血管超声弹性成像的研究现状与发展趋势

何芳丽，杨继庆，周建学，卜 欣

血管超声弹性成像的研究现状与发展趋势

何芳丽，杨继庆，周建学，卜 欣

介绍了血管超声弹性成像的基本原理，对该成像手段的临床指导意义进行概述，重点阐述了血管内超声弹性成像及无创血管超声弹性成像的研究现状，并对该成像方式的发展前景进行了展望，指出基于射频数据的无创血管超声弹性成像是未来的发展方向。

超声弹性成像；血管；应变；射频数据

0 引言

心脑血管疾病已成为威胁人类健康的第一杀手[1]，其主要发病机制是动脉粥样硬化斑块破裂及血栓形成。动脉粥样硬化斑块根据稳定性可分为稳定斑块（stable plaque）和易损斑块（vulnerable plaque）2类[2]，其中易损斑块表面有一层薄且易破裂的纤维包膜，一旦破裂，产生的血栓容易阻塞心脑血管，从而引发急性心肌梗死、猝死和脑中风。血管超声弹性成像可实现斑块的早期识别，对降低心脑血管疾病发病率和死亡率具有至关重要的作用[3]。与CT等其他成像方法相比，超声对人体伤害小且价格便宜，并且周期性的超声波非常适合应用于弹性成像。本文就目前血管超声弹性成像的发展现状及研究进展予以综述。

1 血管超声弹性成像概述

1.1 血管超声弹性成像原理

1991年，J Ophir及其团队首先提出了超声弹性成像[4]的概念，在外力或者内力作用下，不同硬度的生物组织会产生不同响应（位移、应变、速度等），通过处理形变前后组织的超声数据，可得到局部组织的弹性图像及信息。目前，超声弹性成像技术已经涉及乳腺癌[5]、前列腺癌[6]、动脉粥样硬化[7-8]等疾病检测，是近年来超声领域的研究热点。

1997年，De Korte等提出了血管弹性成像技术[9]，该技术能有效得到血管纵向截面管壁位移分布情况，从而实现对血管壁弹性的定量分析。血管弹性成像是利用气囊、血压变化或外部的挤压来微创或无创激励血管，估计血管的位移和应变分布。血管，特别是动脉血管，在不同心动周期内所受血压不同，表现为血管，随周期性压力变化其横向截面上血管壁周期性扩张与收缩。可以通过超声技术获取不同心动周期下血管射频信号/视频信号，进行处理后即可获得血管超声弹性图像。

根据换能器放置方式不同，血管超声弹性成像可分为血管内超声弹性成像（intravascular ultrasound strain imaging）和无创血管超声弹性成像（noninvasive vascular ultrasound strain imaging）2类。血管内超声弹性成像是将血管腔内超声成像与弹性检测技术相结合，该方法最先被用于血管弹性信息的研究和血管斑块检测，但由于其有创性，只能应用于导管介入的患者。无创血管超声弹性成像是基于体表超声成像技术，由于其方便、快捷和安全的特点得到了快速的发展。

1.2 血管超声弹性成像的临床指导意义

血管超声弹性成像技术可显示血管内腔、管壁和粥样斑块的组织形态学特征，可通过血管壁组织弹性信息的改变来反映血管病变。研究表明，动脉粥样硬化斑块与正常血管壁的应力应变有一定的差异，血管斑块的不同病理组成，如钙化、脂质、纤维组织等在其超声弹性图像中对应不同应变特征[9-10]。可通过血管超声弹性成像对不同类别的斑块进行区分，其中易损斑块在超声弹性图像上表现为表面覆盖着高应变区域的低应变部位。使用血管超声弹性成像技术可判别血管动脉硬化程度、动脉血管狭窄程度及血管硬化斑块类型，为心脑血管疾病的早期防治提供重要的诊断参考。除在心脑血管疾病方面的作用外，血管超声弹性成像结果还可用于指导和评价动脉介入治疗。在血管植入支架治疗中，掌握血管壁的弹性将避免支架撑破动脉壁造成的严重后果，并可对植入后支架对血管壁弹性的影响进行评价。

2 血管超声弹性成像的研究现状

2.1 血管内超声弹性成像

血管内超声弹性成像[11-13]使用导管将超声探头置于血管内，获取探头所在位置血管壁形变前后的超声数据，如图1所示。左图为某个心动周期内的血管压力变化曲线，中间上下两幅分别为不同血压条件下的血管内超声图像，通过使用互相关、光流场等算法对超声射频/视频数据进行处理，可以得到血管壁的径向应变与弹性信息；右图为血管内超声弹性成像的应变场结果。目前基于射频数据的算法有互相关等，基于包络数据/视频数据的算法有散斑估计和光流场[14]等。

图1 血管内超声成像原理示意图[8]

血管内超声弹性成像最先被应用于血管斑块检测，具体发展过程可分3个阶段。首先，研究人员将血管超声弹性成像技术用于仿体实验，验证了血管内超声弹性成像算法的可行性。然后，分别使用离体冠状动脉和股动脉进行了离体血管超声弹性成像实验，表明该方法得到的径向应变能够用于不同类型血管斑块的区分。最终，通过在体血管实验，证实血管内超声弹性成像技术可区分不同类型在体血管斑块及易损斑块。血管内超声弹性成像技术最大的缺点是其有创性，能够应用于导管介入的患者，但其弹性检测方法和参数获取算法均可应用于无创血管超声弹性成像。

2.2 无创血管超声弹性成像

与血管内超声弹性成像技术相比，无创血管超声弹性成像技术更加安全、快捷及易操作。无创血管超声弹性成像技术基于体表超声弹性成像，通过处理体表超声所得血管形变前后超声数据，获取血管壁的弹性信息。该成像技术在超声探头放置与血管角度不同的情况下，可以分别得到人体血管纵向截面和横向截面的弹性成像结果，其数据获取过程如图2所示。左图为血管纵向截面超声数据获取示意图，右图为血管横向截面超声数据获取示意图。

图2 无创血管超声弹性成像数据采集示意图

2.2.1 血管纵向截面超声弹性成像

最早的无创血管超声弹性成像是通过超声多普勒血流速度技术获取的，Bonnefous团队和Kanai团队分别使用互相关技术[15]和相位跟踪方法[16]实现了组织应变估计，并通过实验验证了该成像技术的可行性。1999年，Maurice团队提出了基于配准技术的拉格朗日散斑运动估计（Langrangian speckle estimator）方法[17-19]，目前已在人体血管进行了大量的临床研究。

多种弹性成像算法中，时域互相关算法以其较强的抗噪能力而成为一种基本算法。由于血管弹性成像对位移及应变估计高精度的要求，互相关算法经过了一维互相关、两步迭代及“由粗到精”多层互相关应变估计技术的发展。其中，Shi团队和Lopata团队提出并研究的“由粗到精”（coarse to fine）多层互相关应变估计技术[20-21]，通过“粗位移场”引导不断迭代得到“精细位移场”，进一步提高了血管应变估计精度，该技术目前已经在临床试验中，可实现人体颈动脉不同斑块的区分[22-23]。

在基于视频数据的超声弹性成像算法中，利用滤波器组对原始视频图像进行变换并二次采样，得到各层子图像；从最低分辨率图像开始，进行运动估计即可获得位移的粗略估计；将低分辨率位移传递到下一个较高分辨率级，作为运动估计初始值，从而获得较高分辨率运动估计；最终在最高分辨率级获得较精确的位移估计结果。“由粗到精”多层互相关应变估计技术是借鉴图像金字塔的概念，在基于射频数据的无创血管超声弹性成像中，利用大窗长、小重叠率估计结果引导，然后逐步减小窗长、增大重叠率来实现“由粗到精”的位移估计。

2.2.2 血管横向截面超声弹性成像

血管横向截面情况下，管壁径向运动与超声波束方向存在一定角度，其径向应变获取难度远大于血管纵向截面。在算法上，Lopata等人将“由粗到精”多层互相关技术拓展到二维[23]，可分别得到二维的超声应变结果，但由于横向采样率远低于纵向，其位移及应变精度明显低于纵向结果。为此，Kanai团队通过改变超声探头元素时延来实现波束偏转[24]，进而通过相位跟踪算法获取横向位移，已在橡皮管实验中进行了可行性验证。Hansen团队利用电子波束角度控制[25]得到同一血管多个角度的超声射频数据，合成得到整个血管径向射频数据，并利用“由粗到精”多层互相关技术得到高精度的径向运动和应变图像，此方法已经在仿体和人体颈动脉进行了初步的尝试。

3 血管超声弹性成像的发展趋势

随着超声弹性成像技术的发展，手持超声探头挤压组织弹性成像（freehand elastography）的方式已经逐步集成到临床超声系统中，原理是操作超声探头挤压体表组织形变，获取形变前后超声数据进行处理，得到实时的组织超声弹性成像结果。目前，已有临床工作者使用该成像模块进行甲状腺、乳腺及前列腺等人体浅表组织疾病的诊断。血管有血压的自主激励，其运动情况更加复杂，普通的手持探头挤压方式并不适用于血管超声弹性成像，故需要进一步对其成像方式及算法进行实验与探索，开发真正适用于血管的超声弹性成像模块。

无创血管超声弹性成像由于其特有的优势，得到越来越多研究者的关注。按照超声原始数据类型的不同，无创血管超声弹性成像算法可分为基于射频数据算法和基于视频数据算法2类。基于B-mode图像/包络等的视频数据算法，不仅在精度上较差，其弹性成像的质量也在很大程度上受限于临床操作者的技能水平，因此其弹性成像应用价值受到严重制约。超声弹性成像感兴趣区域特征位置的定位、特征系数的提取都依赖于超声射频（radio frequency）信号，且超声射频数据包括了回波幅度信息和相位信息，其弹性成像结果精度更高，目前有很多血管超声弹性成像算法都是基于对射频信号的处理。

4 结语

血管超声弹性成像对于血管斑块等疾病的检测具有重要作用。基于射频数据的无创血管超声弹性成像技术具有对人体伤害小、方便快捷、测量精度高、受操作者水平限制小等多方面优势，是人体血管病变的一种理想检测方法，也必将成为血管超声弹性成像未来的发展趋势。目前，该技术处于仿真与实验阶段，通过在超声射频数据采集处理、弹性成像算法研究、弹性图像处理等领域一系列的探索和研究，未来基于射频数据的无创血管超声弹性成像将逐步在临床血管斑块检测与评价、血栓硬度和形成时间估计、介入治疗和药物治疗观测等领域扮演重要角色。

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（收稿：2013-12-31 修回：2014-04-14）

Research status and development trend of vascular ultrasound strain imaging

HE Fang-li,YANG Ji-qing,ZHOU Jian-xue,BU Xin
(Equipment Department,Stomatology School of the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China)

The principles and implementation methods of vascular ultrasound strain imaging are introduced.The clinical significance of the imaging is analyzed briefly.The research status of intravascular and noninvasive vascular ultrasound strain imaging are focused on,meanwhile,the development trend is prospected.Nonivasive ultrasound strain imaging based on radio frequency data is the future research trend.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（11）：103-105，112]

ultrasound strain imaging;vessle;strain;radio frequency data

R318；R445

A

1003-8868（2014）11-0103-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.11.103

何芳丽（1988—），女，助理工程师，主要从事生物医学工程方面的研究工作，E-mail：hefangli2006@126.com。

710032西安，第四军医大学口腔医院器材设备科（何芳丽，杨继庆，周建学，卜 欣）

杨继庆，E-mail：jiqingy@fmmu.edu.cn