声弹性成像原理

第一节　声弹性成像原理

弹性成像的基本原理为对组织施加一个内部（包括自身的）或外部的动态、静态、准静态或者动态的激励。在弹性力学、生物力学等物理规律作用下，组织将产生一个响应，例如位移、应变、速度的分布有一定的差异。简单地说，弹性模量较大即较硬的组织应变较小，或者振动的幅度较小或速度较大。利用超声成像、磁共振成像或者光学成像等方法，结合数字信号处理或者数字图像处理的技术，可以估计出组织内部的相应情况，从而反映组织内部的弹性模量等力学属性的差异。

根据采用的成像模态的不同，弹性成像主要包括声弹性成像（acoustic elastography）和磁共振弹性成像（MR elastography，MRE），还有光学相干断层弹性成像（optical coherence tomographic elastography）等。根据组织激励方式的不同，声弹性成像可以分为采用静态或准静态压缩的弹性成像、血管弹性成像（vascular elastography）、心肌弹性成像（cardiac elastography）、采用低频振动激励的声弹性成像（sonoelastography）、基于脉冲激励和超快速超声成像系统的瞬时弹性成像（Transient elastography）或者脉冲弹性成像（pulsed elastography）、采用声辐射力激励的声辐射力叩击成像（acoustic radiation force impulse imaging，ARFI）、辐射力成像（radiation force imaging）、剪切波弹性成像（shear wave elasticity imaging，SWEI）和超速剪切成像（supersonic shear imaging）、利用超声激励的声发射技术（ultrasound-stimulated acoustic emission）的振动声成像（vibro-acoustography）和谐波运动成像（harmonic motion imaging）等。采用静态或准静态压缩的声弹性成像的原理是：对组织施加一个微小的应变（如1%的量级），对组织压缩前、后的射频或者包络信号进行斑点追踪（speckle tracking），估计得到组织内部的位移分布（一般为纵向位移），从而得到组织的应变分布（一般为纵向应变）。得到的应变分布以灰度图或者伪彩图的形式表示，称为弹性图像或者应变图像。因此，声弹性成像也称为应变成像（strain imaging）。位移估计一般采用互相关函数的最大值位置或者相位为零的位置作为位移的估计。为了提高计算速度，也可以采用绝对值差和（sum of absolute differences，SAD）或者平方差和（sum of squared differences，SSD）代替互相关函数。射频信号包含了比包络信号更丰富的信息，能提高位移估计的精度和分辨率；而包络信号得到的结果更为平滑。

血管弹性成像利用气囊、血压变化或者外部挤压来微创或无创地激励血管，估计血管的运动即位移（一般为纵向），得到血管的应变分布，从而表征血管的弹性。还有一种特殊的血管弹性成像，称为触摸成像（palpography），反映的是血管内壁的一维信息，具有良好的稳定性和计算速度，结果称为触摸图像（palpogram）。血管弹性成像可用于估计粥样斑块的组成成分、评价粥样斑块的易损性、估计血栓的硬度和形成时间，甚至观察介入治疗和药物治疗的效果，具有重要的临床价值。心肌弹性成像的原理与采用静态压缩的弹性成像类似，但采用的激励是自身的心脏收缩舒张。连续采集两帧数据的时间内，组织的运动较小，可认为是准静态的。估计组织沿探头径向的位移，从而得到心肌的应变、应变率和速度等参数的空间分布以及随时间的变化。

心肌弹性成像能准确客观地对局部心肌功能进行定量评价，具有高精度、高分辨率（时间、空间）、角度无关性以及很好的重复性等优点，可能用于心肌梗死和心肌缺血的定位。

采用静态或准静态压缩的声弹性成像是最基本的方法，很多其他方式的声弹性成像也是用同样或类似的方法进行位移估计或者应变估计。并且弹性成像一词最初出自采用静态或准静态压缩的声弹性成像。因此，狭义的弹性成像仅指这种成像方式。