李添捷，鄭永平，汪源源

1. 復(fù)旦大學(xué)電子工程系 生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，上海 200433；2. 香港理工大學(xué) 醫(yī)療科技及資訊學(xué)系， 香港

靜態(tài)超聲彈性成像：主觀還是客觀？定性還是定量？

李添捷1,2，鄭永平2，汪源源1

1. 復(fù)旦大學(xué)電子工程系 生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，上海 200433；2. 香港理工大學(xué) 醫(yī)療科技及資訊學(xué)系， 香港

靜態(tài)超聲彈性成像(Ultrasound Elastography)利用超聲探測技術(shù)，檢查組織的彈性特征，從一定程度上量化反映了醫(yī)生在觸診中的主觀感受，在科學(xué)研究和臨床實(shí)踐中有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。本文綜述了該項(xiàng)技術(shù)的研究背景、研究進(jìn)展，并對其臨床中遇到的問題做了初步的分析和探討。以期通過今后的研究，幫助醫(yī)生更好地獲得彈性圖像(Elastogram)，繼而做出客觀診斷。

彈性成像；靜態(tài)超聲彈性成像；計(jì)算機(jī)輔助診斷；乳腺；甲狀腺；癌癥診斷

1 研究背景

正常組織與病灶結(jié)構(gòu)成分的不同很大程度上造成了其力學(xué)特性的差異，俗稱“硬度”不同。通過離體組織彈性特征的測量，已證實(shí)這些差異的存在[1]。在傳統(tǒng)的體檢中，醫(yī)生往往通過觸診來感知受檢者體表及臟器的硬度，發(fā)現(xiàn)異常。但這樣的檢查缺乏量化，靈敏度低，且受醫(yī)生診斷經(jīng)驗(yàn)限制，容易誤診，于是彈性成像技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要解決的首要問題是如何選擇物理參數(shù)，來近似觸診中醫(yī)生對組織硬度的主觀感受。理論研究認(rèn)為，若忽略組織的粘性，并將其假設(shè)為各向同性的勻質(zhì)材料，便可以僅用楊氏模量 (Young's modulus)和泊松比(Poisson's ratio)兩個(gè)參數(shù)描述一定負(fù)載下組織的響應(yīng)[2]。

下一步便是彈性參數(shù)的測量，它包含兩方面的研究：激勵(lì)的施加和應(yīng)變的探測。常用的應(yīng)變探測方法有磁共振 成 像 (Magnetic Resonance Imaging, MRI)[3-5]和 超 聲 成 像(Ultrasound Imaging)[6-17]。 在 眾 多 彈 性 成 像 技 術(shù) 的 研 究 中，有的旨在提供量化的彈性參數(shù)值，有的則僅提供定性的組織硬度分布[18]。

根據(jù)激勵(lì)的時(shí)間特性，可以將現(xiàn)有的基于超聲檢測的彈性成像總結(jié)為三類[19]：采用靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)力的施壓式彈性成像 (Compression Elastography or Strain Imaging)、采用低頻瞬時(shí)振動(dòng)的瞬時(shí)彈性成像 (Transient Elastography)和采用低頻簡諧波的振動(dòng)聲彈性成像 (Vibration Sonoelastography)。也可以根據(jù)激勵(lì)的空間特性將超聲彈性成像分為兩類[18]：采用施加于組織表面的外部激勵(lì) (External Excitation)成像方式和采用施加于組織內(nèi)感興趣區(qū)域的內(nèi)部激勵(lì) (Internal Excitation)的成像方式。 后 者 可 以 由 生 物 組 織 自 發(fā) 產(chǎn) 生，用 于 心 臟和 血 管 的 彈 性 成 像[13-14]，也 可 以 通 過聲 輻 射 力(Acoustic Radiation Force)來生成強(qiáng)制性的內(nèi)應(yīng)力[15-17]。

實(shí)際上，彈性成像 (Elastography)一詞最早由 Ophir 等人提出[6]，因此狹義的彈性成像僅指這種靜態(tài)力激勵(lì)下的成像技術(shù)[20]。本文接下來將這種成像技術(shù)的研究進(jìn)展作簡單回顧，并對臨床應(yīng)用中影響醫(yī)生客觀診斷的主觀因素做初步的探討和分析，以期在今后的研究中加以解決。

2 成像技術(shù)的研究進(jìn)展

在典型的靜態(tài)力激勵(lì)下的超聲彈性成像中，一個(gè)緩慢的單軸外力被施加到生物組織表面，使之產(chǎn)生微幅應(yīng)變。通過跟蹤應(yīng)變前后超聲信號(hào)的變化，就可以估計(jì)出與外力對應(yīng)的組織應(yīng)變。進(jìn)而由生物組織的數(shù)學(xué)模型，得到組織彈性特征的分布。由于此處假設(shè)外力是緩慢、單軸的，應(yīng)變是微幅的，因此生物組織的數(shù)學(xué)模型被大大簡化，即可用胡克定律（Hooke's law）來描述受力條件下組織的應(yīng)變過程，用以計(jì)算組織各處的楊氏模量[2]。有研究采用氣囊和心血管自身的收縮和舒張，產(chǎn)生靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)力，將彈性超聲成像的原理用于心臟和血管的彈性成像之中[9,13-14]，國內(nèi)的研究小組也在此方面作了一些嘗試[21-23]。

跟蹤組織應(yīng)變前后的超聲信號(hào)，估計(jì)軸向應(yīng)變是彈性成像的關(guān)鍵技術(shù)。早期的算法有時(shí)域互相關(guān)散斑跟蹤技術(shù)[6]和基于相位的位移監(jiān)測技術(shù)[7]。為了提高應(yīng)變估計(jì)的準(zhǔn)確性和算法的穩(wěn)定性，各研究小組在算法層面做了很多有益的嘗試[21,24-30]，其中也包括了我們研究小組的一些研究和討論[31]。靜態(tài)彈性成像算法的另一個(gè)重要研究方向是非軸向位移的估計(jì)。有文獻(xiàn)指出非軸向運(yùn)動(dòng)會(huì)在相當(dāng)程度上妨礙軸向應(yīng)變的估計(jì)，同時(shí)任何三維物體的運(yùn)動(dòng)必需通過包括軸向在內(nèi)的三個(gè)分量上運(yùn)動(dòng)來完全表征[32]，這或許也是不同類型彈性圖（elastogram）研究的發(fā)端。這些彈性圖描述的組織彈性特征包括軸向應(yīng)變、橫向應(yīng)變、泊松比，以及多孔介質(zhì)的孔彈性[2,33]。

應(yīng) 變 濾 波 器 (Strain Filter)理 論[34]的 建 立 和 發(fā) 展 使 靜態(tài)彈性成像技術(shù)的量化評(píng)價(jià)成為可能。其基本思想是將組織的應(yīng)變視為真實(shí)信號(hào)，應(yīng)變的估計(jì)為觀察信號(hào)，從而給出 兩 者 信 噪 比 (Elastographic Signal-to-noise ratio, SNRe)的上界。根據(jù)應(yīng)變?yōu)V波器的結(jié)果，可進(jìn)一步定義對比度噪聲比 (Elastographic Contrast-to-noise ratio, CNRe)、 動(dòng) 態(tài) 范 圍(Dynamic Range, DR)和靈敏度 (Sensitivity)等概念，從而定量的評(píng)價(jià)不同算法和系統(tǒng)參數(shù)對成像效果的影響[2,35]。

3 靜態(tài)彈性成像應(yīng)用中影響醫(yī)生客觀診斷的主觀因素

目前，靜態(tài)彈性成像技術(shù)在乳腺、前列腺、甲狀腺、肝臟、心血管、熱損傷評(píng)估等領(lǐng)域的科學(xué)研究和臨床實(shí)踐中均有所應(yīng)用，但大部分的臨床診斷報(bào)告還是針對乳腺實(shí)質(zhì)性疾病[36-44]和甲狀腺結(jié)節(jié)[45-47]的鑒別診斷。

日本 HITACHI公司最早將實(shí)時(shí)組織彈性成像 (Realtime Elastograph Imaging, RTE)的 功 能 加 載 到 他 們 的 超 聲成像設(shè)備中。然而實(shí)際應(yīng)用中，如何利用彈性圖像客觀地鑒別病灶的良惡性，并非預(yù)想的那么容易。例如在乳腺實(shí)質(zhì)性疾病的良惡性鑒別中，彈性檢查對惡性病灶的準(zhǔn) 確 性 從 80.4%～91.4% 不 等，敏感性 和 特 異 性 則 分 別 從69.7%～96.2%、76.9%～95.7% 變化。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，診斷效果還會(huì)因病灶的大小和深度而大相徑庭[38-40,43]。下面將基于乳腺病灶良惡性鑒別的研究報(bào)道，及實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題，并結(jié)合靜態(tài)彈性成像的原理加以分析。

3.1 彈性檢查操作中的主觀因素

如前所述，為了簡化生物組織的數(shù)學(xué)模型，靜態(tài)彈性成像中往往假設(shè)外力是單軸緩慢施加的，并且要求組織形變較小來保證數(shù)學(xué)上對彈性模型線性假設(shè)的有效性，這就對醫(yī)生使用手持式超聲探頭時(shí)的施力提出了要求。具體說來操作者在檢查組織彈性時(shí)，必須同時(shí)考慮施力的頻率、大小、方向。早期的臨床研究往往缺乏對所施壓力的量化考量，因此在一定程度上造成診斷結(jié)果的差異。HITACHI公司針對這一難題，設(shè)計(jì)了專門的指示器，將操作者施加的壓力分為7級(jí)，用以提示操作。國內(nèi)的研究小組通過深入的研究發(fā)現(xiàn)，該力指示器提示 2～3 級(jí)時(shí)，乳腺病灶良惡識(shí)別的準(zhǔn)確性最高[48]。

該 研 究 小 組 同 時(shí) 也 發(fā) 現(xiàn) 彈 性 感 興 趣 區(qū) 域（Region of Interest，ROI）面積的選擇對診斷結(jié)果也有不可忽視的影響，并建議將 ROI 大小調(diào)至病灶兩倍面積以上[49]。我們認(rèn)為 ROI之所以會(huì)對診斷結(jié)果造成影響，可能是由于這些研究采用的彈性成像設(shè)備只是將感興趣區(qū)域內(nèi)組織的彈性特征映射到彩色空間加以顯示，而未給出病灶組織彈性的絕對測量值，致使顯示結(jié)果隨著ROI大小而改變，進(jìn)而造成診斷結(jié)果的差異。

力指示器的設(shè)計(jì)和 ROI選擇的量化考慮，無疑會(huì)對組織彈性檢查的標(biāo)準(zhǔn)化起到重要的作用。如何進(jìn)一步完善彈性檢查的操作，從而減少操作者主觀因素對診斷結(jié)果的影響，并盡可能地降低操作的復(fù)雜性，仍然是今后研究的重要方向。

3.2 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對診斷的影響

彈性圖像評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)提出的初衷或許是為彈性診斷提供一個(gè)量化參考，從而幫助醫(yī)生更好地理解彈性圖，更客觀簡便地做出判斷，減少個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、能力，甚至心情等主觀因素對診斷結(jié)果的影響。目前普遍采用的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)包括Itoh 等人提出的 5 分法[37]和 Scaperrotta 等人提出的改進(jìn) 5分法，改進(jìn)的方法特別補(bǔ)充了囊性病灶彈性圖紅綠藍(lán)三色條狀分布的特殊情況[38]。

然而這些評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)采用了大量模糊性的字眼，使得醫(yī)生的診斷帶有很強(qiáng)的主觀性，給標(biāo)準(zhǔn)的推廣和應(yīng)用造成了一定的障礙。有國內(nèi)的研究小組針對乳腺彈性圖像的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)作了一系列研究，為明確評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的描述，先后報(bào)道了7分法、8分法、改良5分法。最近的研究還提出了應(yīng)變率評(píng)分法[50]。在該方法中，醫(yī)生需要借助計(jì)算機(jī)輔助軟件圈劃病灶和周圍正常組織，計(jì)算得到兩者應(yīng)變的比值，繼而由該比值直接獲得病灶良惡性的判斷，據(jù)報(bào)道新方法對乳腺病灶良惡性鑒別更精確穩(wěn)定[40]。

那么彈性圖上是否存在應(yīng)變率以外的其他特征，可以進(jìn)一步提高病灶良惡性的鑒別的效果？這些特征又是否可以與傳統(tǒng)的乳腺超聲檢查相結(jié)合，或者像美國放射學(xué)院乳腺影像報(bào)告和數(shù)據(jù)系統(tǒng) (American College of Radiology Breast Imaging Reporting and Data System, BI-RADS)那樣作為彈性檢查時(shí)公用的參考標(biāo)準(zhǔn)？此外這些特征是否會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中增加檢查的復(fù)雜性增加醫(yī)生的負(fù)擔(dān)？

我們認(rèn)為，作為一種新型的成像技術(shù)，靜態(tài)彈性超聲對傳統(tǒng)的超聲檢查做了一些有益的補(bǔ)充，但目前對彈性圖像所含信息的理解比較表面，缺乏系統(tǒng)的研究。另一方面，當(dāng)傳統(tǒng)超聲圖像中的特征信息和彈性超聲信息同時(shí)擺在眼前的時(shí)候，如何幫助醫(yī)生客觀地理解綜合這些信息？現(xiàn)有的研究大都只是從決策級(jí)上直接對超聲檢查的結(jié)果進(jìn)行綜合，因而沒有能夠充分利用不同圖像中提供的特征信息，或是由醫(yī)生直接對不同圖像進(jìn)行綜合考量，增加了診斷的復(fù)雜程度[38,42]?；蛟S計(jì)算機(jī)輔助診斷系統(tǒng)（Computer Aided Diagnosis System，CAD）會(huì)是一個(gè)很好的解決方案。首先，借助計(jì)算機(jī)可以系統(tǒng)地得到彈性圖中各種特征的量化值，以便進(jìn)一步分析這些特征與病灶良惡性的相關(guān)程度；另外，可以在特征級(jí)上將彈性檢查與傳統(tǒng)超聲檢查得到的組織特征加以選擇和整合，而醫(yī)生看到的將是較為簡單直觀的客觀評(píng)價(jià)參考，而不是一大堆復(fù)雜的特征數(shù)據(jù)。

4 展望未來

靜態(tài)彈性成像技術(shù)的發(fā)展將拓寬其在科研和臨床領(lǐng)域的各項(xiàng)應(yīng)用。尤其在乳腺病灶和甲狀腺結(jié)節(jié)良惡性鑒別中，已被證明具有相當(dāng)?shù)呐R床價(jià)值。近來還出現(xiàn)了一些能夠顯示被測組織絕對硬度的儀器，如何將這些絕對硬度值更好地結(jié)合到傳統(tǒng)超聲平臺(tái)，繼而用于臨床診斷，需要深入的研究。此外，進(jìn)一步規(guī)范彈性檢查的操作過程和計(jì)算機(jī)輔助診斷系統(tǒng)的開發(fā)，以及加載彈性成像功能的超聲設(shè)備性價(jià)比的提高[51]，有望讓該項(xiàng)技術(shù)為臨床診斷提供真正客觀量化的診斷參考，幫助醫(yī)生更全面地了解病例，做出準(zhǔn)確的診斷。

致謝

本課題得到了香港理工大學(xué)內(nèi)地大學(xué)博士聯(lián)合培養(yǎng)計(jì)劃(G-U803)及研究項(xiàng)目 (J-BB69)的支持。

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[49]羅葆明,曾婕,歐冰,等．乳腺超聲彈性成像檢查感興趣區(qū)域大小對診斷結(jié)果影響[J]．中國醫(yī)學(xué)影像技術(shù),2007,23(9): 1330-1332．

[50]鐘文景, 羅葆明．乳腺疾病超聲彈性成像診斷中的現(xiàn)狀[J]．中國醫(yī)療器械信息, 2008,14(4):4-5,12．

[51]鄭永平, 周永進(jìn), 黃錚銘． 一種基于傳統(tǒng)超聲成像系統(tǒng)平臺(tái)的組織超聲彈性成像功能的實(shí)現(xiàn)[J]．中國醫(yī)療設(shè)備,2011,(1) 1-3．

Ultrasound Elastography: Quantitative or Qualitative? Objective or Subjective?

LI Tian-jie1,2, ZHENG Yong-ping2, WANG Yuan-yuan1
1. Department of Electronic Engineering, Fudan University, Shanghai 200433, China; 2. Department of Health Technology and Informatics, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China

Ultrasound elastography reveals the elastic property of biological tissues. It quantifies the characteristics felt by palpation to some extent, and thus has an extensive value in scientific studies and clinical practices. After reviewing its background and study progress, this paper provides a preliminary analysis and discussion of the problems encountered in clinical practice. Further studies are expected to help doctors better assess the elastogram of tissues for objective diagnosis.

elasticity imaging；ultrasound elastography；computer aided diagnosis；breast；thyroid；cancer diagnosis

R445.1

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.01.002

1674-1633(2011)01-0004-04

2010-11-01

香港理工大學(xué)內(nèi)地大學(xué)博士聯(lián)合培養(yǎng)計(jì)劃(G-U803)及研究項(xiàng)目（J-BB69）支持。

鄭永平，教授。

通訊作者郵箱：ypzheng@ieee．org