超声弹性成像在乳腺疾病诊断中的仿真分析

赵婷婷 严碧歌

(陕西师范大学 物理学与信息技术学院，西安 710062)

引言

乳腺疾病是一种常见病，多发病，是危害妇女身心健康的主要疾病，其致病因素较复杂，如不及时治疗，将可能发生病变，随时导致生命危险。近年来，我国的乳腺疾病发病率有明显上升趋势，其中乳腺癌发病率居女性恶性肿瘤首位［1］。乳腺肿块的良恶性鉴别成为医学诊断的焦点。在乳腺实性肿块中，乳腺纤维腺瘤和乳腺癌最为常见。乳腺纤维腺瘤是常见的乳腺良性肿瘤，其典型表现为:形态呈规则圆形或椭圆形。而乳腺癌为恶性肿瘤，其典型的特征为:呈毛刺状、蟹足状或分叶状改变，无明显边界［2］。

乳腺肿块的软硬或弹性，反映其本身的特性。对于这些信息的检测，往往有助于良、恶性的鉴别。传统医学诊断中的触诊是取得这些信息的常用简便方法，但这种方法具有很多局限性，一方面它受医生主观经验的影响较大，另一方面，当肿块太小或者埋藏得太深时，这种方法就无能为力了。弹性成像则是通过不同组织间的硬度差别进行成像的，而且超声检查简单易行，所以超声弹性成像现已成为诊断乳腺疾病的常用检查方法之一。

1 方法

在计算机模拟实体乳腺组织试验中，最终要测量的是乳腺组织在应力作用下的应变分布情况，采用有限元分析方法，以单元结点的位移作为基本未知量求解，使用Matlab软件下的PDE工具箱进行分析。应变模型为:一个1.6 cm×1.6 cm的矩形区域内含有一个半径为0.1 cm的圆形区域。取物理量值与实验结果相一致，组织的泊松比ν为0.495，即假定软组织几乎没有体积膨胀。并假设在平面应变状态下，用超声探头对组织施加2%的整体应力。同时左侧边的边界条件取第立克特(Dirichlet)边界条件，其x方向位移取0.02，即在 PDE工具箱中的参数r1取0.02，右侧边同样也是第立克特边界条件，x方向位移即 r1取 0，顶边和底边为纽曼(Neumann)边界条件即自由边界条件。该模型近似于一块正常组织内分布有一个圆形的良性肿块，并用探头对组织施加2%的整体应变。取肿块与组织的弹性模量比分别为 7∶1，5∶1，2∶1，做其 x 方向应变图和剪切应变图。来比较不同弹性模量下的模拟的良性肿块应变图差异。

组织弹性的改变通常是与一些疾病相关联的。大多数恶性肿瘤为坚硬的病变组织组成，其边界不清，形状不规范，并与附近结构粘连，致使病变组织活动性减低，弹性减少，从而使硬度增加。根据恶性肿瘤的特点，建立了一个星形异物的模型，其中星形异物的几何大小与圆形异物接近，边界条件相同。比较这两种不同几何建模的应变大小，可以对弹性成像在判断乳腺肿瘤性质的应用上提供一定的参考。分别取肿物与组织的弹性模量比为7∶1，5∶1和2∶1，做其 x方向应变图和剪切应变图。来比较不同弹性模量下的模拟的恶性肿块应变图差异。

超声弹性成像反映所检测组织的硬度［3－4］，弹性系数越大，肿瘤硬度越大。现实生活中，医院诊断乳腺病的结果表明:对于一些硬度较大的良性病变，如伴有钙化和胶原化的乳腺病和纤维腺瘤，和一些硬度较小的恶性病变如粘液腺癌等，弹性成像均会造成误诊［5］。也就是说，在良性病变中的相对硬度较大的肿块，与恶性病变中相对硬度较小的肿块不易区分。在这里取圆形，星形两种不同形状的肿块，使其弹性模量相同，密度不同。有研究表明［6］:病变组织的硬度与病变组织的良恶性相关，乳腺恶性肿瘤的硬度是良性肿瘤的2～3倍。因此，取圆形肿块密度为4.50 kg/L，星形肿块密度为1.50 kg/L，比较密度不同的肿块的应变图差异。

2 结果

2.1 具有不同弹性模量的良恶性肿块应变图

利用计算机软件仿真模拟做出良性肿块x方向应变分布图(见图1)，以及剪切应变分布图(见图2)。其中，横坐标表示组织横向空间位置，纵坐标表示组织在外界作用下的应变值(正负号代表应变方向)，颜色渐变表示应变大小的变化。从图1中可以看出，对于良性肿瘤的仿真模拟，在相同的外界条件下，在组织的肿块区域内(－0.1≤x≤0.1)，其x方向应变值最小，含有弹性模量较大异物的组织相比较于含有弹性模量较小异物的组织，其应变的最大值和最小值之间的差异要明显一些，即区别较明显。从图2中可以看出，对良性肿瘤的仿真模拟中，在相同的外界条件下，在组织的肿块区域内(－0.1≤ x≤0.1)，切应变较小，在组织的边缘区域切应变值最大，向中心区域有减小的趋势。含有弹性模量较大异物的组织，在 －0.4≤ x≤0.4的区域内，变化幅度要大于含有弹性模量较小异物的组织。

图1 正常组织含有圆形肿块时x方向上不同弹性模量比的应变分布图。(a)7∶1;(b)5∶1;(c)2∶1Fig.1 Strain distribution of circular tumor in x direction for different Young＇s modulus ratio.(a)7 ∶1;(b)5 ∶1;(c)2∶1

图2 含有圆形肿块时不同弹性模量比的剪切应变分布图。(a)7∶1;(b)5∶1;(c)2∶1Fig.2 shear strain distribution of circular tumor for different Young＇s modulus ratio.(a)7∶1;(b)5∶1;(c)2∶1

恶性肿瘤的应变分布图如图3和图4所示。其中图3为x方向的应变分布图，图4为剪切应变分布图。从图3中可以看出，对恶性肿瘤的仿真模拟，在相同的外界条件下，在组织的肿块区域内(－0.1≤ x≤0.1)，其x方向应变值最小，并且值有一个小的变化浮动，不同于图1所示的良性肿瘤的应变图，仿真图中的含有弹性模量较大异物的组织相比较于含有弹性模量较小异物的组织，其应变的最大值和最小值之间的差异要明显一些。从图4中可以看出，在恶性肿瘤的仿真模拟中，给组织施加相同的外界条件，在组织的肿块区域内(－0.1≤ x≤0.1)，表现为切应变值较小，并且有一个不规则的变化，在组织的边缘区域切应变值最大，向中心区域有减小的趋势。含有弹性模量较大异物的组织，在－0.4≤x≤0.4的区域内，变化幅度要大于含有弹性模量较小异物的组织。

图3 含有星形肿块时x方向上不同弹性模量比的应变分布图。(a)7∶1;(b)5∶1;(c)2∶1Fig.3 Strain distribution of star tumor in X direction for different Young's modulus ratio.(a)7∶1;(b)5∶1;(c)2∶1

2.2 具有不同密度的良恶性肿块应变图

利用计算机软件仿真模拟做出不同密度的良恶性肿块应变分布图，比较它们的x方向应变图和剪切应变图，如图5和图6所示。从图5中(a)和(b)可以看出，在组织的肿块区域内(－0.1≤ x≤0.1)，其x方向应变值和切应变值都是最小值，并且值都有一个小的变化浮动，在组织的边缘区域切应变值最大，向中心区域有减小的趋势。从图6中(a)(b)可以看出，在组织的肿块区域内(－0.1≤x≤0.1)，其x方向应变值和切应变值都是最小值，在组织的边缘区域切应变值最大，向中心区域有减小的趋势。图5和图6表现出来的值的变化趋势并没有明显差异。

图4 正常组织中含有星形肿块时不同弹性模量比的剪切应变分布图。(a)7∶1;(b)5∶1;(c)2∶1Fig.4 Shearstrain distribution ofstartumorfor different Young＇s modulus ratio.(a)7∶1;(b)5∶1;(c)2∶1

3 讨论

对于相同弹性模量的圆形和星形肿块，比较其x方向应变和剪切应变，如表1所示。

图5 含有星形肿块的应变图。(a)x方向;(b)剪切应变图Fig.5 Strain figure of star tumor.(a)x direction of strain;(b)shear strain

由表1可以看出，具有相同弹性模量比的圆形和星形肿块的x方向应变并没有明显的差异，但是它们剪切应变的差异则较明显，含有恶性肿瘤乳腺的剪切应变，比含有良性肿瘤乳腺的剪切应变要小一些;并且，随着肿块与组织弹性模量比的减少，其差异明显度降低，说明在弹性成像中，不论是x方向应变［7］，还是剪切应变图像，都比较适合于检测弹性模量相对较大的肿块，而对于弹性模量相对较小的肿块，则具有一定的局限性。

利用弹性成像中的剪切应变图像可以较容易的区分开良恶性乳腺肿块，也可以说明软组织的剪切应力与它的移动性有关，由于恶性乳腺肿瘤的边界条件较复杂，不规律，渗透到周围组织内与周围组织结合紧密，因此移动性不好。所以，如果可以利用弹性成像技术重建出乳腺的剪切应变，则有可能判断乳腺肿瘤的性质，在临床上将会有很大的参考价值。

图6 含有圆形肿块的应变图。(a)x方向;(b)剪切应变图Fig.6 Strainfigureofcircletumor.(a)x direction of strain;(b)shear strain

表1 相同弹性模量比的圆形和星形肿块的应变差异比较Tab.1 Strain comparison of different tumor shaps with the same Young’s modulus

对于弹性模量相同而密度不同的圆形和星形肿块，比较其x方向应变和剪切应变，如表2所示。

表2 弹性模量相同而密度不同的圆形和星形肿块的应变差异比较Tab.2 Strain comparison with the same Young’s modulus of different density tumor

由表2可知:在这两种模型中，比较不同异物分布的x方向上应变分布和剪切应变分布，可以看出并没有明显的差异。说明不仅组织的弹性模量、形状对应变图有影响，组织的密度对应变图也有一定的影响。因此，对于良性病变中的相对硬度较大的肿块，与恶性病变中相对硬度较小的肿块相比较的这种情况，超声弹性成像具有局限性，容易造成误诊。这是由于乳腺良恶性肿瘤的弹性系数之间有些重叠，并且当恶性肿瘤内部出现液化或良性肿瘤出现有机化、钙化时，也会使肿瘤的硬度发生变化。结合国内外相关报道，王志远等对62例良性和25例恶性乳腺肿块的超声弹性成像进行比较，准确性、特异性和灵敏度分别为 84.00%，96.77%和93.10%［8］。可见单一依靠超声弹性成像进行乳腺肿块的良恶性鉴别，其准确性不是很高，需要结合常规灰阶超声和多普勒彩超进行综合性诊断，而且有必要对乳腺肿块进行全面检查，做出综合判断，以减少误差。

4 结论

弹性成像技术是通过不同组织件硬度差异进行成像的，而超声检查简单易行，使超声弹性成像技术成为超声鉴别诊断良、恶性乳腺肿块的常用手段之一，特别是对于弹性模量较大的肿块，其x方向应变和切应变图象在鉴别诊断上都具有较高的临床应用价值。但是同时，对于一些硬度较大的良性病变和一些硬度较小的恶性病变，单一依靠超声弹性成像技术进行鉴别，其准确性不是很高。总之，作为一个全新的成像原理，超声弹性成像技术，在乳腺良恶性鉴别上初步显示了其临床应用价值，但是此技术还需要进行更多的深入研究与发展。

［1］周永昌，郭万学.超声医学［M］.第五版.北京:科学技术文献出版社，2006:137－160.

［2］柳婧月，黄枢，王小彦，等.乳腺良恶性肿块的彩色多普勒血流显像与病理对照分析［J］.中国医学影像技术，1999，15(7):503.

［3］Krouskop TA，Wheeler TM，Kallel F，et al.Elastic moduli of breast and prostate tissue under compression［J］.Ultrasonic Imaging，1998，20(4):260 － 274.

［4］Khalil AS，Raymond CC，Alexandra HC，et al.Tissue elasticity estimation with optical coherence elastography:toward mechanical characterization of in vivo soft tissue［J］.Ann Biomed Eng，2005，33(11):1631 －1639.

［5］Han L，Noble JA，Burcher M.A novel ultrasound indentation system for measuring biomechanical properties of in vivo soft tissue［J］.Ultrasound Med Biol，2003，29(6):813 － 823.

［6］王怡，王涌，张希敏，等.乳腺肿块的超声弹性成像和外科检查的相关性分析［J］.中国医学计算机成像杂志，2006，12(1):55－57.

［7］Kallel F，Bertrand M，Ophir J.Fundamental limitations on the contrasttransfer efficiency in elastography:an analytic study［J］.Ultrasoun in Med ＆ Biol，1996，22(4):463 －470.

［8］王志远，杨通明，吴泽愿，等.超声弹性成像鉴别乳腺微小良恶性肿块［J］.中国医学影像技术，2010，26(10):1902.