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超声弹性成像技术及应用进展

邵金华 1 白净 1 崔立刚 2，王金锐 2

(1清华大学医学院生物医学工程系， 北京 100084)
（2北京大学第三医院超声诊断科 北京 100083）
1 引言
生物组织的机械特性很大程度上依赖于组织的分子构成以及它们在微观、宏观上的组织
形式。不同于机械材料，生物组织的机械特性难以用精确的数学表达式描述，它不仅受生物
体的代谢状况影响，还同年龄，应变，应变率等条件相关。生物组织的众多机械特性参数中，
与“硬度”或”弹性”对应的是剪切模量或者杨氏模量，而其它参数如泊松比，体模量的变化
范围都比较小。在正常的组织中，不同的解剖结构之间会存在弹性差异。例如，在正常乳腺
中，纤维组织通常比乳腺组织硬，而乳腺组织反过来又比脂肪组织硬。绵羊肾脏的实验表明，
肾实质与肾髓质或者肾锥体的弹性系数差异大约为 6dB。不同组织模量的差别能达到几个数
量级之上。对于同一种组织，组织弹性系数的变化通常与其病理现象有关。某些正常组织与
病变组织之间，存在较大的弹性差异。例如，恶性的病理损害，例如乳腺硬癌、前列腺癌、
甲状腺癌及肝癌等，通常表现为硬的小结[1-2]。一些弥散性的疾病例如肝硬化也会使得肝组
织的弹性系数显著的增大。此外脂肪过多或者胶原质沉积也会改变组织的弹性系数。
生物组织的硬度能提供组织的重要信息，临床上，医生通常用触诊法获取这种信息。由
于简单和方便，触诊被广泛用在乳腺，甲状腺，及前列腺病变的筛选上，但是这种方法对尺
寸太小或者深度太大的病变将无能为力，同时触诊的结果依赖于医生的个人经验。由于现有
的医学成像方法，如超声，CT 及 MRI 等都无法提供组织的弹性信息，寻找一种新的，能够
提供组织弹性分布的成像方式具有重要的意义。
通常，我们将能够反映组织弹性特性的成像方式都称为弹性成像(Elasticity Imaging)。近
年来，这一技术发展迅速，已经成为超声成像领域的一个研究热点，并且已应用于临床。以
往的相关综述文献可以参见[3-7]。在弹性成像中，通常对成像组织施加一个机械激励，通过
测量组织对激励的相关响应，可以得到组织的弹性相关信息。机械激励可以是外界施加的静
态压缩，低频振动，声辐射力，也可以是人体固有的运动如：呼吸运动，心脏的收缩舒张及
血管的脉动。施加机械激励后，组织内部弹性的差异将会导致不同的响应(应变的差异，振
动幅度的差异，剪切波传播速度的差异等)。通过测量该响应，根据生物力学，弹性力学等
约束条件，就可能进一步估计得到组织定量的机械属性信息。
目前，弹性成像的分类并没有一个标准。根据测量组织响应的方法，可以分为超声弹性
成像，核磁弹性成像及光弹性成像；根据施加机械激励的类型，可以分为静态弹性成像或动
态弹性成像；根据估计的参数，可以分为应力，应变，及模量的弹性成像；也可以根据应用
不同来划分弹性成像，如乳腺弹性成像，血管弹性成像，心肌弹性成像等。本文主要介绍超
声弹性成像领域内最受关注的几种成像方法，包括他们的发展和应用情况。
2 超声弹性成像
静态/准静态弹性成像(Static/Quasi-static Elastography)
静态弹性成像是超声弹性成像领域被研究得最多的成像方法。该方法由 Ophir 教授于
1991 年首先提出[8]，之后国内外的许多研究人员对成像算法[9-12]，效果评估[13-16]，以及
临床应用[17-26]作了研究。静态弹性成像的基本原理是利用探头或者一个探头-挤压板装置，
沿着声束方向（轴向）缓慢压缩组织(通常在 1%左右)，分别采集组织压缩前、后的超声射
频信号，然后估计组织的位移分布，从而计算得到组织内部的轴向应变分布，如图 1 所示。
由于在一定的边界条件下，组织的应变分布同组织的弹性模量分布有很大的关联，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，因此应变分布很