超聲彈性成像在肌骨組織系統(tǒng)中的應(yīng)用及研究進(jìn)展

王米雪 于 韜 王浩天 侯怡如 孫嘉憶 劉葉秋 常 靜 熊佳佳

1.中國醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院；遼寧省腫瘤醫(yī)院；超聲科；(遼寧 沈陽 110042);2.大連醫(yī)科大學(xué)第一臨床學(xué)院 (遼寧 大連 116044)

超聲彈性成像(EUS)是與常規(guī)超聲及多普勒超聲相輔相成的新技術(shù)。將彈性成像引入超聲波研究是近年來繼引入多普勒技術(shù)后的另一個重大突破。目前在臨床實踐中使用了幾種彈性成像技術(shù)。它們之間的根本區(qū)別在于壓力的類型及來源，而且用來檢測目標(biāo)結(jié)構(gòu)的位移情況的方法也有不同之處[1]?；緩椥猿上窦夹g(shù)包括：應(yīng)變彈性成像(SE)，聲輻射力脈沖彈性成像(ARFI-EUS)和剪切波彈性成像(SWE)等。因此，本文就不同的超聲彈性成像技術(shù)在肌骨組織疾病診斷中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 應(yīng)變彈性成像

1.1應(yīng)變彈性成像的原理(Strain Elastography,SE) 應(yīng)變彈性成像的原理在1991年由Ophir及其同事首先報道[2]。它是一種利用超聲(US)系統(tǒng)將應(yīng)變測量值轉(zhuǎn)換為顏色編碼的應(yīng)變圖和彈性圖，通過應(yīng)變圖和彈性圖來反映組織硬度的方法。(因為手動變形不能量化，所以用彈性圖表示相對組織應(yīng)變)。彈性圖藍(lán)色代表組織硬，綠色和黃色處于中間，紅色代表組織柔軟，彈性圖通過不同的顏色反映了組織軟硬程度的差異。通過對組織硬度的定性和半定量分析，研究超聲波彈性成像在肌骨組織疾病中的應(yīng)用[3]。

1.2應(yīng)變彈性成像在肌骨組織系統(tǒng)中的應(yīng)用 應(yīng)變彈性成像常使用的參數(shù)有應(yīng)變率，應(yīng)變直方圖以及視覺評分。前兩個是半定量方法，后者是定性的方法。應(yīng)變率基于兩個感興趣的區(qū)域(ROI)，一個選在病變內(nèi)部，另一個盡量選擇在與病變相同的深度參考組織中[4]。在兩個ROI使用相等的應(yīng)力的情況下，就可以計算兩個ROI之間的應(yīng)變相對差異。應(yīng)變直方圖是顯示ROI中顏色分布的直方圖。因ROI中的每個像素均有從0到255的刻度上相對應(yīng)顏色，所以可以從應(yīng)變直方圖計算平均像素值。第三種方法是彈性圖的視覺評分，其包括根據(jù)顏色和圖案評估彈性圖。

學(xué)者Riishede等人[5]用這三個參數(shù)初步評估軟組織腫瘤的良惡性，發(fā)現(xiàn)惡性腫瘤的平均應(yīng)變率明顯高于良性腫瘤的應(yīng)變率。而且當(dāng)去掉含脂肪腫瘤樣本時，惡性和良性腫瘤的平均應(yīng)變率之間的差異增加。這意味著將來可能將應(yīng)變率用作診斷軟組織腫瘤的輔助手段。但是他還發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變直方圖和視覺評分在良性和惡性軟組織腫瘤之間沒有顯著的差異。

雖然應(yīng)變彈性成像是一種操作者依賴的技術(shù)成像，但是SE可以用于定性和定量評估表面軟組織病變。學(xué)者Nicola Magarelli[6]等人在研究中證明SE在區(qū)分表面軟組織病變的硬度特征方面發(fā)揮作用，并表明惡性病變硬度增加(藍(lán)色)，即惡性腫瘤往往比良性腫塊更硬，SE上通常呈藍(lán)色變化。

1.3應(yīng)變彈性成像的優(yōu)勢與不足 應(yīng)變彈性成像是人為對組織施加壓力，因此，主觀性比較強(qiáng)。但是另一方面，在大多數(shù)情況下，常規(guī)超聲波可用于檢測軟組織病變，然而有時良性腫塊的灰度超聲和/或彩色多普勒外觀可能類似惡性腫瘤。雖然超聲檢查是一個高度依賴于操作者的技術(shù)，但SE技術(shù)在一定程度上的提高了診斷的客觀性[6]。雖然SE不能代替灰度級和彩色和/或多普勒超聲檢查，但我們的數(shù)據(jù)表明，SE可以提高診斷準(zhǔn)確性，可能對良性病變的隨訪有用。

2 聲脈沖輻射力彈性成像(acoustic radiation force impulse，ARFI)

2.1聲脈沖輻射力彈性成像的原理 ARFI是以常規(guī)超聲為基礎(chǔ)，利用調(diào)制的高頻聚焦超聲作為激勵機(jī)制，受到脈沖聲輻射力的組織粒子產(chǎn)生振動，發(fā)生縱向壓縮的同時產(chǎn)生橫向位移，由此反映組織的彈性特性[7-10]。以縱向壓縮為基礎(chǔ)的彈性成像通過病變區(qū)域顯示的灰度，可定性反映組織的彈性特征，灰度越大，彈性越小，組織越硬；而橫向傳導(dǎo)的剪切波彈性成像依據(jù)剪切波在不同組織內(nèi)的傳播速度差異，可間接反映組織彈性，定量表示組織硬度。剪切波速度(shear wave velocity,SWV)越大，彈性越小，組織越硬[11]。此彈性技術(shù)可進(jìn)行聲觸診組織成像(virtual touch tissue imaging,VTI)、聲觸診組織量化(virtual touch tissue quantification,VTQ)。VTI 技術(shù)是通過局部組織縱向上的位移大小，獲得感興趣區(qū)的組織硬度灰階圖，灰度越大，提示組織越硬，彈性越差，反之組織越軟，彈性越好;VTQ 技術(shù)則是通過感興趣區(qū)組織受到探頭發(fā)射的推力脈沖作用后，組織產(chǎn)生橫向振動，進(jìn)而獲得剪切波信息，計算并顯示 SWV，SWV 值越高，反映該組織越硬、彈性越差[12]。利用ARFI彈性參數(shù)可評估病變組織硬度變化情況，為各器官病變的鑒別診斷提供重要依據(jù)。

2.2聲脈沖輻射力彈性成像在診斷肌骨腫塊良惡性中的應(yīng)用 Pass Bill等人有初步研究證明良性和惡性腫塊在縱向平面上的剪切波速度不同，樣本中惡性腫塊產(chǎn)生的平均剪切波速度比良性腫塊的慢30%。該試驗研究的剪切波數(shù)據(jù)表明，該測試是可重復(fù)的，并且與良性腫塊相比，惡性腫塊可能具有較慢的縱向剪切波速度[13]。但是因為該研究樣本量較小，因此需要更多大量本的研究來進(jìn)行驗證。

2.3聲脈沖輻射力彈性成像的優(yōu)勢與不足 聲輻射力彈性成像克服了靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)彈性成像對深部組織無法有效施壓的局限性，使得彈性成像更廣泛的應(yīng)用于各個系統(tǒng)疾病的診斷中。ARFI利用短周期(<1 s)脈沖聲壓作用于ROI，使組織內(nèi)部產(chǎn)生縱向及橫向位移，同時發(fā)射聲脈沖序列探測組織位移，采集組織內(nèi)部縱向及橫向剪切波，分別獲得 VTI 彈性圖像及 VTQ 彈性值[14-15]，與傳統(tǒng)的實時彈性成像不同，無需對靶器官施加額外壓力，操作者依賴性較小，可重復(fù)性較高，且與患者體質(zhì)量指數(shù)、年齡及性別無顯著相關(guān)性[16]。并且，ARFI 不僅能夠定性反應(yīng)組織相對硬度(VTI 技術(shù))，還能通過 VTQ 技術(shù)定量分析組織硬度值。但是在肌骨腫塊方面的ARFI研究相對較少，同時也缺乏相應(yīng)的診斷標(biāo)準(zhǔn)，因此還需要繼續(xù)做大量的前瞻研究才行。

3 剪切波彈性成像(Shear Wave Elastography,SWE)

3.1剪切波彈性成像的原理 剪切波彈性成像(SWE)通常以二維形式結(jié)合傳統(tǒng)超聲成像定量、實時顯示組織彈性值。SWE 技術(shù)的超聲探頭在深部組織聚焦出局部聲輻射力，推動組織產(chǎn)生剪切波，同時產(chǎn)生的多個聚焦點(diǎn)，以垂直于患者體表的方向排成一線，制造出圓錐形的剪切波波陣面，該超聲探頭沿聚焦點(diǎn)兩側(cè)掃描整幅圖像，使用快速接收技術(shù)來捕獲剪切波的演變。而聚焦于圖像中心的聲束產(chǎn)生剪切波[17]。

在測量軟組織彈性時，通常使用楊氏模量(E)來表示。楊氏模量(E)是材料在單軸壓縮或張力(kPa)下變形的阻力[18]。而剪切模量(μ)則是抗剪切力(kPa)[19]。在軟組織中，波的傳播有兩種模式：縱波(cL)，其中粒子在波傳播的方向上振動；橫波(cT)，其中粒子在波傳播方向橫向擺動。橫波傳播速度稱為剪切波速度(或剪切速度，m/s)，并且是彈性模量的項之一。楊氏模量定義為E = 3μ= 3ρc2，其中ρ表示組織密度。因此，通過定量分析系統(tǒng)就可以直接得到感興趣區(qū)域的楊氏模量值。

3.2剪切波彈性成像在肌骨組織系統(tǒng)中的應(yīng)用 Caroline Ewertsen等人[20]通過評估健康志愿者中三種不同肌肉的深度研究骨骼對應(yīng)變率和剪切波速度的影響。并且還評估了應(yīng)變率對不同感興趣區(qū)相關(guān)位置的影響。研究者對10名健康志愿者(5名男性和5名女性)在三個不同深度和位于骨骼和骨旁邊的區(qū)域中，用應(yīng)變和剪切波形彈性成像檢查了其二頭肌肱骨，腓腸肌和四頭肌。應(yīng)變比由10秒長度的線圈平均，剪切波速度在每個目標(biāo)點(diǎn)測量10次。測量從每個感興趣區(qū)域的皮膚表面到中心的距離。用描述性統(tǒng)計和線性回歸評估測量。結(jié)果為線性回歸顯示對參考值的應(yīng)變比測量有顯著影響即利益相關(guān)位置，即與目標(biāo)感興趣的區(qū)域高于相同的結(jié)構(gòu)應(yīng)變比值顯著依賴于參考和目標(biāo)感興趣區(qū)域在同一組織上，例如骨。應(yīng)變比不受深度影響。如果在感興趣區(qū)域之下存在骨骼，剪切波速度隨著掃描深度的增加而降低。

3.3剪切波彈性成像的優(yōu)勢與不足 剪切彈性成像使用剪切模量，剪切模量顯示出最大的變化，在正常和病理學(xué)的各種生理狀態(tài)中超過五個數(shù)量級組織[22]。這意味著使用彈性模量可以使組織之間生物力學(xué)性質(zhì)差異的敏感可視化[23]。并且剪切波彈性成像是所有彈性成像中唯一可定量方法。但是不足之處在于剪切波彈性成像在肌骨系統(tǒng)的研究少，沒有足夠的臨床證據(jù)驗證以上的觀點(diǎn)。

4 展望

彈性成像可能是多普勒成像發(fā)展以來超聲檢查領(lǐng)域最重要的技術(shù)突破。它的特征與評估組織彈性的其他測試(例如磁共振彈性成像)相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)包括成本低，檢查時間短，非侵入性和可能更廣泛的臨床可及性。迄今進(jìn)行的研究結(jié)果表明，EUS可用于評估臨床條件下肌肉骨骼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。此外，它可能比MRI和灰色USS在檢測亞臨床肌肉和腱障礙中更有效。由于以上原因，EUS可以應(yīng)用于物理治療的早期診斷和監(jiān)測，或作為評估在過程中發(fā)生的生化和病理生理變化的研究工具肌肉骨骼疾病[21]。然而，盡管EUS的可用文獻(xiàn)有限，并且這些研究主要側(cè)重于案例研究和沒有對照組的小群體研究各種技術(shù)和評分系統(tǒng)。同時還存在技術(shù)問題，例如缺乏定量分析方法，存在偽像或觀察者依賴因素，限制了測試的重復(fù)性[22]。因此急需大量的臨床研究來完善這些觀點(diǎn)?？傊晱椥猿上裨谂R床應(yīng)用中起著舉足輕重的地位。