超聲彈性成像在臨床上的應(yīng)用

孫晉紅　潘瑩　胡燕嫻　康濤　季芳　邵秀穩(wěn)　郭嘉杰　許廣寧

摘要：生物組織的硬度或彈性信息常與組織的病理改變相關(guān)，因此對(duì)疾病的診斷具有重要的參考作用。超聲彈性成像能定性或定量地測(cè)量組織內(nèi)彈性的分布，并以圖像或測(cè)量值的形式直觀地顯示，從而為區(qū)分正常和病變組織提供了一種新方法，具有廣泛的臨床應(yīng)用前景。綜述了超聲彈性成像的基本原理和分類以及其在肝臟、乳腺、甲狀腺等疾病中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：超聲彈性成像;應(yīng)變彈性成像;剪切波彈性成像;瞬時(shí)彈性成像

中圖分類號(hào)：R445.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.15913/j .cnki.kj ycx.2019.08.004

超聲成像作為主要的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)之一在臨床診斷中得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的超聲B-mode成像可以以二維或三維灰度圖像形式提供人體組織解剖結(jié)構(gòu)的信息，超聲多普勒技術(shù)以及造影成像則可以提供B-mode無法顯示的組織血流信息，這些信息給疾病診斷提供了必要的依據(jù)。然而，組織的力學(xué)特性等功能信息，特別是組織的硬度或彈性信息也與病變的組織病理密切相關(guān)，可作為疾病診斷的重要依據(jù)之一，比如乳腺腫瘤的硬度明顯不同于周邊的正常組織，肝臟處于不同病理階段的組織硬度也不同等。

觸診作為最早基于組織硬度進(jìn)行疾病診斷的技術(shù)已有幾千年的歷史，其診斷依據(jù)就是基于某些正常組織與病變組織之間存在較大的彈性差異。但局限性很明顯，其應(yīng)用受限于可觸及的器官，僅提供有限的疾病檢查能力和空間位置區(qū)分度，且依賴于醫(yī)生主觀判斷。

超聲彈性成像正是在這樣的需求下于近20多年來發(fā)展起來的一種新型的非侵入式超聲診斷技術(shù)。Ophir等于1991年最早提出“彈性成像”的概念[1]。從理論研究到現(xiàn)在已有可供臨床應(yīng)用的設(shè)備，彈性成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)超聲領(lǐng)域中得到了快速發(fā)展和廣泛關(guān)注。該技術(shù)以圖像形式呈現(xiàn)組織硬度的力學(xué)特性，克服了觸診的局限性，拓寬了醫(yī)學(xué)超聲技術(shù)領(lǐng)域，彌補(bǔ)了常規(guī)超聲的不足，給病變的定位和診斷提供了重要的參考價(jià)值。本文將介紹超聲彈性成像的基本原理和分類以及其在臨床應(yīng)用中的應(yīng)用。

1 超聲彈性成像的基本原理和分類

超聲彈性成像的基本原理是對(duì)組織施加一個(gè)內(nèi)部（包括自身的）或外部的動(dòng)態(tài)，靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)的激勵(lì)，在彈性力學(xué)、生物力學(xué)等物理規(guī)律作用下，組織將產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)，如位移、應(yīng)變、剪切波速度的分布隨不同組織而發(fā)生改變。利用超聲成像方法，結(jié)合信號(hào)處理、圖像處理技術(shù)，可以估計(jì)出組織內(nèi)部這些物理量的相應(yīng)情況，從而間接或直接反映組織內(nèi)部的彈性模量等力學(xué)屬性的差異[2-3]。

超聲彈性成像技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從定性到定量顯示彈性參量的過程，涌現(xiàn)出多種評(píng)估或測(cè)量組織彈性的方法。彈性成像方法結(jié)合了對(duì)組織的激勵(lì)方式和組織響應(yīng)的檢測(cè)方式，因此其分類可按照激勵(lì)方式和檢測(cè)方式來分。按激勵(lì)方式的時(shí)間特性可分為靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類方法。前者所施加的力緩慢變化，組織被緩慢壓縮，發(fā)生形變，內(nèi)部形成位移場(chǎng)，通過檢測(cè)引起的軸向位移，求解出彈性物理量，通常只顯示組織彈性的定性信息，如應(yīng)變值[1-4]。目前常用的靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)方法有應(yīng)變彈性成像和應(yīng)變率成像，應(yīng)變率成像（ strain-rate imaging，SRI）本質(zhì)上與應(yīng)變彈性成像相同[5];后者則是變化快速的沖擊或振動(dòng)，類似于靜態(tài)方法，動(dòng)態(tài)方法也要估計(jì)組織位移，但不同的是引起組織位移的力是動(dòng)態(tài)的，且力的施加方式以及估計(jì)位移后位移的處理方式隨不同方法而異，目前常用的動(dòng)態(tài)方法包括聲輻射力脈沖（ acousticradiation force impulse，ARFI）成像、瞬時(shí)彈性成像（transientelastography，TE）和剪切波彈性成像（shear-waveelastography.SWE）。聲輻射力脈沖成像技術(shù)是對(duì)由聲輻射力引起的組織位移直接成像[6]，瞬時(shí)彈性成像是利用機(jī)械振動(dòng)方式在組織內(nèi)產(chǎn)生剪切波，測(cè)量剪切波速度并顯示成彈性模量的一種定量方法[7]。而早期的剪切波彈性成像是只給出在一個(gè)位置處剪切波速度的測(cè)量值而非多個(gè)位置處的值形成的彈性圖像，稱為點(diǎn)式剪切波彈性（ point SWE）或ARFI定量技術(shù)[8]，其概念形成了后期剪切波彈性成像（ SWE）的基礎(chǔ)。一個(gè)重要的應(yīng)用也是彌漫性肝病的診斷。相比TE，由于它采用ARFI方式，穿透力更強(qiáng)，且測(cè)量時(shí)有超聲B圖像的引導(dǎo)。剪切波彈性成像（ SWE）是在所選定ROI區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生二維或三維的剪切波速度定量圖像[9]。

2 超聲彈性成像的臨床應(yīng)用

隨著超聲彈性成像技術(shù)的產(chǎn)品化，超聲彈性成像目前已應(yīng)用于肝臟、乳腺、甲狀腺、前列腺等多種器官的疾病診斷中。由于它對(duì)組織病變過程中的硬度變化具有高敏感性，有望在腫瘤的良惡性診斷中發(fā)揮重要作用，并與普通B-mode、彩色多普勒等互補(bǔ)，提供豐富的診斷信息。

2.1 超聲彈性成像在肝臟疾病中的應(yīng)用

很多慢性肝病會(huì)導(dǎo)致肝硬化，纖維化是慢性肝病的重要病理變化。及時(shí)、準(zhǔn)確的肝纖維化診斷評(píng)估對(duì)于肝硬化的提前控制、治療至關(guān)重要。肝活檢被認(rèn)為是肝纖維化評(píng)估和分期的金標(biāo)準(zhǔn)，但它是有創(chuàng)的，容易漏檢并可能帶來并發(fā)癥。大量的研究證據(jù)表明，通過無創(chuàng)的超聲彈性成像可檢測(cè)和定量評(píng)價(jià)肝纖維化和肝硬化程度。

TE是第一個(gè)也是研究最多的應(yīng)用于肝的超聲彈性技術(shù)。研究顯示TE能夠區(qū)分輕微纖維化、嚴(yán)重纖維化和肝硬化，對(duì)于提前預(yù)防或治療有重要意義。相關(guān)的肝纖維化分期的截止閾值等臨床統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)被報(bào)道[10-11]。在慢性丙型肝炎病人中，肝硬度值高于6.8 - 7.6 kPa，預(yù)示高概率的明顯纖維化（F≥2），而預(yù)測(cè)肝硬化（F-4）的截止閾值在11.0 -13.6 kPa間。慢性丙型肝炎中TE的使用已得到歐洲肝臟研究協(xié)會(huì)的推薦。對(duì)其他慢性肝病中纖維化程度的診斷，TE也給出了有意義的結(jié)果。ARFI剪切波速度定量也已應(yīng)用于慢性肝病的診斷，并報(bào)道了截止閾值、AUROC等統(tǒng)計(jì)值，對(duì)肝纖維化評(píng)估的準(zhǔn)確度類似于TE[12]。二維SWE也用于慢性肝炎病人肝纖維化嚴(yán)重程度的研究，并且顯示纖維化各階段的AUROC值比TE的更好[13]。對(duì)于應(yīng)變彈性成像及半定量的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于肝臟的研究證據(jù)仍較為有限。另外，也有相關(guān)結(jié)果報(bào)道使用超聲彈性成像來區(qū)分肝結(jié)節(jié)或腫塊的良惡性，但是在臨床使用中推薦之前還需要更多的研究證據(jù)來支持。國(guó)內(nèi)也做了大量的相關(guān)研究，基本肯定彈性成像對(duì)肝纖維化等肝臟疾病診斷的價(jià)值[14-15]。

2.2 超聲彈性成像在乳腺疾病中的應(yīng)用

在乳腺中，彈性成像已應(yīng)用于病灶性疾病診斷。大部分乳腺癌相比于正常乳腺組織和良性結(jié)節(jié)有高的硬度。正常組織的彈性模量一般位于1 - 70 kPa，而乳腺癌的彈性模量位于15 - 500 kPa。

應(yīng)變彈性成像用于腫瘤良惡性診斷一般采用5分評(píng)價(jià)打分準(zhǔn)則。對(duì)于區(qū)分腫塊良性、惡性的最佳截止點(diǎn)認(rèn)為是在3-4分的邊界上。研究顯示在B-mode圖像評(píng)估中加入彈性成像提供的信息可提高BI-RADS分類的準(zhǔn)確性[16]。Schaefer等人發(fā)現(xiàn)敏感度是96.9%，特異性是76%，并建議應(yīng)變彈性可用作B-mode打分的一個(gè)補(bǔ)充，因?yàn)榇嬖谥贁?shù)軟的惡性腫瘤[17]。使用病灶與正常組織的應(yīng)變比值可能比超聲B-mode及鉬靶有更高的敏感性和特異性[18]。一個(gè)重要的特征是惡性腫瘤在應(yīng)變圖像上的尺寸比在B-mode上的更大，而彈性的尺寸與腫瘤的實(shí)際尺寸更吻合，可能因?yàn)槟[瘤的局部浸潤(rùn)在B-mode上并不總是可見的。

在二維SWE應(yīng)用于乳腺診斷中，惡性腫瘤相比良性腫瘤大部分表現(xiàn)為硬且異質(zhì)性更高，而且通常高的硬度在腫塊的邊緣或外圍表現(xiàn)最顯著。有研究報(bào)道2D SWE對(duì)乳腺腫塊分類的影響，相比傳統(tǒng)超聲，提高了診斷的特異性而沒有損失敏感性，并給出了最大剪切波速度的截止值建議[19]。對(duì)BI-RADS 3和4a分類的特異性提高有助于是否需要做活檢的準(zhǔn)確診斷。2D SWE的結(jié)果被顯示具有高的可重復(fù)性。當(dāng)BI-RADS 3乳腺結(jié)節(jié)的2D SWE的結(jié)果是良性，特別是當(dāng)最大彈性值低于20 kPa，暗示可減少不必要的短期隨訪。

國(guó)內(nèi)也做了大量相關(guān)研究[20-21]。金秀紅等顯示超聲彈性成像鑒別乳腺良性腫塊與乳腺癌的靈敏度高達(dá)95.96%，具有較高準(zhǔn)確度，可輔助診斷乳腺疾病[20]。

2.3 超聲彈性成像在甲狀腺疾病中的應(yīng)用

傳統(tǒng)超聲常用于甲狀腺結(jié)節(jié)的診斷，但有些惡性腫瘤不易于與常見的良性結(jié)節(jié)區(qū)分。而彈性成像提供組織硬度信息作為補(bǔ)充，有助于甲狀腺疾病的診斷。應(yīng)變彈性成像可使用5分評(píng)價(jià)打分或病灶與鄰近正常組織的應(yīng)變比來進(jìn)行良惡性病灶的區(qū)分。利用應(yīng)變比的診斷準(zhǔn)確性可能比彈性打分要更高一些。一些研究顯示彈性成像對(duì)惡性甲狀腺結(jié)節(jié)的診斷敏感性和特異性要高于傳統(tǒng)超聲[22]。但也有研究報(bào)道應(yīng)變彈性成像對(duì)于B-mode不具有更多的診斷價(jià)值。大部分被彈性成像錯(cuò)誤判斷的惡性結(jié)節(jié)可能是較軟的濾泡性腫瘤。使用2DSWE，在惡性結(jié)節(jié)中的剪切波速度比良性的更高[23]。另外，有研究對(duì)pSWE與應(yīng)變彈性的結(jié)果進(jìn)行了比較，兩種彈性方法都發(fā)現(xiàn)甲狀腺惡性病變比良性的明顯更硬，而且二者的診斷準(zhǔn)確性沒有表現(xiàn)出明顯的統(tǒng)計(jì)差異[24]。

國(guó)內(nèi)也有研究認(rèn)為超聲彈性成像應(yīng)變比值法結(jié)合5分評(píng)分法在甲狀腺良惡性結(jié)節(jié)的鑒別診斷中具有良好的應(yīng)用價(jià)值，綜合常規(guī)超聲的表現(xiàn)有助于增強(qiáng)診斷者的信心[25-26]。

2.4 超聲彈性在其他疾病診斷中的應(yīng)用

應(yīng)變和剪切波彈性成像可實(shí)現(xiàn)于具備經(jīng)直腸探頭的超聲系統(tǒng)中，用于前列腺疾病的診斷。前列腺中的低回聲且硬的病變是疑似惡性的。應(yīng)變彈性成像需要用經(jīng)直腸探頭輕微按壓，并測(cè)量病變和相鄰正常組織之間的應(yīng)變比。大多數(shù)研究報(bào)道了應(yīng)變彈性成像對(duì)前列腺癌癥診斷識(shí)別有明顯的提高[27]。基于其對(duì)病變區(qū)域的識(shí)別能力，有研究使用實(shí)時(shí)應(yīng)變彈性成像用于靶向活檢時(shí)的導(dǎo)引[28]。但也有相反的結(jié)果報(bào)道，如對(duì)前列腺癌和慢性前列腺炎難以區(qū)分。不同于應(yīng)變彈性，SWE不需要用探頭對(duì)組織按壓。在年輕健康的人體中，整個(gè)前列腺具有均勻的軟的圖像表現(xiàn)，即SWE給出低的硬度值。對(duì)于良性前列腺增生，外圍區(qū)域仍然是軟和均勻的，而中心區(qū)和過渡區(qū)變得硬且不均勻，特別是存在鈣化時(shí)。典型良性的外圍病變與周圍正常組織一樣軟，但惡性腫瘤更硬。相關(guān)研究給出了2D SWE用于前列腺惡性病變?cè)\斷的硬度截止閾值（35 - 37 kPa），顯示了較高的特異性[29]。另外，計(jì)算病變區(qū)域與鄰近周圍腺體的SWE硬度比值可能提供更具有鑒別性的信息。國(guó)內(nèi)也有相關(guān)研究證實(shí)超聲彈性成像對(duì)前列腺良惡性病變的診斷具有較好的敏感性和特異性，有助于病變性質(zhì)的判斷，以及在經(jīng)直腸超聲彈性成像引導(dǎo)下靶向穿刺可提高活檢準(zhǔn)確率[30-31]。

除上述臨床應(yīng)用之外，也有研究報(bào)道了超聲彈性成像在其他臨床場(chǎng)景中的應(yīng)用，如婦科、肌骨、血管以及胃腸壁、淋巴結(jié)、胰腺等內(nèi)窺式超聲應(yīng)用[32-33]。

3 結(jié)論

作為一種新的超聲成像模式，超聲彈性成像提供了組織的硬度或彈性信息，彌補(bǔ)了常規(guī)超聲的不足，為疾病診斷提供了新的方法。許多研究結(jié)果已經(jīng)證實(shí)了超聲彈性成像在肝臟、乳腺、甲狀腺、前列腺等多種疾病診斷中的有效性和重要的參考價(jià)值。隨著技術(shù)的進(jìn)步和研究的深入，它必將突破其現(xiàn)有的局限性，在臨床應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] Ophir J，Cespedes I，Ponnekanti H， et al.Elastography：A quantitative method for imaging the elasticity ofbiological tissues[J].Ultrasonic Imaging， 1991， 13（2）：111-134.

[2]羅建文，白凈.超聲彈性成像的研究進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息，2005，11 （5）.

[3]郝軼，柳莉莎.超聲彈性成像技術(shù)及其臨床應(yīng)用[J].醫(yī)學(xué)綜述，2010，16 （3）： 453-455.

[4] O' Donnell M， Skovoroda AR， Shapo B M， et al.lntemaldisplacement and strainlmagmg using ultrasonic speckletracking[J].IEEE Transaction on Ultrason FerroelectrFreq Control， 2002， 41（3）：314-325.

[5] SutherlandG R， StewartM J，Groundstroem KW， etal.Color Doppler myocardial imaging：a new technique forthe assessment of myocardial function[J].J Am SocEchocardiogr，1994（7）：441-458.

[6] Palmeri M L， Nigtingale KR.Acoustic radiationforce-based elasticity imaging methods[J].InterfaceFocus， 2011（1）： 553-564.

[7] SandrinL，TanterM，GennissonJL，et al.Shear elasticityprobe for soft tissues with l-D transient elastography[J] .IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control， 2002（49）：436-446.

[8] Nightingale K， Palmeri M， Trahey G.Analysis of contrastinlmages generated with transient acoustic radiation force[J] .Ultrasound Med Biol， 2006（ 32）：61-72.

[9] BercoffJ，Tanter M，

Fink M.Supersonic shear imaging：a new technique for soft tissue elasticity mapping[J].IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control， 2004（51）：396-409.

[10]Friedrich-Rust M，Ong M F，Martens S，et al.Performanceof transient elastography for the staging of liver fibrosis：ameta-analysis[J].Gastroenterology， 2008（ 134）： 960-974.

[11]Tsochatzis E A，Gurusamy K S，Ntaoula S，etal.Elastography for the diagnosis of severity of fibrosis inchronic liver disease： a meta-analysis of diagnosticaccuracy[J].J Hepatol， 2007（ 54）：650-659.

[12] Friedrich-Rust M，Wunder K， Kriener S，et al.Liverfibrosis in viral hepatitis： noninvasive assessment withacoustic radiation force impulse imagmg versus transientelastography[J].Radiology， 2009（ 252）：595-604.

[13] Bavu E， Gennisson J L， Couade M， et al.Noninvasive invivo liver fibrosis evaluation usrng supersonic shearimaging：a clinical study on 113 hepatitis C virus patients[J] .Ultrasound Med Biol， 2011（ 37）：1361-1373.

[14]朱玲斐，馬蘇亞，鄒桂蘭，等.實(shí)時(shí)組織超聲彈性成像及瞬時(shí)彈性成像相關(guān)參數(shù)在評(píng)價(jià)慢性乙型肝炎肝纖維化的應(yīng)用價(jià)值[J].中華醫(yī)院感染學(xué)雜志，2018， 28（ 16）：43-46.

[15]陸艷萍，韓煒，肖小琴.二維超聲成像與超聲彈性成像在鑒別肝臟良惡性病變中的應(yīng)用價(jià)值[J].中國(guó)肝臟病雜志（電子版），2017 （1）.

[16] Hatzung G，Grunwald S，Zygmunt M，et al.Sonoelastography in the diagnosis of malignant andbenign breast lesions ： initial clinical experiences[J] .Ultraschall in Med，

2010（ 31）：596-603.

[17]SchaeferF K， HeerI， SchaeferP J，et al.Breast ultrasoundelastography results of 193 breast lesions in a prospectivestudy with histopathologic correlation[J].Eur J Radiol，2011（ 77）：450-456.

[18]Fischer T，Peisker U，F(xiàn)iedor S，et al.Significantdifferentiation of focal breast lesions： raw data-basedcalculation of strain ratio[J].Ultraschall in Med， 2012（ 33）：372-379.

[19] BergW A， CosgroveD 0， DoreC J，et al.Shear-waveelastography improves the specificity of breast US： theBEI multinational study of 939 masses[J].Radiology，2012（ 262）：435-449.