剪切波弹性成像：于细微处见真知

随着超声弹性成像技术的不断深入开展，广大医生们对这个超声医学家族中的新宠儿寄予了越来越多的希望。不过“理想很丰满，现实太骨感”，应变式弹性成像的问题不断显现出来，首当其冲的就是：不能准确量化数据，只能做到定性判断或者半定量对比。于是，为了找到能够做到对数据准确量化的弹性成像方式方法，科研人员和医生们又开始了艰苦的探索。当很多超声人一筹莫展之时，来自临床科室的一份技术报告如同暗夜中的一丝星光，让人找到了前进的方向：这就是FibroScan探测肝纤维化程度分级报告。

FibroScan探测肝纤维化程度分级报告

这样的报告单，无论图像还是数据看起来和我们熟悉的超声检查报告是那么的不同。它Z核心的内容是一个以 kPa 为单位的数字，能反映出肝脏纤维化程度。这让我们这些“影像医生”有点茫然了，这个数字是什么？它是怎么得出来的？它有哪些临床意义？……一系列的问题摆在眼前。而为了说明和证实这些问题，一个极其重要的物理量终于露出了庐山面目，被推上了前台——剪切波。

什么是剪切波

我们平时用于诊断的超声波是纵波，而剪切波是一种横波。这是一列垂直于发射超声波方向传导的能量微弱的机械波。那么怎么才能诱发出剪切波呢？简单来说：只要让组织产生一定程度的震动或者形变，就可以在其周围出现剪切波传播。

机械波在组织里传播，其传播速度与组织质地性质有关，这是Z基本的物理学原理。只要我们探测出剪切波速度值，不就是知道了组织质地吗？而速度值就是完全量化的数据。哈哈，问题好像变简单了！然而，事实真的这么简单吗？

这需要从两个方面说起：

1. 怎么诱发出稳定安全的剪切波？

2. 怎么准确计算出剪切波的传导速度？

如何诱发剪切波

前面说过：只要能产生一定程度的震动或者形变就好了。这看似简单，但问题是我们的靶目标是人，是活生生的人。人接受外力及外界能量的能力有限，如果超过安全界限，就会对患者带来更多伤害。这样的方法是医生和患者都不愿意接受的。那么，在安全许可下产生的剪切波是一种什么样的物理量呢？它的幅度很小，小于几十um，甚至低至1-5um。它的速度很慢且很广，为1-15m/s。它的衰减很快，小于几十个ms，甚至低至5ms。

如何测量剪切波

正是因为如上人体内剪切波的这些特点，检测剪切波的平台就要求有尽可能优的剪切波源、尽可能快的检测速率、尽可能宽的检测视野和尽量集中的检测能量。经过反复的实验和努力，目前实验临床应用剪切波测算有三种：

1. 瞬时弹性成像（TE）

外力来自于低频(50Hz)机械振动，以一维图像显示硬度信息。这就是我们前面提到的Fibroscan。这样操作简便，但是剪切波是无法通过液性组织传播的。当遇到肝前腹水时，剪切波无法向深处传播，肝脏弹性成像也就失败了。

2. 点式剪切波弹性成像（pSWE/STQ）

当外力为声辐射力时，也就是说用探头来发射激励，在一定深度的组织聚焦，产生剪切波并被检测。这样克服了只有一维图像的困扰，对于肝脏也不怕肝前腹水的影响了。可是，能够被检测的范围比较小。

肝脏STQ图

3. 二维剪切波弹性成像（2D- SWE/STE）

接着，剪切波弹性成像继续飞速发展。每个厂家也用不同的发射激励和接收信息的办法实现了二维剪切波弹性成像。

迈瑞是怎么做的

迈瑞采用队列式发射及超宽波速追踪成像。利用医学超声功率范围内的聚焦超声波束的辐射力，在生物黏性组织局部区域内产生剪切波。超声系统追踪剪切波的传播速度，持续地追踪和记录ROI内剪切波引起的组织的位移改变。Z终，获得剪切波的传播速度和推导出组织的弹性模量。剪切波可以在不同的位置依次产生并传播，系统获取每个位置的剪切波速度，进而形成一幅剪切波弹性图像。STE可以以高达每帧10KHz的速度，有效地探测剪切波的信号。声辐射力产生的剪切波的幅度很微弱，通常只有几微米到几十微米。在剪切波传播过程中，STE技术通过微调接收波束的位置，使得超声波束的能量尽可能的集中，从而提高接收信号的质量。

声辐射力和剪切波

超宽波束追踪成像

作为一种无创的能够反应组织硬度的功能性成像方法。目前剪切波弹性成像的研究已经涉及肝脏、甲状腺、乳腺、胃肠道、肌骨等方方面面，对于弥漫性病变的分级、局灶性病变的鉴别诊断、疾病的监测及随访等都有重要的意义。例如诊断肝脏纤维化的分期，从F1-F4的图像中，我们发现，尽管二维声像图差别不大，但当纤维化程度时，肝脏杨氏模量也了，也就是说肝脏“变硬”了。可见，超声发展到这里，不但有形态学上的灰阶超声，血流动力学上的彩色多普勒超声，还有机械力学上的弹性超声。

肝纤维化F1期

肝纤维化F2期

肝纤维化F3期

肝纤维化F4期

回首剪切波弹性成像的发展，从理论的提出到如今临床的实际应用，从单一商用仪器的垄断到如今各厂家各型号的百花齐放，从体模实验的摸索到临床各多ZX研究的开展。短短20余年，科技飞速进步，认知不断更新，有理由认为，人工智能和大数据时代的来临将给我们带来指数级的革新，剪切波弹性成像的应用也将会以想象不到的速度发展向前。

References:

1. Dietrich CF, Bamber J, Berzigotti A, et al.EFSUMB Guidelines and Recommendations on the Clinical Use of Liver Ultrasound Elastography, Update 2017 (Long Version). Ultraschall Med 2017; 38:e48.

2. Cosgrove, D., et al., EFSUMB guidelines and recommendations on theclinical use of ultrasound elastography. Part 2: Clinical applications.Ultraschall Med, 2013. 34(3): p. 238-53.

注：本文临床图片皆来自深圳市第三人民医院超声科，特此感谢！