【新技术专题】让我们一起来学习超声弹性成像 -----浅谈弹性成像的发展史

弹性成像是什么？
这是一个超声成像术语，顾名思义这种成像模式旨在评估组织的弹性大小，提供更全面的疾病信息。
弹性是物质的一种固有属性，同密度、硬度、温度等一样，反映物质的一个特性。日常生活中人们粗略评估物质的弹性主要看给一种物质施压外压后物质的形变大小，例如海绵与金属：施加大体相同的压力后海绵发生巨大的形变，人们认为它是软的；而金属受压后无明显的变化，人们认为它是硬的。物质的硬度越大，其弹性越小；硬度越小，弹性越大。
为何要测量物质的弹性？

正常组织中不同的解剖结构之间会存在弹性差异。例如,在正常乳腺中,纤维组织通常比乳腺腺体组织硬,而乳腺腺体组织又比脂肪组织硬。绵羊肾脏的肾实质与肾髓质或者肾锥体的弹性系数差异大约为 6dB。不同组织弹性模量的差别能达到几个数量级之上（如表1）。

软组织类型		杨氏模量E（KPa）	密度ρ（kg／L）
乳腺	正常脂肪	18-24	1000+／－8
	正常腺体	28-66
	纤维组织	96-244
	恶性肿瘤	22-560
前列腺	正常前叶	55-63
	正常后叶	62-71
	前列腺增生	36-41
	恶性肿瘤	96-241
肝脏	正常肝脏	0.4-6
	肝纤维化	15-100

表1 人体不同组织的弹性值
传统的超声成像中，不同组织的回声强度差异大小主要取决于组织的声阻抗，而其弹性系数差异却远较声阻抗差大（如表2）。

介质类型	密度（g/cm3）	声阻抗率（106N?s/m3）
空 气	0.0013	0.000428
水	0.993	1.513
血 液	1.065	1.656
肝 脏	1.050	1.648
肌 肉	1.074	1.684
软 组 织	1.016	1.524
脂 肪	0.955	1.410
颅 骨	1.658	5.570

表2 不同人体组织及介质的声阻抗及密度
这决定了超声弹性成像对不同组织、同一组织的不同病理状态的分辨力较传统超声成像灰阶图高。换言之，同一组织中弹性的变化通常与其病理现象有关，正常组织与病变组织之间存在巨大的弹性差异。例如,恶性的病理损害,例如乳腺硬癌、前列腺癌、 甲状腺癌及肝癌等,通常表现为硬的小结节。越硬的物质受到外压时应变越小，硬度可反映物质的弹性大小。一些弥散性的疾病例如肝硬化也会使得肝组织的硬度显著增大。此外脂肪过多或者胶原质沉积也会改变组织的硬度。
什么是物质弹性的基本参数？

杨氏模量（E），亦称弹性模量／弹性系数。工程物理学上评估机械材料弹性大小的基本包括杨氏模量、刚性指数等，其实反映的都是物质的弹性。杨氏模量，1807年由英国科学家young thomas提出，反映物质弹性与硬度的基本参数，单位为Kpa。
此弹性模量（杨氏模量）与人们日常生活中提到的弹性（好／不好）不同，超声弹性成像中用到的杨氏模量值与硬度呈正比。即物质越硬，物质受压时产生的形变越小，弹性模量（杨氏模量）值越大。如海绵与金属，施加同一大小的外力，海绵形变大而杨氏模量小，金属形变小而杨氏模量大。

怎么计算杨氏模量？

目前的几种超声弹性成像模式中应用的推算公式主要包括2种：
1. E＝S/e （E为应变大小，间接反映弹性系数；S为外加压力；e为物质受压后形变的大小。主要应用于静态型弹性成像以及定性型ARFI）
2. E = 3ρCs2（E为弹性模量绝对值大小；ρ为组织密度；Cs为人体组织内剪切波的传播速度。主要应用于一维瞬时剪切波成像、点式剪切波速度测量法以及2D－剪切波弹性成像）
以上提到剪切波，那么什么是剪切波，它有哪些特点呢？
剪切波是一种对人体施加一定机械扰动后组织层面间产生的粘弹滑动力传播的横波（即波传播的方向与质点震动的方向垂直），属于机械波的一种，在液体及真空中不传播。而剪切波又是一种极为微弱、振幅与传播距离（数个毫米）都极短的波，传播速度较慢（1-10m／s）且在组织中传播时间极短（10-20ms即衰减消失）。越硬的介质中剪切波的传播速度越快。根据公式2，测得剪切波的传播速度即可计算出局部组织的杨氏模量。可是剪切波的独特特性使得捕捉并获得其传播参数极为困难。
实际上，人体几乎所有的脏器和组织密度均较为相近（如表1），传统超声纵波在人体组织传播的速度也较为近似（约1540m／s）；而不同人体组织的杨氏模量差却十分巨大，同一组织中软硬不同的区域剪切波（依靠组织层面间的剪切滑动力传播）的传导速度亦是数倍甚至数百倍的差异。真正的剪切波弹性成像从基本原理上是完全独立于传统超声成像的另外一种成像模式，科学、客观的反映人体组织的弹性。