第五节 超声弹性成像
一、超声弹性成像的原理
人体组织的硬度（hardness）改变能提供组织病理改变的重要信息，手触诊是感知组织硬度的传统方法。组织硬度与其弹性（elasticity）特征直接相关。其物理基础是对组织施加一个机械激励（如外力施压、低频振动，声辐射力等），利用超声检测组织对激励的相关响应（位移、应变、应变率、剪切波速等），获得组织的弹性相关信息。
组织弹性特征用弹性模量（modulus of elasticity，E）表征，包括杨氏模量（Young’s modulus）和剪切模量（shear modulus），都反应外力（应力，stress）使组织发生变形（应变，strain）的难易程度。其相关的主要理论基础有两个：
（1）施加外力，检测应变，根据胡克定律（Hooke law）评估E：
（20）
（21）
式中，f=应力；ε=应变；L0=初长度；L1=受力后长度；ΔL=L1-L0。
（2）施加剪切应力后，检测剪切波传播速度（c），依据杨氏模量或剪切模量（G）与c的关系评估E：
（22）
式中，V=人体软组织的泊松比（≈0.5），ρ=组织密度（≈1），因而对均匀的各相同性组织：
（23）
由公式可见，只要知道剪切波在组织内的传播速度，就可以计算出组织的杨氏模量。
通常将基于公式（21）的方法称为应变弹性成像（strain elastography，SE）或静态/准静态弹性成像（static/quasi-static elastography）；基于公式（22）的方法称为剪切波弹性成像（shear wave elastography，SWE），或动态弹性成像（static elastography）。不论哪种方法，都需要引入机械激励并用超声监测，由此引发的组织反应，并显示出不同组织对应力反应的差别，即弹性模量（硬度）的差别这一重要信息。
图1-5-1 应变弹性成像原理示意图
弹性体在应力的作用下发生形变（ΔL）。软的物体应变大，硬的物体应变小。用超声检测信号捕获物体受力后的边界变化，并与初始状态比较，即可获得应变大小。
（一）静态/准静态弹性成像
静态弹性成像的基本原理如图1-5-1所示。对组织施加机械力激励，同时利用超声斑点追踪技术或多普勒技术分别采集受力前、后组织位移分布的超声射频信号，计算得到感兴趣区的轴向应变分布。由于在一定的边界条件下，假定组织受力均匀，据公式（20），弹性模量与应变成反比，因此，应变分布在理论上能够代表弹性模量分布。将应变的分布利用灰阶或彩色编码图直观显示，即超声应变弹性图（图1-5-2）。
图1-5-2 应变弹性图
彩色编码（图A）或灰阶（图B）显示的组织应变分布。
根据胡克定律，定量弹性模量的分布必须要知道对应于组织应变的应力分布。然而，这几乎不可能。因为无法知道传导到组织内部的应力值，特别是深部组织。因而，也无法对组织的弹性模量进行定量。只能假定组织内应力是相等的（实际并非如此），以感兴趣区内不同组织的相对应变评估其不同硬度，因此，只是一种定性方法。感兴趣区内必须包括相对正常的组织，才能有比较。常用的非定量指标包括低应变区的大小和分布（弹性评分）、局部病变应变与其周围组织的应变比（strain ratio）、同一切面弹性图中的病变范围（E）与灰阶图中病变范围（B）之比（E/B）。
心肌弹性成像的原理是利用心脏自身收缩和舒张时心肌沿探头径向的位移信息，从而得到心肌的应变、应变率（strain rate）和速度等参数的空间分布及其随时间的变化。
尽管这些都是定性的方法，但是有其物理学和病理学基础，有一定的临床应用价值。
（二）动态弹性成像
1.瞬时弹性成像（transient elastography，TE）
通过可控的脉冲波激励（或外在的机械振动力）使组织内部产生瞬时剪切波，测量感兴趣区内的剪切波速度平均值，然后将其转化为杨氏模量，并以斜率显示。目前，主要应用于肝脏硬度评估而非成像。
2.声辐射力剪切波速度成像（shear wave speed imaging）
如图1-5-3所示，用普通诊断超声探头（线阵或凸阵）向感兴趣区发射短周期（＜1ms）中强度聚焦长脉冲声束（Acoustic radiation force impulse excitation），在穿过软组织时，将其动量转换成力，这种在超声波束焦点处所产生的推力可以表示为：
（24）
式中，F为力；σ为组织衰减系数；I为焦点处声强；c为声速。
在激发脉冲（push pulse）力的作用下，软组织沿波束方向产生位移应变，同时横向切变引发剪切波（传播速度一般介于1～10m/s）。诊断超声系统同时用同一探头超高速发射检测脉冲信号（＞10 000Hz）作为探测脉冲，计算出剪切波传播速度，并以彩色编码图和数字显示。最新研究用超声容积捕获技术可以获得高质量的三维弹性图。
图1-5-3 剪切波弹性成像示意图
探头由近及远连续高速发射聚焦低频长脉冲（绿点），其横向剪切波形成的波阵面缓慢向周围组织传播，经过不同硬度的组织传播速度不同。通过检测得到的剪切波速度换算成弹性模量。
二、超声弹性成像的操作和伪像
如前所述，超声弹性成像至少涉及机械激发（力学）、组织对应力的响应（材料学）和超声检测（声学）等原理，是基于许多假设检测和计算的。仪器的设置、对感兴趣区施压的幅度和角度、患者的配合、组织的结构等都会出现较常规超声成像更多的伪像，对结果产生显著影响，如轻度加压，即可使探头下的组织硬度增加；囊肿呈“牛眼征”或“RBG（红蓝绿）”特征。因此，规范的操作对成像的可靠性和可重复性至关重要。在不同设备和不同的应用场景，都有较详尽的具体操作指南和建议，必须严格按要求操作。此外，不同设备的定量值不具可比性，定量数值应标明设备型号。
三、临床应用
目前超声弹性成像较成熟的应用部位主要包括肝脏、乳房、甲状腺等。
（一）肝脏
弹性成像在肝脏的应用主要是评价肝纤维化的程度、监控疾病进展及评估预后。目前应用较多的是剪切波弹性成像。如前所述，检查方法的质量控制非常重要。
测量肝脏硬度的影响因素很多，ALT水平与炎症、胆汁淤积、充血性心力衰竭等都可以增加所测量得出的肝脏硬度，甚至进食后肝脏的硬度都会增加。尽管多数研究结果与肝脏纤维化程度均有显著相关性，但是目前还无法准确定量评估肝纤维化程度。对结果的解释也要谨慎，应紧密结合临床资料。综合目前的研究结果，可以肯定的价值是肝脏弹性成像有助于减少对肝穿刺的依赖。
（二）乳腺
目前弹性成像在乳腺的应用主要作为灰阶成像的辅助方法。
对乳腺弹性图像分析的最常用指标是弹性评分和应变比（图1-5-4）。目前应用比较广泛的是以乳腺肿物为标准的5分评分法（Tsukuba评分）：
1分：肿瘤整体发生变形，图像显示为绿色；
2分：肿瘤大部分发生变形，但小部分没有变形，图像显示为绿色和蓝色的马赛克状；
3分：肿瘤边界发生变形，中心部分没有变形，图像显示病灶中心为蓝色，病灶周边为绿色；
4分：肿瘤全体没有变形，图像显示病灶整体为蓝色；
5分：肿瘤整体和周边组织都没有变形，图像显示病灶和周边组织为蓝色。
根据其评分方法进行半定量分析：1～2分基本上均为良性病变；4～5分大多数为恶性病变；3分良恶性均有重叠。
图1-5-4 乳腺应变弹性成像
同一切面，图右灰阶超声显示乳腺结节呈不规则低回声，BI-RADS 5类；图左超声弹性成像显示乳腺结节彩色分布呈蓝色，评分5分，面积明显大于灰阶图，E/B=2，结节呈恶性特征。
应变比是对相对硬度的半定量方法。多数文献报道应变比大于1.5对诊断乳腺癌具有80%以上的敏感度和特异度。但并非所有硬度高的病灶都是恶性肿瘤。所以，推荐作为常规超声成像的辅助检查。
目前临床应用弹性成像的主要推动力是进一步明确乳腺BI-RADS 3类病灶，而另一推动力是重新评估BI-RADS 4a类病灶。将灰阶超声BI-RADS 3重新归类为4a，并提示活检的必要，同时也将BI-RADS 4a重新归类为3而避免了活检。在甲状腺的应用类似乳腺。
此外，弹性成像在前列腺、脾脏、肾脏、肌肉骨骼、皮肤及热消融治疗评估等方面的应用也有研究报道，但是尚无高等级的循证医学证据支持其临床应用效能。
由于超声弹性成像的声学基础、成像方法、人体组织结构等异常复杂的影响因素相互交织，加之不同仪器的信号提取和处理方法各异，应用时间较短，因此，目前超声弹性成像在临床的应用还存在许多问题有待解决。