超声弹性成像在肌骨组织系统中的应用及研究进展

王米雪 于 韬 王浩天 侯怡如 孙嘉忆 刘叶秋 常 静 熊佳佳

1.中国医科大学肿瘤医院；辽宁省肿瘤医院；超声科；(辽宁 沈阳 110042);2.大连医科大学第一临床学院 (辽宁 大连 116044)

超声弹性成像(EUS)是与常规超声及多普勒超声相辅相成的新技术。将弹性成像引入超声波研究是近年来继引入多普勒技术后的另一个重大突破。目前在临床实践中使用了几种弹性成像技术。它们之间的根本区别在于压力的类型及来源，而且用来检测目标结构的位移情况的方法也有不同之处[1]。基本弹性成像技术包括：应变弹性成像(SE)，声辐射力脉冲弹性成像(ARFI-EUS)和剪切波弹性成像(SWE)等。因此，本文就不同的超声弹性成像技术在肌骨组织疾病诊断中的研究进展进行综述。

1 应变弹性成像

1.1应变弹性成像的原理(Strain Elastography,SE) 应变弹性成像的原理在1991年由Ophir及其同事首先报道[2]。它是一种利用超声(US)系统将应变测量值转换为颜色编码的应变图和弹性图，通过应变图和弹性图来反映组织硬度的方法。(因为手动变形不能量化，所以用弹性图表示相对组织应变)。弹性图蓝色代表组织硬，绿色和黄色处于中间，红色代表组织柔软，弹性图通过不同的颜色反映了组织软硬程度的差异。通过对组织硬度的定性和半定量分析，研究超声波弹性成像在肌骨组织疾病中的应用[3]。

1.2应变弹性成像在肌骨组织系统中的应用 应变弹性成像常使用的参数有应变率，应变直方图以及视觉评分。前两个是半定量方法，后者是定性的方法。应变率基于两个感兴趣的区域(ROI)，一个选在病变内部，另一个尽量选择在与病变相同的深度参考组织中[4]。在两个ROI使用相等的应力的情况下，就可以计算两个ROI之间的应变相对差异。应变直方图是显示ROI中颜色分布的直方图。因ROI中的每个像素均有从0到255的刻度上相对应颜色，所以可以从应变直方图计算平均像素值。第三种方法是弹性图的视觉评分，其包括根据颜色和图案评估弹性图。

学者Riishede等人[5]用这三个参数初步评估软组织肿瘤的良恶性，发现恶性肿瘤的平均应变率明显高于良性肿瘤的应变率。而且当去掉含脂肪肿瘤样本时，恶性和良性肿瘤的平均应变率之间的差异增加。这意味着将来可能将应变率用作诊断软组织肿瘤的辅助手段。但是他还发现，应变直方图和视觉评分在良性和恶性软组织肿瘤之间没有显着的差异。

虽然应变弹性成像是一种操作者依赖的技术成像，但是SE可以用于定性和定量评估表面软组织病变。学者Nicola Magarelli[6]等人在研究中证明SE在区分表面软组织病变的硬度特征方面发挥作用，并表明恶性病变硬度增加(蓝色)，即恶性肿瘤往往比良性肿块更硬，SE上通常呈蓝色变化。

1.3应变弹性成像的优势与不足 应变弹性成像是人为对组织施加压力，因此，主观性比较强。但是另一方面，在大多数情况下，常规超声波可用于检测软组织病变，然而有时良性肿块的灰度超声和/或彩色多普勒外观可能类似恶性肿瘤。虽然超声检查是一个高度依赖于操作者的技术，但SE技术在一定程度上的提高了诊断的客观性[6]。虽然SE不能代替灰度级和彩色和/或多普勒超声检查，但我们的数据表明，SE可以提高诊断准确性，可能对良性病变的随访有用。

2 声脉冲辐射力弹性成像(acoustic radiation force impulse，ARFI)

2.1声脉冲辐射力弹性成像的原理 ARFI是以常规超声为基础，利用调制的高频聚焦超声作为激励机制，受到脉冲声辐射力的组织粒子产生振动，发生纵向压缩的同时产生横向位移，由此反映组织的弹性特性[7-10]。以纵向压缩为基础的弹性成像通过病变区域显示的灰度，可定性反映组织的弹性特征，灰度越大，弹性越小，组织越硬；而横向传导的剪切波弹性成像依据剪切波在不同组织内的传播速度差异，可间接反映组织弹性，定量表示组织硬度。剪切波速度(shear wave velocity,SWV)越大，弹性越小，组织越硬[11]。此弹性技术可进行声触诊组织成像(virtual touch tissue imaging,VTI)、声触诊组织量化(virtual touch tissue quantification,VTQ)。VTI 技术是通过局部组织纵向上的位移大小，获得感兴趣区的组织硬度灰阶图，灰度越大，提示组织越硬，弹性越差，反之组织越软，弹性越好;VTQ 技术则是通过感兴趣区组织受到探头发射的推力脉冲作用后，组织产生横向振动，进而获得剪切波信息，计算并显示 SWV，SWV 值越高，反映该组织越硬、弹性越差[12]。利用ARFI弹性参数可评估病变组织硬度变化情况，为各器官病变的鉴别诊断提供重要依据。

2.2声脉冲辐射力弹性成像在诊断肌骨肿块良恶性中的应用 Pass Bill等人有初步研究证明良性和恶性肿块在纵向平面上的剪切波速度不同，样本中恶性肿块产生的平均剪切波速度比良性肿块的慢30%。该试验研究的剪切波数据表明，该测试是可重复的，并且与良性肿块相比，恶性肿块可能具有较慢的纵向剪切波速度[13]。但是因为该研究样本量较小，因此需要更多大量本的研究来进行验证。

2.3声脉冲辐射力弹性成像的优势与不足 声辐射力弹性成像克服了静态/准静态弹性成像对深部组织无法有效施压的局限性，使得弹性成像更广泛的应用于各个系统疾病的诊断中。ARFI利用短周期(<1 s)脉冲声压作用于ROI，使组织内部产生纵向及横向位移，同时发射声脉冲序列探测组织位移，采集组织内部纵向及横向剪切波，分别获得 VTI 弹性图像及 VTQ 弹性值[14-15]，与传统的实时弹性成像不同，无需对靶器官施加额外压力，操作者依赖性较小，可重复性较高，且与患者体质量指数、年龄及性别无显著相关性[16]。并且，ARFI 不仅能够定性反应组织相对硬度(VTI 技术)，还能通过 VTQ 技术定量分析组织硬度值。但是在肌骨肿块方面的ARFI研究相对较少，同时也缺乏相应的诊断标准，因此还需要继续做大量的前瞻研究才行。

3 剪切波弹性成像(Shear Wave Elastography,SWE)

3.1剪切波弹性成像的原理 剪切波弹性成像(SWE)通常以二维形式结合传统超声成像定量、实时显示组织弹性值。SWE 技术的超声探头在深部组织聚焦出局部声辐射力，推动组织产生剪切波，同时产生的多个聚焦点，以垂直于患者体表的方向排成一线，制造出圆锥形的剪切波波阵面，该超声探头沿聚焦点两侧扫描整幅图像，使用快速接收技术来捕获剪切波的演变。而聚焦于图像中心的声束产生剪切波[17]。

在测量软组织弹性时，通常使用杨氏模量(E)来表示。杨氏模量(E)是材料在单轴压缩或张力(kPa)下变形的阻力[18]。而剪切模量(μ)则是抗剪切力(kPa)[19]。在软组织中，波的传播有两种模式：纵波(cL)，其中粒子在波传播的方向上振动；横波(cT)，其中粒子在波传播方向横向摆动。横波传播速度称为剪切波速度(或剪切速度，m/s)，并且是弹性模量的项之一。杨氏模量定义为E = 3μ= 3ρc2，其中ρ表示组织密度。因此，通过定量分析系统就可以直接得到感兴趣区域的杨氏模量值。

3.2剪切波弹性成像在肌骨组织系统中的应用 Caroline Ewertsen等人[20]通过评估健康志愿者中三种不同肌肉的深度研究骨骼对应变率和剪切波速度的影响。并且还评估了应变率对不同感兴趣区相关位置的影响。研究者对10名健康志愿者(5名男性和5名女性)在三个不同深度和位于骨骼和骨旁边的区域中，用应变和剪切波形弹性成像检查了其二头肌肱骨，腓肠肌和四头肌。应变比由10秒长度的线圈平均，剪切波速度在每个目标点测量10次。测量从每个感兴趣区域的皮肤表面到中心的距离。用描述性统计和线性回归评估测量。结果为线性回归显示对参考值的应变比测量有显着影响即利益相关位置，即与目标感兴趣的区域高于相同的结构应变比值显着依赖于参考和目标感兴趣区域在同一组织上，例如骨。应变比不受深度影响。如果在感兴趣区域之下存在骨骼，剪切波速度随着扫描深度的增加而降低。

3.3剪切波弹性成像的优势与不足 剪切弹性成像使用剪切模量，剪切模量显示出最大的变化，在正常和病理学的各种生理状态中超过五个数量级组织[22]。这意味着使用弹性模量可以使组织之间生物力学性质差异的敏感可视化[23]。并且剪切波弹性成像是所有弹性成像中唯一可定量方法。但是不足之处在于剪切波弹性成像在肌骨系统的研究少，没有足够的临床证据验证以上的观点。

4 展望

弹性成像可能是多普勒成像发展以来超声检查领域最重要的技术突破。它的特征与评估组织弹性的其他测试(例如磁共振弹性成像)相比，具有许多优点。优点包括成本低，检查时间短，非侵入性和可能更广泛的临床可及性。迄今进行的研究结果表明，EUS可用于评估临床条件下肌肉骨骼结构的力学性能。此外，它可能比MRI和灰色USS在检测亚临床肌肉和腱障碍中更有效。由于以上原因，EUS可以应用于物理治疗的早期诊断和监测，或作为评估在过程中发生的生化和病理生理变化的研究工具肌肉骨骼疾病[21]。然而，尽管EUS的可用文献有限，并且这些研究主要侧重于案例研究和没有对照组的小群体研究各种技术和评分系统。同时还存在技术问题，例如缺乏定量分析方法，存在伪像或观察者依赖因素，限制了测试的重复性[22]。因此急需大量的临床研究来完善这些观点。总之，超声弹性成像在临床应用中起着举足轻重的地位。