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何为弹性成像?
这是一个超声成像术语,顾名思义这种成像模式旨在评估组织的弹性大小,供给更全面的疾病信息。弹性是物质的一种固有属性,同密度、硬度、温度等相同,反响物质的一个特征。平常生活中人们大概评估物质的弹性主要看给一种物质施压外压后物质的形变大小,比方海绵与金属:施加大体相同的压力后海绵发生巨大的形变,人们以为它是软的;而金属受压后无明显的变化,人们以为它是硬的。物质的硬度越大,其弹性越小;硬度越小,弹性越大。
为什么要丈量物质的弹性?
正常组织中不一样的解剖结构之间会存在弹性差异。比方,在正常乳腺中,纤维组织平常比乳腺腺体组织硬,而乳腺腺体组织又比脂肪组织硬。绵羊肾脏的肾实质与肾髓质也许肾锥体的弹
性系数差异大体为6dB。不一样组织弹性模量的差异能达到几个数目级之上(如表1)。
软组织种类杨氏模量E(KPa)密度ρ(kg/L)
正常脂肪18-24
正常腺体28-66
乳腺
纤维组织96-244
恶性肿瘤
22-560
1000+/-8
正常前叶55-63
前列腺正常后叶62-71
前列腺增生36-41
恶性肿瘤96-241
-6
肝脏
肝纤维化15-100
表1人体不一样组织的弹性值
传统的超声成像中,不一样组织的回声强度差异大小主要取决于组织的声阻抗,而其弹性系数差异却远较声阻抗差大(如表2)。
介质种类密度(g/cm3)声阻抗率(106Ns/m3)
水
软组织
表2不一样人体组织及介质的声阻抗及密度
这决定了超声弹性成像对不一样组织、同一组织的不一样病理状态的分辨力较传统超声成像灰阶图高。换言之,同一组织中弹性的变化平常与其病理现象相关,正常组织与病变组织之间
存在巨大的弹性差异。比方,恶性的病理伤害,比方乳腺硬癌、前列腺癌、甲状腺癌及肝癌等,平常表现为硬的小结节。越硬的物质遇到外压时应变越小,硬度可反响物质的弹性大小。一些弥散性的疾病比方肝硬化也会使得肝组织的硬度显着增大。
其余脂肪过多也许胶原质堆积也会改变组织的硬度。
什么是物质弹性的基本参数?
杨氏模量(E),亦称弹性模量/弹性系数。工程物理学上评估机械资料弹性大小的基本包含杨氏模量、刚性指数等,其实反
映的都是物质的弹性。杨氏模量,1807年由英国科学家young
thomas提出,反响物质弹性与硬度的基本参数,单位为Kpa。
此弹性模量(杨氏模量)与人们平常生活中提到的弹性(好/不好)不一样,超声弹性成像顶用到的杨氏模量值与硬度呈正比。即物质越硬,物质受压时产生的形变越小,弹性模量(杨氏模量)值越大。如海绵与金属,施加同一大小的外力,海绵形变大而杨氏模量小,金属形变小而杨氏模量大。
怎么计算杨氏模量?
目前的几种超声弹性成像模式中应用的计算公式主要包含2种:
E=S/e
(E为应变大小,间接反响弹性系数;S为外加压力;e为物质
受压后形变的大小。主要应用于静态型弹性成像以及定性型
ARFI)
E=3ρCs2(E为弹性模量绝对值大小;ρ为组织密度;Cs
为人体组织内剪切波的流传速度。主要应用于一维瞬时剪
切波成像、点式剪切波速度丈量法以及2D-剪切波弹性成像)
以上提到剪切波,那么什么是剪切波,它有哪些特色呢?
剪切波是一种对人体施加必定机械扰动后组织层面间产生的粘弹滑动力流传的横波(即波流传的方向与质点震动的方向垂直),属于机械波的一种,在液体及真空中不流传。而剪切波又是一种极为轻微、振幅与流传距离(数个毫米)都极短的
波,流传速度较慢(1-10m/s)且在组织中流传时间极短(10-
20ms即衰减消逝)。越硬的介质中剪切波的流传速度越快。依据公式2,测得剪切波的流传速度即可计算出局部组织的杨氏模量。可是剪切波的独到特征使得捕获并获取其流传参数极为困难。
实质上,人体几乎全部的脏器和组织密度均较为周边(如
1),传统超声纵波在人体组织流传的速度也较为近似(约
1540m/s);而不一样人体组织的杨氏模量差却十分巨大,同一组织中软硬不一样的地域剪切波(依赖组织层面间的剪切滑动力流传)的传导速度亦是数倍甚至数百倍的差异。真切的剪切波弹性成像从基本源理上是完整独立于传统超声成像的其余一种成像模式,科学、客观的反响人体组织的弹性。
超声弹性成像的发展历程及基安分类
超声弹性成像最初于1990年左右出现,发展到现在已有20余年的历史,经历了静态应力型弹性成像、一维瞬时剪切波成像
与单点剪切波速度丈量,到近来应用的2D-剪切波弹性成像。2013年由欧洲超声生物学与医学委员会(EFSUMB)第一版的《超
声弹性成像分类及应用指南》(EFSUMBGuidelinesandRecommendationsontheClinicalUseofUltrasoundElastography)中
对目前的几种超声弹性成像模式从原理、应用步骤、临床应用
价值、各种技术的优弊端等方面做了较为详细的介绍,依据成
像原理的不一样大体分为3大类:初期传统的静态型弹性成像、剪
切波速度丈量法及2D-及时剪切波弹性成像(SWE,shearwaveelastography)。
不一样的弹性成像模式原理及应用终归有何不一样
呢?
静态型弹性成像用于评估人体组织弹性大小是基于物
质受压后产生形变大小不一样的原理,评估的是受压物质的应变
(strain)及应变率(strainratio),主要包含:应变为像
strainelasto-graphy,SE)以及应变率成像(strain-rateimaging,
SRI),代表技术产品有hitachi、toshiba等推出的彩色应变弹性
成像(彩色的外压受力后形成的彩色应变图),而定性型ARFI
qualitativeacousticridiationalforceimpulse
imaging,即VTI技术,灰阶型应变图)亦归属于这种弹性成像
范围。这种半定性的弹性成像技术计算物质受压后的形变:E=
S/e(E为应变大小,S为外加压力,e为物质受压后形变的大小)。
其基本源理:利用外力沿着声束方向(轴向)缓慢压缩组织(平常
1%左右),分别采集组织压缩前、后的超声射频信号,而后预计组织的位移分布,从而计算获取组织内部的轴向应变分布。假设要观察的组织横向界限无明显变化的条件下,组织受压后纵向应变分布同组织的弹性模量分布有很大的关系,弹性模量小(硬度小)的部位将比弹性模量大(硬度大)的部位有更大的应变,因
此应变分布必定程度上可以代表硬度分布。这种技术的外
力成因又分为:手动外力式、生理助力式、机械振动式
(如图1)。可是这几种外力形成模式中施压外力的大小都不行知,从而这种弹性成像技术最大的短处在于重复性
不好,人为依赖性过大。其余,这种技术存在一些共同的缺点:,离外力施压源越远的组织遇到的压力越小形变也越小,所以,
图1
几种静态应变弹性成像的应力本源
跟着深度的增添静态应变弹性成像的正确度降落;
组织深度上,病灶越大受力也越大,因此病灶大小对静态
应力弹性成像的正确性影响也越大;
色编码图供给占位整体的形变信息,以致占位病灶内部软硬度分布缺失;,在患者脏器存在洋溢性病变(如肝硬化、桥本氏甲状腺炎、结节性甲状腺肿等)的状况下,弹性成像本底硬度增添,占位病灶的硬度可能与本底相同
也许比本底要软,此时极易以致恶性肿瘤的漏诊及误诊;这种应变弹性成像没法供给正确的弹性模量值。
e.
图2
静态型弹性成像示例图
此后研发的基于剪切波速度丈量的弹性技术都致力于对人体组织的弹性模量进行定量。基于剪切波的几种弹性成像模式都应用同一个弹性模量计算公式:E=3ρCs2(E为
弹性模量值大小,ρ为组织密度,Cs为人体组织内剪切波的流传速度)。
依照欧超联2013发布的超声弹性成像技术分类及应用指
南:基于剪切波的弹性技术发展经过了2个阶段。最初产生
的剪切波速度测值法,是继静态应力型弹性成像后一个较大的打破,初步做到了单点的弹性模量值定量丈量。
两种代表技术为:TE(transientelasto-graphy,瞬时
剪切波成像)和定量型ARFI(ARFIquantification,定
量型声辐射力脉冲成像,欧超联弹性指南中称其为单点式
剪切波弹性成像;另一种名称为ARFI-VTQ,acoustic
radiationforceimpulse-virtualtouchtissue
quantification)。
图3TE技术应用示例图
TE技术的基本源理是在体表施压一个低频机械扰动产生垂直于体表流传的剪切波,经过超声检测组织内部的剪
切波的振幅,相位及波速等参数来获取其机械属性相关信息。
目前主要应用于慢性肝病患者肝纤维化分期诊疗(如图3)。作为第一个可以定量供给人体组织弹性模量值的技术,它
在传得病领域内遇到了医生的很广泛的认同与应用,对肝炎患者初期肝纤维化的发现与分期诊疗以提前期干预逆转肝纤维化作出了很重要的贡献。可是它只好供给剪切波的
机械信号,无通用超声图像,不过简单的测值,在临床中应用相当有限,目前只应用到肝脏,其余器官均不适用。
其余人们也发现了TE技术的其余众多弊端:
剪切波均匀速度值,丈量深度不定,重复性不好,所以每
次丈量需重复10次取均匀值,操作时间长;
的机械扰动体感明显,部分患者不易接受;
月左右需更换,严重降低整体机器的性价比;
发产生的剪切波垂直人体体表向深部流传,而剪切波液体中不流传,所以后期伴腹水的失代偿期肝硬化患者不可以应用;。
定量型ARFI问世有3年余的时间,目前应用于临床医学科研领域引起了许多医者的关注。
图4定量型AFRI成像技术的成像原理
基本源理是利用不一样角度的声束聚焦到人体组织激发组织产平生行于体表扩散的剪切波,计算激发点旁的数毫米(固定的取样框)距离内剪切波流传的均匀速度(如图
4)。它可以应用于肝脏和小器官,利用增添声束聚焦点声能来激发组织自觉产生剪切波(增添剪切波的振幅与流传距离),丈量剪切波经过固定取样框两端之间的速度均匀
值,得出取样框内组织杨氏模量的均匀值(如图5),初步做到了有对于TE更为完美(可定位)的单点式剪切波速度
丈量。因为不依赖于外力,剪切波在人体组织中流传的速
度与组织的硬度关系亲近(声能、温度等要素的影响可以
忽视不计),ARFI-VTQ技术有效闪避了传统静态弹性成像
外力不行定的弊端。
图5点式剪切波速度丈量法示例图
可是这种技术推出3年来在临床中的应用相当有限:,一次聚焦后局部探
头晶体过热因此需要3-8s冷却时间方可进行下次聚焦,从而做不到及时的丈量;
重复性及成功率欠佳,常需进行3次以上的丈量取均匀值应用,因此完成整个检查耗时较长,没法作为老例检查应用
于临床;,其应用于临床及科研对病人的伤害
程度亦很有争议,到现在ARFI-VTQ技术未经过FDA认证;d.
应用于肝硬度丈量时,定量型AFRI技术只可供给剪切波的
流传速度值,没法直接供给弹性模量值;
技术的机器供给弹性模量值,但量程最大达到30Kpa,硬度超出30Kpa的组织没法丈量,这与其超声成像采集帧频有限
及后台信号采集办理平台不行熟都相关系。
SWE(及时剪切波弹性成像技术)在欧超联弹
性技术分类指南中被分类命名为2D-剪切波弹性成像。这项技术由超声科学界巨人Jaque先生(数字化波束形成器、超9HDI的发明人,带领人类进入数字化超声诊疗时代)及
其主要合作伙伴claude先生(phlipeiu22的研发团队领导人)带领的科研团队研发而成,它超越超声弹性成像上的
几大技术瓶颈,是目前最为成熟、应用最为广泛的超声弹性成像技术,遇到了欧洲、美国、日本及中国广大医者的认同。
它的成像原理主要包含剪切波的产生、剪切波的捕获、信息的采集及计算。众所周知,剪切波流传距离极短、极
易衰减,很难捕获。要形成一幅4-6cm的剪切波弹性图像,
第一一定能产生足够多且可探及的剪切波(最少覆盖4-6cm长的取样框):
在人体组织形成单个剪切波源,此波源快速垂直向人体组织深部挪动从而形成一列挪动的波源,每个波源产生的剪切波在横向流传时相遇时发生波的相关加强效应,剪切波
流传距离及振幅明显增添(如图6,即马赫圆锥效应),从而以较小的、在安全范围内的声能产生足够多足够强盛的剪切波;
图6单列挪动的剪切波源
探头序次激发多列(由探头左—右摆列)快速挪动的波源;(即SWE取样框,长3-6cm)。再接着利用法国声
科影像(SSI,supersonicimagine)的特有专利技术——极速超声成像技术(高达20000Hz的图像采集帧频)以及软硬件复合信号办理平台快速计算取样框内每个质点的剪切波传导速度并即时表现弹性模量绝对值的彩色编码图(如
7)。
7SWE成像原理及步骤表示图
这种弹性成像技术结合传统二维成像及时观察人体组织的弹性值(如图8),全面反响一个占位病灶(周边、中央、边沿)内不一样地域的弹性值,更敏感、更特异的辅助临床鉴别诊疗,客观间接反响组织不一样的病理状态。
图8SWE成像示例图
SWE技术不依赖外力产生剪切波、做到了安全有效正确
且重复性好的剪切波弹性成像,于2009年经过FDA认证。在欧美及日本的超声医学界应用相当广泛,特别是初期肝纤维化的分期诊疗以及肿瘤的鉴别诊疗、肌骨系统疾病诊疗
等。大量的国内外临床研究考据了其在肝纤维化分期诊疗
的应用中比TE技术改正确、重复性更好,且大大减少病患
的检查时长。欧美多中心乳腺SWE研究收纳了上千个乳腺病
例,充分考据了SWE对乳腺肿瘤的鉴别诊疗价值,并将SWE成像与传统二维超声成像系统结合,供给了崭新的乳腺超
声分级诊疗系统:传统BI-RADS分级基础上结合SWE成像校订,明显的提升乳腺肿瘤诊疗的特异性,减少不用要的穿
刺活检,减少漏诊。它还供给3D-SWE成像应用于肿瘤术前定位、新辅助放化疗的疗效监测方面。在肿瘤的鉴别诊疗
方面,甲状腺、乳腺、肝脏等占位的鉴别诊疗、SWE指引下介入穿刺、肝肿瘤RFA治疗疗效的监测、乳腺与前列腺化疗的疗效监测等方面,SWE给临床供给了莫大的帮助,有人称
之为继B型超声、C型超声及D型超声以来革命性的E型超声。
其更广阔的临床应用还在开发中,目前在中国各大疾病诊
疗中心中都遇到了广泛的认同与应用,来自于中国的SWE科研文章愈来愈多登上了欧美几大影像诊疗杂志,如
Radiology、Hepatology等。
超声弹性成像发展20余年来,SWE给众多病患及超声医学界交上了一个满意的答卷,作为一种完整独立存在、人
为依赖性极低的成像模式,在临床中已作为一种老例的检查方法在应用。在妇科、血管、手外科的应用目前还在科研阶段,期望它能在更大的领域给我们供给帮助与指导。