配或者窗匹配。匹配的相似性准则包括:互相关,绝对差分和,平方差分和,相关相位等。窗匹配一般可以通过插值达到亚采样点精度;匹配可以在整个搜索区域内进行搜索,也可以通过相邻窗的连续性约束,减少搜索范围。可以通过定义一个全局代价函数,一次性求解位移场分布,也可以分块独立进行搜索跟踪。可以单层穷尽搜索,也可以分层从粗到细搜索。可以在整个平面两维搜索,也可以在轴向和侧向分别搜索[9]。

另外对现有位移估计算法进行严格划分是不科学的。很难把他们归结为某一种特定的方法名称里面。但通常所采用的基本技术主要包括几下几种:

2.1 一维时域互相关

一维互相关是计算时延常用的方法,通过对两段信号计算互相关函数,公式如(2)所示,当互相关函数取最大值时,τ所代表的值就是两段信号的时延[2,10,11,12,13]。

2.2 相关相位

超声射频信号不仅包含幅度信息,通过希尔伯特变换或者正交解调即可得到含有相位信息的解析信号或者是基带信号。在时域,时延对应着相位变化,如果信号频率已知,就可以根据计算相移直接得到相对应的时延[14~17]。

首先对于压缩前、后超声回波信号分别进行建模如公式(3),A(t)是包含人体信息的包络信号,w0是探头的中心频率,t是时间[14]。

这两个复数信号的互相关表达式可以表示为公式(4)

其中

是包络的自相关函数。所以通过互相关函数的相位就可以直接估计出两段信号的时延(公式(6))。

2.3 块匹配

块匹配的基本原理是对于感兴趣区域区内的一个特定大小的区块,在一个设定的搜索区域内根据一定的匹配准则寻找与它最佳匹配的区域。根据最佳匹配区域所在的位置来计算相邻两帧图像的局部位移[18~20]。

根据匹配准则的不同,可以分为:二维标准互相关,快速互相关,绝对差分和等。以二维互相关为例,其互相关函数定义为:

当上述函数取最大值时对应的u,v的值,即是所定义区块中心位置的局部位移.

2.4 光流

光流法给空间每一个像素点赋予一个速度矢量,并假设空间任意一点随时间变化该像素点的亮度不变[19,21]。即有下列等式:

经过泰勒公式展开并去掉高阶部分可以得到:

这就是光流的基本方程,实际应用中一般还要加上其他的约束条件,共同求解每个像素点的速度矢量(u,v)。根据外加约束条件的不同衍生出了不同的光流法。

2.5 最优化

最优化算法的基本原理是首先设计一个代价函数,通常是块匹配中几种匹配准则中的其中一种,或者加入另外的约束条件,组成复合的代价函数;其中代价函数所包含的未知参数通常就是所求的位移,甚至可以是应变。然后通过某种最优化算法如动态规划等进行求解[22~28]。最常见的代价函数具有以下形式:

其中CID表示图像相似性,通常指定为块匹配准则中的某一项,CR表示另外的约束项,比如平滑约束或者位移连续性约束等。α表示权重系数,通过调整α可以调整每一项在代价函数中的权重。

对于检测信号相似性或者时延来说,互相关或者块匹配是非常精确的技术。即使应变很小的情况下,也可以精确追踪运动,并且对于噪声的鲁棒性较好。然而应变估计会受到各种因素的影响,包括探头下压过程的横向位移导致其不同平面运动造成的信号去相关,声场不均匀特性,非刚性组织形变等[21],导从而导致运动估计错误。另一方面,基于相位的方法是效率最高的,但是当时延大于半个波长的时候就会出现相位混叠,而且必须知道探头的中心频率,否则只能通过迭代来求解。光流暗含的假设信息是在连续记录的图像强度保持不变,然而在弹性成像过程中,散射点受压之后脉冲响应会发生变化。所以在光流法中通过局部信息约束进行求解是不科学的。一般会通过加入另外的全局约束信息来进行求解。另外基于相位的方法以及一维互相关方法只能在轴向进行追踪,当组织侧向位移较大时,会出现比较明显的位移估计错误。

上述基本算法除了基于相位的算法以外(依赖相位信息),其他所有算法都可以用三种信号来进行(RF信号,包络信号,B超信号)。包络信号可通过RF信号正交解调得到,对包络信号进行对数压缩,去噪等处理就可以得到B超信号。RF信号的信息量最大,同时数据量也最大。B-mode数据信息量和数据量都最小。随着弹性成像算法的不断发展,改进算法的速度越来越快对于精度和分辨率的要求越来越高。目前准静态超声弹性成像大部分都是用RF信号来计算的。

3. 改进算法

由于人体组织的复杂性,以及超声图像本身所含的噪声等因素,单纯的采用上述基本算法,很难得到满意的结果。现有的方法中对于超声准静态弹性成像算法主要有两个思路:一种是基于其中一种算法,然后进行改进;另一种思路是集合两种或者以上的算法,形成一种新的算法框架,结合了各自的优势,同时克服了各自的不足。但无论是采用那一种思路,所进行的改进主要针对两个方面:速度和准确性(包括计算精度,和鲁棒性)。目前的改进技术主要包括以下几种:

3.1 时域伸展

基于梯度的算法一般都假设压缩后的信号是压缩前信号的时延,而忽略了形变(压缩)。所以当信号形变较大时,会出现比较严重的去相关[29]。Bai等人,通过采用多尺度(multi-scale)的方式,采用不同长度的窗进行相关并求平均的方式进行改善[30]。通过自适应方法来计算局部压缩系数,可以降低信号去相关的影响,同时精度有所提高[5~28]。还可以通过扩张的方式在计算相关函数之前对信号进行调整,对压缩或者时延在同一个平面内进行调整,尽量恢复信号相关性[31]。但是,对于压缩的调整并不是自适应的,而是全局的。

3.2 插值

对于精确的应变估计,需要得到亚采样点间隔的位移场。一般通过对RF信号进行插值,或者对相关函数进行插值,或者是假设峰值处形状,根据计算公式直接来得到。对RF信号进行插值在很大程度上增加了运算量,对相关函数插值同样增加不小的计算量,常用的方法包括抛物线插值,余弦函数差值等[32]。而假设峰值处形状基本可以达到与差值RF信号或相关函数同样的效果[33]。

3.3 先验估计或约束

由于信号的去相关,从信号直接求解位移分布可能会出问题,对于解决这种大的估计误差通常有两种途径[34]:运动约束或者先验搜索。

先验估计,也可以称为指导搜索,其基本原理是由周围已知点的位移值作为当前值的先验估计,相邻的点可以是相邻行的点,称为行引导,也可以是相邻列的点,称为列引导。也可以通过预先估计的方式来获得,一般通过由粗到细的方式来实现。根据先验估计可以缩小搜索范围,不但大大提高了计算速度,而且还在一定程度上减少了假的相关峰(当信号去相关比较严重时,峰值处的相关系数偏低,可能会出现另一处峰值并且相关系数大于真正的峰值,称为假峰)造成的估计错误。但是这种指导搜索有一个潜在的问题,就是如果有一个点估计错误,则基于该点作为先验值的所有位置都会产生错误估计。所以要通过某些机制来对估计结果进行验证,对于错误的点,通过周围点插值来替代。

运动约束也是目前比较常用的一种改进策略,主要是基于运动连续的假设[35]。一般是设计一个目标函数并添加约束项,然后通过最优化算法来最小化目标函数的方式来求解位移。由于运动约束把相邻点的位移值联系起来组成代价函数,所以单独分块进行估计显然达不到要求,一般通过全局最优化的方式来实现。

3.4 粗到细

由粗到细的原理是:首先选择一种鲁棒性较好的算法对复杂的位移场进行预估,估计结果作为另外一种鲁棒性较差但是精确度较高算法的先验值,或者初始值[9,19,27,36,37]。这样通过两步或者是几步迭代的方法同时满足了鲁棒性好,精确度高的要求。

在两步算法中,可以选择不同的基本算法,比如第一步选用块匹配,第二步采用光流[19];也可以采用同样的方法,但是不同的参数[37],比如两步都采用BMA方法,但是第一步选择较大的窗和搜索范围,第二部选择较小的窗和较小的搜索范围。甚至两步里可以选择不同的信号,比如:第一步用B-mode信号,第二部选择RF信号。或者采用金字塔算法,从最底层到最高层依次降采样处理,减少数据量,通过某种算法得到位移场(BMA或者图像配准)然后插值到与上一层相同的数据量,作为先验值,指导上一层在一个较小的范围内进行搜索[27,36]。

上述改进方法中,时域伸展技术可以解决信号压缩造成的信号去相关,但是对于其他原因的噪声,比如系统噪声或者非刚性形变造成的去相关没有效果,而约束和先验值对此则有比较明显的效果。插值主要是为了提高估计精度和质量,而由粗到细的策略是先验估计方法的一种具体实现方式。粗估计的结果作为细估计的先验值,从而使得速度和鲁棒性以及精确性都有较大的提高,所以这种方法也是最常用的一种方法。

4. 应变

位移和应变的关系可以描为数值差分的过程。对于理想的全通差分器的频率响应,随着频率增大而线性增大,简单的差分过程会放大高频噪声。在应变求解过程中,应该设计一种低通的数字差分器,而不是全通的[38]。目前采用较多的最小二乘法也可以视为一种特殊的低通差分器[39,40]。

最小二乘法的原理是通过对位移场进行分段线性拟合来求出应变。计算公式如公式[39]:

其中y表示深度,u是位移,a,b是待估计的常量,其中,a表示局部应变。

采用低通数字差分器,应变值可以表示为位移场与特定冲击响应的卷积[40]:

另一种比较常用的差分器是Savitzky–Golay(SG)平滑数字差分器。根据拟合的阶数不同可以分为SG-I和SG-II。以SG-I为例,其输入输出关系为[38]:

其中滤波器的长度为2M+1

确定滤波器的长度之后,就可以根据上述差分方程得到冲击响应h,h与位移u进行卷积就可以得到应变分布,最小二乘法也可以转化为上述形式。最小二乘法通过增加窗长以达到平滑的效果。较大的窗长可以得到比较好的SNR,但同时会造成边缘模糊。所以在实际运用的时候需要选择合适的窗长和窗之间的重叠率,以达到期待的效果。一般来讲为了平衡SNR和CNR,推荐使用较长的滤波器长度以及较高的重叠率(90%以上)。对于不同数字差分器频率响应分析,与滤波器长度的关系,以及对应变估计的影响可参考文献[38]。

由于上述方法计算速度较快,是现有方法中计算应变较多采用的方法。然而,如果位移场估计不准确,应变估计会有较大噪声。Rivaz等人,利用应变分段连续的特性,利用卡尔曼滤波器,来提高应变估计的质量[26]。Yuan等人也采用了基于无网格的技术,在保持图像分辨率不变的前提下,对噪声进行抑制[41]。

5. 杨氏模量

如果组织内部应力分布是常量,应变图像可以直接被解释为模量图像(杨氏模量或者剪切模量)。在实际情况下,内部应力分布并不均匀,所以当应变被解释为模量的过程中,会出现伪影,从而需要进行模量重建。模量重建可以根据计算的位移或者应变通过方程直接求解[42],也可以通过迭代的方式来进行求解。

比较常用的是通过模型迭代的方法来求解逆问题。该过程可以描述为参数最优化问题,通过最小化一个代价函数来得到参数最优解。其中代价函数通常定义为测量位移和通过给定参数由有限元模型正向求解的位移差。通过对未知的杨氏模量给定初始值,然后以迭代的方式计算出代价函数最小时候杨氏模量的分布。

通过逆问题求解在一定程度上可以减少伪影,但是由于逆问题本身病态的特性,所以有可能增加新的伪影。当边界条件较简单时,逆问题求解对结果去除伪影的帮助并不大[43]。另一方面,逆问题求解通常需要通过反复迭代,很难达到实时。所以

6. 评价方法

对于一种新的弹性成像算法,如何评价其性能,有一些常用的方法。

6.1 数值仿真

用经过数值仿真产生的RF信号来计算组织的应变分布,并将计算结果与有限元软件输出的应变分布作定量比较。仿真的方法如下

其中,x,z分别表示侧向和纵向,I(x,z)表示RF信号,h(x,z)表示点扩散函数,m(x,z)表示声阻抗矩阵,A为常量,λ为发射脉冲波长,σx,σz分别为脉冲的宽度和长度。

在弹性成像中,对比度噪声比通常用来表征病变组织的可探测性。

其中e和σ分别是均匀弹性组织应变图中的应变均值和应变标准方差。

eb,ei分别是应变图中背景和包含物的应变均值,σb2,σi2分别是背景和包含物的应变方差。

6.2弹性体模:

在弹性成像算法开发的初始阶段,体模实验是不可或缺的。首先,较好的弹性体模可以在声学和力学特性都和人体组织有较好的相似性。目前商用体模比较好的有CIRS公司的Model049,以及Model059。其中,Model049是在一个均匀的背景区域包含了8个硬度和大小不同的小球,可以对弹性的分辨率和信噪比等参数做量化分析。

7.处理和显示

上述两种评价方法可用于算法研究人员在开发阶段作为参考。但是准静态超声弹性成像用于临床引用会出现各种复杂的问题:首先,对于医生的手法要求较高,很容易出现out-of-plane现象;另一方面,病变组织的复杂程度远高于弹性体模所以在算法真正实现的过程中一般还要经过一些处理。最常用的是进行归一化处理[44]。

ŝ(x,y)是归一化系数,最简单的方式是设为常量,取图像中的最大应变值,从而消除不同的应变率对显示结果的影响。对于内部应力分布不均(随着深度降低,或者探头表面压力不均造成)对应变的影响,可以设置整个平面随位置变化的归一化系数。归一化系数通过对位移场或者应变进行平面拟合的方式求解。

由于在临床操作中,应变大小控制、探头偏移等问题,采用两帧信号得到的应变图信噪比通常不高。所以在临床使用过程中,通常会用相邻的应变图像拟合成一幅高质量的图像进行显示。这种拟合可以是简单的平均[45],也可以根据应变图中每个点的估计质量来进行加权合成[4,44]。

8. 总结

超声组织弹性成像 篇8

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2013年8月～2015年8月我院诊治的甲状腺癌患者62例,男性23例,女性39例,年龄18～70岁,平均48.36±12.48岁,病程2个月～1年,平均6.23±3.34年。

1.2 诊断方法

先采取常规超声诊断,使用二维灰阶进行诊断,扫查患者甲状腺部位及其周围组织,获得良好观察切面后根据患者甲状腺位置、大小、形态及深度等情况调整超声现象的聚焦区域、深度、范围及增益等,获得良好二维灰阶图像后增加彩色血流,观察与记录甲状腺内部及其周围组织血流情况。常规超声诊断后转换为超声弹性成像,将感兴趣区域扩大,范围大于甲状腺1.5倍,探头置于甲状腺部位进行轻微、上下、连续震动,压放指数3～4为良好诊断状态,对满意的弹性图像实行观察、记录与分级。与病理检查结果对比。

1.3 诊断标准

超声弹性成像诊断标准:甲状腺结节大部分区域示蓝色,伴有或不伴有红色,1分;结节中心呈蓝色,周围伴绿色,2分;绿色与蓝色比例相似,3分;结节内呈现大面积蓝色,有或无绿色,4分;结节与其周围同时示蓝色,5分;1～3分为良性,4～5分为恶性。常规超声诊断标准:结节边界模糊,血流丰富,呈不规则形态,可见微小钙化,可诊断为甲状腺癌。

1.4 统计方法

所有计量资料以均值加减标准差()表示,两组间均值比较采用独立样本t/t'检验,所有计数资料以频数(f)表示,无序分类资料采用χ2检验,采用SPSS16.0进行统计分析。α=0.05。

2 结果

经病理诊断,62例患者检出甲状腺结节84个,其中良性61个,恶性23个。常规超声+超声弹性成像检出甲状腺结节80个,其中良性58个,诊断符合率为95.08%(58/61);恶性22个,诊断符合率为95.65%(22/23)。常规超声检出甲状腺结节70个,其中良性51个,诊断符合率为83.61%(51/61);恶性17个,诊断符合率为73.91%(17/23)。常规超声+超声弹性成像良性与恶性结节诊断符合率均高于常规超声(P<0.05)。见表1。

注:与常规超声相比,①P<0.05

3讨论

常规超声是临床检查甲状腺癌的方法之一,具有较高的诊断准确性,但无法分析甲状腺硬度,不利于甲状腺良性与恶性病变诊断[3]。超声弹性成像检查方法能反映甲状腺组织的弹性,弥补常规超声检查的不足。经研究证实,超声弹性成像检查虽取得良好的甲状腺诊断效果,但诊断良恶性病变存在重叠现象,单独采用弹性成像检查影响诊断准确性。[4]目前临床推荐超声弹性成像与常规超声联合诊断甲状腺癌患者,从而提升甲状腺癌患者的诊断符合率。

本研究表明,参照病理诊断,常规超声+超声弹性成像良性结节诊断符合率为95.08%,恶性结节诊断符合率为95.65%;常规超声良性结节诊断符合率为83.61%,恶性诊断符合率为73.91%;两者良性与恶性结节诊断符合率比较有显著差异(P<0.05),与相关研究基本一致[5]。可见,甲状腺癌患者实施超声弹性成像与常规超声联合诊断的准确率更高,具有较高的诊断价值,可推广应用。

摘要：目的:探析甲状腺癌患者实施超声弹性成像与常规超声联合诊断的价值。方法:62例甲状腺癌患者先后采取常规超声诊断及超声弹性成像+常规超声诊断,比较两者甲状腺癌结节良性与恶性的诊断符合率。结果:常规超声+超声弹性成像良性与恶性结节诊断符合率均高于常规超声(P<0.05)。结论:甲状腺癌患者应用超声弹性成像与常规超声联合诊断较接近病理诊断结果,可推广应用。

关键词：甲状腺癌,超声弹性成像,常规超声,诊断

参考文献

[1]张敏灵,郭燕丽.常规超声联合超声弹性成像技术在甲状腺癌诊断中的应用价值[J].世界最新医学信息文摘,2015,1(66):124.

[2]佘颖,孙德胜,霍宏,等.常规超声联合超声弹性成像在诊断甲状腺占位性病变中的应用价值[J].海南医学院学报,2014,19(3):424-426.

[3]罗小芬.超声弹性成像在甲状腺癌诊断中的临床应用价值分析[J].大家健康(学术版),2013,28(17):70-71.

[4]赵向忠,赵文莉.超声弹性成像与常规超声联合应用在诊断乳腺肿块中的价值[J].吉林医学,2013,55(31):6468-6470.

超声组织弹性成像 篇9

关键词：乳腺良恶性结节,超声检查,弹性成像

UE技术是一种新型的超声诊断技术, 其以不同组织间弹性系数不同, 受到外力的压迫后组织变形程度不同为基础, 将组织受压前后的回声信号移动幅度变化转化为实施的彩色图像, 弹性系数大、受压后位移变化大的组织为蓝色, 弹性系数小、受压后位移变化小的组织为红色, 弹性系数中等的组织为绿色。弹性成像技术弥补了常规超声技术的不足, 拓宽了超声图像, 能够生动地显示出病变并进行定位[1]。UE技术目前主要用于乳腺、甲状腺、前列腺等小器官方面, 尤其是乳腺疾病方面的研究最为深入, 技术也最为成熟[2]。本研究则主要是对超声与UE诊断乳腺良恶性结节的临床价值进行探讨和分析, 现报告如下。

1 资料与方法

1. 1 一般资料选取2010 年9 月~2013 年8 月在本院接受手术治疗的98 例乳腺疾病患者作为研究对象, 年龄23~79 岁, 平均年龄 (48.2±12.0) 岁。结节数量共计183 个, 最小0.9 cm×0.9 cm, 最大4.1 cm×2.6 cm。

1. 2 检查方法检查使用的仪器为GE公司的Logiqe 9 彩超仪 ( 线阵探头, 频率为6~15 MHz) , 患者行平卧位, 选择仪器预设的乳腺条件, 依次进行二维、CDFI、UE检查。二维超声检查确定肿块大小、性质、边界、形态、内部回声、有无晕环、有无钙化等情况;CDFI检查乳腺和肿块内部血流情况;UE检查时对包括病灶和周围组织的感兴趣区域进行取样, 感兴趣区域范围应该为病灶的2 倍左右, 将探头垂直于病灶部位, 使用最微小振动, 防止发生位移, 探头压放5~10 min后根据显示屏上压力反馈标尺是否饱和来确定图像。二维和UE在探头加压时会同时呈现在屏幕的左右侧, 此时可以进行病灶硬度的鉴别。

1. 3 评分标准CDFI :0~Ⅰ级, 少流血, 以良性病变为主;Ⅱ~ Ⅲ级, 多流血。UE评分:弹性系数大、受压后位移变化大的组织为蓝色, 弹性系数小、受压后位移变化小的组织为红色, 弹性系数中等的组织为绿色。5 分, 病灶和周围组织均为蓝色;4 分, 病灶整体为蓝色, 或内部出现少量绿色;3分, 病灶范围内蓝色和绿色显示比例相近;2 分, 病灶中心为蓝色;1 分, 病灶大部分为绿色;≥ 4 分为恶性病变, ≤ 3分为良性病变。

1. 4 统计学方法采用SPSS20.0 统计学软件对研究数据进行统计分析。计数资料以率 (%) 表示, 采用χ2检验。P<0.05表示差异具有统计学意义。

2 结果

手术病理结果:183 个乳腺结节中, 良性结节为117 个, 其中纤维瘤62 个, 炎症7 个, 导管乳头状瘤48 个;恶性结节66 个, 其中腺癌11 个, 浸润性导管癌48 个, 髓样癌7 个。CDFI分级结果:117 个良性结节中90 个为0~Ⅰ级, 66 个恶性结节中51 个Ⅱ ~ Ⅲ级, CDFI诊断乳腺恶性肿瘤的敏感性为77.3%, 准确性为77.0%, 特异性为76.9%。UE评分结果:117 个良性结节中有102 个评分为1~3 分;66 个恶性结节中60 个评分为4~5 分, UE诊断乳腺恶性肿瘤的敏感性为90.9%, 准确性为88.5%, 特异性为87.2%。CFDI与UE敏感性、准确性和特异性比较差异具有统计学意义 (P<0.05) 。

3 讨论

UE的出现弥补了彩色多普勒超声检查的不足, 可以鉴别诊断出最大直径<10 mm的结节。乳腺弹性系数最大的为浸润性导管癌, 之后依次为非浸润性导管癌、乳腺纤维化、乳腺和脂肪组织。组织弹性系数越大, 其硬度越大, 受到压迫前后反射回的回波信号获取的不同深度位移量不同, 变形程度也不同, 从而表现出不同的颜色。弹性成像能够通过反映不同物体硬度的不同而鉴别和诊断结节的良恶性[3]。本研究中, 恶性结节有66 个, 其中UE技术发生漏诊6 个, 主要原因可能是:①结节病理征象。其中发生误诊的髓样癌在镜下可见大量的浆细胞和淋巴细胞浸润, 发生误诊的腺样囊性癌在镜下可见上皮细胞, 两种癌都可见密集的纤维增生以及大量癌细胞在纤维间质间的浸润生长, 髓样癌和腺样囊性癌的质地较为柔软, 从而导致其评分较低。②病灶的大小和面积。结节过大时 (>4 cm) 无法均匀受力, 弹性结果受到影响;而结节过小时 (<0.4 cm) 受力发生变形甚至消失, 从而降低了诊断的准确性。③感兴趣区域的范围。对较大结节设置的感兴趣区域范围< 病变的2~3 倍时, 弹性评分较低, 导致乳腺癌弹性成像图的面积是二维超声图像的2 倍。良性结节的误诊原因可能为:①病灶发生纤维化、钙化或坏死, 硬度增加, 尤其是恶性结节周围组织出现弥漫性病变, 导致弹性成像评分偏高。②部分结节内发生囊性变化, 内如有大量的液体, 无法反映实性结节的硬度, 导致其评分过高。③纤维瘤一般包膜完整、界限清晰、活动度大, 导致其受力不均, 影响图像质量[4]。

综上所述, UE在诊断乳腺良恶性结节方面具有重要的临床价值, 在使用其进行诊断时需要熟练掌握其原理和使用方式, 结合常规二维超声和CDFI检查做出综合的判断, 以提高其诊断的准确性。

参考文献

[1]郭峰.超声弹性成像在甲状腺良恶性结节鉴别诊断中的价值.吉林大学, 2011.

[2]刘芳, 肖萤.超声弹性成像鉴别良恶性甲状腺结节.中国医学影像技术, 2010, 26 (6) :1028-1030.

[3]李晶, 邱芳, 武云昊, 等.病灶深度对乳腺超声弹性成像的影响.中国介入影响与治疗学, 2012, 9 (1) :19-21.

超声组织弹性成像 篇10

【关键词】超声;弹性成像;乳腺;应变率;剪切波

【中图分类号】R655.8【文献标识码】A【文章编号】1044-5511（2011）11-0371-02

【Abstract】Ultrasonic elastography(UE) has a bright future in the diagnosis of breast diseases. The purpose of this article is to summarize the theory , scaning technique of UE and the clinical application of using this technique at early time and nowadays. The emphasis of this article is to introduce the new technique of the diagnostic performance of the strain ratio and shear wave elastography.

【Keyword】Ultrasound, Elastography, Breast,Strain ratio,Shear wave

近年來，乳腺疾病日益增多，尤其是乳腺癌，发病率有上升的趋势，在我国的一些大城市，已跃居女性恶性肿瘤的首位［1］。因此早期发现、早期诊断、早期治疗是提高乳腺恶性病变生存率的关键。超声检查如今已成为检查乳腺疾病最常规的影像学技术之一，超声弹性成像为乳腺肿瘤良恶性的诊断和鉴别诊断开辟了新天地，本文重点介绍新技术应变率和剪切力在乳腺肿块的运用情况。

1乳腺弹性成像原理

1991年Ophir等首次提出了弹性成像这个概念。弹性成像基本原理是对所关注的物质进行外界施压，由于各物质的弹性形变有所不同，则物质受外压后形态变化也不同。生物学基础是各组织间存在硬度的差异，原因为组织的分子结构的形式有所不同，从感官上来说就如触诊时，良性肿块的硬度、活动度与恶性的有着明显的区别，弹性成像技术就是运用一些参数，来反映组织间的这些差异。超声弹性成像是运用探头直接加压或特殊的探头发射超声波，然后接收压缩前后的回波信号，计算出受压后组织各点位移，利用自相关综合分析法算出各组织的不同弹性系数。最后把获得的数字信号以灰阶或彩色的方式编码成像，形成组织弹性力学的分布图。最初采用灰阶彩色图来定性分析弹性图像，该图像将较疏松的组织设定为明亮的区域，如脂肪组织；而较致密设定为较暗的区域的组织，如间质成分及恶性肿瘤。

2乳腺弹性成像最初临床运用

在乳腺疾病中，Itoh等［2］提出了弹性成像评分5分法。评判标准为：1分为受压后病灶整体变形，图像为整体的绿色，2分局部变形，呈现绿色和蓝色的马赛克状，3分边缘变形，图为中心蓝色，周边绿色，4分为未变形，为整体的蓝色，5分病灶及周边都未变形，整个及周边都为蓝色。国内罗葆明［3］等通过研究将4分以上定为恶性，3分以下定为良性，其诊断的敏感性为88.7%，特异性为96.3%，准确性为94.4%。5分法对乳腺癌的诊断较高，但仍存在一定的误诊率，原因是不同组织间弹性系数的重叠性，如髓样癌和粘液癌的诊断准确性较低，因所含纤维等成分少，实质成分多，质地较软，弹性评分相对较低，恶性病灶内部发生出血及坏死液化时也可导致弹性成像评分偏低，而良性病灶纤维增生、钙化或胶原化及玻璃样变时则导致弹性系数增大，另外施加外力过轻或过重，也影响病灶弹性的评判。

3弹性成像如今的进展

⑴ 应变率（strain ratio，SR），指形变发生的速度，是单位时间内的应变，也等于单位长度的速度差别变化。Gee等［4］提出应变图像能很好的显示组织硬度的定量信息。SD测量工具是附带的软件，有两种计算应变率的方法，一为整体应变率（ERS）：即病灶组织的整体弹性系数与正常腺体组织的比值，用于评价病灶质地的坚硬程度。另外一个是局部应变率（LSR）：即寻找病灶内最高组织弹性值-病灶内最低组织弹性值再与正常腺体组织弹性值相比，评价病灶组织质地的均匀程度。

SR测量是一种相对比较简便、客观的方法。据Zhi等研究表明SD能提供比5分法更多、更可靠的诊断信息，SD的ROC的曲线下面积是0.944，而5分法的ROC曲线下面积是0.885。目前国内主要的参考标准为智慧等［5］提出ESR以3.08为最佳临界点，其敏感性97.38%，特异性91.33%。应变率的方法将弹性成像技术参数量化，具有了客观性，避免了早期评分的主观性。

对于ESR和LSR的比较研究中，秦石成等［6］ESR以3.16为最佳临界点，LSR以31.15为最佳临界点，即所获得的弹性比率值≤3.16时认为良性病灶；>3.16时认为恶性病灶；LSR中≤31.15为良性，＞31.15为恶性，ESR的敏感度、特异度、准确率分别为88.33%、88.24%、88.28%，LSR的分别为96.67%、94.12%、95.17%。另外鲁媛媛等［7］的研究ESR采用3.48作为参考诊断比值时，其敏感度为85.7%，特异度为78.8%；LSR采用32.05作为参考诊断比值时，其敏感度为97.1%，特异度为81.8%。两个研究均显示，病灶局部弹性参考比值优于病灶整体弹性参考比值。由于恶性肿瘤易出现生长快速，血供不足时发生液化坏死，使得肿块内部成分丰富多样，当运用ESR时得出的应变率小于实际肿块本身的硬度，而运用LSE增加了组织局部硬度参数，能对病灶量化更加全面。

⑵ 剪切波弹性成像（shear wave elastography， SWE），A.P.Sarvazyan 等人于1996年提出，利用聚焦超声波束调制使生物粘弹性组织内产生声剪切波，组织随后发生形变，焦区外辐射力迅速衰减，剪切波局限于组织内部区域。剪切波运用于组织的弹性中，主要原理为已知组织的密度ρ后，只需测出剪切波的传播速度，就能算出组织的弹性组织的硬度，关系公式为E=3ρC2 。其中E表示弹性模量（即杨氏系数），根据胡克定律，在物体的弹性限度内，应力与应变成正比，也就是杨氏模量越大，组织的硬度就越大，因而可以根据杨氏系数来定量评价不同生物状态下的组织弹性。常规超声不能够测出剪切波的量，只能采用独特技术的探头和MultiwaveTM多波技术平台，该项技术由法国Supersonic Imagine 公司推出，也叫声脉冲辐射力成像技术。原因为剪切波是横波，传播速度很慢，而且量少，为了达到可测量组织的杨氏模量值，只能发射连续的单频振动脉冲波到体内，再在不同深度的组织内产生连续聚焦剪切波，并产生“马赫锥”现象，并且超声成像速度达到20000Hz/秒，才能够获得剪切波弹性成像，做出定量的判断，而该速度是传统成像速度的200倍。然后运用超快速成像系统记录剪切波，通过互相关算法定量剪切波引起斑点的运动速度，所以该技术不仅实现了声波下触诊，同时有了图像的实时性，是一种真正意义上的弹性量化技术。

国外报道Chang JM和传统超声比较：恶性肿瘤平均值为153.3±58.1kPa，良性为46.1±42.9kPa，其中浸润性导管癌为157.5±57.07 kPa、浸润性小叶癌169.5±61.06 kPa、导管内癌117.8±54.72 kPa、纤维瘤49.58±43.51 kPa、增生病变35.3±31.2 kPa、导管内乳头状瘤69.5±63.2 kPa、硬化性腺病149.5±132.4 kPa。在乳腺良性和恶性肿块组织弹性的绝对值有着明显的不同，SWE敏感性和特异性分别为88.8%、84.9%，ROC曲线下面积传统为0.898，SWE为0.932，表明了剪切波弹性成像优于传统超声检查。目前国内李俊来等提出，采用利用组织弹性的最大值、平均值和最小值进行组织定征，通过研究乳腺恶性病灶的平均弹性最大值、平均值及最小值分别为113.92±61.05kPa、55.68±31.65kPa及23.45±16.13kPa，良性为37.26±24.10 kPa、23.45±14.73 kPa、13.61±9.49 kPa，恶性与良性病灶弹性最大值、最小值和平均值比较均有显著性差异。检测也发现弹性值由大到小的顺序是浸润性导管癌 、腺癌 、 腺病伴纤维腺瘤形成或导管内乳头状瘤、纤维腺瘤、腺体、脂肪，不同组织的弹性模量存在差异，由此推测量化这些不同组织后可识别出组织成分。

它的主要优点是结合常规超声影像，检测特定区域组织的弹性硬度；解决生物弹性重构，且可近似统一不同生物组织的弹性重构方法；有了图像的实时性；采用的剪切波弹性成像图用彩色编码后叠加在二维灰阶图上，获取客观弹性数据，达到组织定征的目的；与以往的弹性成像相比，具有无需施压以及定量测量结果不受操作者影响、极佳的可重复性。

4 弹性成像的展望

超声弹性成像的运用有着广阔的前景，由当初的灰阶直观图像发展到如今的定量分析，超声弹性成像获得的信息由人为直观定性到借助组织物理指标定量，更加准确完善可靠，乳腺病灶与同水平腺体组织的应变率比值能够半定量的反映病灶的硬度，较常用的超声弹性成像评分法判断病灶良恶性更客观，剪切波弹性成像为生物弹性重构提供了很好的基础研究。都为判断乳腺病灶的良恶性提供新的检查指标，将大大提高早期乳腺癌的检出率，需要接受活检以确定良恶性的患者数也将大大减少，对临床早期发现病变有着重要的意义。虽然现有技术还需要进一步完善，不同组织内部的弹性系数重叠性这个问题无法由上诉技术避免，但无论如何弹性成像技术的不断发展弥补了传统超声的不足，并将不断被临床广泛使用。

參考文献

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